فیزیکدانان از مدتها قبل می دانستند که کوانتوم نور یا فوتون بسه به شکل سنجش آن مانند یک ذره یا موج رفتار می کند. اکنون تیمی از محققان با پرتاب فوتون از ماهواره ها تایید کرده اند که یک ناظر می تواند این تصمیم را حتی پس از عبور کامل آن از آزمایش که یا تبدیل به موج شده یا ذره، بگیرد.
این آزمایشات تاخیر انتخابی ممکن است در آینده مرز مبهم بین نظریه کوانتوم و نسبیت را بررسی کنند.
محققان دیگر چنین اثر متضادی را در آزمایشگاه نشان داده بودند اما به گفته فیلیپ گرانگیر، فیزیکدان موسسه اپتیک در پلزوی فرانسه، کار جدید نشان داده که ذات یک فوتون حتی پس از هزاران کیلومتر نیز تعریف نشده می ماند.
گرانگیر می گوید: این آزمایش بسیار جالبی است که قابلیت فوتون ها را در انجام فیزیک کوانتومی در فضا نشان می دهد.
یک فوتون بسته به میزان سنجش آن در یک آزمایش می تواند به شکل موج یا ذره عمل کند اما نمی تواند در آن واحد در دو حالت باشد.
در اواخر دهه ۱۹۷۰ تئوریدان معروف جان آرکیبالد ویلر دریافت که آزمایش کنندگان حتی می توانند این انتخاب را تا پس از عبور کامل از میان یک دستگاه که برای تأکید بر یک ویژگی یا دیگری پیکربندی شده بود، به تاخیر بیندازند تا تا نشان دهند رففتار فوتونها از قبل تعیین نشده است.
ویلر این تصور را داشت که فوتون ها را در یک زمان از میان یک طیف سنج موسوم به ماخ-زندر ارسال کند که ذات موجی نور را تشدید کی کند. این ابزار با استفاده از یک تقسیم کننده آینه مانند پرتو، موج کوانتومی فروتون ورودی را به نصف تقسیم کرده و دو موج را در دو مسیر متفاوت ارسال می کند. سپس یک تقسیم کننده پرتوی ثانی این امواج را مجددا ترکیب کرده که با یکدیگر تداخل پیدا می کنند تا به سمت یک یا دو آشکارساز تغییرجهت دهند. اینکه کدام آشکارساز فوتون را دریافت کند له تفوت طول موج دو مسیر بستگی دارد.
اگر تقسیم کننده دوم را حذف کنیم، این تداخل غیرممکن می شود. در عوض، نخستین تقسیم کننده پرتویی فوتون را مانند ذره به یکی از مسیرها میفرستد. زمانی که این مسیرها از محل احتمالی تقسیم کننده دوم عبور می کنند، آشکارسازها بدون توجه به طول مسیرها با احتمالات برابر کلیک می خورند.
ویلر دریافت که آزمایش کنندگان می توانند تا حذف تقسیم کننده پرتوی ثانی و تا عبور فوتون از نخستین تقسیم کننده صبر کنند.
این ادعا بطور عجیبی نشان می دهد که تصمیم در مورد حال می تواند رویدادی در گذشته را نیز تعیین کند: اینکه یک فوتون مانند یک موج تقسیم شود یا یک مسیر را مانند ذره طی کند. نظریه کوانتومی از این مساله با تصور اینکه ذره تا زمان سنجیده شدن می تواند یک ذره و یک موج باقی بماند، اجتناب می کند.
اکنون محققان به رهبری فرانچسکو ودوواتو و پائولو ویلورسی از دانشگاه پادوآ در ایتالیا یک نسخه از آزمایشات را با استفاده از تلسکوپ ۱.۵ متری در رصدخانه طیف لیزری ماترا در جنوب ایتالیا برای پرتاب فوتون از ماهوارها در فاصله هزاران کیلومتری زمین اجرا کرده اند.
