دانشمندانِ SOLEIL آزمايش فرضي دو شكافي را ايجاد كردند

فيزيكداناني كه از سينكروترونِ SOLEIL در فرانسه استفاده مي‌كنند هنوز هم بهترین موقعيت را براي درك آزمايش فرضي‌اي كه نخستين بار در 1927 توسط آلبرت اينشتين پيشنهاد شد دارند. در نوعي از آزمايش بسيار محبوب دوشكافي، اندازه‌گيري‌ها جنبه‌اي از نظريه‌ي كوانتومي را كه اينشتين در صدد نامعتبر كردنش بود تائيد مي‌كنند. آزمايش SOLEIL به جاي دو شكافيِ آزمايش اينشتين از دو اتم برانگيخته استفاده مي‌كند و نشان مي‌دهد كه هرگاه بتوان تعيين كرد كدام اتم يك الكترون تابش كرده است، طرح تداخلي كوانتومي ناپديد مي‌شود. اينشتين چندين بار تلاش كرد تا عدم قطعيت ذاتي در مكانيك كوانتومي را با مطرح كردن آزمايشاتي فرضي كه در آن زمان قابل انجام در آزمايشگاه نبودند، رد كند. يكي از آن‌ها شامل اصل دوگاني موج-ذره مي‌شد كه پيش‌بيني مي‌كند دنباله‌اي از تك ذرات كه از دو شكاف بگذرند، طرح پراشي موج‌گونه را روي پرده ايجاد خواهند كرد. اين اثر به علت خاصيت موج‌گونه‌ي هر ذره است كه به آن اجازه مي‌دهد همزمان از هر دو شكاف عبور كند. اينشتين مي‌گفت كه يك حسگر فوق العاده حساس مي‌تواند پس زنيِ شكافي را كه الكترون از آن عبور كرده است آشكار كند بدون اينكه طرح تداخلي را برهم بزند. اين به نوعي ايستادن در برابر مكانيك كوانتومي بود و رقيب بزرگ اينشتين، نيلز بور، با اين بحث كه اگر آزمايشگر بداند الكترون از كدام شكاف گذشته است اصلاً طرح تداخلي رخ نخواهد داد با آن مخالفت كرد.

در حالي كه آزمايش مذكور در آن زمان كاملاً فرضي بود، تركيب ساده بودن مفهوم و در عين حال دشواري‌ تجربي‌اش، آزمايشگران امروزي را به طرز مقاومت ناپذيري به چالش كشيده است. در سال 2001، سرگ هاروچ Serge Haroche و همكارانش در Ecole Normale Supeerieure در پاريس اين اصل را نشان دادند. آن‌ها براي شكافتن حالت داخلي تعدادي اتم ريدبرگ به دو حالت مختلف كه قبل از بازتركيب شدن با آهنگ‌هاي متفاوتي ظاهر مي‌شدند، از پالس مايكروويو استفاده كردند. بعد از آن در 2011، جورج اشميدماير Jorge Schmiedmayer و همكارانش در دانشگاه صنعتي وين به تقريب نزديكتري دست يافتند.

