فیزیکی آ
مکانیک کوانتومی تنها شامل ذرات خُرد نیست و اشیا با همه اندازه ها را در بر می گیرد: پرندگان، گیاهان و شاید حتی انسان ها. داستانی سردرگم برای یک فیزیکدان کوانتومی، فیزیک کلاسیک، تصویری سیاه و سفید از دنیای رنگارنگ است. دسته بندی کلاسیکی ما، برای تسخیر جهان با همه وسعتش، ناموفق است. از دید متون قدیمی، رنگ های سیر با افزایش اندازه محو می شوند. ذرات به صورت منفرد کوانتومی اند اما در کنار یکدیگر کلاسیکی اند. با این حال، اولین سرنخ برای این که اندازه عامل تعیین کننده نیست، به یکی از آزمایش های ذهنی بسیار معروف در فیزیک یعنی "گربه شرودینگر" باز میگردد.
یک پارادوکس کوانتومی این ایده که مکانیک کوانتومی هرچیری را در جهان، حتی ما انسان ها را، دربر می گیرد و می تواند نتایج عجیبی را به بار آورد. شکل دیگری از آزمایش های نمادین گربه شرودینگر را که "یوگن.پ.ویگنر"، برنده جایزه نوبل، در سال 1961 ابداع کرد و "دیوید دویچ" از دانشگاه آکسفورد در سال 1986 تکمیل کرد، در نظر بگیرید. یگانه رفتار کردن بیشترین نمودهای در هم تنیدگی ذراتی به اندازه یک مشت را فرا می گیرد. دسته های بزرگ تر را سخت تر می توان از اطرافشان منزوی کرد. ذرات در این دسته ها بیشتر تمایل دارند تا با ذرات سرگردان هم تنیده شده و پیوستگی ذاتی خویش را تیره و تار کنند. به زبان ناهمدوسی، اطلاعات خیلی زیاد به محیط اطراف منتشر شده و باعث می شود سیستم، کلاسیکی رفتار کند. دشواری حفظ شرایط در هم تنیدگی، چالش بزرگی برای آن دسته از ماست که به دنبال بهره برداری از این تأثیرات نوین، برای استفاده های عملی نظیر رایانه های کوانتومی هستیم. پرندگان شرودینگر روبین های اروپایی، پرندگان کوچک شکاری هستند که هر سال از اسکاندیناوی به دشت های گرم استوایی آفریقا مهاجرت می کنند؛ و در بهار که هوای مناطق شمالی قابل تحمل تر می شود، باز می گردند. روبین ها این سفر رفت و برگشتی را که حدود 13 هزار کیلومتر است، به راحتی و به طور طبیعی طی می کنند. جمع بندی برای شرودینگر، منظره گربه ای که هم زنده باشد هم مرده، بی معنی و پوچ به نظر می رسید. از دید او، هر نظریه ای که به چنین پیش بینی بینجامد ناقص است. فیزیکدانان بر این موضوع تلخ که مکانیک کوانتومی در مقیاس های بزرگ شکست می خورد، توافق داشتند. در دهه 80 "راجرز پنروز" از دانشگاه آکسفورد پیشنهاد داد که گرانش ممکن است موجب شود مکانیک کوانتومی برای اشیایی با جرم بیش از 20 میکروگرم، به فیزیک کلاسیک تبدیل شود. گروه سه نفر متشکل از فیزیکدانان ایتالیایی "جیان کارلو گیراردی" و "توماس وبر" از دانشگاه ترایست و "آلبرتو ریمینی" از دانشگاه پاویا، نشان دادند مقادیر ذرات به طور طبیعی به صورت کلاسیک رفتار می کنند، ولی آزمایش های کنونی فضای کمی برای انجام چنین فرایندی باقی گذاشته است. جدایی بین جهان کلاسیک و جهان کوانتومی به نظر موضوع اساسی نمی رسد. بحث فقط بر سر میزان دقت آزمایش است. تعداد کمی از فیزیکدانان عقیده دارند که فیزیک کلاسیک در هر مقیاسی باز می گردد. در حقیقت باور عمومی این است که اگر یک نظریه عمیق تر جایگزین فیزیک کوانتومی شود، نشان میدهد جهان از چیزی که تا به حال دیده ایم پیچیده تر و عجیب تر است. نکات مهم 1- عموماً گفته می شود مکانیک کوانتومی نظریه ای از اشیای خرد است؛ مانند مولکول ها، اتم ها و ذرات ریز اتمی، هرچند تقریباً تمام فیزیکدانان بر این باورند که این نظریه شامل هرچیزی بدون توجه به اندازه اش می شود. نمک کوانتومی فیزیکدانان سابقاً بر این باور بودند که پدیده شاخص کوانتومی تنها در سطح ذرات منفرد رخ می دهد؛ و دسته های خیلی بزرگ تر ذرات، کلاسیکی