فیزیکدانان در چنین فاصله ای نمی توانند نور را در دو مسیر موازی ارسال کنند زیرا پرتوهای منتشر شده ممکن است همپوشانی داشته و در هم ادغام شوند. در عوض محققان یک فوتون را از میان طیف سنج ماخ-زندر در زمین ارسال کردند که دارای مسیرهای دارای طول بسیار متفاوت بود. تفاوت میان طول مسیرها یک پالس را به دو پالس تقسیم کردند که تفاوت زمانی تقسیم آن ها ۳.۵ نانوثانیه بود. سپس تلسکوپ آن ها را به سمت آسمان پرتاب کرد.
زمانی که پالسها باز می گردند، آزمایش کنندگان آن ها را مجددا از طریف طیف سنج ارسال می کنند. این دستگاه می تواند تغییر زمان را به گونه ای تغییر دهد که دو پالس همپوشانی پیدا کرده و مانند موج تداخل پیدا کنند یا آن را دو برابر کنند تا تداخل غیرممکن شود.
البته فیزیکدانان باید یکی از این دو رویداد را انتخاب کنند. زمانی که در ابتدا پالسها از طیف سنج خارج می شوند، دارای پولاریزاسیون متفاوت هستند. برای خنثی سازی تغییر زمان، فیزیکدانان ابتدا باید از یک پلاریزاسیون الکترونیکی بسیار سریع برای تغییر قطبش آن ها در یک روش خاص استفاده کنند. محققان برای دو برابر کردن تغییر زمان به سادگی فقط قطبش آن ها را رها کردند.
زمانی که فوتون ها دچار همپوشانی شدند، فوتون با احتمالی که به سرعت پس زدن ماهواره ها بستگی داشت، به یکی از آشکارسازها برخورد کرد؛ امری که از امواج متداخل انتظار می رود. زمانی که پالس نتواند تداخل پیدا کند، فوتون مانند ذره با احتمال ۵۰-۵۰ و بدون توجه به سرعت ماهواره به یکی از آشکارسازها برخورد می کند.
البته مهم اینجاست که فیزیکدانان پس از بازگشت نور از ماهواره و طی نیمی از مسیر ۱۰ میلی ثانیه ای آن شکل سنجش را انتخاب کردند. این تصمیم گیری با تاخیر به نظر می رسد که در زمان به عقب باز می گردد که که شکل رفتار فوتون را در زمان ترک نخستین تقسیم کننده پرتو تعریف می کند.
به گفته پان فرانسیس روش، فیزیکدان دانشگاه اکول نرمال سوپریور در پاریس، این آزمایش قویترین آزمون انجام شده بر اساس ایده ویلر نیست. برای مشاهده نور در کل این مسیر طولانی، فیزیکدانان ابتدا باید پالسهای حاوی چندین فوتون را بجای یک فوتون مورد نظر ویلر پرتاب می کردند. اما با این حال، این آزمایش یک مثال ارزشمند از استفاده اپتیک کوانتومی در خارج از آزمایشگاه و در فضا است.
در ماهه مه، فیزیکدانان چینی از یک ماهواره برای اجرای یک اتصال کوانتومی موسوم به در هم تنیدگی بین دو فوتون ارسالی به دو شهر بسیار دور از هم استفاده کردند.
به گفته روش، آزمایشات تاخیر انتخاب می توانند به بررسی مرز بین نسبیت که نیازمند معلول پیش از علت است، و نظریه کوانتومی کمک کند. با اینکه اثر، علیت را نقض نمی کند، همچنان با نشان دادن اینکه سنجش ها در زمان حال به شکل گیری اتفاقات گذشته می پردازد،تنش به وجود می آورد.
روش می گوید: ترکیب مکانیک کوانتومی را با نسبیت نسبتا غیرقابل انتظار است. این گونه آزمایشات، احتمال بررسی چنین ارتباطی بین این دو حوزه را ممکن می سازد.
این یافته ها در نشریه Science Advances منتشر شده است.
- 14
- 6