آزمايش دو-اتمي

اكنون، كاتالين ميرن Catalin Miron و همكاران او در SOLEIL با همراهاني در سوئد، فرانسه و روماني به بازآفريني آزمايش فرضي اصلي در آزمايشگاه بسيار نزديك شده‌اند. آن‌ها از يك مولكول دو اتمي اكسيژن كه توسط تابش سينكروتروني و قابل تنظيمِ پرتوي ‌X در خط باريكه‌ي PLEIADES برانگيخته شده است، استفاده مي‌كنند. با تنظيم انرژي پرتوي X، محققان مي‌توانند يك الكترون را تحريك كنند تا از مدار مولكولي داخلي به يك حالت مقيد با انرژي زياد يا به يك حالت دفعي كه منجر به واپاشي مولكول مي‌شود برود. بعد از اين گذار، يكي از اتم‌ها، الكترون ديگري را به نام الكترونِ آگر (Auger electron) تابش كرده و در اين حين پس زده مي‌شود. اگر الكترون اول به حالت مقيد رفته باشد، دوباره به حالت پايه‌ي مولكولي برمي‌گردد و موقع رها شدن الكترون آگر، دو اتم با هم پس زده مي‌شوند. اين يعني اندازه‌گيري پس زنيِ اتم‌ها هيچ چيز در مورد اينكه كدام اتم الكترون را تابش كرده است نمي‌گويد. اما اگر الكترون به حالت دفعي رفته باشد، مولكول وا مي‌پاشد و دو تك اتم اكسيژن ايجاد مي‌كند. چناچه الكترون آگر بعد از واپاشي مولكول آزاد شود، اتم‌ها ديگر با هم پس زده نمي‌شوند و اندازه‌گيري پس زني اتم‌ها مشخص خواهد كرد كه الكترون از كدام اتم تابش شده است. لذا، اين دو اتم نقش شكاف‌هاي آزمايش فرضي را بازي مي‌كنند و آزاد شدن الكترون مانند بيرون آمدن ذره از دو شكافي است. اگر پس زني اتم ها با هم باشد، نمي‌دانيم الكترون از كدام شكاف گذشته است- اما اگر فقط يكي پس زده شود، آنگاه مي دانيم كدام شكاف مورد استفاده قرار گرفته است.

به جاي پرده،‌ تيم تحقيقاتي از دستگاه دست ساز منحصر به فرد و بسيار حساسي به نام EPICEA كه هر سه مولفه‌ي تكانه را هم در الكترون تابش شده و هم در اتم پس زده شده‌ي به جا مانده اندازه مي‌گيرد، استفاده كردند. ميرن مي‌گويد: "اين در واقع چيزي بود كه من براي رساله دكتراي خودم بيست سال پيش ساختم".

اينشتين باز هم اشتباه كرد

با مرتبط كردن انرژي الكترون آزاد شده به زاويه‌ي بين تابش الكترون و محور مولكول دو اتمي در تعداد زيادي برخورد فوتون-مولكول، پژوهشگران به طور الكترونيكي "طرح تداخلي" را بازتوليد كردند. با نگاه كردن به جابجايي داپلريِ يون پس زده شده، محققان همچنين توانستند با محاسبه نشان دهند که آيا يك يا هر دو اتم پس زده می شوند. وقتي دو اتم تمايز ناپذير بودند، نوارهاي تداخلي ايجاد ميشدند (شكل را ببينيد). در حالي كه وقتي به وضوح معلوم بود كه تابش از اين يا آن اتم آمده است، باند پيوسته اي به وجود مي‌آمد كه اثري از نوارهاي تداخلي در آن ديده نمي‌شد. نتايج با تقريب خوبي با محاسبات سطح بالاي نظري در توافق است- و بار ديگر نشان مي‌دهد كه تعبير صحيح از آزمايش فرضي متعلق به بور است.

نظريه و آزمايش: الكترون آگر در عمل

جورج اشميدماير اين كار را "نمايش زيبايي از يك اثر بسيار بنيادي" مي‌نامد و توضيح مي‌دهد كه با اينكه در اصل "فيزيكِ آزمايش هاروچ و آزمايش ما دقيقاً يكي است اما تاكنون در ساير مقالات، شكاف، فوتون يا چيزي شبيه به آن بوده است. در اينجا شما دو ذره‌ از ماده داريد كه دو شكافيتان را تشكيل مي‌دهند. اين‌ها گام‌هايي است كه ما را به پيشنهاد اصلي انيشتين و بور نزديك و نزديكتر مي‌كند".

اين تحقيق در Nature Photonics توضيح داده شده است.

- در سال 2002، خوانندگانِ Physics World به آزمايش دو شكافي با الكترون‌ها به عنوان "زيباترين آزمايش" راي دادند.

منبع

SOLEIL scientists create double-slit thought experiment 

نقل از فیزیک ایران

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات