دانلود مقاله فیزیک کوانتوم

در تعلیق میان بودن و نبودن
گربه شرودینگر
طبق قواعد مکانیک کوانتوم گربه تا زمانی که کسی در جعبه را باز نکرده و مشاهده ای انجام نداده است در حال زنده و مرده قرار دارد
جیم ویلسون
محققین گمان می برند به زودی می توانند راه حلی برای یکی از غامض ترین مسائل فیزیک جدید بیابند: یافتن راهی برای اعدام گربه شرودینگر.

گربه خیالی شرودینگر از سال ۱۹۳۵ تاکنون با دانشمندان لجبازی کرد و آنان را سردرگم کرده است.

هیچ کس تنفر گربه دوستان را در سال ۱۹۳۵ از یاد نمی برد چرا که در آن سال از یک گربه برای انجام آزمایشی جهت بیان وضعیت های دشواری که در تئوری کوانتوم به وجود می آید استفاده شد.

اروین شرودینگر (Schrodinger Erwin) فیزیکدان اتریشی تئوری کوانتوم را ارائه کرد و در توسعه آن نقش بسیار موثری ایفا کرد.

تئوری کوانتوم که اغلب از آن به عنوان یکی از موفق ترین تئوری های علمی نام می برند چرا که بدون آن فاقد لیزر، سلاح های هسته ای و بسیاری از اختراعات دیگر بودیم برای ما توضیح می دهد که طبیعت در سطوح زیر اتمی چگونه رفتار می کند.

در سطوح زیراتمی قواعد فیزیک کلاسیک که هر روزه آن ها را تجربه می کنیم، اعتبار و کارآیی خود را از دست می دهند.

برای مثال می توان گفت ذرات زیر اتمی در یک آن می توانند در دو مکان مختلف باشند، دیگر آنکه به نظر می رسد می توان اطلاعات را سریع تر از سرعت نور منتقل کرد.

قواعد حاکم بر دنیای کوانتوم آنچنان عجیب است که حتی آلبرت اینشتین هم دست هایش را به علامت تسلیم بالا برد و گفت: «اگر فیزیک کوانتوم، صحیح باشد، آن وقت باید اذعان کرد قوانین جهان بسیار عجیب است.

» حتی خود شرودینگر هم از تفسیر یافته های خود ناخرسند بود و با تاسف بسیار به یکی از همکاران خود گفته است: «از این که در مورد تئوری کوانتوم کار می کند چندان راضی نیست.

»مسئله ای که اینشتین، شرودینگر و فیزیکدانان پس از آن ها را تا این حد متحیر کرد تقابل این مشاهدات با واقعیت ها بود.

مطابق تئوری کوانتوم، ذرات فقط وقتی وجود دارند که بتوان آن ها را «مشاهده» کرد.

هر چند که تجربیات هر روزه ما چیزی خلاف این را بیان می کند.

در ابتدای کار توصیف شرودینگر از تابع موج مفهومی ریاضی که موقعیت و حرکت های ممکن ذرات را بیان می کند بسیار عجیب به نظر می رسید.

نه سال بعد وی آزمایش گربه را طراحی کرد تا بتواند توسط این آزمایش اختلاف بین واقعیت های ملموس توسط انسان و واقعیت های دنیای کوانتوم را که خود خالق آن بود بیان کند.

در این «آزمایش ذهنی» که گاهی اوقات از آن به عنوان آزمایشی خیالی نیز نام می برند، شرودینگر گربه ای را درون یک جعبه در بسته قرار داد.

در این جعبه اسلحه ای کشنده که ماشه ای حساس دارد و یک اتم رادیواکتیو هم قرار دارند.

احتمال آنکه اتم رادیواکتیو طی مدت یک ساعت از خود پرتوی ساطع کند ۵۰ درصد است.

اگر اتم رادیواکتیو تجزیه شود، انرژی آزاد شده طی این فرآیند، ماشه اسلحه را خواهد کشید.

