فیزیک کوانتوم

نوبل فیزیک ۲۰۲۲ ثابت کرد موضوعات فلسفی می‌توانند کاربردی‌تر از هر موضوع دیگری باشند!

سایت دیپ لوک

این هفته و به رسم همیشگی هفته اول اکتبر، برندگان جوایز نوبل معرفی شدند. در این میان، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ به سه فیزیکدانی رسید که شاید کمتر کسی در دنیای فیزیک آن‌ها را نشناسد و البته حوزه‌ی کاری آن‌ها این روزها، احتمالا داغ‌ترین و فناورانه‌ترین مفهوم کوانتومی به شمار می‌آید: درهم تنیدگی کوانتومی . آنها درهم تنیدگی کوانتومی را در زمانه‌ای ثابت کردند که همه در واکنش به کار آن‌ها، فقط شانه‌های خود را بالا انداختند! پیش‌برنده‌ی برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ ، کنجکاوی، مهارت و سرسختی بود. وقتی فیزیکدان جوان جان کلاوسر به استاد دکترایش گفت می‌خواهد نظریه کوانتومی را آزمایش کند تا ببینید آیا رفتار ذرات همبسته باقی می‌ماند یا نه، استادش به او گفت به دنبال موضوعات «فلسفی» نرود، اما مدت‌هاست که ثابت شده استادش در اشتباه بوده! نوشتار زیر ترجمه‌ی مقاله‌ای به قلم دیوید کایزر (David Kaiser)، استاد فیزیک و تاریخ علم در MIT، است که در وب‌سایت ناتیلوس منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

من عادت دارم هر سال در اولین سه شنبه ماه اکتبر خیلی زود از خواب بیدار شوم؛ زمانی که آکادمی سلطنتی علوم سوئد برندگان جدید جایزه نوبل فیزیک را اعلام می‌کند. حدود ده سال است که این کار را به امید شنیدن یک اعلامیه خاص انجام می‌دهم و امسال بالاخره آن سال خاص بود!

برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ جان کلاوسر (John Clauser)، آلن اسپکت (Alain Aspect) و آنتون زیلینگر(Anton Zeilinger)، پیشگامان مطالعه درهم تنیدگی کوانتومی، یکی از فریبنده‌ترین ویژگی‌های نظریه کوانتومی هستند. آلبرت اینشتین و همکارانش در دهه ۱۹۳۰ به شناسایی این مفهوم کمک کردند، اما آن را رد کردند و بسیار عجیب غریب و دور از واقعیت دانستند. سی سال بعد، فیزیکدان جان بل، روشی مبتکرانه برای طراحی آزمایشی معرفی کرد که ممکن است چنین رفتار عجیب و غریبی را تایید یا رد کند.

نظریه کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که اگر دو یا چند ذره به روش خاصی آماده شوند، حتی پس از اینکه از هم دور شدند، رفتار آن‌ها باید همبسته باقی بماند. اندازه‌گیری برخی از ویژگی‌های ذره A و ذره B باید رفتار خاصی نشان دهد، حتی اگر چند سال نوری از هم فاصله داشته باشند. آزمایش‌هایی که بل در ذهن داشت، هوشمندانه بودند و همچنین امکان‌پذیر به نظر می‌رسیدند: نیازی به ساخت یک شتاب‌دهنده ذرات عظیم یا پرتاب یک ماهواره جدید عظیم نبود. با این حال، سال‌ها گذشت تا فیزیکدانان دیگر، حتی به مقاله بل استناد کنند، چه رسد به اینکه آستین بالا بزنند و آن را اجرا کنند.

یکی از اولین کسانی که با بل تماس گرفت، جان کلاوسر جوان بود. کلاوسر هنگام مرور مجلات در کتابخانه به عنوان دانشجوی فارغ‌التحصیل به طور تصادفی به مقاله بل برخورد کرد و هیجان‌زده از آنچه خوانده، نزد استاد راهنمای خود رفت که به وی پیشنهاد کند آزمایش پیشنهادی بل را انجام دهند. استاد او با توصیه‌ای ناامیدکننده (اما قطعا با نیت خوب) چنین پاسخ داد: به موضوعات اصلی‌تر پایان نامه بچسبید، موضوعات «فلسفی» مانند درهم تنیدگی را دنبال نکنید.

با این حال، چند سال بعد، در حالی که کلاوسر در حال آماده شدن برای دوره‌ی پسادکترای خود در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی بود، به بل نامه نوشت تا بپرسد آیا فیزیکدانان دیگر چنین آزمایشاتی را در این مدت انجام داده‌اند یا خیر. بل بعدها یادآور شد که نامه کلاوسر اولین باری بود که یک فیزیکدان تجربی به کار وی علاقه نشان می‌داد. بل به سرعت پاسخ داد که اگر کلاوسر بتواند رفتاری متفاوت از پیش‌بینی ‌های کوانتومی را اندازه‌گیری کند، جهان را منقلب خواهد کرد!

کلاوسر و استوارت فریدمن (که آن زمان دانشجویی فارغ‌التحصیل بود) با تشویق بل، و البته در کنار انتقادات تعدادی از همکارانشان، شروع به انجام اولین آزمون بل کردند. آن‌ها پس از جستجوی وسایل لازم، موفق به جمع‌آوری داده‌ها در مورد هزاران جفت ذره شدند و دقیقاً رفتار همبسته پیش‌بینی شده توسط نظریه کوانتومی را پیدا کردند. آنها نتایج خود را در سال ۱۹۷۲ در یک مجله برجسته منتشر کردند و سپس … هیچ! سال بعد، ارجاع به کار بل، که قبلا هم خیلی کم بود، به بیش از نصف کاهش یافت. برخی از رهبران دانشگاهی تردید داشتند که آیا تحقیقات مربوط به درهم تنیدگی، «فیزیک واقعی» محسوب می‌شود یا نه.