رفتار می کنند. آزمایش های اخیر چیز دیگری را نشان می دهد. به طور مثال، اتم ها در یک بلور نمک معمولاً به هر سمت و سویی روی دارند. (پایین سمت چپ). و هنگامی که فیزیکدانان یک میدان مغناطیسی را اعمال می کنند، هم خط می شوند (پایین وسط). ظاهراً پدیده کوانتومی در هم تنیدگی - "رفتاری جادویی" که با ویژگی های ذرات دور از هم متناسب است - به آنها کمک می کند تا هم خط شوند. (پایین سمت راست) در هم تنیدگی در دماهای بالا فیزیکدانان سابقاً تصور می کردند جنبش های سلول های زنده، باید پدیده های کوانتومی را از بین ببرد. اکنون آنها عقیده دارند. سلول ها می توانند این پدیده ها را تقویت کرده و از آن ها استفاده کنند. 1- الگوی تداخلی در باکی بال ها (کربن 60) مشاهده شد. برای اولین بار این موضوع نشان می داد مولکول ها مانند ذرات بنیادی رفتار موج گونه دارند. (مارکوس ارنت و آنتوان زلینگر و گروهشان - دانشگاه ویانا) واژه نامه ناهمدوسی (همدوسی زدایی) اسپرینگ برد تخته بسیار ریز از جنس نانولوله هایی کربنی که می تواند وزن اتم های منفرد را هنگامی که بر روی سطح آن می افتند، اندازه بگیرد. این وسیله می تواند با بسامدهای مختلف نوسان کند. درهم تنیدگی یک نوع هم بستگی در ساختار بنیادی جهان فیزیکی، ارتباط های شبح گون و آنی بین ذرات مجزا از هم که موجب نوعی کنش از راه دور می شود. (برای اطلاعات بیشتر به شماره اردیبهشت 1388 دانشمند، ویژه نامه فیزیک کوانتومی، مراجعه کنید.) کیوبیت (بیت های کوانتومی) نقاط کوانتومی کوچکی که افزایش یا کاهش یک الکترون، خواص آن را به نحو ارزشمندی تغییر می دهد. در نانوفناوری به آنها بیت های کوانتومی یا کیوبیت گفته می شود. اندازه آنها در حد چند نانومتر است و از انواع مواد همچون سلنید کادمیوم - که رنگ های مختلفی را تولید می کند - ساخته می شوند. کاربردهای بالقوه آنها در مخابرات و اپتیک است.
بر اساس متون کتاب های فیزیک استاندارد، مکانیک کوانتومی نظریه دنیای ریز است که ذرات،اتم ها و مولکول ها را توصیف می کند. اما در مقابل، فیزیک کلاسیک در مقیاس های کلان اعم از انسان ها و سیارات و... عمل می کند. جایی میان مولکول ها و اشیا (دنیای ریز و دنیای کلان)، مرزی قرار گرفته است که در آنجا بیگانگی رفتار کوانتومی پایان می یابد و آشنایی فیزیک کلاسیک آغاز می شود. این گمان که مکانیک کوانتومی به دنیای ریز محدود شده است، به فهم عمومی علم رخنه کرده است. به طور مثال، فیزیکدان دانشگاه کلمبیا، "برایان گرین"، در نخستین صفحه کتاب بسیار موفق و عالی اش، "این عالم با شکوه"، می نویسد: "مکانیک کوانتومی"، چهارچوبی نظری برای فهم جهان در کوچک ترین مقیاس ها فراهم می آورد."
فیزیک کلاسیک، که هر نظریه ای را که کوانتومی نباشد از جمله نظریه نسبیت اینشتین در بر می گیرد، برای بزرگ ترین مقیاس ها به کارمی رود.
اما این تقسیم بندی بی دردسر جهان، یک افسانه است. برخی از فیزیکدانان مدرن می پندارند که فیزیک کلاسیک هم رده مکانیک کوانتومی است.
این که فیزیک کوانتومی تمام مقیاس ها را در برمی گیرد، تقریب سودمندی از جهان است. گرچه ممکن است دیدن اثرات کوانتومی در دنیای کلان دشوارتر باشد، نتیجه نهایی بستگی به کلان یا خرد بودن ندارد؛ بلکه به چگونگی برهم کنش سیستم های کوانتومی با یکدیگر بستگی دارد. تا پیش از دهه گذشته، آزمایشگران تأیید نکرده بودند که رفتار کوانتومی در یک مقیاس کلان همچنان باقی می ماند. هرچند امروزه این کار را به طور عادی انجام می دهند. این تأثیرات، فراگیرتر از آن هستند که کسی درباره آنها تردید به خود راه دهد. آنها حتی ممکن است در سلول های بدن خودمان نیز عمل کنند.
