اثر بومرنگ کوانتومی چیست؟ (درک عجایب دنیای زیر اتمی به زبانی ساده)
شاید برای شما هم جالب باشد اگر بدانید که طی آزمایش‌های جدید، فیزیکدانان مشاهده‌ی یک پدیده‌ی تئوری و پیش بینی شده به نام اثر بومرنگ کوانتومی (Quantum boomerang effect) را تایید کرده‌اند. اما اثرِ بومرنگ کوانتومی دقیقا چیست و مشاهده‌ی آن چه اهمیتی دارد؟ اگر شما هم چنین سوالاتی را در ذهن دارید، احتمالا وقت بالا و پایین پریدن در لانه‌ی خرگوش است، پس تا انتهای این مقاله همراه ما باشید تا اطلاعات بیشتری از این دنیای عجیبِ کوانتومی به دست آوریم!
اثر بومرنگ کوانتومی چیست؟
همچون بومرنگ که با پرت کردن آن از هر نقطه‌ای به محل اولیه‌ی خود بر می‌گردد، فیزیکدانان از برخی ذرات کوانتومی (ذراتِ موادی خاص) هم انتظار دارند که به طور میانگین از هر نقطه‌ای که شروع به حرکت می‌کنند، به همان محل بازگردند.
در اثر بومرنگ کوانتومی، ذرات به طور متوسط پس از یک ضربه‌ی لیزر به موقعیت اولیه خود باز می‌گردند. در همین راستا آزمایشی جدید (تصویر) این اثر کوانتومی را با استفاده از اتم‌های لیتیوم تایید می‌کند.
به بیان دقیق‌تر، ذراتی قابلیت نمایش اثر بومرنگ را دارند که در متریالی با بی‌نظمی یا اختلالات بالا (به جای موادی بی‌نقص که معمولا از اتم‌هایی در آرایش مرتب تشکیل شده‌اند!) قرار داشته باشند. درواقع آرایش اتمی این دسته از مواد باید دارای عیوب و بی‌نظمی‌های بسیاری (همچون آرایش اتم‌هایی با ساختارِ نامرتب یا در هم پاشیده) باشد.
فیزیکدانان چگونه اثر بومرنگ کوانتومی را برای اولین بار مشاهده کردند؟
در سال ۱۹۵۸، فیزیکدانی به نام فیلیپ اندرسون «Philip Anderson» متوجه شد که در صورت وجود بی‌نظمی کافی در یک ماده، الکترون‌های آن، دچار حالتی موضعی (localized) می‌شوند. به این معنی که الکترون‌ها در جای خود گیر می‌کنند و این امکان را ندارند تا خیلی دورتر از محلی که قرار دارند، حرکت کنند! در چنین حالتی، الکترون‌های پین شده در جای خود، از رسانایی الکتریکی ماده جلوگیری می‌کند و در نتیجه ماده‌ی فلزی را به عایق تبدیل می‌کنند. در همین راستا، جالب است بدانید که این موضوع در اثر بومرنگ کوانتومی هم حائز اهمیت است.
به منظور درک بهتر این اثر کوانتومی، فرض کنید که حسابی کوچک شده‌اید و سفری به درون ماده‌ای بی‌نظم داشته‌اید. در چنین موقعیتی اگر بخواهید یک الکترون را از خود دور کنید، الکترون تغییر جهت می‌دهد و بلافاصله به سمت شما بازمی‌گردد، سپس متوقف می‌شود. اگر بخواهیم صادق باشیم الکترون بیشتر رفتاری شبیه به سگ دارد تا بومرنگ! چراکه اگر بومرنگ را نگیرید، از کنار شما می‌گذرد، اما سگی که به خوبی آموزش دیده است، زمانی که برگردد، در کنار شما می‌شیند.
با توجه به همین بحث تئوری که از حدودا ۶۰ سال پیش مطرح است، فیزیکدان دست به طراحی آزمایشی تجربی زدند تا این اثر را برای اولین بار مشاهده کنند. این فیزیکدانان به منظور نمایش این اثر کوانتومی از اتم‌های لیتیوم فوق سرد به عنوان جایگزین الکترون‌ها استفاده کردند. همچنین این تیم به جای بررسی اتم‌هایی که به موقعیت اولیه‌ی خود باز می‌گردند، وضعیتِ تکانه‌ی آن‌ها را مطالعه کردند، چراکه ایجاد چنین شرایطی، در محیط تجربی آزمایشگاه، نسبتاً ساده‌تر است. در طی این آزمایش، در ابتدا اتم‌ها ساکن بودند، اما پس از فرود آمدنِ ضربه‌های لیزری برای انتقال تکانه‌ی لحظه‌ای به آن‌ها، به طور متوسط، اتم‌ها به حالت سکون اولیه‌ی خود بازگشتند؛ در چنین حالتی، دانشمندان شاهد اثر بومرنگ تکانه بودند.
در کنار چنین مشاهده‌ی جذابی، فیزیکدان شرایط لازم برای از بین بردن اثر بومرنگ کوانتومی را هم تعیین کردند. درواقع برای چنین کاری، نیاز به شکست تقارن معکوسِ زمان (time-reversal symmetry) است! به این معنی که در هنگام جلو رفتن بردار زمان، ذرات کوانتومی باید به همان شکلی رفتار کنند که در بازگشت به عقب انجام می‌دهند.
تقارن T یا تقارن معکوس زمانی، یک تقارن نظری در فیزیک است که در آن، t (زمان) به t- تبدیل می‌شود!
در همین راستا با تغییر زمانِ اولین ضربه از سمت لیزرها، آن هم به طوری که الگوی ضربه زدن تغییر نکند، محققان توانستند، تقارن معکوسِ زمان را بشکنند و همانطور که انتظار می‌رفت، اثر بومرنگ ناپدید شد!
سخن آخر
با اینکه اندرسون بیش از ۶۰ سال پیش اثر موضعی الکترون را کشف کرد، اما اثر بومرنگ کوانتومی را می‌تواند موضوع تازه‌ای در فیزیک در نظر گرفت. فیزیکدان این تحقیق بیان می‌کنند که ظاهراً هیچ‌کس به این موضوع فکر نکرده است، چراکه احتمالاً به نظر خیلی از محققان اتفاقی بسیار غیرمعمول به نظر می‌رسید. این اثر عجیب نتیجه‌ای از دنیای کوانتومی است؛ چراکه ذرات کوانتومی می‌توانند همچون امواج عمل کنند و طی روش‌هایی پیچیده با هم ترکیب یا یکدیگر را خنثی کنند. درواقع این امواج این امکان را دارند تا با یکدیگر ترکیب شوند تا مسیری که به مبدأ ذره می‌رسد را تقویت کنند و مسیرهایی که ذره را از محل اولیه‌ی خود دور می‌کند را منحرف و خنثی کنند. بنابراین می‌توان این اتفاق را یک اثر کوانتومی خالص در نظر گرفت که در فیزیک کلاسیک هیچ معادلی ندارد.
نتایج و جزئیات بیشتر این مطالعه در مجله‌ی «Physical Review X» قابل دسترس است.
منبع: Science News
