مجموعهای از آزمایشهای پیشگامانه
مکانیک کوانتومی خواصی را توصیف میکند که در مقیاسهای بسیار کوچک (شامل ذرات منفرد)، قابل توجه هستند. در فیزیک کوانتومی، این پدیدهها را پدیدههای میکروسکوپی مینامند، حتی اگر بسیار کوچک باشند و با استفاده از میکروسکوپ نوری هم نتوان آنها را دید. پدیدههای میکروسکوپی با پدیدههای ماکروسکوپی (که از تعداد زیادی ذره تشکیل شدهاند)، در تضاد است. بهعنوان مثال، یک توپ معمولی از تعداد بسیار زیادی مولکول ساخته شده است و هیچ اثر مکانیک کوانتومی از خود نشان نمیدهد. میدانیم هربار که توپ را به سمت دیوار پرتاب میکنیم، توپ پس از برخورد با دیوار، برمیگردد.
با این حال، یک ذره واحد گاهی اوقات مستقیما از یک مانع (منظور معادل دیوار یا مانع در دنیای میکروسکوپی) عبور میکند و در طرف دیگر ظاهر میشود. این پدیده مکانیک کوانتومی «تونلزنی» نام دارد.
جایزه نوبل فیزیک امسال را به آزمایشهایی اهدا کردند که نشان داد چگونه تونلزنی کوانتومی را میتوان در مقیاس ماکروسکوپی (سیستمهایی شامل ذرات زیاد)، مشاهده کرد. جان کلارک، میشل دووره و جان مارتینیس در سالهای ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵، مجموعهای از آزمایشها را در دانشگاه کالیفرنیا انجام دادند. آنها با استفاده از دو ابررسانا، یک مدار الکتریکی ساختند. مدار الکتریکی با چنین اجزایی میتواند جریان را بدون هیچ مقاومت الکتریکی هدایت کند. آنها این دو ابرسانا را با یک لایه نازک از مادهای که هیچ جریانی را هدایت نمیکرد، از هم جدا کردند. آنها در این آزمایش، نشان دادند که میتوانند پدیدهای را کنترل و بررسی کنند که در آن تمام ذرات باردار در ابررسانا بهطور هماهنگ رفتار میکنند، گویی یک ذره واحد هستند که کل مدار را پر میکند.
این سیستم ذرهمانند در حالتی به دام افتاده است که در آن جریان بدون هیچ ولتاژی جریان دارد، یعنی در حالتی است که انرژی کافی برای فرار از آن ندارد. در این آزمایش، سیستم برای فرار از حالت ولتاژ صفر، از پدیده تونلزنی استفاده میکند که به تولید ولتاژ الکتریکی منجر میشود و به این ترتیب ویژگی کوانتومی خود را نشان میدهد. برندگان جایزه نوبل همچنین توانستند نشان دهند که سیستم کوانتیزه است، به این معنی که انرژی را فقط در مقادیر مشخصی، جذب یا گسیل میکند.
فرآیند تونلزنی
برندگان جایزه نوبل فیزیک امسال، مفاهیم و ابزارهای تجربی در اختیار داشتند که طی چندین دهه ابداع شده بود و در آزمایشهایشان از این مفاهیم و ابزارهای تجربی استفاده میکردند. فیزیک کوانتومی، همراه با نظریه نسبیت، پایه و اساس فیزیک مدرن است و پژوهشگران قرن گذشته را صرف بررسی مفاهیم این دو شاخه علم فیزیک کردهاند.
توانایی ذرات منفرد برای تونلزنی به خوبی شناخته شده است. در سال ۱۹۲۸، فیزیکدانی به نام جورج گامف متوجه شد که دلیل تمایل برخی از هستههای اتمی سنگین به واپاشی به شیوهای خاص، همین پدیده تونلزنی است. برهمکنش بین نیروها در هسته، سدی در اطراف آن ایجاد میکند و ذرات موجود در آن را در خود نگه میدارد. با این حال، با وجود چنین سدی، گاهی اوقات یک قطعه کوچک میتواند از هسته اتم جدا شده، از سد خارج شود و فرار کند. در این حالت، هستهای باقیمیماند که هسته عنصر دیگری است. بدون تونلزنی، این نوع از واپاشی هستهای نمیتواند رخ دهد.