حتی کسانی از ما که کار مطالعه این اثرات را برعهده دارند، باید آن چه را که به ما درباره طرز کار طبیعت می گویند، قابل فهم کنند. رفتار کوانتومی از تجسم یافتن و درک متعارف دوری می کند، و ما را مجبور می سازد تا باز بیندیشیم که چگونه به جهان بنگریم و تصویری نا آشنا و جدید از دنیایمان را بپذیریم.
"اروین شرودینگر" سناریوی ناخوشایندش را در سال 1935 ابداع کرد تا توضیح دهد که چگونه جهان خُرد و جهان کلان به یکدیگر می پیوندند بی آن که اجازه دهد خطوطی قراردادی میان آنها رسم شود. مکانیک کوانتومی می گوید که یک اتم پرتوزا، همزمان هم می تواند واپاشیده شود و هم می تواند واپاشیده نشود. اگر اتم به شیشه ای حاوی سم گربه متصل شود، به طوری که اگر اتم واپاشیده شود گربه بمیرد، آن وقت حیوان درهمان وضع معلق کوانتومی که اتم قرار دارد قرار می گیرد؛ سرنوشت یکی بر دیگری تأثیر می گذارد. اندازه اهمیت ندارد. معما این بود که چرا صاحبان گربه، آن را همواره فقط زنده یا فقط مرده مشاهده می کنند.
در دیدگاه مردن، دنیا کلاسیکی به نظر می آید؛ زیرا بر هم کنش های پیچیده ای که یک جسم با اطرافش دارد دست به دست هم داده تا اثرات کوانتومی را از دید ما پنهان کنند. به طور مثال، اطلاعات مربوط به وضعیت سلامت گربه به شکل فوتون ها و تبادل حرارتی به محیط اطرافش تراوش می کند. پدیده شاخص کوانتومی، مستلزم آمیختگی حالت های (ترازهای) متفاوت کلاسیکی است (مانند هم مرده و هم زنده بودن) و این آمیختگی ها مایل اند که نابود شوند. تراوش اطلاعات، سرشت فرایندی است که "ناهمدوسی" نامیده می شود.
فرض کنید یک فیزیکدان کاربردی بسیار توانا، به نام "آلیس"، همکارش "باب" را همراه با یک گربه، یک اتم پرتوزا و یک شیشه حاوی سم گربه (که اگر اتم واپاشیده شود سم آزاد می شود) درون یک اتاق قرار می دهد. داشتن یک انسان در آنجا به این دلیل است که ما می توانیم با او ارتباط برقرار کنیم. (دریافت پاسخ از گربه ها به این آسانی نیست!)
از نظر آلیس، اتم وارد حالتی (ترازی) می شود که هم واپاشیده است و هم واپاشیده نیست. لذا گربه هم مرده است و هم زنده. اما باب، می تواند گربه را مستقیماً مشاهده کند و او را در یکی از این دو حالت ببیند. آلیس قطعه کاغذی را از زیر در سُر داده، از باب می پرسد که آیا گربه در یک حالت معین است. او پاسخ می دهد: "بلی".
توجه کنید که آلیس نمی پرسد آیا گربه مرده است یا زنده، چون در این صورت نتیجه برایش مسلم می شود؛ یا آن طور که فیزیکدانان می گویند "حالت، فرو می پاشد". او به مشاهده این که دوستش گربه را یا زنده می بیند و یا مرده، اکتفا می کند و نمی پرسد که او چگونه است.
چون آلیس از فروپاشی حالت اجتناب کرده است. نظریه کوانتومی ایجاب می کند که سُردادن کاغذ از زیر در، یک رفتار برگشت پذیر باشد. او می تواند تمام مراحلی را که طی کرده بازگرداند. اگرگربه مرده می بود هم اکنون زنده خواهد شد، سم به بطری باز می گردد، و ذره واپاشیده نشده است و باب هیچ خاطره ای از دیدن یک گربه مرده ندارد.
اما یک ردپا باقی می ماند: قطعه کاغذ، آلیس می تواند به گونه ای مشاهده را بازگرداند که نوشتن روی کاغذ بازنگردد. کاغذ، به عنوان مدرکی باقی می ماند که باب گربه را قطعاً زنده یا قطعاً مرده مشاهده کرده است.