می توان گفت بعد از گذشت یک ساعت با برداشتن در جعبه می توان دریافت آیا گربه زنده است یا مرده.

اما شرودینگر نظر دیگری دارد.

وی می گوید عجله نکنید.

طبق قواعد مکانیک کوانتوم، گربه تا زمانی که کسی در جعبه را باز نکرده و مشاهده ای انجام نداده است، در حال زنده و مرده قرار دارد.

این مفهوم در مکانیک کوانتوم به عنوان اصل بر هم نهی کوانتومی quantum) (SuperPosition نامیده می شود.

این امر با نحوه عملکرد جهان در مقیاسی که برای بشر قابل درک است، مغایرت دارد.

شاید احمقانه به نظر برسد اما شرودینگر خاطرنشان می سازد، وجود اصل بر هم نهی از لحاظ ریاضی ضروری است، تا تئوری کوانتوم بتواند پیش گویی های دقیق خود را از عملکرد جهان در سطح زیراتمی ارائه دهد و طی بیش از نیم قرن گربه مرده و زنده شرودینگر با فیزیکدان لجبازی می کرد و بنابراین لازم بود به طور دقیق دریابیم که چگونه حوزه کوانتوم با جهان قابل درک توسط انسان مرتبط می شود.

شخص غیرمطلع و کم حوصله ممکن است در مورد سرنوشت نهایی گربه شرودینگر بگوید: «ساده است، در جعبه را بردارید و نگاهی به داخل آن بیاندازید تا دریابید گربه هنوز زنده است یا مرده.

» اما فیزیکدانان معتقدند این کار هم نمی تواند جواب نهایی را در اختیار ما قرار دهد، چرا که مطابق قواعد مکانیک کوانتوم خود عمل «مشاهده» باعث می شود که گربه به یکی از
شخص غیرمطلع و کم حوصله ممکن است در مورد سرنوشت نهایی گربه شرودینگر بگوید: «ساده است، در جعبه را بردارید و نگاهی به داخل آن بیاندازید تا دریابید گربه هنوز زنده است یا مرده.

» اما فیزیکدانان معتقدند این کار هم نمی تواند جواب نهایی را در اختیار ما قرار دهد، چرا که مطابق قواعد مکانیک کوانتوم خود عمل «مشاهده» باعث می شود که گربه به یکی از حالت های «زنده» یا «مرده» تبدیل شود.

در بهار سال ۱۹۹۶ تیمی از دانشمندان فرانسوی «ENS» در پاریس گام های بلندی را برای نزدیک کردن حوزه های بزرگ مقیاس که برای بشر قابل درک است با سیستم های در مقیاس کوانتومی برداشتند.

آنان روشی را پیشنهاد کردند که توسط آن بتوان بدون برداشتن در جعبه از سرنوشت گربه مطلع شد.

در طرح آنان ذره ای زیر اتمی که نقش موش را بازی خواهد کرد از مقابل گربه عبور می کند و آنان می توانند نتیجه این عمل را مشاهده کنند.

جعبه ای که گربه در آن قرار دارد حفره کوچکی در خود دارد که از جنس آینه ابررسانا است.

در شروع آزمایش یک اتم از میان میدان انرژی با فرکانس ریزموج عبور می کند.

در نتیجه اتم ضربه ای به گربه داخل جعبه وارد می سازد.

اتم دومی که پس از آن وارد می شود، نقش موش را بازی می کند.

اتم دوم بر اثر عبور از حفره حاوی گربه تغییر حالت پیدا می کند، که نحوه تغییر حالت آن بیانگر حالت برهم نهی است.

هنوز هم زود است که درباره حوادث صورت گرفته در داخل جعبه اظهارنظر کنیم.

یافته های اولیه گروه ENS بیانگر آن است که حالت زنده و مرده که لازمه تئوری کوانتوم است، فقط برای مدت کوتاهی دوام دارد.

