17 اکتبر 2023 -توسط Tejasri Guuraj, Phys.org-اعتبار: CC0 دامنه عمومی
قوانین حفاظت برای درک ما از جهان محوری هستند و اکنون دانشمندان درک ما از این قوانین را در مکانیک کوانتومی گسترش داده اند.یک قانون بقا در فیزیک، حفظ مقادیر یا خواص معینی را در سیستم های فیزیکی جدا شده در طول زمان توصیف می کند، مانند جرم-انرژی، تکانه و بار الکتریکی.
قوانین حفاظت برای درک ما از جهان بنیادی هستند زیرا آنها فرآیندهایی را تعریف می کنند که می توانند یا نمی توانند در طبیعت رخ دهند. به عنوان مثال، حفظ تکانه نشان می دهد که در یک سیستم بسته، مجموع تمام لحظه ها قبل و بعد از یک رویداد، مانند یک برخورد، بدون تغییر باقی می ماند.
این به توضیح رفتار اجسام در حال حرکت، از حرکت سیارات در فضا تا دینامیک پیچیده ذرات زیراتمی است.
با این حال، وقتی به دنیای مکانیک کوانتومی نگاه می کنیم، همه چیز جالب تر می شود. در مکانیک کوانتومی، قضایای بقا را می‌توان از اصولی مانند تقارن‌های سیستم‌های فیزیکی، بر خلاف مکانیک کلاسیک، که در آن نقطه شروع هستند، استخراج کرد.
مکانیک کوانتومی دارای مجموعه ای از قوانین حفاظت است که برخی از آن ها مشابه کلاسیک هستند، در حالی که برخی دیگر منحصراً کوانتومی هستند. ساندو پوپسکو، یکی از نویسندگان مطالعه جدیدی که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده است، خاطرنشان کرد که علیرغم موفقیت باورنکردنی آن در توضیح بسیاری از پدیده ها، مکانیک کوانتومی هنوز از درک عمیق و شهودی اصول زیربنایی خود شانه خالی می کند.
به قول خود دکتر پوپسکو، “علیرغم حضور طولانی مدت آن، رفتار ضد شهودی ذرات میکروسکوپی به من یک پذیرش جهانی می دهد که درک عمیق و شهودی گریزان باقی می ماند. کشف مداوم اثرات شگفت انگیز و متناقض درك كردن بر نیاز من برای رسیدن به این هدف تاکید می کند..”
برای انجام این کار، محققان یک آزمایش فکری ابداع کردند.آزمایش‌های فکری و قوانین بقا در مکانیک کوانتومی.
آزمایش فکری یک سناریوی فرضی است که برای کشف پیامدهای نظریه‌ها و اصول، ارائه دیدگاه‌ها و بینش‌های جدید، که اغلب باورهای غالب را به چالش می‌کشد، استفاده می‌شود.
این آزمایش‌ها عمداً برای بررسی پیامدهای یک اصل خاص ساخته شده‌اند. ساختار آزمایش ممکن است اجرای آن را غیرعملی کند و حتی اگر امکان پذیر باشد، ممکن است قصدی برای انجام آن وجود نداشته باشد. برای نشان دادن اهمیت آزمایش‌های فکری، اجازه دهید به مثال ساده‌ای که دکتر پوپسکو ارائه کرده است بپردازیم.
این آزمایش فکری شامل دو شخصیت به نام‌های آلیس و باب است که هر کدام روی صندلی چرخ‌دار نشسته‌اند و رو به روی یکدیگر قرار گرفته‌اند. این صندلی‌ها با کمترین اصطکاک به زیبایی روی زمین می‌لغزند و زمینه را برای کاوشی جذاب از قوانین حفاظت در قلمرو کوانتومی فراهم می‌کنند.
جرم آنها یکسان است و وقتی همدیگر را هل می دهند با سرعت یکسان در جهت مخالف حرکت می کنند و در نتیجه مجموع ثابت سرعت ها برابر با صفر است. همانطور که دکتر پوپسکو توضیح داد، “مجموع سرعت ها، هم قبل و هم بعد از تعامل آنها ثابت می ماند.”
او ادامه داد: “این یک یافته قابل توجه است زیرا بدون توجه به ماهیت خاص تعامل آنها برقرار است. شما می توانید پیش بینی کنید که مجموع سرعت آنها صفر است بدون اینکه بدانید آنها چگونه یکدیگر را هل داده اند.”
درک اهمیت گسترده تر این آزمایش فکری مستلزم اذعان به کاربرد جهانی آن است. اصلی که نشان می‌دهد به سناریوهای مختلف گسترش می‌یابد، و تفاوت‌ها در جرم، حرکت اولیه یا برهمکنش‌های پیچیده چند بعدی را در بر می‌گیرد و ظرفیت پیش‌بینی پایدار و ارزشمند آن را برجسته می‌کند.
