تصاویر؛ یک قرن با کوانتوم؛ مروری بر انقلابی‌ترین ایده‌های دنیای فیزیک
گربهای که هم زنده است و هم مرده، ذراتی که در چندجا حضور دارند و جهان‌های موازی؛ مهم‌ترین اتفاقات صد سال اخیر فیزیک کوانتوم را با هم مرور می‌کنیم.
در آغاز قرن بیستم، فیزیک بر دوش نظریه‌هایی قرار داشت که قرن‌ها ستون علم بودند: مکانیک نیوتنی، ترمودینامیک و الکترومغناطیس ماکسول. اما در گوشه‌وکنار این ساختمان منظم، کم‌کم ترک‌هایی ظاهر شدند: تابش جسم سیاه، اثر فوتوالکتریک و خطوط طیفی، ازجمله پدیده‌هایی بودند که فیزیک کلاسیک از توضیح دقیق آن‌ها عاجز بود. تلاش برای فهم این مسائل، راه را برای انقلابی در علم گشود که نخستین جرقه‌هایش با کارهای ماکس پلانک و آلبرت اینشتین روشن شد.
در سال ۱۹۰۰، پلانک برای حل معمای تابش جسم سیاه، به‌ناچار فرض کرد که انرژی نه به‌صورت پیوسته، بلکه در بسته‌هایی گسسته به‌نام کوانتا منتشر می‌شود. پنج سال بعد، اینشتین همین ایده را در مورد نور به‌کار گرفت و اثر فوتوالکتریک را توضیح داد؛ اما این ایده‌ها در آن زمان بیشتر شبیه ترفندهای ریاضی بودند تا اصول بنیادین طبیعت.
نقطهی عطف، سال ۱۹۲۵ بود. در این سال، ورنر هایزنبرگ و ماکس بورن با همکاری پاسکال جردن، فرمی تازه از فیزیک کوانتوم را ارائه دادند که به‌طور کامل از ریاضیات ماتریسی استفاده می‌کرد. کمی بعد، اروین شرودینگر معادله‌ی موجی معروف خود را نوشت و نشان داد که هر دو رویکرد، توصیف‌های متفاوت اما هم‌ارز از پدیده‌های کوانتومی هستند. با این دو دستاورد، نظریه‌ی کوانتوم سرانجام به‌عنوان چارچوبی مستقل و منسجم شکل گرفت و دنیای علم را برای همیشه تغییر داد.
در ادامه، با هم مهم‌ترین لحظات در تاریخ صد ساله‌ی نظریه کوانتوم را مرور می‌کنیم؛ از ایده‌های آغازین آلبرت اینشتین و ورنر هایزنبرگ تا کشف پدیده‌هایی چون برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی و صدالبته، کامپیوترهای کوانتومی امروزی.
۱۹۰۵ | اثر فوتوالکتریک؛ آغاز بازنگری در ماهیت نور
در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین، درحالی‌که به نتایج پیشگامانه‌ی ماکس پلانک درباره‌ی تابش جسم سیاه نگاه می‌کرد، ایدهی جسورانه‌ای را مطرح کرد: نور، برخلاف آنچه فیزیک کلاسیک می‌گفت، تنها موج نیست، بلکه از ذراتی به‌نام کوانتا یا فوتون ساخته شده است؛ ذراتی با انرژی مشخص که به فرکانس نور بستگی دارد.
او از این فرض برای توضیح پدیده‌ای استفاده کرد که سال‌ها دانشمندان را سردرگم کرده بود: اثر فوتوالکتریک. چرا نور با فرکانس بالا می‌تواند از سطح فلز، الکترون بیرون بکشد، ولی نور با فرکانس پایین، حتی با شدت بیشتر، چنین کاری نمی‌کند؟
اثر فوتوالکتریک؛ تعدادی از الکترون‌های فلز پس از برخورد نور با فرکانس مشخص، از سطح آن خارج می‌شوند.
در اثر فوتوالکتریک وقتی نور به سطح یک فلز برخورد می‌کند، تعدادی الکترون از سطح آن جدا می‌شوند؛ اما این اتفاق فقط وقتی می‌افتد که نور، انرژی کافی را برای انجامش داشته باشد.
برای درک بهتر، تصور کنید نور مانند راننده‌ای است که به عوارضی بین راه نزدیک می‌شود. اگر پول کافی نداشته باشد، نمی‌تواند عبور کند. الکترون‌ها هم فقط وقتی از سطح فلز خارج می‌شوند که فوتون‌ها هزینه‌ی لازم را پرداخت کنند. این هزینه، همان «تابع کار» فلز است؛ یعنی حداقل انرژی لازم برای جدا کردن یک الکترون.
اما شدت نور (مثلاً روشنایی زیاد) لزوماً باعث خروج الکترون نمی‌شود. مهم‌تر از شدت، فرکانس نور است. اگر فرکانس نور از حدی مشخص (فرکانس آستانه) پایین‌تر باشد، حتی نور با بیشترین شدت هم هیچ الکترونی را جدا نمی‌کند. این پدیده برای اولین‌بار در سال ۱۸۳۹ توسط بکرل دیده شد، اما توضیح درستش را آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ داد؛ کاری که بعدها برایش جایزه‌ی نوبل فیزیک را به ارمغان آورد.