به گفته گروه ENS به وسیله این آزمایش می توان شرح داد که چرا اجسام بزرگ هیچ گاه در حالتی غیر از همین حالتی که برای ما آشناست، وجود ندارند.

بنابراین اکنون می توان گربه شرودینگر را مرخص کرد یا اگر بخواهید از شرش خلاص شوید، ابزاری را که بتوان توسط آن حالت زنده و مرده گربه شرودینگر را تحقیق کرد بین حوزه های کوانتومی و مقیاس های قابل درک برای بشر ارتباط برقرار کرد، می توان نسل جدیدی از تجهیزات الکترونیک، کامپیوترها و ابزارهای امنیت ارتباطات را ساخت.

پیش از این نیز فیزیکدانان ژنو آزمایشاتی را انجام دادند که توسط آن مشخص شد این امکان وجود دارد که بتوان از مفاهیم کوانتوم استفاده کرد و مشکل ترین مسائل عصر جدید ـ همانند حفاظت از اطلاعات مالی طی عبور از شبکه ارتباطات راه دور ـ را حل کرد.

مبانی نظری استفاده از کوانتوم برای ساخت تجهیزات ایمنی مدت ها پیش از آنکه کسی از تجارت الکترونیک صحبتی به میان آورد، مطرح شد.

در دهه ،۱۹۲۰ شرودینگر اظهار کرد در تئوری کوانتوم امکان ساخت یک زوج فوتون ـ بسته های تفکیک ناپذیر انرژی ـ «درهم تنیده» وجود دارد.

این فوتون ها چنان درهم تنیده اند که با دانستن حالت یکی از فوتون ها می توان حالت فوتون دیگر را به طور آنی دریافت.

عبارت «آنی» اینشتین را با دردسر مواجه ساخت، چرا که این عبارت به طور تلویحی بیان می کرد، می توان سیگنال ها را سریع تر از سرعت انتقال داد.

اینشتین این مفهوم نامتعارف را با عبارت «کنش شبح وار از راه دور» توصیف کرد.

از آنجایی که تجهیزات دقیقی برای آزمایش وجود نداشت، این ایده ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود.

آلن اسپکت از اعضای ENS توانست تغییرات در یک زوج فوتون درهم تنیده را که به اندازه یک زمین فوتبال فاصله داشتند اندازه بگیرد.

هنگامی که محققین کارهای وی را مورد بررسی قرار دادند، حدس زدند احتمالاً وی شاهد یک «اثر جایگزیده» (Localized effect) بود که به علت فاصله زیاد از مقدار آن کاسته شده بود.

برای تشریح این مطلب که «کنش شبح وار از راه دور» اینشتین چگونه عمل می کند دکتر نیکولاس گیسین و همکارانش در دانشگاه ژنو طرحی را اجرا کردند، که طی آن تماس تلفنی را در شبکه های فیبر نوری تله کام سوئیس به انجام رساندند.

آنان در آزمایشگاه ژنو یک زوج فوتون درهم تنیده را به وجود آوردند.

بعد این دو فوتون را از هم جدا ساخته یکی را به شمال و دیگری را به جنوب فرستادند، به طوری که فاصله نهایی آن دو حدود ۱۲ کیلومتر بود.

گروه ENS یک تحلیلگر سیگنال را در هر انتهای این مسیر قرار دادند.

هر وقت که فوتونی به تحلیلگر سیگنال می رسید احتمالی برای شمارش آن وجود داشت.

هنگامی که داده های حاصل از این دو تحلیلگر را با یکدیگر مقایسه کردند، با شواهد قانع کننده ای مواجه شدند که بیان می داشت هر فوتونی «می داند» آیا فوتون دیگر همزاد وی شمارش شده است یا خیر.

البته هنوز هم محققین بر این باورند که نمی توان از کوانتوم به عنوان یک واسطه برای ارتباطات سریع تر از سرعت نور استفاده کرد.