دکتر پوپسکو توضیح داد: “در سطح عمیق تر، قوانین حفاظتی خاصی از تقارن های موجود در طبیعت پدید می آیند. در مورد مثال، بدیهی است که مکان در جهان بر نتیجه آزمایش تاثیر نمی گذارد. قوانین حفاظتی دیگر محدودیت هایی را تعیین می کنند. مانند عدم توانایی استخراج انرژی بیشتر از آنچه در ابتدا سرمایه گذاری شده است.
چالش‌های قوانین حفاظتی سنتی در مکانیک کوانتومی
در فیزیک کلاسیک، مفهوم حفاظت نسبتاً ساده است. شما یک مقدار مشخص را در ابتدای آزمایش اندازه می گیرید و در پایان دوباره آن را اندازه می گیرید. اگر مقادیر مطابقت داشته باشند، کمیت حفظ شده در نظر گرفته می شود.
دکتر پوپسکو توضیح داد: “این در مکانیک کوانتومی کار نمی کند. دلیل آن این است که انجام یک اندازه گیری باعث اختلال در سیستم می شود.”
اندازه گیری یک کمیت بلافاصله پس از آماده سازی، سیستم را مختل می کند و اساساً تکامل بعدی آن را تغییر می دهد. علیرغم تطبیق نتایج اندازه‌گیری در پایان، نمی‌تواند وضعیت اصلی را آشکار کند، زیرا تکامل زمانی سیستم به‌طور برگشت‌ناپذیری تغییر کرده است.
برای عبور از این چالش ها، محققان یک آزمایش فکری ابداع کردند. راه اندازی آزمایشی آنها شامل تهیه یک سیستم کوانتومی در یک ثانیه بود.حالت اولیه خاص و اندازه گیری یک کمیت – موقعیت – بلافاصله پس از تهیه آن.
متعاقبا، آنها اجازه دادند تا سیستم بدون هیچ گونه اختلال اندازه گیری تکامل یابد. دکتر پوپسکو گفت: “اکنون تکامل به شکل دلخواه پیش رفت، زیرا شما در ابتدا سیستم را مختل نکردید.”
محققان حالت هایی را انتخاب کردند که در آن ذره در یک ناحیه ابر نوسانی قرار داشت که به دلیل فرکانس بالا یا رفتار متنوع آن شهرت داشت. آنها سپس تکانه زاویه ای ذره را اندازه گرفتند و بررسی کردند که آیا در محدوده خاصی قرار دارد یا خیر.
آنها نتیجه اندازه گیری دوم، اندازه گیری تکانه زاویه ای، را با اندازه گیری اولیه که وضعیت اولیه ذره را مشخص می کرد، مقایسه کردند. اگر این دو اندازه گیری یکسان بودند، نشان می داد که کمیت مورد نظر اندازه گیری شده، در این مورد، تکانه زاویه ای، در طول آزمایش حفظ شده است.
این بقای آماری است زیرا موارد منفرد به دلیل تصادفی بودن کوانتومی نمی توانند به طور قطعی آن را ثابت کنند. با مقایسه احتمالات نتیجه بین آزمایش‌هایی که مقدار را درست پس از آماده‌سازی و در پایان با استفاده از همان حالت اولیه اندازه‌گیری می‌کنند، تأیید می‌شود.
محققان دو بینش کلیدی پیدا کردند. اول، آنها نشان دادند که “عدم حفاظت آماده سازی” و “عدم حفاظت از اندازه گیری” یکدیگر را خنثی می کنند، که منجر به حفظ تکانه زاویه ای حتی در موارد منفرد می شود. این قوانین کلاسیک حفاظت را به چالش می کشد.
دوم، مقاله استدلال می کند که حالت خالص پیشنهادی، که در موارد فردی غیر محافظه کارانه به نظر می رسد، غیر واقعی است و در طبیعت وجود ندارد. این امر بر اهمیت در نظر گرفتن چارچوب های مرجع و تعامل دستگاه اندازه گیری سیستم برای درک قوانین بقای کوانتومی تأکید می کند.
این مطالعه قوانین مرسوم بقای کوانتومی را به چالش می‌کشد و بر تأثیر چارچوب‌های مرجع و حالت‌های غیرفیزیکی تأکید می‌کند و خواستار بازنگری در بقای آماری در مکانیک کوانتومی است.
دکتر پوپسکو در پایان گفت: “ما ادعا نمی کنیم که هیچ چیز نادرستی در راه استاندارد برای تعریف قوانین بقا در مکانیک کوانتومی وجود دارد. با این حال، ما ادعا می کنیم که می توان بهتر از این کار کرد.”