امروزه اثر فوتوالکتریک در قلب فناوری‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی، دوربین‌ها، حسگرهای نوری، درهای اتوماتیک، اسکنرهای بارکد، تجهیزات پزشکی و حتی ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار دارد. وقتی نور مناسب برسد، الکترون‌ها به حرکت درمی‌آیند و از دل این حرکت، جریان برق، داده یا تصویر تولید می‌شود.
اثر فوتوالکتریک نشان می‌دهد که نور، فقط رفتار موجی ندارد، بلکه مانند ذرات نیز می‌تواند رفتار کند. این دیدگاه، یکی از اولین گام‌ها به‌سوی فیزیک کوانتوم بود و نور را از سلطه‌ی مطلق نظریه‌ی موجی کلاسیک بیرون کشید.
۱۹۱۳ | مدل کوانتومی بور؛ نخستین نقشه‌برداری از ساختار اتم
در سال ۱۹۱۳، نیلز بور با ارائه‌ی مدلی کوانتومی برای ساختار اتم، یکی از مهم‌ترین گام‌های تاریخ فیزیک را برداشت. تا پیش از آن، مدل‌های کلاسیکی مانند مدل رادرفورد، اگرچه وجود هسته‌ی متمرکز در اتم را پذیرفته بودند، نمی‌توانستند توضیح دهند که چرا الکترون‌ها به‌سوی هسته سقوط نمی‌کنند یا چرا اتم‌ها فقط طول‌موج‌های خاصی از نور را جذب یا تابش می‌کنند.
مدل اتمی بور
بور با استفاده از ایدهی انرژی کوانتیده‌ی پلانک، مدلی پیشنهاد کرد که در آن، الکترون‌ها تنها می‌توانند در مدارهایی مشخص با انرژی‌های گسسته و معین به دور هسته بچرخند. در این مدل، انتقال الکترون از یک مدار به مدار دیگر با جذب یا گسیل فوتون همراه است.
مدل بور توانست برای نخستین‌بار خطوط طیفی اتم هیدروژن را با دقتی شگفت‌انگیز توضیح دهد؛ موفقیتی که به‌سرعت جایگاه این نظریه را در فیزیک تثبیت کرد. اگرچه بعدها معلوم شد که مدل بور تنها برای سیستم‌های ساده‌ای مانند اتم هیدروژن به‌درستی عمل می‌کند، اما این مدل نخستین تلفیق جدی بین مفاهیم کوانتومی و ساختار اتم بود.
کار بور، پلی میان فیزیک کلاسیک و دنیای نوظهور مکانیک کوانتومی ساخت؛ پلی که نه‌تنها فیزیک اتمی را متحول کرد، بلکه چشم‌انداز دانشمندان را نسبت به ماهیت ماده و نور به کلی تغییر داد.
۱۹۱۹ | پیشنهاد کوانتومی‌بودن پدیده مغناطیس
در سال ۱۹۱۹، هندریکا یوهانا فن‌لیوون، فیزیکدان هلندی، در پایان‌نامه‌ی دکترای خود به نتیجه‌ای شگفت‌انگیز و بنیادین رسید: اگر بخواهیم فقط با قوانین فیزیک کلاسیک رفتار مغناطیسی مواد را توصیف کنیم، به نتیجه‌ای پوچ می‌رسیم؛ هیچ ماده‌ای نباید خاصیت مغناطیسی داشته باشد.
او در این تحقیق نشان داد که مدل‌های کلاسیک قادر نیستند پدیده‌ی مغناطیس را توضیح دهند. به بیان دیگر، حرکت الکترون‌ها در اتم‌ها، آنگونه که فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌کند، هیچ میدان مغناطیسی‌ای تولید نمی‌کند. این نتیجه که بعدها به «قضیه‌ی فن‌لیوون» مشهور شد، یک پارادوکس بزرگ را آشکار کرد: اگر فیزیک کلاسیک کافی است، پس وجود آهنربا را چگونه باید توضیح داد؟
قضیه فن‌لیوون نخستین هشدار جدی به فیزیک کلاسیک بود: بدون کوانتوم، حتی وجود آهنربا هم بی‌معنا است
اهمیت این نتیجه زمانی آشکار شد که فیزیک کوانتوم وارد میدان شد. با ورود مفاهیمی مانند اسپین الکترون و اصل طرد پائولی، تصویر کاملاً متفاوتی از مغناطیس شکل گرفت. اکنون روشن بود که پدیده‌هایی مانند فرومغناطیس، پارامغناطیس و دیامغناطیس، همگی ریشه در ویژگی‌های کوانتومی ذرات دارند؛ ویژگی‌هایی که هیچ جایی در فیزیک کلاسیک ندارند.
فن‌لیوون با کار دقیق و عمیق خود، بی آنکه در مرکز توجه باشد، یکی از نخستین زنگ‌های بیدارباش را برای جامعه‌ی فیزیک به‌صدا درآورد: برای درک واقعی جهان، باید قوانین کوانتوم را بپذیرید. این پایان‌نامه، بی‌سروصدا اما انقلابی، نقطهی عطفی در مسیر گذار فیزیک، از کلاسیک به کوانتوم بود.
