تا حالا به این فکر کردی وقتی یه سیم گیتار رو میزنی، صداش چجوری کم‌کم محو میشه و خاموش میشه؟ خب، این داستان فقط مال دنیای ما نیست؛ توی قلمروی عجیب و غریب اتم‌ها هم این سؤال بوده که آیا اتم‌ها هم همینطوری انرژی‌شون رو کم‌کم از دست میدن یا نه. داستانی که تقریبا ۹۰ سال، ذهن دانشمندها رو درگیر خودش کرده بود، بالاخره با یه کشف جدید حل شده! بیاید با هم خیلی راحت بریم سراغ اصل ماجرا.
کلاً قضیه از اینجا شروع شد که فیزیکدانا گفتن خب تو دنیای واقعی، همه‌چی، از سیم گیتار گرفته تا هر شیء دیگه‌ای، وقتی نوسان می‌کنه، انرژی‌ش رو کم‌کم از دست میده. اینو تو فیزیک کلاسیک (یعنی همون دنیای معمولی که باهاش سر و کار داریم) راحت میشه توضیح داد؛ چون همیشه نیروهایی مثل اصطکاک یا مقاومت هوا وجود داره که انرژی رو می‌بره. اما وقتی حرف از دنیا کوانتومی میشه، همه‌چی عجیب‌تر میشه!
اینجا داستان “اصل عدم قطعیت هایزنبرگ” میاد وسط؛ این یعنی تو دنیای کوانتوم هیچوقت نمیشه همزمان جای دقیق و سرعت دقیق یه ذره مثل اتم رو بدونی. مثلاً اگه جای یه اتم رو خیلی دقیق بفهمی، دیگه سرعتش رو گم می‌کنی! این موضوع باعث شده بود هر بار می‌خواستن از دست رفتن انرژی تو کوانتوم رو حسابی مدل کنن، گرفتار تناقض بشن و این اصل رو ناخواسته زیر پا بذارن.
از زمانی که “هورِس لَمب” (یه فیزیکدان بریتانیایی) تو سال ۱۹۰۰، یه مدل ساده از یه ذره تو جامد طراحی کرد که نوسان می‌کرد و انرژی‌ش رو کم‌کم از دست می‌داد، همه فیزیکدان‌ها سعی کردن همونو بیارن تو دنیای کوانتوم. ولی هیچ‌کس موفق نشد مدلش رو طوری بسازه که اون اصل عدم قطعیت سالم بمونه. حتی بیان داشتن انرژی داره از سیستم خارج میشه، مساوی بود با دسترسی به اطلاعاتی که اصولاً تو کوانتوم غیرمجاز بود!
اما الان با یه حرکت خفن ریاضی (به اسم “تبدیل بوگولیوبوف چندگانه” یا Multimode Bogoliubov Transformation، ببین! این یه جور ابزار ریاضی فوق‌العاده قویه که اجازه میده معادلات یه سیستم رو جوری بازنویسی کنی که الگوهای پنهان‌ش راحت‌تر دیده بشه)، تیم پژوهشی مشکل رو یه جور جدید نگاه کردن. به جای اینکه فقط روی یه اتم تمرکز کنن، اومدن همه اتم‌ها و ارتباطات بینشون رو وارد بازی کردن. این مدل رو بهش میگن “مسئله چندجسمی” یا Many-body Problem، یعنی همزمان کلی ذره دارن با هم برهم‌کنش می‌کنن.
نتیجه‌ش چی شد؟ فهمیدن که وقتی انرژی داره کم‌کم از یه اتم نوسان‌گر خارج میشه، این سیستم میره سراغ یه حالت خیلی خاص به اسم “خلأ فشرده چندگانه” یا Multimode Squeezed Vacuum: یعنی حالت کوانتومی‌ای که توش میشه نویز یا همون “نا‌آرامی تصادفی کوانتومی” یه ویژگی، مثل جای اتم، رو از حد معمول کمتر کرد (یعنی دقیق‌ترش رو فهمید)، ولی باید به جاش در یه ویژگی دیگه (مثلاً سرعتش) نامطمئن‌تر بشی. یه جور معاوضه خیلی بااحتیاط، که باعث میشه اصل عدم قطعیت همچنان احترامش محفوظ باشه. خلاصه، برای اولین بار تونستن نشون بدن “میرایی” یا “تضعیف انرژی” تو جامعه کوانتومی واقعاً چطوری رخ میده، اونم بدون اینکه قانونای کوانتوم رو نقض کنن.
حالا چرا مهمه؟ این فقط یه حل فانتزی از یه معادله خشک ریاضی نیست! اثرش واقعاً ممکنه روی چیزای عملی تاثیر بذاره. مثلاً کشف جدید نشون میده میشه بعضی چیزا، مثل موقعیت یه اتم رو، با دقتی بیشتر از حد استاندارد دنیای کوانتوم هم اندازه گرفت. به این میگن “گذر از حد استاندارد کوانتومی” یا Standard Quantum Limit که معمولاً میگه چقدر می‌تونیم دقیق باشیم.
تازه جالبه بدونی یه اتفاق خیلی خفن دیگه یعنی کشف موج‌های گرانشی (Gravitational Waves) تو سال ۲۰۱۷ هم دقیقاً به لطف همین تکنیک‌های حالت فشرده کوانتومی ممکن شد؛ چون واسه اندازه‌گیریش باید جا‌به‌جایی‌هایی خیلی خیلی کوچیک‌تر از پروتون رو می‌فهمیدن! محققای این مطالعه جدید میگن شاید الان بشه برای اتم‌ها تو مواد جامد هم از این ترفندها استفاده کرد، و این یعنی ساخت سنسورهایی که مثل خط‌کش‌های فوق‌العاده ریز می‌مونن.
البته، همه اینا فعلاً تئوریک هستن. چالش بعدی اینه که ببینن تو دنیای واقعی و با آزمایش‌های واقعی هم همین رفتار دیده میشه یا نه. اگه آره، واقعاً دنیای فیزیک میره تو مرحله جدیدی!
این تحقیق جالب تو مجله Physical Review Research چاپ شده، و برای کسایی که همیشه میخوان مرزهای علم رو جابجا کنن، یه خبر فوق‌العاده است! پس اگه با دوستات بحث کوانتوم پیش اومد، حتماً این ماجرای گیتار کوانتومی و معمای صد ساله‌ش رو براشون تعریف کن!
منبع: +