این موضوع، نتیجه شگفتی را به بار می آورد. آلیس می توانست مشاهده را بازگرداند، زیرا او به اعتقاد خود از فروپاشی حالت اجتناب می کند. برای او باب دقیقاً در همان وضعیت نامعلومی که گربه قرار دارد واقع است. اما همکارش که درون اتاق قرار دارد، می پندارد که حالت فروپاشیده است. این شخص، برآمد معینی را دیده است که کاغذ مدرک آن است. بدین شکل، آزمایش، دو اصل به ظاهر متضاد را ثابت می کند. آلیس گمان می کند که مکانیک کوانتومی برای اجسام بزرگ به کار می رود: نه تنها گربه ها بلکه انسان ها نیز می توانند در وضعیت معلق کوانتومی قرار بگیرند. باب فکر می کند که گربه یا فقط مرده است یا فقط زنده.
انجام چنین آزمایشی به کمک یک انسان، هراس انگیز است. اما فیزیکدانان می توانند دقیقاً همین کار را با سیستم های ساده تری انجام دهند. "آنتون سایلینگر" و همکارانش در دانشگاه ویانا، فوتونی را به یک آینه بزرگ می تابانند. اگر فوتون بازتابیده شد، آینه (طبق اصل پایستگی اندازه حرکت) پس زده می شود. اما اگر عبور کرد، آینه بی حرکت خواهد ماند. فوتون نقش اتم واپاشیده را دارد که می تواند همزمان در بیش از یک حالت وجود داشته باشد. آینه که از میلیاردها اتم تشکیل شده است، هم به عنوان گربه و هم به عنوان باب رفتار می کند. این که آینه پس زده شود یا نه، مشابه آن است که گربه زنده بماند یا بمیرد و باب آن را زنده مشاهده کند یا مرده. فرایند می تواند با بازتاباندن فوتون از آینه برگردانده شود. در مقیاس های کوچک تر، دو گروه به رهبری "رینر بلت" از دانشگاه اینسبرگ و "دیوید ج. واینلند" از مؤسسه ملی استانداردها و فناوری در بولدرِ کلرادو، اندازه گیری یون های لرزان در یک دام یونی را بازگردانده اند.
در پرورش این آزمایش ذهنی گیج کننده، "ویگنر" و "دویچ" پا جای پای آروین شرودینگر، آلبرت اینشتین و دیگر نظریه پردازانی گذاشته اند که اعتقاد دارند فیزیکدانان هنوز باید مکانیک کوانتومی را به گونه ای عمیق درک کنند. چندین دهه، بیشتر فیزیکدانان به ندرت به این موضوع توجه می کردند؛ زیرا موضوعات بنیادین هیچ تأثیری بر کاربردهای عملی نظریه نداشت. اما اکنون که می توانیم این آزمایش ها را در عمل انجام دهیم، وظیفه درک مکانیک کوانتومی بیشترین ضرورت را دارد.
چیزهای بزرگ تر، بیشتر از چیزهای کوچک تر به ناهمدوسی حساس هستند. این مطلب، توضیح می دهد که چرا فیزیکدانان غالباً می توانند با در نظر گرفتن مکانیک کوانتومی به عنوان نظریه دنیای خرد، کامیاب شوند. در بسیاری از موارد، تراوش اطلاعات می تواند آهسته یا متوقف شود؛ و آن وقت است که جهان کوانتومی با تمام شکوهش خود را بر ما نمایان می سازد. اثر ذاتی کوانتوم، "در هم تنیدگی"، اصطلاحاتی است که شرودینگر در سال 1935 در همان مقاله ای که گربه اش را به دنیا معرفی کرد، مطرح کرد. در هم تنیدگی، ذرات منفرد را به هم پیوند می دهد و به شکل یک کل تقسیم ناپذیر درمی آورد. همواره یک سیستم کلاسیک، دست کم به طور کلی، تقسیم پذیر است. هر یک از ویژگی های جامعی که دارد برخاسته از مؤلفه هایی است که خودشان ویژگی های خاصی دارند. اما یک سیستم درهم تنیده، نمی تواند بدین شکل تجزیه شود. در هم تنیدگی، نتایج عجیبی در پی دارد حتی زمانی که دو ذره در هم تنیده کاملاً ازهم دور هستند، باز هم به عنوان یک وجود یگانه رفتار می کنند که دلالت دارد بر آن چیز معروفی که اینشتین آن را "رفتارهای جادویی از دور" نامید.