یک اقیانوس آن‌وَرتر، درست خارج از پاریس، آلن اسپکت نیز شیفته‌ی درهم تنیدگی کوانتومی شده بود. او نیز مانند کلاوسر آرزوی انجام آزمایش بل را در آزمایشگاه داشت. جاه‌طلبی اصلی او انجام آزمایشی بود که بتواند فوراً درهم‌تنیدگی را نشان دهد. او به سرن ژنو، جایی که بل کار می‌کرد، رفت تا از خود بل بپرسد آیا چنین آزمایشی ارزش دارد یا نه. اولین سوال بل این بود: «آیا یک کار دائمی دارید؟»؛ چرا که موضوع درهم تنیدگی همچنان در حاشیه بود.

اسپکت نیز مانند کلاوسر روی این موضوع پافشاری کرد. او در یک آزمایش فوق‌العاده با همکارانش در سال ۱۹۸۲ از سوئیچ‌های بسیار سریعی استفاده کرد که می‌توانستند مسیر هر ذره را در راه دستگاه‌های اندازه‌گیری تغییر دهند. سوئیچ‌ها ۱۰۰ میلیون بار در ثانیه عقب و جلو می‌رفتند. آشکارسازی که یک ذره معین به سمت آن هدایت می‌شد در حالی که آن ذره در حال پرواز بود، تعیین شد. علاوه بر این، دو ایستگاه اندازه‌گیری به اندازه‌ای از هم فاصله داشتند که نمیشد اطلاعات یک طرف آزمایش اسپکت را قبل از تکمیل اندازه‌گیری‌های هر دو ذره، به طرف دیگر مخابره کرد. اسپکت و همکارانش نزدیک به یک تریلیون جفت ذره را از طریق دستگاه فرستادند و آنها نیز دقیقاً همانطور که نظریه کوانتومی پیش بینی کرده بود، همبستگی های شبح‌وار را دیدند! 

درست مانند آزمایش کلاوسر در یک دهه قبل، همه در برابرآزمایش زیبای اسپکت شانه بالا انداختند. بنابراین وی تا چند سال بعد، به دلیل بی‌تفاوتی بسیاری از همکارانش نسبت به موضوعاتی مانند درهم تنیدگی، بر حوزه‌های دیگر فیزیک تمرکز کرد.

سومین دریافت کننده جایزه امسال، یعنی آنتون زیلینگر، سرسختی، نبوغ و پشتکاری مانند دو فیزیکدان قبلی نشان داد. او با چند همکارش، کار بل را به سه یا چند ذره درهم تنیده گسترش داد. در دهه ۱۹۹۰، او و گروهش برای اولین بار موفق شدند یک حالت درهم تنیده را از راه دور منتقل کنند و رفتار همبسته خاص را به ذره سوم منتقل کنند. اندکی پس از آن، گروه او همبستگی بین ذرات را حتی پس از فاصله ۱۰۰ مایلی از هم اندازه گرفتند.

زیلینگر نیز حتی زمانی که بسیاری از همکارانش درهم تنیدگی را یک موضوع کم‌اهمیت می‌دانستند، به کار خود ادامه داد. در واقع، او چندین دهه تلاش خستگی‌ناپذیری برای تقویت تست‌های بل و چندین آزمایش پیشگام مختلف انجام داد. دوستانم اندی فریدمن، جیسون گالیکیو، آلن گوث و من این شانس را داشتیم که با زیلینگر و گروهش در برخی از آزمایش‌های اخیرش همکاری کنیم. در آزمایش‌های «بل کیهانی»، ما خود جهان را به یک جفت مولد اعداد تصادفی تبدیل کردیم.

بسیار جالب است که دستاوردهای کلاوسر، اسپکت و زیلینگر اکنون فراتر از سوالات فلسفی در مورد چگونگی کارکرد جهان است. امروزه در سرتاسر جهان، سرمایه‌های تحقیقاتی در زمینه علوم اطلاعات کوانتومی بیش از یک میلیارد دلار در سال است که شامل آزمایشگاه‌های دانشگاهی، امکانات دولتی و تلاش‌های صنعتی می‌شود. فناوری‌های نسل بعدی مانند رمزگذاری کوانتومی و محاسبات کوانتومی اکنون با تبدیل درهم تنیدگی به یک منبع (نه فقط یک کنجکاوی) ساخته می‌شوند.

ماکس پلانک، که بیش از یک قرن پیش به ایجاد نظریه کوانتومی کمک کرد، با کنایه‌ی معروفی گفت که ایده‌های علمی جدید با متقاعد کردن شکاکان پیروز نمی‌شوند، بلکه در نهایت منتقدان می‌میرند و نسل جدیدی رشد می‌کنند که تصورات عجیب و غریب برایشان آشنا به نظر می‌رسد [این مسئله، موضوع دومین ویژه‌نامه دیپ لوک به نام «این ایده باید بمیرد» بود و از قضا همین نقل قول پلانک، انتخاب ما به عنوان حسن ختام ویژه‌نامه بود]. خوشبختانه آلن اسپکت، جان کلوزر و آنتون زایلینگر مجبور نبودند آنقدر منتظر بمانند. با این وجود، برنده شدن نوبل فیزیک ۲۰۲۲، نشان‌دهنده پایان یک سفر نیم قرنی برای آ‌نهاست. آنها با کنجکاوی و مهارت، تمام تلاش خود را کردند و هرگز چشم‌انداز طولانی ایده‌هایشان را نادیده نگرفتند.