تونلزنی یک فرآیند مکانیک کوانتومی است که شانس در آن نقش دارد. برخی از انواع هستههای اتمی یک مانع بلند و پهن دارند، بنابراین ممکن است مدت زیادی طول بکشد تا یک قطعه از هسته بیرون برود و در خارج از هسته ظاهر شود، درحالیکه هستههای دیگر راحتتر واپاشی میکنند. اگر فقط به یک اتم نگاه کنیم، نمیتوانیم پیشبینی کنیم که این اتفاق چه زمانی رخ میدهد، اما با مشاهده واپاشی تعداد زیادی هسته از یک نوع، میتوانیم زمان لازم برای وقوع تونلزنی را اندازهگیری کنیم. رایجترین روش توصیف این موضوع، مفهوم نیمهعمر است. نیمهعمر یعنی مدت زمانی که طول میکشد تا نیمی از هستهها در یک نمونه واپاشی کنند.
فیزیکدانان خیلی زود به این فکر افتادند که آیا میتوان نوعی تونلزنی را بررسی کرد که شامل چند ذره در یک زمان خاص باشد. یکی از رویکردها به انواع جدید آزمایشها، از پدیدهای سرچشمه میگیرد که در برخی از مواد بسیار سرد، ایجاد میشود.
در یک ماده رسانای معمولی، به این دلیل جریان الکتریکی پدید میآید که الکترونهایی در آن ماده وجود دارند و میتوانند آزادانه در کل ماده حرکت کنند. در برخی از مواد، الکترونهای منفردی که از رسانا عبور میکنند، ممکن است بهگونهای سازماندهی شوند که یک رقص هماهنگ را تشکیل دهند و بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. در این حالت، این ماده به یک ابررسانا تبدیل شده است و الکترونها بهصورت جفت به هم متصل شدهاند. این الکترونها، جفتهای کوپر نامیده میشوند، این جفتها را به افتخار لئون کوپر که به همراه جان باردین و رابرت شریفر، شرح مفصلی از نحوه عملکرد ابررساناها ارایه دادند، جفتهای کوپر مینامند (جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۲).
معمولی رفتار میکنند. الکترونها یکپارچگی (integrity) زیادی دارند و دوست دارند از یکدیگر فاصله بگیرند، به بیان دقیقتر ۲ الکترون اگر خواص یکسانی داشته باشند، نمیتوانند در یک مکان باشند. برای مثال، این پدیده را میتوان در یک اتم دید. الکترونهای مودود در اتم، بهدلیل این ویژگی، به سطوح انرژی مختلفی به نام لایه تقسیم میشوند. با این حال، وقتی الکترونها در یک ابررسانا با یکدیگر جفت میشوند، کمی از فردیت خود را از دست میدهند. درحالیکه ۲ الکترون منفرد و جدا، همیشه متمایز هستند، جفتهای کوپر میتوانند دقیقا یکسان باشند. این بدان معناست که جفتهای کوپر در یک ابررسانا را میتوان بهعنوان یک واحد یا یک سیستم مکانیک کوانتومی توصیف کرد. به زبان مکانیک کوانتومی، آنها را بهعنوان یک تابع موج واحد توصیف میکنند. این تابع موج، احتمال مشاهده سیستم را در یک حالت معین و با خواص معین توصیف میکند.
اگر ۲ ابررسانا را با یک مانع عایق نازک بین آنها به هم متصل کنیم، یک اتصال جوزفسون ایجاد میشود. این اتصال، به نام برایان جوزفسون نامگذاری شده است که محاسبات مکانیک کوانتومی را برای این اتصال انجام داد. او کشف کرد که هنگام درنظر گرفتن توابع موج در هر طرف اتصال، پدیدههای جالبی ایجاد میشود (جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۳). اتصال جوزفسون به سرعت زمینههای کاربردی پیدا کرد، ازجمله در اندازهگیریهای دقیق ثابتهای بنیادی فیزیکی و میدانهای مغناطیسی.