اما بعضی ها حدس می زنند با استفاده از نتایج این آزمایش می توان دریافت که آیا یکسری از اطلاعات مشخص توسط افراد غیرمسئول مورد بازبینی قرار گرفته است یا خیر.

اگر چنین سیستم هایی به واقعیت بپیوندد، گربه شرودینگر می تواند زندگی دوباره ای را از سر بگیرد و رد موش هایی را که در شبکه ها به این طرف و آن طرف سرک می کشند پیدا کند.

تحول کوانتمی سیستم منفرد: سیستمی منفرد را در نظر بگیرید و فرض کنید خانواده تاریخچه های سازگاری برای توصیف آن انتخاب شده است.هر خانواده سازگاری را میتوان انتخاب کرد اما نمی توانانتخاب را تغییر داد و تمام خانواده های دیگر باید کنار گذاشته شوند.این انتخاب یکتا برای ما چارچوب منطقی خوش تعریف و سزی تاریخچه هایی را فراهم میکند که در دسترس سیستم هستند و اطلاعات مربوط به همه ی زمانهای میانیt1,t2,...

را در بر دارند.اینکه کدام تاریخچه در عمل رخ خواهد داد از قبل معلوم نیست: می انگاریم فرایندی از بنیاد کاتوره ای در طبیعت وجود دارد که از میان همه تاریخچه های یک خانواده یکی را بر میگزیند و احتمالp(h) متناظر با این گزینش را سمت راست دستور40 میدهد.چون این دستور به مکانیک کوانتمی استاندارد تعلق دارد این انگاشت درستی همه ی پیش بینی های نظریه ی مظبور را خود به خود تضمین میکند.

به هر شکلی که سیستم تحقق یابد در هر لحظه یt1 سیستم همه ی خواص منتسب به تصویر گرهایPi,j متعلق به تاریخچه ی گزیده شده را خواهد داشت.به این ترتیب توصیفی برای تحول خواص فیزیکی سیستم به دست می آید که میتوان از هر توصیفی که بردار حالت سیستم به دست میدهد دقیقتر باشد.

در حقیقت هر چه زیر فضاهای منتسب به تصویرهایPi,j کوچکتر باشند دقت بیشتری به دست می آید مثلا اگر سیستم ذره باشد وتصویرگر به ناحیه ای از فضا باشد حتی اگر تمام تابع موج شرودینگر روی ناحیه بسیار بزرگتری گسترده باشد خواهیم گفت که ذره در این لحظه خاص در این ناحیه از فضا بوده است .یا اگر فوتونی به شکاف دهنده باریکه برخورد کند یا وارد تداخل سنج ماخ_تسندر شود بعضی از تاریخچه های سیستم ممکن است حاوی اطلاعات مربوط به مسیری باشند که فوتون برگزیده است در حالی که مکانیک کوانتمی استاندارد فرض میکند که ذره در یک آن از همه ی مسیرها عبور کرده است.

چون تاریخچه ها چند زمان مختلف را در بر دارند میتوان تلاش کرد مسیری تقریبی برای ذره تعیین کرد حتی در مواردی که در مکانیک کوانتمی استاندارد چنین چیزی ممنوع است البته همیشه باید اطمینان حاصل کرد که تصویر گرهایی که به این منظور به کار برده میشوند با سازگار بودن خانواده منافات ندارند.

در حالت کلی اطلاعات فیزیکی ای که در تاریخچه ها هستند لزوما درباره مکان نیست:برد تصویرگر میتواند گستره ای از ویژه حالتهای عملگر تکانه باشد ویا شامل اطلاعات مخلوط درباره ی تکانه ومکان باشد و یا اطلاعاتی درباره ی اسپین وغیره.درواقع آزادی عمل زیادی در انتخاب تصویرگرها وجود دارد و برای هر انتخاب خواص فیزیکی که میتوان به سیستم نسبت داد همه خواصی هستند که بین حالتهای فضای تصویر شده مشترک است وهیچ یک از حالتهای متعامد