دانشمندان نظریه کوانتومی گربه شرودینگر را در سطح مولکول‌های بزرگ آزمایش کردند

شما احتمالا با نظریه گربه شرودینگر که در آن، یک گربه موجود در داخل جعبه، همزمان می‌تواند هم زنده باشد و هم مرده، آشنایی دارید. این نظریه، اغلب برای توضیح پارادوکس چندحالتی در مکانیک کوانتوم استفاده می‌شود. حالا دانشمندان اخیرا تئوری گربه شرودینگر را در مورد مولکول‌های بزرگی که از ۲۰۰۰ اتم تشکیل شده‌اند، به کار برده‌اند.

اصل برهم‌نهی کوانتومی، به دفعات بر روی سیستم‌های کوچک‌تر آزمایش شده و پژوهشگران با موفقیت نشان داده‌اند که ذرات منفرد می‌توانند در یک لحظه خاص، در دو جا حضور داشته باشند. اما این اصل، تابه‌حال در مقیاس بزرگی انجام نشده است.

آزمایش جدید، به دانشمندان اجازه خواهد داد تا فرضیات مکانیک کوانتوم را بازتعریف نمایند و درک خود را درباره اینکه این شاخه از فیزیک، در حقیقت چگونه عمل می‌کند، عمیق‌تر کنند.

محققین مطالعه حاضر می‌گویند که نتایج آنها، سازگاری فوق‌العاده‌ای را با نظریه کوانتوم نشان می‌دهند و نمی‌توان آنها را به روش کلاسیک توضیح داد.

تحقیق جدید، شامل معادلات شرودینگر نیز می‌شود؛ معادلاتی که توضیح می‌دهند یک ذره منفرد، چگونه می‌تواند به صورت موج، همزمان در مکان‌های مختلف رفتار کند و مانند امواج آب، با ذرات دیگر تداخل نماید.

دانشمندان برای انجام تحقیق، یک آزمایش دو شکاف (Double slit) را که در مکانیک کوانتوم بسیار معروف است، ترتیب دادند. این آزمایش، شامل تاباندن ذرات منفرد نور (فوتون‌ها) از دو شکاف می‌شود. اگر با فوتون‌ها مانند ذرات رفتار شود، تصویر حاصل از نور تابیده شده بر روی صفحه‌ای که در طرف دیگر شکاف‌ها قرار دارد، یک نوار ساده را نشان خواهد داد. اما در واقعیت، این نور تابانده شده به طرف دیگر شکاف‌ها، یک الگوی تداخلی را از خود نشان می‌دهد؛ یعنی الگویی متشکل از نوارهای چندگانه که باهم تداخل می‌کنند. این موضوع تایید می‌کند که ذرات نور می‌توانند به صورت موج نیز عمل کنند.

پس می‌توان اینگونه نتیجه‌گیری کرد که فوتون‌ها، درست مانند گربه شرودینگر، در یک لحظه می‌توانند در دو مکان حضور داشته باشند. اما همانطور که احتمالا می‌دانید، گربه مذکور، تا زمانی در دو حالت قرار دارد که مشاهده نشده است. به‌محض باز کردن در جعبه، مشخص خواهد شد که گربه مرده است یا زنده.

این موضوع در مورد فوتون‌ها هم صادق است. به محض اینکه نور به‌طور مستقیم مشاهده یا اندازه‌گیری شود، خاصیت برهم نهی، ناپدید شده و حالت فوتون مشخص می‌گردد. این یکی از بغرنج‌ترین مسایل مکانیک کوانتومی است.

البته پیش از این، آزمایش‌های دو شکاف زیادی در مورد الکترون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌های کوچک‌تر انجام شده است، اما حالا دانشمندان، آن را در مورد مولکول‌های بزرگ‌تر نیز به کار برده‌اند. آنها در آزمایش خود، از مولکول‌های سنگینی که متشکل از ۲۰۰۰ اتم بودند، استفاده کردند.

این مولکول‌ها، به oligo-tetraphenylporphyrinهای غنی‌شده با زنجیره‌های fluoroalkylsulfanyl معروفند و برخی از آنها، جرمی معادل ۲۵۰۰۰ برابر جرم اتم هیدروژن دارند.

اما نکته مهم اینجاست که با بزرگ‌تر شدن مولکول‌ها، ناپایداری آنها نیز بیشتر می‌شود و دانشمندان تنها قادر بودند در مدت زمان بسیار کوتاه هفت میلی‌ثانیه، لحظه تداخل آنها را با استفاده از یک ابزار جدیدا طراحی شده به نام matter-wave interferometer ثبت کنند.

در آزمایش مذکور، حتی لازم بود که فاکتورهایی مانند چرخش زمین و جاذبه آن نیز در نظر گرفته شوند. اما با وجود همه این سختی‌ها، این کار، ارزش تلاش کردن را داشت و حالا ما به لطف این تحقیق می‌دانیم که مولکول‌های بزرگ هم مانند اتم‌های بسیار کوچک‌تر می‌توانند در یک لحظه خاص در دو مکان حضور داشته باشند.

از آنجاییکه مکانیک کوانتوم در مقیاس‌های کوچک عمل می‌کند و فیزیک کلاسیک نیز در مقیاس‌های بزرگ؛ بنابراین هرچه اندازه مولکول‌های به کار رفته در آزمایش دو شکاف، بزرگ‌تر گردد، ما بیشتر به مرز کوانتوم-کلاسیک نزدیک خواهیم شد. رکورد قبلی برای این نوع مطالعه، شامل مولکول‌هایی متشکل از ۸۰۰ اتم بود.

Yaakov Fein، فیزیکدان از دانشگاه وین اتریش می‌گوید که: آزمایشات تجربی ما نشان داد که مکانیک کوانتوم با همه عجیب بودنش، به‌طرز شگفت‌انگیزی تنومند هم هست و ما امیدواریم که آزمایش‌های آینده، در مقیاس‌های حتی بزرگ‌تری نیز انجام گردد.

نتایج تحقیق فوق در مجله Nature Physics چاپ شده است.