تصور کنید کتاب قوانینی برای تمام هستی وجود دارد. در فصلهای ابتدایی، همهچیز قابل پیشبینی است: توپها برای عبور از تپه به انرژی نیاز دارند، جریان برق در سیمها همیشه با مقاومت روبهرو میشود و یک جسم نمیتواند همزمان در دو مکان باشد. اما این کتاب، یک پیوست اسرارآمیز دارد که در آن، تمام این قوانین آشنا در هم میشکند. به این پیوست جادویی «مکانیک کوانتوم» میگویند. در ادامه میخواهیم با هم سه داستان عجیب از این دنیای پنهان را ورق بزنیم؛ داستان ذراتی که مانند ارواح از دل دیوارها عبور میکنند، جریانهای الکتریکی که تا ابد بدون خستگی به حرکت خود ادامه میدهند و الکترونهایی که همزمان در دو نقطه از جهان حضور دارند. اینها داستانهای علمی-تخیلی نیستند، بلکه بخشی از واقعیتیاند که فناوریهای آینده ما را شکل میدهند.
شبحی در دیوار: راز تونلزنی کوانتومی
در دنیای ما، اگر توپی را بهسمت دیواری پرتاب کنید، برمیگردد یا متوقف میشود. انرژی توپ برای عبور از دیوار کافی نیست اما در مقیاس کوانتومی، داستان کاملا متفاوت است. یک ذره زیراتمی، مانند الکترون، تنها یک گلوله کوچک و سخت نیست، بلکه بیشتر شبیه یک «اَبر احتمال» است که در فضا پخش شده. این خاصیت موجمانند به ذره اجازه میدهد کاری شبیه به جادو انجام دهد: عبور از سدی که از نظر کلاسیک غیرقابل عبور است. این پدیده که «تونلزنی کوانتومی» نام دارد، برآمده از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. طبق این اصل، همیشه عدم قطعیتی در انرژی و مکان ذره وجود دارد که به آن اجازه میدهد بهطور موقت انرژی لازم برای «قرض گرفتن» را داشته باشد و از مانع عبور کند.
تابع موج ذره بهآرامی به داخل سد نفوذ میکند و هرچند با عبور از آن ضعیفتر میشود، درنهایت با احتمال غیرصفر در سوی دیگر ظاهر میشود. این احتمال با افزایش ضخامت و ارتفاع سد، بهصورت نمایی کاهش مییابد.
شاید به نظر برسد این پدیده تنها یک کنجکاوی نظری غریب است اما تونلزنی کوانتومی موتوری پنهان در قلب بسیاری از فرآیندهای طبیعی و فناوریهای مدرن است. این «تقلب» کوانتومی، جهان ما را همانگونه که میشناسیم، ممکن میسازد.
درخشش ستارگان را در نظر بگیرید. در کوره سوزان مرکز خورشید، هستههای هیدروژن مانند دو قطب همنام آهنربایی غولپیکر، با نیرویی عظیم یکدیگر را دفع میکنند. آنها انرژی کافی برای غلبه بر این «دیوار دافعه» با زورِ صرف را ندارند. اما تونلزنی به آنها یک راه میانبُر جادویی میدهد؛ پروتونها بهسادگی از دل این سد انرژی عبور کرده و به هم میپیوندند. این فرآیند همجوشی هستهای، همان واکنشی است که هر روز به سیاره ما نور و گرما میبخشد. بدون این عبور شبحوار، خورشید هرگز روشن نمیشد.
این پدیده در واپاشی رادیواکتیو نیز نقشی حیاتی دارد. در هسته اتمهای سنگینی مانند اورانیوم، ذرات آلفا در یک زندان انرژی قدرتمند اسیر شدهاند. طبق قوانین کلاسیک، آنها باید برای همیشه زندانی میماندند. اما تونلزنی به این ذرات اجازه میدهد بهصورت تصادفی از دیوارهای این زندان نامریی «نشت» کنند. همین فرار تدریجی و پیوسته است که باعث میشود این عناصر ناپایدار بوده و از خود تشعشع ساطع کنند.
در فناوری مدرن، ما از این پدیده به شکلی هوشمندانه بهره میبریم. میکروسکوپهای تونلی روبشی (STM) را تصور کنید. این دستگاهها یک سوزن فوقالعاده تیز را تا نزدیکی یک سطح (بدون تماس فیزیکی) پایین میآورند. سپس، الکترونها از نوک سوزن به سطح ماده «تونل» میزنند و یک جریان الکتریکی ضعیف ایجاد میکنند. با حرکت دادن سوزن و اندازهگیری این جریان، دانشمندان میتوانند نقشهای دقیق از تکتک اتمهای روی سطح تهیه کنند؛ گویی با انگشتان کوانتومی، چهره اتمها را لمس میکنند. این فناوری انقلابی درک ما از دنیای نانو را متحول کرده و همهچیز، از دیودهای پرسرعت تا حافظههای فلش، به نوعی مدیون این عبور شبحوار از موانع است.
معمای اَبَررسانایی و جریانهای ابد
هرگاه از تلفن همراه یا لپتاپ خود استفاده میکنید، گرمای تولیدشده را حس کردهاید. این گرما نتیجه مقاومت الکتریکی است؛ الکترونها هنگام حرکت در سیم با اتمها برخورد کرده و انرژی خود را هدر میدهند. اما چه میشد اگر جریانی وجود داشت که هرگز انرژی خود را از دست ندهد؟ این رویا در دنیای ابررسانایی به واقعیت پیوسته است. برخی مواد وقتی تا دماهای بسیار پایین سرد شوند، مقاومت الکتریکیشان بهطور کامل صفر میشود. یعنی یک جریان الکتریکی در یک حلقه ابررسانا میتواند تا ابد و بدون نیاز به منبع انرژی به حرکت خود ادامه دهد.