این ساختار همچنین ابزارهایی را برای کاوش در اصول فیزیک کوانتومی به روشی جدید فراهم کرد. یکی از افرادی که این کار را انجام داد، آنتونی لگت (جایزه نوبل فیزیک ۲۰۰۳) بود که کار نظری او در مورد تونلزنی کوانتومی ماکروسکوپی در یک اتصال جوزفسون الهامبخش انواع جدیدی از آزمایشها بود.
گروه تحقیقاتی کار خود را آغاز میکند
این موضوعها با علاقهمندیهای پژوهشی جان کلارک کاملا مطابقت داشت. او استاد دانشگاه کالیفرنیا در برکلی ایالات متحده بود. جان کلارک پس از اتمام تحصیلات دکتری خود در دانشگاه کمبریج انگلستان در سال ۱۹۶۸ به دانشگاه کالیفرنیا نقل مکان کرده بود. او در دانشگاه برکلی، گروه تحقیقاتی خود را تشکیل داد و در زمینه کاوش در گستره وسیعی از پدیدهها، با استفاده از ابررساناها و اتصال جوزفسون تخصص یافت.
میشل دووره، در اواسط دهه ۱۹۸۰، پس از دریافت دکتری خود در پاریس، بهعنوان دانشجوی پسادکترا به گروه تحقیقاتی جان کلارک پیوست. دیگر دانشجوی دکترا، جان مارتینیس، نیز در این گروه حضور داشت. آنها با هم چالش نشان دادن تونلزنی کوانتومی ماکروسکوپی را بر عهده گرفتند. برای در امان ماندن چیدمان ابزارهای آزمایش از تمام تداخلهایی که میتوانست بر انجام آزمایش تأثیر بگذارد، دقت و توجه زیادی لازم بود. آنها در اصلاح و اندازهگیری تمام خواص مدار الکتریکی خود موفق شدند که به آنها امکان داد تا آن را با جزئیات درک کنند.
آنها برای اندازهگیری پدیدههای کوانتومی، جریان ضعیفی را به محل اتصال جوزفسون وارد کردند و ولتاژ را که مربوط به مقاومت الکتریکی در مدار است، اندازهگیری کردند. همانطور که انتظار میرفت، ولتاژ روی محل اتصال جوزفسون در ابتدا صفر بود. دلیل این امر این است که تابع موج برای سیستم در حالتی محصور شده است که اجازه ایجاد ولتاژ را نمیدهد. سپس آنها مدت زمانی را که طول میکشد تا سیستم از این حالت تونل بزند و ولتاژ ایجاد کند، بررسی کردند. از آنجا که عامل شانس در مکانیک کوانتومی نقش دارد، آنها اندازهگیریهای زیادی انجام دادند و نتایج خود را بهصورت نمودار رسم کردند و به این روش توانستند مدت زمان حالت ولتاژ صفر را بخوانند. این کار، شبیه نحوه اندازهگیری نیمهعمر هستههای اتمی براساس آمار نمونههای متعدد واپاشی است.
تونلزنی نشان میدهد که چگونه جفتهای کوپر موجود در چیدمان آزمایشی، در رقص هماهنگ خود، مانند یک ذره بسیار بزرگ رفتار میکنند. پژوهشگران وقتی دیدند که سیستم، سطوح انرژی را کوانتیزه کرده است، تأیید بیشتری بر این موضوع بهدست آوردند. مکانیک کوانتومی پس از مشاهده اینکه انرژی در فرآیندهای میکروسکوپی به بستهها یا مقدارهای جداگانه یا کوانتا، تقسیم میشود، اینگونه نامگذاری شد. برندگان جایزه، مایکروویوهایی (ریزموجهایی) با طول موجهای مختلف را به حالت ولتاژ صفر وارد کردند. برخی از این موجها جذب شدند و سپس سیستم به سطح انرژی بالاتری منتقل شد. این پدیده نشان داد که وقتی سیستم انرژی بیشتری داشته باشد، حالت ولتاژ صفر مدت زمان کوتاهتری طول میکشد که دقیقا همان چیزی است که مکانیک کوانتومی پیشبینی میکند. یک ذره میکروسکوپی که پشت یک مانع قرار گرفته است نیز همین گونه عمل میکند.