۱۹۲۵ | آغاز ریاضی مکانیک کوانتومی؛ هایزنبرگ و جبر ماتریسی
در تابستان ۱۹۲۵، ورنر هایزنبرگ جوان، برای دور شدن از آلرژی‌های شدیدش و رسیدن به آرامش، به جزیره‌ی بادخیز هلگولند در دریای شمال رفت؛ اما آنچه در آن جزیره اتفاق افتاد، نه فقط برای او بلکه برای کل فیزیک، سرنوشت‌ساز بود.
هایزنبرگ، که از سردرگمی نظریه‌های کلاسیک درباره‌ی حرکت الکترون‌ها خسته شده بود، تصمیم گرفت همه‌چیز را از نو بنویسد. او ویژگی‌های ذرات ریزاتمی، مثل مکان و سرعت، را نه به‌عنوان مقادیر دقیق، بلکه به‌صورت جدول‌هایی از مقادیر (که امروز آن‌ها را ماتریس می‌نامیم) در نظر گرفت.
وقتی این محاسبات را به استادش، ماکس بورن، نشان داد، بورن با نگاهی تیزبین متوجه شد که این جدول‌ها، درواقع همان جبر ماتریسی هستند. او گفت: «اگر این محاسبات درست باشند، ما با زبان جدیدی برای فیزیک روبه‌رو هستیم.»
۱۹۲۶ | شرودینگر و معادله موجی
در سال ۱۹۲۶، اروین شرودینگر با ارائه‌ی رویکردی متفاوت، افق‌های تازه‌ای در نظریه‌ی کوانتوم گشود. برخلاف مدل ماتریسی هایزنبرگ که به زبان جبری و نسبتاً انتزاعی بیان شده بود، شرودینگر تلاش کرد تصویری پیوسته و شهودی از رفتار ذرات زیراتمی ارائه دهد. او الکترون را نه به‌عنوان یک ذره‌ی نقطه‌ای، بلکه به‌صورت موجی گسترده در فضا توصیف کرد.
شرودینگر برای این کار، معادله‌ی دیفرانسیلی معرفی کرد که به «معادله‌ی شرودینگر» مشهور شد. این معادله توصیف می‌کند که چگونه «تابع موج» یک ذره در فضا و زمان تغییر می‌کند. تابع موج، کمیتی ریاضی است که اطلاعات کاملی از سیستم کوانتومی می‌دهد و مربع قدر مطلق آن، احتمال یافتن ذره در مکان‌های مختلف را مشخص می‌کند.
مدل موجی شرودینگر توانست با دقت بالایی رفتار الکترون‌ها را در اتم هیدروژن توصیف کند و توضیح دقیقی برای خطوط طیفی آن ارائه دهد؛ دستاوردی که در آن زمان موفقیتی چشمگیر به‌شمار می‌رفت. مهم‌تر از آن، این رویکرد بستری برای توسعه‌ی نظریه‌ی کوانتوم در حوزه‌های مختلف، مانند شیمی کوانتوم و فیزیک ماده چگال، فراهم کرد.
اگرچه در ظاهر، معادله‌ی شرودینگر با نظریه‌ی ماتریسی هایزنبرگ تفاوت داشت، بعدها نشان داده شد که این دو چارچوب، از نظر فیزیکی معادل یکدیگر هستند. بااین‌حال، رویکرد شرودینگر به‌دلیل شهود قوی‌تر، برای بسیاری از فیزیکدانان پذیرفتنی‌تر بود. معادله‌ی موجی شرودینگر به‌سرعت به یکی از پایه‌های اصلی مکانیک کوانتوم تبدیل شد و هنوز هم در قلب آموزش و پژوهش‌های کوانتومی جا دارد.
۱۹۳۵ | گربه زنده-مرده و کنش شبح‌وار
در سال ۱۹۳۵، فیزیک کوانتوم وارد یکی از رمزآلودترین و فلسفی‌ترین مراحل تاریخی خود شد. اروین شرودینگر، برای نشان‌دادن عجایب نظریه‌ی کوانتوم، آزمایشی ذهنی به‌نام گربه‌ی شرودینگر طراحی کرد.
در این آزمایش فرضی، گربهای درون جعبه‌ای بسته قرار دارد. در کنار او، یک ماده‌ی رادیواکتیو، شمارنده و ظرفی حاوی سم قرار گرفته‌اند. اگر ماده‌ی رادیواکتیو واپاشی کند، شمارنده آن را ثبت می‌کند، چکش فعال و درنهایت، سم آزاد می‌شود. اما طبق اصول کوانتومی، تا زمانی که به داخل جعبه نگاه نکرده‌ایم، ماده همزمان در دو حالت واپاشی‌شده و واپاشی‌نشده قرار دارد. در نتیجه، گربه نیز همزمان هم زنده است و هم مرده. تنها با مشاهده، یکی از این دو وضعیت انتخاب می‌شود.
در همان زمان، آلبرت اینشتین به‌همراه نیتان روزن و بوریس پودولسکی، مقاله‌ای معروف منتشر کردند که بعدها با عنوان «پارادوکس EPR» شناخته شد. آن‌ها به پدیده‌ای به‌نام درهم‌تنیدگی کوانتومی پرداختند؛ حالتی که در آن دو ذره‌ی کوانتومی، حتی اگر در فاصله‌ی بسیار دور از هم قرار داشته باشند (میلیون‌ها سال نوری)، طوری به‌هم پیوسته‌اند که تغییر در وضعیت یکی، بلافاصله بر دیگری اثر می‌گذارد.