نقش جادویی جفتهای کوپر
این پدیده برای دههها یک معما بود تا اینکه در سال ۱۹۵۷، سه فیزیکدان با ارایه نظریه BCS (باردین، کوپر و شریفر) آن را توضیح دادند. طبق این نظریه، در دماهای بسیار پایین، الکترونها که معمولا یکدیگر را دفع میکنند، از طریق ارتعاشات شبکه کریستالی (فونونها) با هم جفت میشوند و زوجهایی به نام «جفتهای کوپر» تشکیل میدهند. این جفتها مانند رقصندههایی هماهنگ عمل میکنند که بهصورت یکپارچه و بدون برخورد با اتمهای شبکه حرکت میکنند و در نتیجه، هیچ مقاومتی در برابر حرکتشان وجود ندارد. با افزایش دما، انرژی حرارتی این جفتها را از هم میشکند و ماده به حالت رسانای عادی خود بازمیگردد.
کاربردها و آینده ابررساناها
ابررسانایی ستون فقرات بسیاری از فناوریهای پیشرفته است؛ برای نمونه دستگاه تصویربرداری پزشکی یا همان امآرآی. آهنرباهای فوقالعاده قدرتمند این دستگاهها با استفاده از سیمپیچهای ابررسانا ساخته میشوند. شاید در رابطه با قطارهایی که پرواز میکنند، شنیده باشید؛ همان قطارهای معلق مغناطیسی(Maglev). این قطارها با استفاده از میدانهای مغناطیسی قوی تولیدشده با ابررساناها، با سرعتهای بسیار بالا و بدون اصطکاک روی ریلها شناور میمانند. در زمینه شتابدهندههای ذرات هم این ابررساناها مهماند. در سازمانهایی مانند سرن (CERN)، از آهنرباهای ابررسانا برای هدایت ذرات در مسیرهای دایرهای با سرعتهای نزدیک به نور استفاده میشود. پژوهشگران همچنان در تلاش برای یافتن موادی هستند که در دماهای بالاتر خاصیت ابررسانایی از خود نشان دهند تا بتوان از این فناوری در شبکههای انتقال برق بدون اتلاف انرژی و ساخت رایانههای کوانتومی بهره برد.
یک ذره، دو دنیا: برهمنهی و الکترونهایی که همهجا هستند
در دنیای روزمره، یک چیز یا اینجاست یا آنجا. اما در دنیای کوانتوم، این قانون ساده دیگر معتبر نیست. یک ذره مانند الکترون میتواند بهطور همزمان در دو یا چند حالت یا مکان مختلف وجود داشته باشد. این ویژگی عجیب «برهمنهی کوانتومی» نام دارد و یکی از پایههای اصلی مکانیک کوانتوم است. این اصل میگوید تا زمانی که یک سیستم کوانتومی را اندازهگیری نکردهایم، آن سیستم در ترکیبی از تمام حالتهای ممکن خود قرار دارد. برای مثال، یک الکترون میتواند همزمان در دو مدار مختلف به دور هسته اتم بچرخد یا حتی در دو مکان فیزیکی متفاوت حضور داشته باشد. این مثل آن است که یک سکه درحال چرخش، تا زمانی که روی زمین نیفتاده، هم «شیر» است و هم «خط». عمل مشاهده یا اندازهگیری، سیستم را مجبور میکند یکی از این حالتها را انتخاب کند.
الکترون در دو مکان و فناوری کوانتومی
این مفهوم که زمانی فلسفی به نظر میرسید، امروز قلب تپنده فناوریهای کوانتومی است. در رایانههای کلاسیک، اطلاعات در قالب بیتهایی ذخیره میشود که یا مقدار صفر دارند یا یک. اما رایانههای کوانتومی از «کیوبیت» استفاده میکنند. یک کیوبیت به لطف برهمنهی، میتواند همزمان هم صفر باشد، هم یک و هم ترکیبی از این دو. رایانههای کوانتومی با این قابلیت میتوانند محاسبات بسیار پیچیده را با سرعتی غیرقابل تصور برای رایانههای کلاسیک انجام دهند.
این پدیده در سیستمهای ابررسانا نیز کاربرد دارد. در برخی مدارهای ابررسانا، جریانی از جفتهای کوپر میتواند بهطور همزمان در دو جهت (ساعتگرد و پادساعتگرد) در یک حلقه جریان داشته باشد و یک کیوبیت ابررسانا بسازد. این برهمنهی حالتها، اساس کار بسیاری از قدرتمندترین رایانههای کوانتومی امروزی است.
این سه پدیده -تونلزنی، ابررسانایی و برهمنهی- تنها بخش کوچکی از دنیای اعجابآور کوانتوماند. آنها به ما نشان میدهند که واقعیت در بنیادیترین سطح خود، بسیار عجیبتر و انعطافپذیرتر از آن چیزی است که تصور میکنیم. این مفاهیم نهتنها درک ما از جهان را دگرگون کردهاند، بلکه درحال ساختن آیندهای هستند که در آن غیرممکنهای دیروز، به فناوریهای روزمره فردا تبدیل خواهند شد.÷
دیدگاهتان را بنویسید