فیزیکدانان معمولاً از درهم تنیدگی جفت هایی از ذرات بنیادی مانند الکترون ها سخن می گویند. چنین ذراتی می توانند به طور ابتدایی، فرفره های کوچک چرخانی پنداشته شوند که یا ساعتگرد می چرخند یا پادساعتگرد. محورهایشان به هر راستایی که فرض شود، افقی، عمودی، با زاویه 45 درجه و به همین ترتیب روی دارند. برای اندازه گیری اسپین یک ذره باید راستایی را انتخاب کرده و ببینید که آیا ذره در آن راستا می چرخد یا نه.
فرض کنید در این بحث، آن الکترون ها، کلاسیکی رفتار می کردند. ممکن بود شما یک الکترون را طوری قرار دهید تا در راستای ساعتگرد افقی بچرخد و دیگری در راستای پادساعتگرد افقی بچرخد. در این صورت، اسپین کل مساوی صفر خواهد شد. محورهایشان در فضا ثابت باقی می ماند و زمانی که یک اندازه گیری را انجام می دهید، نتیجه بستگی به آن دارد که راستایی که انتخاب کرده اید با محور ذره در یک امتداد است یا خیر. اگر هر دو آنها را افقی اندازه گیری کنید، آنها را در راستاهایی مخالف هم چرخان می بینید. اگر آنها را عمودی اندازه گیری کنید، هیچ اسپینی برای هیچ یک از آنها کشف نخواهید کرد.
اما برای الکترون های کوانتومی، وضعیت به طور شگفت آوری متفاوت است. شما می توانید ذرات را طوری قرار دهید که اسپین کل آنها، حتی زمانی که اسپین هر یک از آنها را مشخص نکرده اید، صفر باشد. وقتی یکی از ذرات را اندازه می گیرید، خواهید دید که تصادفاً یا ساعتگرد و یا پادساعتگرد می چرخد؛ انگار که ذره برای خودش تصمیم می گیرد که از چه راهی بچرخد. با این وجود، هیچ اهمیتی ندارد که کدام راستا را برای اندازه گیری الکترون ها انتخاب کنید. به شرطی که برای هر دو یکسان باشد، آنها همواره در راستاهای مخالف هم می چرخند، یکی ساعتگرد و دیگری پادساعتگرد. چگونه آنها می دانند که این طور عمل کنند؟
این موضوع کاملاً مرموز باقی می ماند و مهم تر از آن، این که اگر یک ذره را به طور افقی و دیگری را به طور عمودی اندازه بگیرید، باز هم اسپین هایی برای هر یک خواهید یافت. این نشان می دهد که ذرات هیچ محور ثابتی ندارند. بنابراین، برآمدهای اندازه گیری آن قدر به هم می پیوندند که فیزیک کلاسیک نمی تواند آن را توضیح دهد.
یک آزمایش ساده، اما هوشمندانه، در سال 2003 ثابت کرد که سیستم های بزرگ تر نیز می توانند هنگامی که تراوش اطلاعات کاسته یا تا اندازه ای بی اثر می شود، در هم تنیده باقی بمانند. "گابریل اپلی" از کالج دانشگاهی لندن و همکارانش، قطعه ای از نمک فلوروئید لیتیوم را برداشته و آن را در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار دارند. شما می توانید اتم های درون نمک را به عنوان مغناطیس های چرخان کوچکی در نظر بگیرید که سعی دارند خود را با میدان خارجی همسو کنند؛ تأثیری که به "پذیرفتاری مغناطیسی" (قابلیت مغناطیسی شدن ماده ای) معروف است. نیروه هایی که اتم ها بر یکدیگر اعمال می کنند، مانند یک نوع فشار هم نوع رفتار می کند که آنها را بسیار سریع تر هم خط می کند. محققان، همزمان با این که شدت میدان مغناطیسی را تغییر می دادند، اندازه می گرفتند که اتم ها با چه سرعتی هم خط می شوند. آنها دریافتند که اتم ها بسیار سریع تر از آن چه شدت بر هم کنش های متقابل آن نشان می داد، واکنش می دادند، ظاهراً چند تأثیر اضافی، به اتم ها کمک می کرد تا هماهنگ رفتار کنند؛ و محققان ثابت کردند که در هم تنیدگی در این موضوع نقش دارند. اگر چنین باشد، 1020 اتم در یک نمک، یک حالت در هم تنیده بسیار بزرگ را تشکیل داده اند.
برای جلوگیری از اثرات شگفت انگیز و گیج کننده حرکت های تصادفی مربوط به انرژی گرمایی، گروه اپلی" آزمایش هایی در دمای چند میلی کلوین انجام دادند.