اینشتین این پدیده را «کنش شبح‌وار از راه دور» نامید و معتقد بود که چنین رفتاری نشان می‌دهد مکانیک کوانتومی، نظریه‌ای ناقص است و باید متغیرهای پنهانی‌ای وجود داشته باشند که ما هنوز آن‌ها را نشناخته‌ایم.
۱۹۳۸ | کشف شکافت هسته‌ای
در سال ۱۹۳۸، اتفاقی افتاد که سرنوشت علم، انرژی و حتی سیاست جهانی را برای همیشه تغییر داد. لیزه مایتنر و همکار نزدیکش، شیمیدان آلمانی اتو هان، به کشفی رسیدند که بعدها به قلب فناوری هسته‌ای تبدیل شد: شکافت هسته‌ای.
شکافت هسته‌ای فرایندی است که طی آن، یک هسته‌ی سنگین و ناپایدار مانند اورانیوم-۲۳۵ به دو هسته‌ی کوچک‌تر تقسیم و در این میان، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. انرژی آزادشده، پایه‌ی نیروگاه‌های هسته‌ای و البته بمب‌های اتمی را شکل می‌دهد.
فرایند شکافت هسته‌ای
شکافت هسته‌ای گاهی به‌صورت خودبه‌خودی اتفاق می‌افتد، اما احتمال وقوع این رخداد آنقدر نادر است که برای استفاده‌ی عملی روی آن نمی‌توان حساب کرد. به‌همین‌دلیل، در نیروگاه‌ها از نوترون برای آغاز فرایند شکافت استفاده می‌شود.
وقتی یک نوترون به هسته‌ی اورانیوم برخورد می‌کند، هسته ناپایدار و شکسته می‌شود. این شکافت، دو یا سه نوترون دیگر و مقدار زیادی انرژی (عمدتاً به‌صورت پرتو گاما) آزاد می‌کند. این نوترون‌ها می‌توانند به هسته‌های دیگر برخورد کنند و واکنش زنجیره‌ای راه بیندازند.
اگر این واکنش کنترل نشود، انرژی زیادی آزاد می‌شود، مثل چیزی که در بمب‌های اتمی می‌بینیم. اما در راکتورهای هسته‌ای، با استفاده از میله‌های کنترل‌کننده که نوترون‌ها را جذب می‌کنند، سرعت واکنش کنترل می‌شود.
۱۹۵۰ | الکترودینامیک کوانتومی؛ دقیق‌ترین نظریه تاریخ فیزیک
در دهه‌ی ۱۹۵۰، فیزیکدانانی مانند ریچارد فاینمن، جولیان شوینگر، فریمن دایسون و سین‌ایترو تومونوجا، نسخه‌ی مدرن نظریه‌ی الکترودینامیک کوانتومی (Quantum Electrodynamics یا QED) را توسعه دادند. این نظریه، برهم‌کنش میان نور (یعنی فوتون‌ها) و ماده (ذرات باردار مانند الکترون‌ها) را با دقتی بی‌سابقه توضیح می‌دهد.
در فیزیک کلاسیک، نیروهایی مثل گرانش و الکترومغناطیس به‌صورت «میدانی» درک می‌شدند؛ یعنی یک میدان در فضا وجود دارد که روی ذرات اثر می‌گذارد؛ مثل نیروی جاذبه که باعث افتادن یک سنگ می‌شود یا نیرویی که بین دو ذره‌ی باردار، دافعه یا جاذبه ایجاد می‌کند. اما با پیشرفت نظریه‌ی کوانتوم، دانشمندان به دیدگاه متفاوتی رسیدند: شاید این نیروها اصلاً به میدان نیاز نداشته باشند و به‌جای آن، از راه تبادل ذرات خاصی منتقل شوند.
نظریه QED نشان داد که نیروی الکترومغناطیسی از راه تبادل فوتون‌های مجازی میان ذرات اعمال می‌شود
نقطهی عطف این تحول، کار ریچارد فاینمن بود؛ فیزیکدان عجیب و خلاق آمریکایی که به‌همراه همکارانش، نظریه‌ای ارائه داد که در آن، نیروی الکترومغناطیسی نه از طریق میدان، بلکه از راه تبادل فوتون‌های مجازی بین ذرات باردار، مانند الکترون و پروتون، اعمال می‌شود.
براساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، ذراتی مثل فوتون می‌توانند برای مدت کوتاهی «از هیچ» ظاهر شوند؛ به این ذرات موقت، «ذرات مجازی» می‌گوییم. فاینمن نشان داد که برهم‌کنش میان ذرات باردار را می‌توان با تبادل این فوتون‌های مجازی توضیح داد، بدون اینکه نیازی به فرض وجود یک میدان در فضا باشد.
برای ساده‌سازی این فرایند، فاینمن ابزار خلاقانه‌ای به‌نام نمودار فاینمن، طراحی کرد. در این نمودارها، خطوط صاف نمایانگر ذراتی مثل الکترون هستند و خطوط موج‌دار، فوتون‌ها را نشان می‌دهند. هرجایی که این دو خط به‌هم برسند، یعنی ذره‌ای، فوتون را جذب یا تابش کرده است. با همین ابزار ساده، برهم‌کنش پیچیده بین ذرات به شکلی تصویری و قابل‌محاسبه درمی‌آید.
