دانشمندان آزمایش ذهنی دو شکاف اینشتین را ایجاد کردند!

فیزیکدانانی از مرکز سینکروترونِ* SOLEIL در فرانسه با استفاده از شتاب دهنده ذرات توانستند بهترین موقعیت را برای درک آزمایش ذهنی که نخستین بار در سال ۱۹۲۷ توسط آلبرت اینشتین پیشنهاد شده بود، انجام دهند. به نظر می رسد اینشتین در جدال با بور شکست خورده است.

 

به گزارش انجمن فیزیک ایران، در نوعی از آزمایش بسیار محبوب دو شکافی، اندازه‌گیری‌ها جنبه‌ای از نظریه‌ی کوانتومی که اینشتین در صدد نامعتبر کردنش بود را تائید می‌کنند. این آزمایش به جای دو شکافیِ آزمایش اینشتین، از دو اتم برانگیخته استفاده می‌کند و نشان می‌دهد که هرگاه بتوان تعیین کرد از کدام اتم یک الکترون تابش کرده است، طرح تداخلی کوانتومی ناپدید می‌شود.

 

اینشتین چندین بار تلاش کرد تا عدم قطعیت ذاتی در مکانیک کوانتومی را با مطرح کردن آزمایشاتی فرضی که در آن زمان قابل انجام در آزمایشگاه نبودند، رد کند. یکی از آن‌ها شامل اصل دوگانگی موج-ذره می‌شد که پیش‌بینی می‌کند دنباله‌ای از تک ذرات که از دو شکاف عبور می کنند، طرح پراشی موج‌گونه را روی پرده ایجاد خواهند کرد. این اثر به علت خاصیت موج‌گونه‌ی هر ذره است که به آن اجازه می‌دهد همزمان از هر دو شکاف عبور کند.

 

اینشتین می‌گفت، یک حسگر فوق العاده حساس می‌تواند اثرات شکافی که الکترون از آن عبور کرده را بدون اینکه طرح تداخلی را برهم بزند آشکار کند. این به نوعی ایستادن در برابر مکانیک کوانتومی بود و رقیب بزرگ اینشتین، نیلز بور، با این بحث که اگر آزمایشگر بداند الکترون از کدام شکاف گذشته است اصلاً طرح تداخلی رخ نخواهد داد و با آن مخالفت میکرد.

 

در حالی که آزمایش مذکور در آن زمان بدلیل ساده بودن مفهوم و در عین حال دشواری‌ تجربی‌اش کاملاً فرضی بود، همین نکات آزمایشگران امروزی را به طرز مقاومت ناپذیری به چالش کشیده است. در سال ۲۰۰۱، سرگ هاروچ (Serge Haroche) و همکارانش در پاریس این اصل را نشان دادند. آن‌ها برای شکافتن حالت داخلی تعدادی اتم ریدبرگ به دو حالت مختلف که قبل از باز ترکیب شدن با آهنگ‌های متفاوتی ظاهر می‌شدند، از پالس مایکروویو استفاده کردند. بعد از آن در ۲۰۱۱، جورج اشمیدمایر Jorge Schmiedmayer و همکارانش در دانشگاه صنعتی وین به تقریب نزدیکتری دست یافتند.

اکنون، کاتالین میرن و همکارانش در شتاب دهنده ذرات SOLEIL با همراهانی از سوئد، فرانسه و رومانی به بازآفرینی آزمایش فرضی اصلی بسیار نزدیک شده‌اند. آن‌ها از یک مولکول دو اتمی اکسیژن که توسط تابش سینکروترونی و قابل تنظیمِ پرتوی ‌X در خط باریکه‌ی PLÉIADES برانگیخته شده است، استفاده می‌کنند.

 

با تنظیم انرژی پرتوی X، محققان می‌توانند یک الکترون را تحریک کنند تا از مدار مولکولی داخلی به یک حالت مقید با انرژی زیاد یا به یک حالت دفعی که منجر به واپاشی مولکول می‌شود برود. بعد از این گذار، یکی از اتم‌ها، الکترون دیگری به نام الکترونِ آگر (Auger electron) تابش کرده و در این حین پس زده می‌شود. اگر الکترون اول به حالت مقید رفته باشد، دوباره به حالت پایه‌ی مولکولی برمی‌گردد و موقع رها شدن الکترون آگر، دو اتم با هم پس زده می‌شوند.

