فیزیکدانان شی مقیاس انسانی را نزدیک به حالت سکون در آورده و به حالت کوانتومی می‌رسند.

منتشر شده در phys به تاریخ ۱۷ ژوئن ۲۰۲۱
لینک منبع: Physicists bring human-scale object to near standstill, reaching a quantum state

برای چشم انسان، به نظر می‌رسد که اکثر اشیا ثابت به همین شکل هستند-بی‌حرکت، و به طور کامل در حال استراحت. با این حال، اگر یک لنز کوانتومی به ما داده می‌شد، که به ما اجازه می‌داد اشیا را در مقیاس اتم‌های منفرد ببینیم، چیزی که یک سیب بی‌کار بر روی میز ما نشسته بود، به عنوان مجموعه‌ای سرشار از ذرات ارتعاشی، بسیار متحرک به نظر می‌رسید.

در چند دهه گذشته، فیزیکدانان راه‌هایی را برای اشیا فوق‌العاده سرد پیدا کرده‌اند که اتم‌های آن‌ها در حالت پایه حرکتی نزدیک به هم قرار گیرند. تا به امروز، فیزیکدانان با اشیا کوچک مانند ابرهای میلیونی اتم، یا اجسام در مقیاس نانوگرم، در چنین حالت‌های کوانتومی خالص، دست و پنجه نرم کرده‌اند.

حالا برای اولین بار، دانشمندان در MIT و جاهای دیگر یک شی بزرگ در مقیاس انسانی را خنک کرده‌اند تا به حالت پایه حرکتی آن نزدیک شوند. شی به معنای قرار گرفتن در یک مکان نیست، بلکه حرکت ترکیبی چهار شی مجزا است که هر کدام حدود ۴۰ کیلوگرم وزن دارند. «جسمی» که محققان آن را خنک کرده‌اند دارای جرم تقریبی حدود ۱۰ کیلوگرم است و شامل حدود ۱ * ۱۰۲۶ اتم یا نزدیک به ۱ اوکتیلیون اتم است.

محققان از توانایی رصدخانه موج گرانشی لیزر (LIGO) برای اندازه‌گیری حرکت توده‌ها با دقت بسیار زیاد و بسیار سرد حرکت جمعی توده‌ها به ۷۷ نانو لوله استفاده کردند که فقط از وضعیت زمینی پیش‌بینی‌شده جسم از ۱۰ نانوکلوین اجتناب می‌کند.

نتایج آن‌ها، که امروزه در علم ظاهر می‌شود، بزرگ‌ترین چیزی است که باید خنک شود تا به حالت پایه حرکتی خود نزدیک شود. دانشمندان می‌گویند که آن‌ها اکنون فرصتی برای مشاهده اثر جاذبه بر روی یک شی کوانتومی بزرگ دارند.

ویویچک سودیر، استادیار مهندسی مکانیک در MIT، که این پروژه را هدایت می‌کند، می‌گوید: «هیچ‌کس تا به حال مشاهده نکرده است که جاذبه چگونه بر روی حالت‌های بزرگ کوانتومی اثر می‌گذارد.» ما نحوه آماده‌سازی اشیا در مقیاس کیلوگرم را در حالت‌های کوانتومی نشان داده‌ایم. این امر، در را برای مطالعه تجربی چگونگی تاثیر جاذبه بر اشیا کوانتومی بزرگ باز می‌کند، چیزی که تا کنون فقط رویای آن را در سر می‌پروراند.

نویسندگان این مطالعه اعضای آزمایشگاه LIGO هستند و شامل نویسنده اصلی و دانشجوی تحصیلات تکمیلی کریس ویتل، پروفسور فوق‌دکترا اوان هال، دانشمند تحقیق شیلا دویر، رئیس دانشکده علوم و کرتیس و کاتلین ماربل پروفسور فیزیک استروس نرگیس موالوالا، و استادیار مهندسی مکانیک ویژویک سودیر هستند.

همه اشیا نوعی حرکت را در نتیجه تعاملات زیادی که اتم‌ها با یکدیگر و با تاثیرات خارجی دارند، مجسم می‌کنند. تمام این حرکت تصادفی در دمای جسم منعکس می‌شود. هنگامی که یک شی در نزدیکی دمای صفر سرد می‌شود، هنوز یک حرکت کوانتومی باقی می‌ماند، حالتی که «حالت پایه حرکتی» نامیده می‌شود.

برای جلوگیری از حرکت یک شی می‌توان نیرویی برابر و مخالف بر آن وارد کرد. (به متوقف‌کردن یک توپ بیسبال در وسط پرواز با نیروی دستکش خود فکر کنید.) اگر دانشمندان بتوانند به طور دقیق اندازه و جهت حرکات یک اتم را اندازه‌گیری کنند، می‌توانند نیروهای مخالف را برای پایین آوردن دمای آن به کار گیرند-تکنیکی که به عنوان فیدبک خنک‌کننده شناخته می‌شود.

فیزیکدانان از بازخورد خنک‌سازی به طرق مختلف، از جمله نور لیزر، استفاده کرده‌اند تا اتم‌ها و اشیا بسیار کوچک را به حالت کوانتومی خود بیاورند، و تلاش کرده‌اند تا اشیا بزرگ‌تر بسیار سرد شده را به تدریج مورد مطالعه قرار دهند، تا اثرات کوانتومی را در سیستم‌های کلاسیک بزرگ‌تر و سنتی مطالعه کنند.

