آيا ما در يك جهان كوانتومي زندگي مي كنيم؟

مکانيک کوانتومي تنها شامل ذرات خُرد نيست و اشيا با همه اندازه ها را در بر مي گيرد: پرندگان، گياهان و شايد حتي انسان ها.
بر اساس متون كتاب هاي فيزيك استاندارد، مكانيك كوانتومي نظريه دنياي ريز است كه ذرات،اتم ها و مولكول ها را توصيف مي كند. اما در مقابل، فيزيك كلاسيك در مقياس هاي كلان اعم از انسان ها و سيارات و... عمل مي كند. جايي ميان مولكول ها و اشيا (دنياي ريز و دنياي كلان)، مرزي قرار گرفته است كه در آنجا بيگانگي رفتار كوانتومي پايان مي يابد و آشنايي فيزيك كلاسيك آغاز مي شود. اين گمان كه مكانيك كوانتومي به دنياي ريز محدود شده است، به فهم عمومي علم رخنه كرده است. به طور مثال، فيزيكدان دانشگاه كلمبيا، "برايان گرين"، در نخستين صفحه كتاب بسيار موفق و عالي اش، "اين عالم با شكوه"، مي نويسد: "مكانيك كوانتومي"، چهارچوبي نظري براي فهم جهان در كوچك ترين مقياس ها فراهم مي آورد."
فيزيك كلاسيك، كه هر نظريه اي را كه كوانتومي نباشد از جمله نظريه نسبيت اينشتين در بر مي گيرد، براي بزرگ ترين مقياس ها به كارمي رود.
اما اين تقسيم بندي بي دردسر جهان، يك افسانه است. برخي از فيزيكدانان مدرن مي پندارند كه فيزيك كلاسيك هم رده مكانيك كوانتومي است.
اين كه فيزيك كوانتومي تمام مقياس ها را در برمي گيرد، تقريب سودمندي از جهان است. گرچه ممكن است ديدن اثرات كوانتومي در دنياي كلان دشوارتر باشد، نتيجه نهايي بستگي به كلان يا خرد بودن ندارد؛ بلكه به چگونگي برهم كنش سيستم هاي كوانتومي با يكديگر بستگي دارد. تا پيش از دهه گذشته، آزمايشگران تأييد نكرده بودند كه رفتار كوانتومي در يك مقياس كلان همچنان باقي مي ماند. هرچند امروزه اين كار را به طور عادي انجام مي دهند. اين تأثيرات، فراگيرتر از آن هستند كه كسي درباره آنها ترديد به خود راه دهد. آنها حتي ممكن است در سلول هاي بدن خودمان نيز عمل كنند.
حتي كساني از ما كه كار مطالعه اين اثرات را برعهده دارند، بايد آن چه را كه به ما درباره طرز كار طبيعت مي گويند، قابل فهم كنند. رفتار كوانتومي از تجسم يافتن و درك متعارف دوري مي كند، و ما را مجبور مي سازد تا باز بينديشيم كه چگونه به جهان بنگريم و تصويري نا آشنا و جديد از دنيايمان را بپذيريم.

داستاني سردرگم
 

براي يك فيزيكدان كوانتومي، فيزيك كلاسيك، تصويري سياه و سفيد از دنياي رنگارنگ است. دسته بندي كلاسيكي ما، براي تسخير جهان با همه وسعتش، ناموفق است. از ديد متون قديمي، رنگ هاي سير با افزايش اندازه محو مي شوند. ذرات به صورت منفرد كوانتومي اند اما در كنار يكديگر كلاسيكي اند. با اين حال، اولين سرنخ براي اين كه اندازه عامل تعيين كننده نيست، به يكي از آزمايش هاي ذهني بسيار معروف در فيزيك يعني "گربه شرودينگر" باز ميگردد.
"اروين شرودينگر" سناريوي ناخوشايندش را در سال 1935 ابداع كرد تا توضيح دهد كه چگونه جهان خُرد و جهان كلان به يكديگر مي پيوندند بي آن كه اجازه دهد خطوطي قراردادي ميان آنها رسم شود. مكانيك كوانتومي مي گويد كه يك اتم پرتوزا، همزمان هم مي تواند واپاشيده شود و هم مي تواند واپاشيده نشود. اگر اتم به شيشه اي حاوي سم گربه متصل شود، به طوري كه اگر اتم واپاشيده شود گربه بميرد، آن وقت حيوان درهمان وضع معلق كوانتومي كه اتم قرار دارد قرار مي گيرد؛ سرنوشت يكي بر ديگري تأثير مي گذارد. اندازه اهميت ندارد. معما اين بود كه چرا صاحبان گربه، آن را همواره فقط زنده يا فقط مرده مشاهده مي كنند.
در ديدگاه مردن، دنيا كلاسيكي به نظر مي آيد؛ زيرا بر هم كنش هاي پيچيده اي كه يك جسم با اطرافش دارد دست به دست هم داده تا اثرات كوانتومي را از ديد ما پنهان كنند. به طور مثال، اطلاعات مربوط به وضعيت سلامت گربه به شكل فوتون ها و تبادل حرارتي به محيط اطرافش تراوش مي كند. پديده شاخص كوانتومي، مستلزم آميختگي حالت هاي (ترازهاي) متفاوت كلاسيكي است (مانند هم مرده و هم زنده بودن) و اين آميختگي ها مايل اند كه نابود شوند. تراوش اطلاعات، سرشت فرايندي است كه "ناهمدوسي" ناميده مي شود.