 

این یعنی اندازه‌گیری پس زنیِ اتم‌ها هیچ چیز در مورد اینکه کدام اتم الکترون را تابش کرده است نمی‌گوید. اما اگر الکترون به حالت دفعی رفته باشد، مولکول واپاشی می کند و دو تک اتم اکسیژن ایجاد می‌کند. چناچه الکترون آگر بعد از واپاشی مولکول آزاد شود، اتم‌ها دیگر با هم پس زده نمی‌شوند و اندازه‌گیری پس زنی اتم‌ها مشخص خواهد کرد که الکترون از کدام اتم تابش شده است. لذا، این دو اتم نقش شکاف‌های آزمایش فرضی را بازی می‌کنند و آزاد شدن الکترون مانند بیرون آمدن ذره از دو شکافی است. اگر پس زنی اتم ها با هم باشد، نمی‌دانیم الکترون از کدام شکاف گذشته است- اما اگر فقط یکی پس زده شود، آنگاه می دانیم کدام شکاف مورد استفاده قرار گرفته است.

 

به جای پرده،‌ تیم تحقیقاتی از دستگاه دست ساز منحصر به فرد و بسیار حساسی به نام EPICEA استفاده کرد که هر سه مولفه‌ی تکانه را هم در الکترون تابش شده و هم در اتم پس زده شده‌ی اندازه می‌ گرفت. میرن می‌گوید: «این در واقع چیزی بود که من برای رساله دکترای خودم بیست سال پیش ساختم».

 

با مرتبط کردن انرژی الکترون آزاد شده به زاویه‌ی بین تابش الکترون و محور مولکول دو اتمی در تعداد زیادی برخورد فوتون-مولکول، پژوهشگران به طور الکترونیکی «طرح تداخلی» را باز تولید کردند. با نگاه کردن به جابجایی داپلریِ یون پس زده شده، محققان همچنین توانستند با محاسبه نشان دهند که آیا یک یا هر دو اتم پس زده می شوند.

 

وقتی دو اتم با تداخل زیاد غیر قابل تشخیص بودند، نوارهای تداخلی ایجاد می شدند (شکل را ببینید). در حالی که وقتی به وضوح معلوم بود که تابش از کدام اتم آمده است، باند پیوسته ای به وجود می‌آمد که اثری از نوارهای تداخلی در آن دیده نمی‌شد. نتایج با تقریب خوبی با محاسبات سطح بالای نظری در توافق است- و بار دیگر نشان می‌دهد که تعبیر درست از آزمایش فرضی متعلق به بور است.

 

جورج اشمیدمایر این کار را «نمایش زیبایی از یک اثر بسیار بنیادی» می‌نامد و توضیح می‌دهد که با اینکه در اصل «فیزیکِ آزمایش هاروچ و آزمایش ما دقیقاً یکی است اما تاکنون در سایر مقالات، شکاف، فوتون یا چیزی شبیه به آن بوده است. در اینجا شما دو ذره‌ از ماده دارید که دو شکافیت را تشکیل می‌دهند. این‌ها گام‌هایی است که ما را به پیشنهاد اصلی اینشتین و بور نزدیک و نزدیکتر می‌کند». این تحقیق در Nature Photonics توضیح داده شده است.در سال ۲۰۰۲، خوانندگانِ Physics World به آزمایش دو شکافی با الکترون‌ها به عنوان «زیباترین آزمایش» رای دادند.

 

*سینکروترون ( synchrotron) که اولین بار توسط لوییس آلوارز ابداع شد، نوعی از شتاب دهنده ذرات به شکل یک حلقه دایره‌یی است که با کمک میدان های الکتریکی و مغناطیسی، تابش الکترومغناطیسی تولید می کند ذراتی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در یک محیط الکترومغناطیسی حرکت می‌کنند، در جهت حرکتشان، نوری منتشر می‌کنند که تابش سینکروترون یا نور سینکروترون نامیده می‌شود.