مناقشهای که از سال ۱۹۲۷ میان غولهای فیزیک کوانتومی شکل گرفته بود، سرانجام با یک آزمایش دقیق آزمایشگاهی پایان یافت. در این آزمایش، یک اتم به دامافتاده برای اجرای آزمونی استفاده شد که آلبرت اینشتین پیشنهاد داده بود؛ آزمایشی مبتنی بر نسخهای خاص از آزمایش دوشکاف که هدفش آشکار کردن نقص احتمالی در مکانیک کوانتومی از طریق اندازهگیری «پسزنی» بود.
نتیجه آزمایش قاطع بود: هر تلاشی برای ردیابی مسیر یک ذره، الگوی تداخلی را از بین میبرد. این یافته ادعای نیلز بور را تأیید میکند؛ اینکه رفتار موجی و ذرهای هرگز بهطور همزمان قابل مشاهده نیستند.
اتمها، شکافها، پسزنی: بازآفرینی یک جدال تاریخی
در این آزمایش مدرن، فوتونها ـ کوچکترین واحدهای نور ـ بهجای تابش پیوسته، بهصورت تکی آزاد شدند. هر بار که فوتونی به مانعی متحرک برخورد میکرد، آن مانع دچار پسزنی میشد.
تیم «جیان-وی پان» در دانشگاه علم و فناوری چین این پسزنی را کنترل کرد و یک بحث فلسفی قدیمی را به دادههای تجربی تبدیل ساخت.
آنها میزان خوانایی ضربه واردشده به مانع را تنظیم کردند. همزمان، نوارهای تداخلی مشهور بهتدریج محو شدند. وقتی اطلاعات مربوط به ضربه بهاندازه کافی دقیق شد، کنتراست الگو از بین رفت. این دقیقاً همان پیشبینی بور بود: کسب اطلاعات مسیر، تداخل را حذف میکند.
شکاف متحرک اینشتین: ایدهای جلوتر از زمان
اینشتین در سال ۱۹۲۷ در بروکسل طرحی ارائه داد: شکافی نصبشده روی فنرها، بهگونهای که فوتون عبوری آن را تکان دهد.
با اندازهگیری پسزنی شکاف میشد فهمید فوتون از کدام مسیر عبور کرده، درحالیکه صفحه دوشکاف همچنان تداخل را نشان میداد.
«من در هر حال متقاعد شدهام که خدا تاس نمیاندازد.»
این جمله مشهور اینشتین در نامهای در دسامبر ۱۹۲۶، مخالفت او با تصادفیبودن بنیادین طبیعت را نشان میداد و انگیزه آزمایش پیشنهادیاش شد.
محدودیت سختگیرانه بور: اصل مکملیت
بور پاسخ داد که اندازهگیری پسزنی نمیتواند «ملایم» باقی بماند، زیرا شکاف باید متحرک باشد.
هرچه خوانش ضربه دقیقتر شود، ویژگی دیگری بههم میریزد. این اصل بعدها «مکملیت» نام گرفت: دیدگاه موجی و ذرهای نمیتوانند کامل کنار هم وجود داشته باشند.
بور این مبادله را نقص ابزار ندانست، بلکه آن را جزئی ذاتی از طبیعت تلقی کرد. پاسخ او پیشبینی روشنی ساخت: هرچه سرنخ مسیر واضحتر شود، الگوی تداخل محوتر میگردد.
وقتی یک اتم نقش شکاف را بازی میکند
بازسازی شکاف متحرک به چیزی بسیار سبکتر از صفحه فلزی نیاز داشت، اما باید قابلکنترل میبود.
تیم پژوهشی از یک اتم روبیدیوم استفاده کرد که در «انبرک نوری» ـ تله لیزری برای نگهداشت اجسام ریز ـ به دام افتاده بود.
سرد کردن اتم تا نزدیک کمینه حرکتش باعث شد پسزنی واقعی ثبت شود، نه اینکه در لرزشهای تصادفی گم شود.
با این هدف فوقسبک، آزمایش سرانجام با فرض اینشتین همخوان شد؛ جایی که خود شکاف رفتاری کوانتومی داشت.