در نمودار فاینمن خطوط صاف نمایانگر ذراتی مثل الکترون هستند و خطوط موج‌دار، فوتون‌ها را نشان می‌دهند.
این نگاه تازه، اساس نظریه‌ای به‌نام الکترودینامیک کوانتومی (QED) را شکل داد که ترکیبی از نظریه‌ی کوانتوم و نسبیت خاص است و با دقتی خیره‌کننده، رفتار نور و ماده را توضیح می‌دهد.
۱۹۵۷ | جهان‌های موازی
جهان کوانتومی با دنیای آشنای ما تفاوت‌های شگفت‌انگیزی دارد. درحالی‌که در مقیاس بزرگ همه‌چیز قطعی و قابل پیش‌بینی به نظر می‌رسد، در دنیای زیراتمی همه‌چیز رنگ احتمال به خود می‌گیرد. یکی از مفاهیم بنیادی این جهان، برهم‌نهی کوانتومی است؛ حالتی که در آن یک ذره تا قبل از اندازه‌گیری، می‌تواند همزمان در چند وضعیت مختلف وجود داشته باشد.
آزمایش معروف دو شکاف این مفهوم را به‌خوبی نشان می‌دهد. اگر الکترون یا فوتونی را به سمت صفحه‌ای با دو شکاف بفرستیم، روی پرده‌ی آشکارساز، الگویی موج‌گونه ظاهر می‌شود، حتی اگر ذرات را یکی‌یکی ارسال کرده باشیم. این یعنی ذره، پیش از اندازه‌گیری، همه‌ی مسیرهای ممکن را همزمان پیموده است. مکانیک کوانتومی این رفتار را با تابع موج توضیح می‌دهد، که ترکیبی از همه‌ی حالت‌های ممکن یک سیستم به‌حساب می‌آید.
آزمایش دو شکاف
در تفسیر مشهور کپنهاگ، هنگام اندازه‌گیری، تابع موج فرو می‌پاشد و تنها یکی از حالت‌ها به‌صورت واقعی ظاهر می‌شود. این فروپاشی مرز میان دنیای کوانتومی و کلاسیک را مشخص می‌کند. اما این تفسیر، پرسش‌های فلسفی زیادی را مانند پارادوکسی که شرودینگر با گربه‌ی زنده و مرده‌اش مطرح کرد، به‌وجود آورده است.
برای پاسخ به این پرسش‌ها، برخی فیزیکدانان مفهوم ناهمدوسی (decoherence) را پیشنهاد کرده‌اند. آن‌ها توضیح داده‌اند که وقتی یک سیستم کوانتومی با محیط اطرافش برهم‌کنش می‌کند، حالت‌های برهم‌نهی به‌تدریج از هم جدا می‌شوند و دیگر نمی‌توانند تداخل داشته باشند. در نتیجه، سیستم به شکلی رفتار می‌کند که برای ما کلاسیک به‌نظر می‌رسد.
اما در سال ۱۹۵۷، هیو اورت رویکرد متفاوتی پیشنهاد داد: تفسیر چندجهانی (Many-Worlds). از نگاه او، تابع موج هرگز فرو نمی‌پاشد. در عوض، با هر رویداد کوانتومی، جهان به شاخه‌هایی گوناگون تقسیم می‌شود که در هرکدام، یکی از نتایج ممکن تحقق یافته و اگر در یکی گربه زنده باشد، در شاخه‌ی دیگر، همان گربه مرده است.
اگرچه این تفسیر در ابتدا چندان جدی گرفته نشد، امروزه از سوی بسیاری از فیزیکدانان به‌عنوان یکی از گزینه‌های جدی در درک واقعیت کوانتومی پذیرفته شده است.
۱۹۶۱ | آزمایش ذهنی ویگنر؛ وقتی واقعیت برای هر ناظر فرق دارد
در سال ۱۹۶۱، یوجین ویگنر، فیزیکدان برجسته‌ی مجارستانی و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، آزمایش فکری جدیدی را پیشنهاد کرد که یکی از عجیب‌ترین ویژگی‌های فیزیک کوانتوم را به چالش کشید. این سناریو که بعدها با نام «دوست ویگنر» شناخته شد، نشان داد که در جهان کوانتومی، ممکن است دو ناظر از یک پدیده‌ی واحد، واقعیت‌هایی متفاوت تجربه کنند.
ماجرا از اینجا شروع می‌شود: فرض کنید دو ناظر داریم؛ ویگنر و دوستش. دوست ویگنر در آزمایشگاهی مجزا، قطبش یک فوتون را اندازه‌گیری می‌کند؛ نتیجه یا «افقی» خواهد بود یا «عمودی». اما تا پیش از این اندازه‌گیری، فوتون در حالت برهم‌نهی، یعنی همزمان در هر دو حالت قرار دارد.
جهت قطبش فوتون
از نگاه دوست ویگنر، در لحظه‌ی اندازه‌گیری، حالت فوتون مشخص می‌شود و واقعیت شکل می‌گیرد. اما برای خود ویگنر، که هنوز از نتیجه‌ی آزمایش بی‌خبر است، کل سیستم، یعنی فوتون، دوستش و دستگاه ثبت نتیجه، همچنان در حالت برهم‌نهی باقی مانده‌اند.