بعد از آن، "الکساندر مارتین سوزا" و گروهش از مرکز تحقیقات فیزیک برزیل در ریودوژانیرو، در هم تنیدگی هایی را در مقیاس کلان در مواردی مانند کربوکسیلات مس در دمای اتاق و بالاتر کشف کردند. در این سیستم ها، تأثیرات متقابل بین اسپین ذرات به اندازه کافی قوی هست که در برابر تحرکات گرمایی مقاومت کند.
این سیستم ها مانند گربه شرودینگر هستند. یک اتم یا یون را در نظر بگیرید. الکترون ها می تواند در یک زمان نزدیک هسته یا دور از آن، یا هر دوی آن حالت ها، باشد. چنین الکترونی می تواند مصداق اتمی باشد که در آزمایش های ذهنی شرودینگر، هم فروپاشیده و هم دست نخورده است. مستقل از حرکت الکترون، اتم خود می تواند حرکت های مختلفی داشته باشد. این حرکت ها، نقش گربه مرده یا زنده را دارد. فیزیکدانان می توانند با استفاده از لیزر، این دو خاصیت را با هم ترکیب کنند (حرکت الکترون و حرکت اتم). اگر الکترون نزدیک هسته باشد، می توانیم اتم را وادار کنیم به سمت چپ برود؛ در حالی که اگر الکترون دور از هسته بود، اتم به سمت راست برود. بنابراین موقعیت الکترون وابسته (یا در هم تنیده) با وضعیت اتم می شود؛ مانند واپاشی پرتوزا که با وضعیت گربه در هم تنیده است. گربه ای که هم زنده است هم مرده، مانند اتمی است که هم به راست می رود هم به چپ.
سایر آزمایش ها، این ایده مادر را گسترش می دهند. در نتیجه، شمار زیادی از اتم ها در هم تنیده شده و وارد وضعیتی می شوند که فیزیک کلاسیک آن را ناممکن می داند. اگر جامدات حتی وقتی بزرگ یا گرم هستند. بتوانند در همتنیده شوند، به یک ایده جسورانه نیاز داریم تا از خود بپرسیم: آیا این حالت در مورد یک نوع سیستم ویژه بسیار گرم و بزرگ یعنی حیات نیز صادق است؟
برای مدت طولانی، تصور مردم این بود که پرنده ها و سایر حیوانات قطب نمای درونی دارند. در دهه 70 "ولفانگ ویلچوکو" و همسرش "روزیتا"، از دانشگاه فرانکفورت در آلمان، این روبین ها را گرفتند و آنها را در یک میدان مغناطیسی مصنوعی قرار دارند. آنها به طرز شگف آوری کشف کردند، روبین ها نسبت به معکوس شدن میدان مغناطیسی عکس العمل نشان نمی دهند. این نشان می داد که آنها توانایی تفکیک شمال و جنوب را ندارند. اما این پرندگان نسبت به انحراف (کژی) میدان مغناطیسی زمین (که زاویه خطوط میدان با سطح زمین است)، واکنش نشان دادند. این همه آن چیزی است که آنها برای جهت یابی نیاز دارند. جالب آن که پرندگانی که چشم آنها را بسته بودند، به هیچ وجه نسبت به وجود میدان واکنش نشان ندادند. این موضوع ثابت می کند که آنها به نحوی با چشمان خود میدان را حس می کنند.
در سال 2000، فیزیکدانی به نام "تورستن ریتز" و گروه همراهش از دانشگاه فلوریدای جنوبی، که اشتیاق شدیدی برای بررسی مهاجرت پرندگان داشتند، پیشنهاد دادند "در هم تنیدگی" کلید حل این معماست. در سناریوی آن، که بر اساس کارهای قبلی "کلاوس شولتن" از دانشگاه ایلینوی بود، چشم پرنده نوعی مولکول دارد که در آن 2 الکترون جفت شده در هم تنیده با اسپین کل صفر وجود دارد. این اتفاق، با فیزیک کلاسیک قابل توجیه نیست. وقتی این مولکول نور مرئی را جذب می کند، الکترون ها انرژی کافی برای جدا شدن و تأثیرپذیری از عوامل خارجی را کسب می کنند که یکی از این عوامل، میدان مغناطیسی زمین است. اگر میدان منحرف شود (تغییر جهت بدهد)، روی دو الکترون به دو گونه متفاوت تأثیر می گذارد. به موجب آن، عدم تعادلی به وجود می آید که واکنش های شیمیایی را که در مولکول رخ می دهد، تغییرمی دهد. مراکز واکنش شیمیایی درون چشم، این تفاوت را به پالس های عصبی تبدیل می کند. این فرایند، سرانجام به تشکیل نقشه ای از میدان مغناطیسی در مغز پرنده می انجامد.
