أظهر باحثون من جامعة تل أبيب كيف سيكون من الممكن إثبات سلوك جسم كبير، والذي يتعارض مع فيزياء نيوتن الكلاسيكية

حتى الآن كان من المعتاد التفريق بين نظرية الكم التي تؤثر على الأجسام الصغيرة على مسافات صغيرة، والفيزياء الكلاسيكية التي تؤثر على الأجسام الكبيرة على مسافات كبيرة

وأظهر باحثون من جامعة تل أبيب، بقيادة البروفيسور رون ليفشيتز، كيف سيكون من الممكن إثبات سلوك جسم كبير، والذي يتعارض مع فيزياء نيوتن الكلاسيكية. وذلك من خلال تحسينات طفيفة في التكنولوجيا الحالية. وفي دراستهم المنشورة هذه الأيام في المجلة العلمية Physical Review Letters، يوضح الباحثون أنه من المتوقع وجود اختلافات واضحة وقابلة للقياس، مما سيسمح للفيزيائيين في المختبر أن يقرروا بشكل نهائي مسألة السلوك الكمي للأجسام الكبيرة. تم إجراء البحث، الذي موله صندوق الأبحاث الثنائي القومي الإسرائيلي الأمريكي (BSF)، وممول من وزارة العلوم، من قبل إيتمار كاتز كجزء من أطروحة الماجستير في الفيزياء تحت إشراف البروفيسور رون ليفشيتز من جامعة هارفارد. مدرسة الفيزياء وعلم الفلك. وشارك في الدراسة أيضًا أليكس ريتزكر، باحث ما بعد الدكتوراه حاليًا في إمبريال كوليدج في لندن، ورافائيل شتراوب، الذي أقام في جامعة تل أبيب كجزء من برنامج تبادل الطلاب مع جامعة كونستانز في ألمانيا.

منذ أكثر من سبعين عامًا، وصف أحد آباء نظرية الكم، إروين شرودنغر، مفارقة تكون فيها قطة في غرفة مغلقة في نوع من الحالة المركبة (التراكب في لغة الفيزياء) حيث تكون حية وميتة في نفس الوقت . يمكن أن تظل القطة هكذا بين الحياة والموت، حيث أنها كانت تعاني من هاتين الحالتين في نفس الوقت، طالما لم يراها أحد. ولكن بمجرد أن ينظر أي مشاهد إلى الغرفة، يصبح مصير القطة محددًا بشكل لا لبس فيه. سيجد المشاهد القطة في الغرفة عندما تكون بالتأكيد حية أو ميتة. يقول البروفيسور ليفشيتز: "مثل هذا الوضع مستحيل، لأن مفارقة قطة شرودنغر تتناقض مع الحدس اليومي لكل شخص فيما يتعلق بسلوك الأجسام الكبيرة، سواء كانت حية أو غير حية". ووفقا له، يقوم الفيزيائيون بشكل روتيني بقياس مثل هذه الحالات الكمومية المتكاملة في مختبراتهم، طالما أنها أجسام لا يتجاوز حجمها عدة ذرات (الرقم القياسي حتى اليوم هو جزيء C60 المكون من ستين ذرة كربون مرتبة على شكل كرة قدم). ). وفي الوقت نفسه، يشير إلى أن ما لا تزال الفيزياء لا تعرف كيف تفسره هو السبب في أن نظرية الكم، التي تصف بدقة سلوك الجسيمات على المستوى الذري ودون الذري، لا تنطبق على الأجسام الكبيرة.

وفقًا لإحدى الفرضيات، كما ادعى الفيزيائي الحائز على جائزة وولف، السير روجر بنروز، فإن التفسير يأتي من حقيقة أن كتلة الأجسام الكبيرة كبيرة جدًا. على سبيل المثال، كما يدعي بنروز، فإن جسمًا ثقيلًا في حالة مركبة - يعرفها الفيزيائيون باسم "حالة القطة" - حيث يكون في مكانين مختلفين في نفس الوقت سيمارس قوة جاذبية كبيرة على نفسه لدرجة أنه سيدمر الجسم. حالة القطة التي وجدت فيها. ومن ناحية أخرى، فإن التفسير الأكثر قبولا، كما أوضحه عالم الفيزياء أنتوني ليجيت الحائز على جائزة نوبل، هو أن نظرية الكم صالحة بالنسبة للأجسام الكبيرة، لكن اتصالها المستمر ببيئتها لا يسمح لها بالتواجد في حالات القطة. تلعب البيئة، حسب ليجيت وآخرين، دور المراقب الذي ينظر إلى الغرفة ويحدد مصير القطة، وبالتالي تمنع الأجسام الكبيرة من أن تثبت لعالم الفيزياء في المختبر حقيقة أنها تمتثل بالفعل لقوانين الطبيعة. نظرية الكم.