فواید عملی و نظری
این آزمایش پیامدهایی برای درک مکانیک کوانتومی دارد. انواع دیگر اثرات مکانیکی کوانتومی که در مقیاس ماکروسکوپی نشان داده میشوند، از بسیاری از بخشهای کوچک و خواص کوانتومی جداگانه آنها تشکیل شدهاند. سپس اجزای میکروسکوپی با هم ترکیب میشوند تا پدیدههای ماکروسکوپی مانند لیزرها، ابررساناها و مایعات ابرشاره را ایجاد کنند. با این حال، این آزمایش یک اثر ماکروسکوپی (یک ولتاژ قابل اندازهگیری) را از حالتی که خود ماکروسکوپی است، به شکل یک تابع موج مشترک برای تعداد زیادی از ذرات ایجاد کرد.
نظریهپردازانی مانند آنتونی لگت، سیستم کوانتومی ماکروسکوپی برندگان جایزه نوبل را با آزمایش فکری معروف اروین شرودینگر که گربهای را در جعبهای نشان میداد، مقایسه کردهاند. در آزمایش شرودینگر، اگر به داخل جعبه نگاه نکنیم، گربه هم زنده است و هم مرده. (اروین شرودینگر جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۳۳ دریافت کرد.) هدف از این آزمایش فکری، نشان دادن بیمعنایی این وضعیت بود، زیرا ویژگیهای خاص مکانیک کوانتومی اغلب در مقیاس ماکروسکوپی از بین میروند. ویژگیهای کوانتومی یک گربه کامل را نمیتوان در یک آزمایش آزمایشگاهی نشان داد.
با این حال، لگت استدلال کرد که مجموعه آزمایشهایی که جان کلارک، میشل دووره و جان مارتینیس انجام دادند، نشان داد پدیدههایی وجود دارند که شامل تعداد زیادی ذره هستند که در کنار هم دقیقا همانطور که مکانیک کوانتومی پیشبینی کرده است، رفتار میکنند. سیستم ماکروسکوپی که از جفتهای کوپر زیادی تشکیل شده است، هنوز هم چندین مرتبه از یک بچه گربه کوچکتر است، اما از آنجا که این آزمایش خواص مکانیک کوانتومی را که برای کل سیستم اعمال میشود، اندازهگیری میکند، برای یک فیزیکدان کوانتومی کاملا شبیه گربه خیالی شرودینگر است.
این نوع حالت کوانتومی ماکروسکوپی، امکانات تازهای برای انجام آزمایشهایی با استفاده از پدیدههای حاکم بر دنیای میکروسکوپی ذرات، فراهم میکند. میتوان این حالت کوآنتومی را بهعنوان نوعی اتم مصنوعی در مقیاس بزرگ درنظر گرفت، اتمی با کابلها و سوکتهایی که میتوان آنها را به ابزارهای آزمایشی جدید متصل کرد یا در فناوری کوانتومی جدید از آنها استفاده کرد. بهعنوان مثال، از چنین اتمهای مصنوعی برای شبیهسازی دیگر سیستمهای کوانتومی و کمک به درک آنها استفاده میکنند.
مثال دیگر، آزمایش کامپیوتر کوانتومی است که بعدها مارتینیس انجام داد. او در آن آزمایش، دقیقا از کوانتیزاسیون انرژی که او و دو برنده دیگر نشان داده بودند، استفاده کرد. او از مداری با حالتهای کوانتیزه بهعنوان واحدهای حامل اطلاعات (یک بیت کوانتومی) استفاده کرد. پایینترین حالت انرژی و نخستین گام به سمت بالا بهترتیب بهصورت صفر و یک عمل میکردند. مدارهای ابررسانا یکی از تکنیکهایی هستند که برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی آینده، بررسی میکنند.
بنابراین برندگان امسال هم به مزایای عملی در آزمایشگاههای فیزیک و هم به ارایه اطلاعات جدید برای درک نظری جهان فیزیکی ما کمک کردهاند.
دیدگاهتان را بنویسید