اگرچه شواهد برای سازو کار ریتز، نسبی به نظر می آید، "کریستوفر راجرز" و "کیمینوری مائدا" از دانشگاه آکسفورد، مولکول های غیرزنده (غیرارگانیک) مشابه مولکول های ریتز را در آزمایشگاه مطالعه کردند. آنها نشان دادند این مولکول ها، به دلیل درهم تنیدگی الکترون ها، کاملاً نسبت به میدان مغناطیسی حساس اند. بر اساس محاسباتی که من (نویسنده مقاله) و گروهم انجام دادیم، آثار کوانتومی در چشم پرنده 100 میکروثانیه دوام می آورد که در اینجا زمان بسیار زیادی است. رکورد ماندگاری سیستم مصنوعی اسپین الکترونی، 50 میکروثانیه است. ما نمی دانیم طبیعت چگونه اثرات کوانتومی را تا این اندازه حفظ می کند؛ ولی جواب این سؤال می تواند راهگشای حفاظت از رایانه های کوانتومی در برابر فرایند ناهمدوسی باشد. (یعنی جلوگیری از تراوش اطلاعات-م.)
فرایند دیگری که امکان دارد در هم تنیدگی در آن مؤثر باشد، "فتوسنتز" است. عملی که به موجب آن، گیاهان نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند. نور فرودی، الکترون ها را از مکان اولیه خود خارج می سازد. همه این الکترون ها باید به مکان یکسانی بروند. این مکان، مرکز واکنش های شیمیایی است که در آن الکترون ها می توانند انرژی خود را تخلیه کنند و واکنش هایی را که سوخت سلول های گیاه را تأمین می کنند، آغاز کنند. فیزیک کلاسیک در توصیف این فرایند بی نظیر عاجز می ماند.
آزمایش هایی که به وسیله گروه های مختلف نظیر "گراهام فلمینگ"، "موهان سارووار" و گروه هایشان در دانشگاه کالیفرنیا و برکلی و "گرگوری اسکولز" از تورنتو انجام شد، پیشنهاد دادند مکانیک کوانتومی، کارآمدی این فرایند را شرح می دهد. در جهان کوانتومی، یک ذره ملزم نیست در یک زمان تنها از یک مسیر حرکت کند؛ بلکه می تواند همه مسیرهای ممکن را در یک زمان بپیماید. میدان های الکترومغناطیسی درون سلول های گیاه، این امکان را به وجود می آورد که بعضی از این مسیر ها یکدیگر را حذف کرده و بعضی متقابلاً یکدیگر را تقویت کنند؛ در نتیجه شانس الکترون برای گذر از مسیرهای بی فایده کاهش می یابد و در عوض شانس عبور از مسیرهایی که مستقیماً به سمت مراکز واکنش های شیمیایی می روند، افزایش می یابد.
درهم تنیدگی ها ممکن است کثری از ثانیه به طول انجامد، و در همین زمان نمونه دیگری از درهم تنیدگی ها در مقیاس بزرگ تر و پایدارتر وجود دارد؟ نمی دانیم، ولی این پرسش به اندازه کافی هیجان انگیز هست که موجب پدید آمدن یک رشته جدید شود؛ زیست شناسی کوانتومی.
بدین گونه، این حقیقت که مکانیک کوانتومی برای تمامی مقیاس ها کاربرد دارد، ما را وادار می کند با عمیق ترین رازهای دیگر نظریه ها در تقابل قرار بگیریم. برای مثال، فضا و زمان دو تا از اساسی ترین مفاهیم فیزیک کلاسیک اند؛ ولی بر اساس نظریه کوانتومی، آنها کمیت هایی فرعی اند. در عوض، در هم تنیدگی ها بنیادی ترند. آنها سیستم های کوانتومی را به هم متصل می کنند بدون این که نیاز به فضا و زمان داشته باشند. اگر مرز تقسیم کننده ای بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی وجود داشت، می توانستیم فضا و زمان فیزیک کلاسیک را برای ایجاد یک چهارچوب به منظور شرح دادن فرایندهای کوانتومی به کار ببندیم. ولی بدون وجود چنین مرزی، و صد البته بدون یک جهان کلاسیک واقعی، ما این چهارچوب بندی را از دست می دهیم. یعنی باید فضا و زمان را اساساً از جهان بدون فضا و زمان استنتاج کنیم.