والسؤال المطروح هو من أين يتوقع حل مفارقة القطة؟ ومن الممكن أن تسمح تطورات تكنولوجيا النانو في السنوات الأخيرة للفيزيائيين باختبار هذه الفرضيات المختلفة في المستقبل المنظور. تتمثل الفكرة في فحص سلوك المذبذبات الميكانيكية النانوية - وهي نوع من أوتار الجيتار الصغيرة، التي لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات (النانومتر هو جزء من المليون من المليمتر) - والتي تتأرجح عند ترددات في نطاق جيجاهيرتز. وهذا تردد مشابه للساعات الإلكترونية في أجهزة الكمبيوتر الشخصية، إلا أننا هنا نتعامل مع عدد هائل من الذرات تتحرك معًا. ومن الممكن أن يؤدي الجمع بين الترددات العالية جدًا ودرجات الحرارة المنخفضة جدًا إلى تمكين التنبؤ بالحالات الكمومية لهذه الأجسام الكبيرة نسبيًا في المستقبل، بشرط إمكانية عزلها عن محيطها إذا لزم الأمر. مثل هذه الملاحظة ستكون حاسمة لصالح ادعاء ليجيت. لكن هذه المهمة ليست سهلة، ويبدو أن سنوات عديدة ستمر قبل أن نتمكن من ملاحظة مثل هذه المواقف.

بدلاً من انتظار اليوم الذي سيكون فيه من الممكن إنتاج حالات قطة غريبة في المختبر باستخدام أجهزة ميكانيكا النانو، تقترح مجموعة ميكانيكا النانو بقيادة البروفيسور رون ليفشيتز من جامعة تل أبيب اختبار صحة نظرية الكم فيما يتعلق بالمذبذبات الميكانيكية النانوية بطريقة أبسط. الطريق، من خلال فحص سلوكهم الديناميكي - من خلال قياس الطريقة التي يتحركون بها عبر الزمن. السبب وراء عدم طرح هذه الفكرة حتى الآن يكمن في حقيقة أنها محكوم عليها بالفشل طالما أننا نتعامل مع مذبذبات بسيطة سلوكها خطي. هذه هي المذبذبات الشائعة، مثل الثقل المعلق على زنبرك، والذي لا يعتمد وقت تذبذبه على شدة تذبذبه. على الرغم من أن نظرية الكم بشكل عام تتنبأ بسلوك ديناميكي مختلف عن ذلك الذي تنبأت به نظرية نيوتن الكلاسيكية، إلا أنه لا يوجد فرق كبير فيما يتعلق بالمذبذبات الخطية. وأظهر الباحثون من جامعة تل أبيب بمساعدة الحسابات النظرية كيف يمكن التغلب على هذه المشكلة عن طريق المذبذبات الميكانيكية النانوية غير الخطية، التي يقل زمن تذبذبها مع زيادة شدة تذبذباتها.

وصف بياني لموقع المذبذب، بعد فترة من بدء التذبذب، بناءً على حسابات إيتامار كاتز وشركائه. على اليمين يظهر مذبذب يتصرف بشكل كلاسيكي وعلى اليسار مذبذب يتصرف كميًا. يمكن تحديد التشابه بين المناطق الزرقاء التي توجد فيها فرصة كبيرة للعثور على المذبذب (يشير المحور الأفقي إلى موضع المذبذب في الفضاء، والمحور الرأسي إلى سرعته). ويمكن أيضًا ملاحظة أن المذبذب الكمومي يقضي وقتًا في المناطق التي يُمنع المذبذب الكلاسيكي من دخولها، حيث لا تحتوي المناطق المشار إليها باللون الأحمر على تفسير بالمصطلحات الكلاسيكية. ويعتقد البروفيسور ليبشيتز وفريقه أنه سيكون من الممكن ملاحظة مثل هذه الاختلافات في التجارب المعملية في المستقبل القريب. الرسم مأخوذ من المقال المنشور هذه الأيام في جريدة Physical Review Letters.