فیزیکدانان به مناظره ۹۸ ساله اینشتین و بور پایان دادند

ایسنا: دانشمندان مدت‌ها با یک پرسش اساسی دست‌وپنجه نرم می‌کرده‌اند: نور دقیقا چیست؟ آیا نور یک موج است، که مانند موج‌های روی آب جاری می‌شود، یا از ذرات ریزی ساخته شده و مانند گلوله‌های رنگی کوچکی در فضا پرتاب می‌شود؟ این پرسش بنیادی، در مرکز «آزمایش دوشکاف» (double-slit experiment) قرار دارد، آزمایشی که ماهیت دوگانه نور را نشان می‌دهد.

به نقل از آی‌ای، به تازگی، فیزیک‌دانان در موسسه فناوری ماساچوست آزمایشی را با دقت اتمی خارق‌العاده انجام دادند. پژوهشگران می‌گویند: فیزیک‌دانان موسسه فناوری ماساچوست تایید کرده‌اند که نور، مانند سوپرمن، دو هویت دارد که به‌طور هم‌زمان قابل دیدن نیستند.

ماهیت دوگانه نور

آزمایش دوشکاف، که نخستین بار توسط توماس یانگ در سال ۱۸۰۱ نشان داده شد، به یک سنگ‌بنا برای  مکانیک کوانتومی تبدیل شده است. این آزمایش به گونه‌ای معروف نشان می‌دهد که نور رفتارهایی شبیه به موج و ذره را توامان با هم دارد.

در ابتدا، این آزمایش نشان داد که نور هنگام عبور از دو شکاف، یک الگوی تداخل ایجاد می‌کند یعنی نوارهای روشن و تاریک متناوب شکل می‌دهد که مانند رفتار موجی است. بااین‌حال، اگر دانشمندان تلاش می‌کردند ببینند نور از کدام شکاف عبور می‌کند، الگوی تداخلی ناپدید می‌شد و نور ناگهان مانند ذره رفتار می‌کرد.

این پدیده گیج‌کننده یکی از اصول اصلی مکانیک کوانتومی را نمایان می‌کند که می‌گوید: نور هم ذره است و هم موج، اما شما فقط می‌توانید یکی از این دو جنبه را در هر لحظه مشاهده کنید. این «دوگانگی موج-ذره» که به‌ظاهر متناقض است، پیشگامان اولیه کوانتوم را گیج کرده بود.

این معمای کوانتومی به مناظره‌ای معروف بین اینشتین و بور در سال ۱۹۲۷ منجر شد.

اینشتین باور داشت که می‌تواند آزمایشی طراحی کند که در آن مسیر ذره‌ای نور و تداخل موجی را به‌طور هم‌زمان مشاهده کند. بور، با تکیه بر اصل عدم قطعیت، استدلال کرد که هر تلاشی برای اندازه‌گیری مسیر فوتون، ناگزیر آن را مختل کرده و الگوی تداخل را نابود خواهد کرد. طی دهه‌ها، نسخه‌های بسیاری از آزمایش دوشکاف دیدگاه بور را تایید کرده‌اند.

اما اکنون، فیزیک‌دانان موسسه فناوری ماساچوست به رهبری پروفسور ولفگانگ کترل، نسخه‌ای «ایده‌آل‌شده» از این آزمایش را اجرا کرده‌اند، و آن را به عمق کوانتومی‌اش برده‌اند.

به‌جای شکاف‌های فیزیکی، آن‌ها از اتم‌های فوق‌العاده سرد منفرد به‌عنوان «شکاف‌ها» استفاده کردند.

این گروه بیش از ۱۰ هزار اتم را تا نزدیکی صفر مطلق سرد کردند و آن‌ها را با استفاده از لیزرها در آرایشی دقیق و شبیه به بلور چیدند. هر اتم در واقع یک شکاف منزوی و یکسان بود. سپس آن‌ها یک پرتو نوری بسیار ضعیف تاباندند تا اطمینان حاصل کنند که هر اتم حداکثر یک فوتون پراکنده می‌کند.

دانشمندان فرض کردند که تنظیمات آن‌ها با استفاده از اتم‌های منفرد که به‌دقت چیده شده‌اند می‌تواند به‌عنوان یک آزمایش دوشکاف کوچک‌شده عمل کند. با هدایت یک پرتو نور ضعیف به سمت اتم‌ها، آن‌ها توانستند مطالعه کنند که فوتون‌های منفرد چگونه با دو اتم مجاور تعامل دارند، و این آشکار می‌کرد که آیا نور مانند موج رفتار می‌کند یا ذره.

کترل می‌گوید: آنچه ما انجام داده‌ایم را می‌توان به‌عنوان گونه‌ای جدید از آزمایش دوشکاف در نظر گرفت. این اتم‌های منفرد مانند کوچک‌ترین شکاف‌هایی هستند که می‌توانید بسازید.

پایان مناظره

فیزیکدانان توانستند به‌دقت «محو بودن» این شکاف‌های اتمی را با تنظیم نور لیزری که آن‌ها را نگه می‌داشت، تنظیم کند. میزان محو بودن این اتم‌ها بر مقدار اطلاعاتی که دربارهٔ مسیر فوتون به‌دست می‌آمد تاثیر گذاشت. نتایج آن‌ها کاملا با نظریه کوانتوم مطابقت داشت و قاطعانه از بور جانب‌داری کرد.

آن‌ها یک رابطه روشن کشف کردند: هرچه مسیر فوتون با دقت بیشتری مشخص می‌شد الگوی تداخل موجی بیشتر از بین می‌رفت. پژوهشگران مشاهده کردند که هر زمان که یک اتم با فوتونی که از کنار آن عبور می‌کرد دچار جابه‌جایی می‌شد، الگوی تداخل موجی تضعیف می‌شد. این تایید کرد که به‌دست آوردن اطلاعات درباره مسیر فوتون، به‌طور خودکار ویژگی‌های موجی آن را از بین می‌برد.

این یافته‌ها به‌طور قطعی نشان دادند که اینشتین در این سناریوی خاص کوانتومی اشتباه می‌کرد و واقعیت عجیب و شهودی‌ناپذیر کوانتومی را دوباره تایید کردند.