این دید به ما کمک می کند فیزیک کوانتومی را با یکی دیگر از شاهکارهای بنیادین فیزیک آشتی دهیم: نظریه نسبت عام. این نظریه، گرانش را در قالب هندسه فضا - زمان شرح می دهد. نسبیت عام فرض می کند اشیا، مکان های تعریف شده ای دارند و هیچ وقت در یک زمان معلوم در دو مکان یا بیشتر ظاهر نمی شوند. این تفکر، در تضاد مستقیم با نظریه کوانتومی است. بسیاری از فیزیکدانان مانند "استفن هاوکینگ" فکر می کنند نسبیت عام باید به یک نظریه عمیق تر تغییر پیدا کند که در آن فضا و زمان وجود ندارند. فضا و زمان کلاسیک، از دل در هم تنیدگی های کوانتومی در خلال فرآیند ناهمدوسی پدید آیند.
یک احتمال جالب تر این است که گرانش به خودی خود یک نیرو نیست، بلکه باقی مانده اختلالات پدید آمده از آشفتگی های کوانتومی دیگر نیروهای کیهان است. ایده گرانش القایی، به فیزیکدان اهل شوروی "آندری ساخاروف" در دهه 60 باز می گردد. این ایده، در صورت درست بودن، نه تنها گرانش را از جایگاه نیروی بنیادین بودن به زیر می کشد، بلکه بیان می کند ایده های گرانش کوانتومی گمراه کننده بوده اند. گرانش ممکن است در مقیاس های کوانتومی اصل وجود نداشته باشد. مفهوم کوانتومی بودن پدیده های بزرگ مقیاس (مانند خودمان) و حالت تعلیق آن ها، آن قدر شگفت انگیز و باشکوه است که ما فیزیکدانان هنوز در یک درهم تنیدگی بین گیجی و شگفتی هستیم.
2- دلیل این ویژگی های مجزا جهان کوانتومی پنهان است موضوع ساده مقیاس نیست. طی چند سال اخیر، آزمایشگران اثرات کوانتومی را در تعداد فزاینده ای از سیستم های کلان مشاهده کرده اند.
3- تأثیر ذاتی کوانتومی، "درهم تنیدگی"، می تواند در سیستم های بزرگ و گرم رخ دهد- از جمله اعضای بدن - گرچه انتظار می رود که لرزش های مولکولی، در هم تنیدگی را مختل کنند.
نقش درهم تنیدگی با اندازه ویژگی های مغناطیسی بلور، آشکار شد.(نمودار)
2- در هم تنیدگی هایی بین میلیاردها (یا بیشتر) از کربوکسیلات فلزی در حوزه پذیرفتاری مغناطیسی یافت شد.
3- کشف این موضوع که اثرات کوانتومی قابلیت فتوسنتز را در دو گونه خزه دریایی بالا می برد.
(الیزابت کولینی و گروهش از دانشگاه های تورنتو و نیو ساود ویلز و پادوا)
4- رکورد جدیدی در مشاهده اثرات کوانتومی، در ابر مولکول هایی نظیر مولکول های اختاپوس شکل که 430 اتم دارند، ثبت شد. (استفان گرلیج و ساندرا و گروهشان از دانشگاه ویانا)
5- سه بیت کوانتومی در یک مدارا ابر رسانا در هم تنیده شدند. این فرآیند می تواند سیستم های کوانتومی را در هر مقیاسی به وجود آورد. (لئونارد دیکارلو و رابرت شوالکوف و گروهشان از دانشگاه های ییل و واترلو)
6- یک اسپرینگ برد کوچک برانگیخته شد تا همزمان با 2 فرکانس مختلف نوسان کند. این اسپرینگ برد حدوداً 40 میکرون بود و با چشم غیر مسلح دیده می شد.
(هارون اکانل و مکس هوفینز و گروهشان - دانشگاه کالیفرنیا و سانتا باربارا)
7- ریسمان هایی حاوی 8 یون کلسیم که در یک شبکه بلور به دام افتاده بودند، در هم تنیده شدند. امروزه فیزیکدانان می توانند با 14 یون هم این کار را انجام دهند.
(هارت موث هافنر و رینر بلت و گروهشان - دانشگاه اینس براک)
8- حرکات ارتعاشی خارجی مانند اسپین، دریون های برلیم و منیزیم به جای ویژگی های داخلی در هم تنیده شدند.
(جان جست و دیوید وایندلند و گروهشان از انستیتوی ملی مدل ها و فناوری ها)
اندیشه ای که می گوید سامانه های کوانتومی را هرگز نمی توان از محیط اطرافشان جدا کرد. هواداران این تفکر می گویند که جفت شدگی با محیط اطراف، وابستگی های فازی بین دامنه های احتمال کوانتومی را بسیار سریع وامی پاشد. این رفتار موجب می شود سامانه، تقریباً کلاسیکی رفتار کند.
| کد قالب جدید قالب های پیچک |