سودیر می‌گوید: «این واقعیت که چیزی دما دارد بازتابی از این ایده است که با چیزهای اطراف آن در ارتباط است.» «و جدا کردن اشیا بزرگ‌تر از تمام چیزهایی که در اطراف آن‌ها اتفاق می‌افتد، سخت‌تر است.»

برای خنک کردن اتم‌های یک جسم بزرگ نزدیک به حالت زمینی، اول باید حرکت آن‌ها را با دقت بسیار زیاد اندازه‌گیری کرد، تا میزان فشار مورد نیاز برای توقف این حرکت را بدانیم. ابزارهای کمی در دنیا می‌توانند به چنین دقتی دست یابند. آزمایشگاه LIGO، همانطور که اتفاق می‌افتد، می‌تواند.

رصدخانه ردیابی امواج گرانشی شامل تداخل‌سنج های دوقلو در مکان‌های جداگانه ایالات‌متحده است. هر تداخل‌سنج دارای دو تونل طولانی است که به شکل L به هم متصل شده‌اند و ۴ کیلومتر در هر جهت کشیده شده‌اند. در هر دو انتهای هر تونل یک آینه ۴۰ کیلویی معلق توسط فیبرهای نازک قرار دارد که مانند آونگ در پاسخ به هر گونه آشفتگی مانند موج گرانشی ورودی تاب می‌خورد. یک لیزر در پیوند تونل‌ها جدا می‌شود و به پایین هر تونل فرستاده می‌شود، سپس به منبع آن برمی‌گردد. زمان‌بندی لیزرهای بازگشتی به دانشمندان می‌گوید که دقیقا هر آینه چقدر حرکت می‌کند و به دقت ۱۰۰۰۰ /1 عرض یک پروتون می‌رسد.

سودیر و همکارانش در این فکر بودند که آیا آن‌ها می‌توانند از دقت اندازه‌گیری حرکت LIGO برای اندازه‌گیری حرکت اشیا بزرگ و در مقیاس انسانی استفاده کنند، سپس یک نیروی مخالف به کار ببرند، بر خلاف آنچه آن‌ها اندازه‌گیری می‌کنند، تا اشیا را به وضعیت زمینی خود در بیاورند.

اقدام به عمل برگشتی (پس‌کنش)

شیئی که آنها قصد خنک کردن آن را داشتند، یک آینه منفرد نیست، بلکه حرکت ترکیبی هر چهار آینه LIGO است.

سودیر توضیح می‌دهد : LIGO «برای اندازه‌گیری حرکت مشترک چهار آینه ۴۰ کیلویی طراحی شده‌است.»

«معلوم شد که شما می‌توانید حرکت مشترک این توده‌ها را به صورت ریاضی ترسیم کنید و آن‌ها را حرکت یک شی ۱۰ کیلوگرمی بدانید.»

سودیر می‌گوید هنگام اندازه‌گیری حرکت اتم‌ها و دیگر اثرات کوانتومی، عمل اندازه‌گیری می‌تواند به طور تصادفی به آینه ضربه بزند و آن را به حرکت درآورد- یک اثر کوانتومی به نام «پس‌کنش اندازه‌گیری». هنگامی که فوتون‌های منفرد یک لیزر از یک آینه بازتاب می‌شوند تا اطلاعات مربوط به حرکت آن را جمع‌آوری کنند، نیروی حرکت نور به سمت آینه باز می‌گردد. سودیر و همکارانش متوجه شدند که اگر آینه‌ها به طور مداوم اندازه‌گیری شوند، همانطور که در LIGO هستند، بازیابی تصادفی از فوتون‌های گذشته را می توان در اطلاعات به‌دست‌آمده توسط فوتون‌های بعدی مشاهده کرد.

با استفاده از یک رکورد کامل از هر دو اختلال کوانتومی و کلاسیک در هر آینه، محققان یک نیروی برابر و مخالف با الکترومغناطیس‌های متصل به پشت هر آینه به کار بردند. این اثر حرکت جمعی را به حالت سکون نزدیک کرد و باعث شد که آینه‌ها را با انرژی بسیار کمی ترک کرد و بیش از ۱۰ تا ۲۰ متر حرکت نکنند، کم‌تر از یک هزارم اندازه یک پروتون.

این تیم سپس انرژی یا حرکت باقیمانده جسم را با دما برابر کرد و دریافت که جسم در ۷۷ نانوکلوین قرار دارد که بسیار نزدیک به حالت پایه حرکتی آن است و آن‌ها پیش‌بینی می‌کنند که ۱۰ نانوکلوین باشد.

سودیر می‌گوید: «این قابل‌مقایسه با دمای فیزیکدانان اتمی است که اتم‌های خود را خنک می‌کنند تا به حالت پایه خود برسند، و آن ابر کوچکی از شاید یک میلیون اتم است که پیکوگرام را وزن می‌کند.» بنابراین، جالب توجه است که شما می‌توانید چیزی بسیار سنگین‌تر را تا دمای مشابه خنک کنید.

ویتل می‌گوید: «آماده کردن چیزی در حالت پایه، اغلب اولین گام برای قرار دادن آن در حالت‌های کوانتومی هیجان‌انگیز یا عجیب و غریب است.» «بنابراین این کار هیجان‌انگیز است زیرا ممکن است به ما اجازه دهد برخی از این حالات دیگر را در مقیاسی وسیع مطالعه کنیم که تاکنون انجام‌نشده است.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات فیزیک کوانتوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.