اینجا همان جایی است که تناقض ظاهر می‌شود: آیا واقعیت در همان لحظه‌ی اندازه‌گیری یا زمانی که ویگنر از نتیجه باخبر شده، شکل گرفته است؟ اگر هر دو دیدگاه معتبر هستند، پس واقعیت برای هر ناظر تفاوت دارد؟
آزمایش ویگنر مستقیماً باور پایه‌ای علم را زیر سؤال می‌برد: اینکه مشاهدات علمی باید مستقل از ناظر باشند؛ اما اگر دو ناظر، دو واقعیت مجزا از یک رویداد داشته باشند، چه بر سر مفهوم «واقعیت عینی» می‌آید؟
در سال ۲۰۱۹، گروهی از فیزیکدانان در دانشگاه هریوت-وات بریتانیا نسخه‌ی آزمایش ویگنر را در شرایط واقعی اجرا کردند. نتایج، از دیدگاه‌هایی که «واقعیت وابسته به ناظر» را جدی می‌گیرند، پشتیبانی کردند. این یافته‌ها، هنوز پاسخی قطعی برای این پارادوکس ندارند، اما یک چیز را روشن می‌کنند: شاید واقعیت، آنقدر که فکر می‌کردیم، ساده و مستقل نباشد.
۱۹۶۴ | بل و پایان رؤیای متغیرهای پنهان
در سال ۱۹۶۴، فیزیکدان ایرلندی، جان استوارت بل، با انتشار فرمولی ساده اما عمیق، یکی از مهم‌ترین پرسش‌های فلسفی و علمی درباره‌ی ماهیت واقعیت را هدف قرار داد. او با معرفی یک نابرابری ریاضی، که امروز با نام «نابرابری بل» شناخته می‌شود، در تلاش بود مشخص کند آیا پدیده‌های کوانتومی را می‌توان با مفهومی به‌نام «متغیرهای پنهان» توضیح داد یا نه. این همان ایده‌ای بود که اینشتین به آن امید بسته بود؛ اینکه پشت رفتارهای عجیب کوانتومی، جهانی کلاسیک و قابل درک پنهان شده است.
جان استوارت بل
بل نشان داد که اگر چنین متغیرهایی واقعاً وجود داشته باشند، باید محدودیت‌هایی در نتایج آزمایش‌های مربوط به ذرات درهم‌تنیده دیده شود. اما وقتی این آزمایش‌ها، ابتدا به‌صورت نظری و سپس در دنیای واقعی انجام شدند، نتایج با پیش‌بینی‌های بل سازگار نبودند. واقعیت تلخ برای هواداران فیزیک کلاسیک این بود: جهان کوانتومی را نمی‌توان با مفاهیم کلاسیکی یا متغیرهای پنهان توضیح داد.
در دنیای کوانتومی، واقعیت ممکن است نه یکتا، بلکه وابسته به ناظر و چندگانه باشد
این نتیجه، با رد دیدگاه اینشتین، تأیید کرد که درهم‌تنیدگی کوانتومی واقعاً پدیده‌ای بنیادی و واقعی است. دو ذره‌ی به‌ظاهر مستقل، حتی در فاصله‌های بسیار دور، می‌توانند حالتی مشترک داشته باشند که هیچ توضیح محلی و علت‌محوری برای آن وجود ندارد.
نابرابری بل به یکی از مهم‌ترین ابزارهای تجربی برای سنجش مرز میان واقعیت کلاسیکی و واقعیت کوانتومی تبدیل شد. نتیجه روشن بود: فیزیک کوانتوم، نه‌تنها عجیب به‌نظر می‌رسد، بلکه واقعاً عجیب است.
۱۹۹۴ | آغاز گرانش کوانتومی حلقوی؛ تلاشی برای گسسته دیدن فضا-زمان
در سال ۱۹۹۴، دو فیزیکدان برجسته، کارلو روولی و لی اسمولین، مقاله‌ای منتشر کردند که یکی از مهم‌ترین تلاش‌ها برای آشتی دادن فیزیک کوانتوم با نسبیت عام را پایه‌گذاری کرد. آن‌ها در این مقاله، چارچوبی به‌نام گرانش کوانتومی حلقوی (Loop Quantum Gravity) را معرفی کردند؛ نظریه‌ای که تلاش می‌کند نه فقط ماده و نیروها، بلکه خودِ فضا و زمان را هم کوانتیده یا گسسته در نظر بگیرد.
گرانش کوانتومی حلقوی تلاش می‌کند نه فقط ماده و نیروها، بلکه خودِ فضا و زمان را هم کوانتیده یا گسسته در نظر بگیرد
در آغاز قرن بیستم، فیزیک به دو دستاورد انقلابی رسید: نظریه‌ی نسبیت اینشتین و مکانیک کوانتوم. نسبیت عام، که اوج اندیشه‌ی اینشتین درباره‌ی گرانش بود، نشان داد که آنچه ما به‌عنوان نیروی جاذبه تجربه می‌کنیم، در واقع نتیجه‌ی خم شدن فضا-زمان در حضور جرم و انرژی است. اما با باز شدن پای گرانش به دنیای کوانتوم، همه‌چیز به‌هم می‌ریزد. نسبیت عام و کوانتوم با یکدیگر ناسازگار هستند. تلاش برای پیوند این دو نظریه به بی‌نهایت‌های ریاضیاتی و تناقض‌های مفهومی منجر شده است.
