در مقالهای که در مجله نیچر کامیونیکیشن منتشر شده است، مدیر مرکز دینامیک کوانتوم، هاوارد وایزمن و همکارانش از دانشگاه توکیو گزارش میکنند که با استفاده از اندازهگیریهای هموداین توانستهاند فرو ریزش غیر محلی تابع موج یک ذره را که اینیشتین معتقد بود واقعیت ندارد نشان دهند.
با توجه به علم مکانیک کوانتوم، یک ذره را می توان با تابع موجی که در فواصل بزرگ قراردادی منتشر میشود اما هرگز در دو یا چند مکان آشکارسازی نشده است، توصیف کرد.
این پدیده در نظریه کوانتوم توسط آنچه که اینیشتین در سال 1927 به عنوان «کنش شبحوار از راه دور» و یا فروپاشی غیر محلی آنی تابع موج انکار کرده بود، توضیح داده شده است.
دانشمندان تقریبا 90 سال بعد با جداسازی یک تک فوتون (بستههای تفکیک ناپذیر انرژی) بین دو آزمایشگاه مجزا، از آشکارسازهای هموداین که ویژگیهای موج مانند ذرات را اندازهگیری میکنند، برای نشان دادن واقعی بودن اثر فرو ریزش تابع موج استفاده کردند.
این پدیده هنوز قویترین اثبات درهم تنیدگی یک ذره منفرد است. درهم تنیدگی یک ذره منفرد شکل غیر معمولی از درهم تنیدگی کوانتومی میباشد که به طور فزایندهای برای ارتباطات و محاسبات کوانتومی مورد بررسی قرار میگیرد.
بر اساس در هم تنیدگی کوانتومی، در سامانههای مرکب میتوان با وضعیتهایی مواجه شد که در آن اجزای سامانه دارای هیچ ویژگی نیستند بلکه فقط سامانه کل دارای دستهای از ویژگیها است. به عنوان مثال میتوان به درهمتنیدگی و جفت شدن خواص مکانیکی دو ذره اشاره کرد که پیشتر با یکدیگر در اندرکنش بودهاند و سپس از یکدیگر جدا شدهاند. در هم تنیدگی برای ذراتی همچون فوتونها، الکترونها و حتی مولکولها رخ میدهد. این اندرکنش فیزیکی مربوط به خواصی نظیر مکان، تکانه، اسپین و قطبش و غیره است به گونهای که با تعیین هر یک از خواص برای یکی از دو ذره، همان خاصیت در دیگری تعیین میشود. به عبارت دیگر هر یک از ذرات جفت شده به خوبی توسط حالت کوانتومی مشابه توصیف میشوند.
این چیزی بود که باعث شد اینیشتین به ایده «رفتار شبحوار از راه دور» اشاره کند، زیرا تغییرات در یک نقطه بلافاصله در نقطه دیگر بروز مییافتند. در واقع در دهه ۱۹۲۰، شرودینگر اظهار کرد در تئوری کوانتوم امکان ساخت یک زوج فوتون درهم تنیده وجود دارد. این فوتونها چنان درهم تنیدهاند که با دانستن حالت یکی از فوتونها میتوان حالت فوتون دیگر را به طور آنی دریافت. زیرا فوتونهای درهمتنیده، در هر فاصلهای از هم که قرار داشته باشند، حتی اگر چندین سال نوری از هم دور باشند، مییتوانند بلافاصله بر یکدیگر تاثیر بگذارند.
عبارت «آنی» انیشتین را با دردسر مواجه ساخت، چرا که این عبارت به طور تلویحی بیان میکرد که میتوان سیگنالها را سریعتر از سرعت نور انتقال داد. انیشتین این مفهوم نامتعارف را با عبارت کنش شبح وار از راه دور توصیف کرد. از آنجایی که تجهیزات دقیقی برای آزمایش وجود نداشت، این ایدهها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود.
آزمایش فرضی انیشتین به این ترتیب است که یک ذره انتخاب و به دو فوتون تجزیه میشود. این دو فوتون در دو جهت متفاوت به حرکت درمیآیند. از آنجایی که این دو فوتون، از یک پیون خارج شدهاند، درهمتنیدهاند، به این معنی که تابع موج یکسانی دارند. این دو فوتون، دارای چند ویژگی مکمل نیز هستند. برای مثال میتوان چرخش آنها را نام برد؛ پیون در ابتدا هیچ چرخشی نداشت، بنابراین، اگر یک فوتون، چرخشی رو به بالا بر محور x خود داشته باشد، فوتون دیگر، برای ایجاد تساوی، باید دارای یک چرخش رو به پایین بر محور x خود باشد.