تنظیم پسزنی اتم: یک پیچ تنظیم کوانتومی
پژوهشگران با تغییر عمق تله لیزری تعیین کردند اتم هنگام برخورد تا چه حد آزادانه حرکت کند.
- در تله عمیقتر: محدودسازی بیشتر، عدمقطعیت تکانه بالاتر
- در تله کمعمقتر: حرکت آزادتر، خوانش آسانتر پسزنی
این تنظیمپذیری یک «دیال» دقیق ساخت؛ از پسزنی مبهم تا پسزنی شفاف، بدون تغییر ماده یا هندسه آزمایش.
تداخل کجا ناپدید میشود؟
روی آشکارساز، وقتی مسیر فوتون ثبت نمیشد، نوارهای روشن و تاریک ظاهر بودند.
اما با افزایش اطلاعات پسزنی، این نوارها کموضوح شدند. کنتراست روشنایی کاهش یافت تا تقریباً محو شد.
«با تغییر عمق تله انبرک نوری، عدمقطعیت تکانه ذاتی اتم را تنظیم کردیم و کاهش تدریجی تداخل تکفوتونی را دیدیم.»
این محوشدن پیوسته نشان داد بحث قدیمی نه درباره تفسیر، بلکه درباره اطلاعات تولیدشده توسط اندازهگیری است.
درهمتنیدگی: عامل پنهان کاهش تداخل
پشت این محوشدن، صرفاً اغتشاش نبود؛ بلکه پیوندی کوانتومی میان فوتون و شکاف متحرک شکل گرفت.
وقتی فوتون به اتم ضربه زد، «درهمتنیدگی کوانتومی» ایجاد شد؛ حالتی مشترک که نتایج را به هم گره میزند.
درهمتنیدگی قویتر یعنی سرنخ مسیر واضحتر در حرکت اتم، در نتیجه همپوشانی لازم برای تداخل کمتر.
وقتی اتم به ثبتکنندهای قابلاعتماد تبدیل شد، آزمایش ناچار میان «مسیر» و «نوارها» یکی را انتخاب کرد.
نویز یا قانون طبیعت؟ تفکیک کلاسیک از کوانتومی
همه محوشدنها منشأ کوانتومی ندارند. اتمها ممکن است گرم شوند.
گرمایش تصادفی نویز کلاسیک ایجاد میکند؛ لرزشی معمولی که میتواند الگو را بهاشتباه محو کند.
تیم پژوهش با اندازهگیری اثر گرمایش، این تاری کلاسیک را از اثر واقعی پسزنی جدا کرد.
نتیجه، مشاهده گذار «کوانتومی به کلاسیک» بود؛ جایی که با غلبه نویز عادی، رفتار کوانتومی فروکش میکند.
چرا پسزنی یک اتم اهمیت دارد؟
این آزمایش فقط یک جدال ۹۸ ساله را حل نکرد؛ بلکه بستری کنترلپذیر برای مطالعه ماهیت اندازهگیری فراهم کرد.
آزمایشهای آینده میتوانند:
- حالت مشترک فوتون–اتم را مستقیماً نقشهبرداری کنند
- فرایند واپاشی همدوسی (Decoherence) را ردیابی کنند
- اثر افزایش جرم شکاف را بررسی کنند
با سنگینتر شدن شکاف، پسزنی ناچیز میشود، درهمتنیدگی کاهش مییابد و نویز معمولی غالب میگردد.
این نتایج میتواند طراحی حسگرهای کوانتومی، شبکههای کوانتومی را هدایت کند؛ جایی که اطلاعات بیشتر همیشه هزینه دارد.
جمعبندی: از جدال فلسفی تا سامانه قابلتنظیم
بازسازی آزمایش اینشتین با یک اتم تنها، نزاعی فلسفی را به سامانهای تجربی تبدیل کرد که نشان میدهد «دانستن» چگونه نتیجه را تغییر میدهد.
با گسترش این کنترل به اجسام سنگینتر، مرز میان فیزیک کوانتومی و دنیای روزمره شفافتر خواهد شد.
این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.
نظر شما درباره پایان این مناقشه تاریخی چیست؟ دیدگاهتان را بنویسید و این مقاله را با علاقهمندان فیزیک کوانتومی به اشتراک بگذارید.