در این میان، نظریه‌ی گرانش کوانتومی حلقوی یکی از مهم‌ترین تلاش‌ها برای پیوند دادن دو ستون اصلی فیزیک مدرن، نسبیت عام و مکانیک کوانتوم، به‌شمار می‌آید. برخلاف نظریه‌های کلاسیک که بر ریاضیات پیوسته تکیه دارند، این دیدگاه از ریاضیات گسسته استفاده می‌کند و پیشنهاد می‌دهد که فضا و زمان پیوسته و هموار نیستند، بلکه از واحدهای بسیار ریز و گسسته‌ای ساخته شده‌اند؛ دانه‌هایی بسیار کوچک که دیگر نمی‌توان آن‌ها را تقسیم کرد.
۱۹۹۸ | نخستین گام به‌سوی محاسبات کوانتومی
در سال ۱۹۹۸، یکی از نخستین گام‌های عملی به‌سوی آینده‌ی کوانتومی برداشته و نخستین کامپیوتر کوانتومی آزمایشگاهی معرفی شد؛ سیستمی بسیار ساده با دو کیوبیت (بیت کوانتومی).
اگرچه این کامپیوتر ابتدایی به نظر می‌رسید، اما همان دو کیوبیت نشان دادند که می‌توان اطلاعات را نه فقط به‌صورت صفر و یک، بلکه در برهم‌نهی‌ای از هر دو حالت، ذخیره و پردازش کرد؛ دستاوردی که چشم‌اندازی تازه را در دنیای محاسبات گشود و نوید عصری را داد که در آن کامپیوترهای کوانتومی بتوانند مسائلی را حل کنند که از توان هر ابرکامپیوتر کلاسیکی خارج است.
۲۰۱۶ | گسترش درهم‌تنیدگی کوانتومی به فضا
در سال ۲۰۱۶، چین با پرتاب ماهواره‌ی «میسیوس»، گامی بلند در مسیر آینده‌ی ارتباطات کوانتومی برداشت. این ماهواره برای توزیع کلیدهای رمزنگاری کوانتومی طراحی شده بود؛ کلیدهایی که با استفاده از اصول بنیادی فیزیک کوانتوم، به‌ویژه درهم‌تنیدگی، می‌توانند امنیتی بی‌سابقه را در ارتباطات از راه دور فراهم کنند. ویژگی منحصربه‌فرد این روش آن است که هرگونه تلاش برای شنود یا دستکاری پیام، بلافاصله قابل تشخیص خواهد بود.
در یکی از هیجان‌انگیزترین آزمایش‌های فیزیک کوانتوم، ماهواره‌ی میسیوس موفق شد نشان دهد که درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند تا فاصله‌ای بیش از ۱۲۰۰ کیلومتر نیز پایدار بماند.
درهم‌تنیدگی یکی از عجیب‌ترین پدیده‌های شناخته‌شده در فیزیک است. وقتی دو ذره‌ی زیراتمی مانند فوتون‌ها در حالت کوانتومی مشترکی قرار بگیرند، مثلاً در اسپین یا قطبش، حتی اگر کیلومترها از هم فاصله داشته باشند، وضعیت آن‌ها به‌طور آنی به‌هم وابسته باقی می‌ماند. به‌محض اندازه‌گیری یکی از ذرات، ذره‌ی دیگر نیز فوراً در حالت مشخصی قرار می‌گیرد؛ بدون آنکه اطلاعاتی میان آن‌ها رد و بدل شده باشد.
پیش‌تر دانشمندان با استفاده از فیبر نوری توانسته بودند این پدیده را در مسافت‌های چند صد کیلومتری روی زمین بررسی کنند؛ اما تلاطم‌های جوی، مانعی جدی برای افزایش این فاصله بودند. ازآنجاکه در خلأ، نور با اختلال کمتری حرکت می‌کند، ماهواره‌ی میسیوس به‌عنوان نخستین سکوی تحقیقاتی کوانتومی فضایی، نقش بسیار مهمی ایفا کرد.
درون این ماهواره، از لیزر فرابنفش برای تولید جفت‌هایی از فوتون‌های درهم‌تنیده با قطبش‌های مخالف استفاده شد. این جفت‌ها با نرخ ۵٫۹ میلیون زوج در ثانیه به زمین ارسال شدند و دو ایستگاه زمینی در فاصله‌ی بیش از ۱۲۰۰ کیلومتر از یکدیگر، آن‌ها را دریافت کردند.
وقتی دانشمندان حالت کوانتومی فوتون‌های دریافتی را اندازه‌گیری کردند، نتایج به‌طور غیرمنتظره‌ای با یکدیگر همبستگی داشتند. این یافته نشان داد که فوتون‌ها با وجود فاصله‌ی زیاد، همچنان درهم‌تنیده باقی مانده‌اند.