اما با توجه به تئوری کوانتوم، یک ویژگی تا زمانی که اندازهگیری نشده باشد، وجود ندارد. بنابراین وقتی فوتون اول اندازه گرفته میشود و چرخش رو به بالای آن مشاهده میشود، فوتون دیگر، بلافاصله باید چرخشی رو به پایین به خود بگیرد، حتی اگر یک سال نوری از فوتون اول فاصله داشته باشد. به عقیده انیشتین ، چنین چیزی منطقی نبود. او معتقد بود که فوتونها یا در زمان جدا شدن از یکدیگر، اطلاعات مربوط به چرخش را با خود برده بودند، یا این که فوتون اول، هنگامی که مورد بررسی قرار گرفته، اطلاعات چرخش خود را بلافاصله با سرعتی بیشتر از سرعت نور، به فوتون دوم، که در فاصله بسیار دور از آن قرار دارد، منتقل کرده است. انیشتین این تأثیر را کنش شبحوار از راه دور نامید.
از آنجایی که اطلاعات نمیتوانند با سرعتی بیش از سرعت نور منتقل شوند، انیشتین چنین استدلال کرد که فوتونها، احتمالا دارای «متغیرهای پنهان» هستند که از زمان به وجود آمدن فوتونها، اطلاعات چرخش را شامل میشدند. در تئوری کوانتوم، چنین متغیرهایی وجود نداشتند، پس تئوری وی قطعا ناقص بود.
وایزمن میگوید: «اینیشتین هرگز اصول متعارف مکانیک کوانتومی را نپذیرفت و دلیل اصل اساسی مخالفت او همین استدلال ذره منفرد بود. به همین دلیل است که نشان دادن فرو ریزش غیر محلی تابع موج با یک ذره مهم است. نظر اینیشتین این بود که حتی آشکارسازی ذره تنها در یک نقطه میتواند توسط این فرضیه بهتر توضیح داده شود که ذره تنها در یک نقطه است و استنادی به فرو ریزش آنی تابع موج در هیچ نقطه دیگر ندارد. با این حال، ما به جای تشخیص ساده وجود یا عدم وجود ذره، از اندازهگیری هموداین برای ایجاد بخشی جهت انجام اندازهگیریهای مختلف و از سوی دیگر، از توموگرافی کوانتومی، برای آزمایش اثر این بخش استفاده کردیم.»
آشکارسازی هموداین یک روش آشکارسازی تابش با فرکانس مدوله شده توسط ترکیب کردن غیر خطی آن با تابش فرکانس مرجع است که در واقع همان اصل حاکم بر آشکارسازی هیتروداین میباشد. در واقع در تداخل نوری، هموداین به این معنی است که تابش مرجع (برای مثال نوسانساز محلی) ناشی از همان منبع سیگنالی است که قبل از فرآیند مدولاسیون ایجاد شده است. به عنوان مثال، در یک اندازه گیری پراش لیزر، پرتوی لیزر به دو قسمت تقسیم میشود. یکی از این دو پرتو نوسانساز محلی است و دیگری برای بررسی به سیستم فرستاده میشود. سپس نور پراکنده شده با نوسانساز محلی در آشکارساز ترکیب میشوند. مزیت ترکیب شدن با این آرایش غیر حساس شدن به نوسانات فرکانس لیزر است. معمولا پرتوی پراکنده شده ضعیف خواهد بود، که در این صورت جزء ثابت خروجی آشکارساز، معیار خوبی از شدت نوسانساز محلی آنی است و بنابراین می تواند برای جبران هر گونه نوسان در شدت لیزر استفاده شود.
وایزمن میگوید: «از طریق این اندازه گیریهای مختلف، میتوانیم فرو ریزش تابع موج را به روشهای مختلف ببنیم، در نتیجه وجود آن را اثبات کنیم و نشان دهیم که اینیشتین در اشتباه بود.»
در مکانیک کوانتومی، فروریزش تابع موج (یا فروریزش بردار حالت) پدیدهای است که در آن یک تابع موج که ابتدا در یک برهم نهی از چند حالت ویژه ممکن برای آن است، بعد از برهم کنش با یک مشاهدهگر به یکی از حالتهای ویژه تغییر حالت میدهد. طبق اصلهای مکانیک کوانتومی ارائه شده توسط جان فون نویمان، این فرآیند یکی از دو فرآیند ممکن برای سامانه کوانتومی برای تحول است. در مورد واقعیت و اصالت این پدیده نظرهای زیادی مطرح است، برخی این پدیده را یک پدیده مستقل و برخی آن را یک پدیده ثانویه ناشی از پدیدهای دیگر مانند ناهمدوسی کوانتومی میدانند.
ثمین موتمن فر/ کارشناس ارشد الکترونیک نوری
No tags for this post.