۲۰۱۹ | دستیابی گوگل به برتری کوانتومی با سیکامور
در سال ۲۰۱۹، گوگل با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی ۵۳ کیوبیتی، مدعی شد به نقطه‌ای تاریخی در مسیر توسعه‌ی این فناوری رسیده است: برتری کوانتومی. این اصطلاح به لحظه‌ای اشاره دارد که در آن، یک کامپیوتر کوانتومی موفق می‌شود مسئله‌ای را حل کند که برای سریع‌ترین کامپیوترهای کلاسیک، عملاً غیرقابل حل یا بسیار زمان‌بر است.
کامپیوتر کوانتومی گوگل، موسوم به سیکامور، تنها در چند دقیقه مسئله‌ای آماری را حل کرد که برای یک ابرکامپیوتر کلاسیک، هزاران سال زمان می‌برد. البته بعدها برخی کامپیوترهای کلاسیک قدرتمند با بهینه‌سازی‌های خاص توانستند همین مسئله را در زمان قابل قبولی حل کنند، اما ادعای گوگل همچنان نقطهی عطفی مهم در تاریخ محاسبات کوانتومی باقی ماند. این رویداد نشان داد که کامپیوترهای کوانتومی، دست‌‌کم در برخی زمینه‌های خاص، می‌توانند از سد محدودیت‌های محاسبات سنتی عبور کنند.
۲۰۲۳ | جهش بزرگ در محاسبات کوانتومی با کامپیوتر ۱۰۰۰ کیوبیتی Atom Computing
در سال ۲۰۲۳، شرکت نوپای Atom Computing با رونمایی از نخستین کامپیوتر کوانتومی با بیش از ۱۰۰۰ کیوبیت، گامی بلند در مسیر تحقق محاسبات کوانتومی عملی برداشت. این دستاورد چشمگیر نه‌تنها از نظر تعداد کیوبیت‌ها رکوردی تازه به‌جا گذاشت، بلکه نشان داد فناوری کیوبیت‌های خنثی، که بر پایه‌ی اتم‌های به‌دام‌افتاده در میدان‌های نوری کار می‌کند، می‌تواند گزینه‌ای جدی برای ساخت سیستم‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر باشد.
این اتفاق، امیدها را برای ورود کامپیوترهای کوانتومی به دنیای کاربردهای واقعی بیش از پیش تقویت کرد.
۲۰۲۴ | تراشه کوانتومی ویلو گوگل
در دسامبر ۲۰۲۴، گوگل از تراشه‌ی کوانتومی جدیدی به نام ویلو رونمایی کرد. این تراشه توانست مسئله‌ای محاسباتی را در کمتر از پنج دقیقه حل کند؛ درحالی‌که برای یک ابرکامپیوتر کلاسیک، حل همین مسئله بیش از ۱۰ سپتیلیون سال طول می‌کشید. ویلو نسبت به تراشه‌ی قبلی گوگل یعنی سیکامور، پیشرفت چشمگیری داشت و بار دیگر نشان داد که رایانش کوانتومی می‌تواند از مرزهای محاسبات سنتی عبور کند.
۲۰۲۵ | تراشه کوانتومی مایورانا ۱ مایکروسافت
در فوریه‌ی ۲۰۲۵، مایکروسافت از تراشه‌ی کوانتومی مایورانا ۱ رونمایی کرد؛ نخستین تراشه‌ای که با استفاده از «هسته‌های توپولوژیک» و ذرات مایورانا ساخته شده است. این معماری نوآورانه، کیوبیت‌هایی بسیار پایدارتر از نسل‌های قبلی ارائه می‌دهد و گامی مهم در مسیر ساخت کامپیوترهای کوانتومی مقیاس‌پذیر به‌شمار می‌آید.
این تراشه نه‌تنها در کنترل بهتر و پایدارسازی کیوبیت‌ها پیشرفتی چشمگیر محسوب می‌شود، بلکه راه را برای توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی قدرتمند و قابل کاربرد در حل مسائل واقعی هموارتر می‌کند.
در آغاز قرن بیستم، فیزیک کلاسیک با تمام دستاوردهایش، در توضیح پدیده‌های نوظهوری همچون تابش جسم سیاه، اثر فوتوالکتریک و خطوط طیفی اتم‌ها ناتوان ماند. این بن‌بست علمی، زمینه‌ساز انقلابی بزرگ شد که با ایده‌های جسورانه‌ی ماکس پلانک در مورد کوانتیده‌بودن انرژی و آلبرت اینشتین در خصوص ماهیت ذره‌ای نور کلید خورد.
اگرچه این مفاهیم در ابتدا بیشتر شبیه تکنیک‌های ریاضی به‌نظر می‌رسیدند تا واقعیت، اما نقطهی عطف در سال ۱۹۲۵ با ظهور مکانیک کوانتومی ماتریسی از سوی هایزنبرگ و بورن و سپس، مکانیک موجی شرودینگر رقم خورد. این دو رویکرد، که بعدها هم‌ارزی‌شان اثبات شد، چارچوبی منسجم برای توصیف دنیای زیراتمی فراهم آوردند.
امروزه، نظریه‌ی کوانتوم نه‌تنها درک ما از جهان در مقیاس اتمی و زیراتمی را متحول کرده، بلکه سبب ظهور فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند لیزر، نیمه‌هادی‌ها، تصویربرداری پزشکی و محاسبات کوانتومی شده است.
منبع: خبرآنلاین