يك پارادوكس كوانتومي
 

اين ايده كه مكانيك كوانتومي هرچيري را در جهان، حتي ما انسان ها را، دربر مي گيرد و مي تواند نتايج عجيبي را به بار آورد. شكل ديگري از آزمايش هاي نمادين گربه شرودينگر را كه "يوگن.پ.ويگنر"، برنده جايزه نوبل، در سال 1961 ابداع كرد و "ديويد دويچ" از دانشگاه آكسفورد در سال 1986 تكميل كرد، در نظر بگيريد.
فرض كنيد يك فيزيكدان كاربردي بسيار توانا، به نام "آليس"، همكارش "باب" را همراه با يك گربه، يك اتم پرتوزا و يك شيشه حاوي سم گربه (كه اگر اتم واپاشيده شود سم آزاد مي شود) درون يك اتاق قرار مي دهد. داشتن يك انسان در آنجا به اين دليل است كه ما مي توانيم با او ارتباط برقرار كنيم. (دريافت پاسخ از گربه ها به اين آساني نيست!)
از نظر آليس، اتم وارد حالتي (ترازي) مي شود كه هم واپاشيده است و هم واپاشيده نيست. لذا گربه هم مرده است و هم زنده. اما باب، مي تواند گربه را مستقيماً مشاهده كند و او را در يكي از اين دو حالت ببيند. آليس قطعه كاغذي را از زير در سُر داده، از باب مي پرسد كه آيا گربه در يك حالت معين است. او پاسخ مي دهد: "بلي".
توجه كنيد كه آليس نمي پرسد آيا گربه مرده است يا زنده، چون در اين صورت نتيجه برايش مسلم مي شود؛ يا آن طور كه فيزيكدانان مي گويند "حالت، فرو مي پاشد". او به مشاهده اين كه دوستش گربه را يا زنده مي بيند و يا مرده، اكتفا مي كند و نمي پرسد كه او چگونه است.
چون آليس از فروپاشي حالت اجتناب كرده است. نظريه كوانتومي ايجاب مي كند كه سُردادن كاغذ از زير در، يك رفتار برگشت پذير باشد. او مي تواند تمام مراحلي را كه طي كرده بازگرداند. اگرگربه مرده مي بود هم اكنون زنده خواهد شد، سم به بطري باز مي گردد، و ذره واپاشيده نشده است و باب هيچ خاطره اي از ديدن يك گربه مرده ندارد.
اما يك ردپا باقي مي ماند: قطعه كاغذ، آليس مي تواند به گونه اي مشاهده را بازگرداند كه نوشتن روي كاغذ بازنگردد. كاغذ، به عنوان مدركي باقي مي ماند كه باب گربه را قطعاً زنده يا قطعاً مرده مشاهده كرده است.
اين موضوع، نتيجه شگفتي را به بار مي آورد. آليس مي توانست مشاهده را بازگرداند، زيرا او به اعتقاد خود از فروپاشي حالت اجتناب مي كند. براي او باب دقيقاً در همان وضعيت نامعلومي كه گربه قرار دارد واقع است. اما همكارش كه درون اتاق قرار دارد، مي پندارد كه حالت فروپاشيده است. اين شخص، برآمد معيني را ديده است كه كاغذ مدرك آن است. بدين شكل، آزمايش، دو اصل به ظاهر متضاد را ثابت مي كند. آليس گمان مي كند كه مكانيك كوانتومي براي اجسام بزرگ به كار مي رود: نه تنها گربه ها بلكه انسان ها نيز مي توانند در وضعيت معلق كوانتومي قرار بگيرند. باب فكر مي كند كه گربه يا فقط مرده است يا فقط زنده.
انجام چنين آزمايشي به كمك يك انسان، هراس انگيز است. اما فيزيكدانان مي توانند دقيقاً همين كار را با سيستم هاي ساده تري انجام دهند. "آنتون سايلينگر" و همكارانش در دانشگاه ويانا، فوتوني را به يك آينه بزرگ مي تابانند. اگر فوتون بازتابيده شد، آينه (طبق اصل پايستگي اندازه حركت) پس زده مي شود. اما اگر عبور كرد، آينه بي حركت خواهد ماند. فوتون نقش اتم واپاشيده را دارد كه مي تواند همزمان در بيش از يك حالت وجود داشته باشد. آينه كه از ميلياردها اتم تشكيل شده است، هم به عنوان گربه و هم به عنوان باب رفتار مي كند. اين كه آينه پس زده شود يا نه، مشابه آن است كه گربه زنده بماند يا بميرد و باب آن را زنده مشاهده كند يا مرده. فرايند مي تواند با بازتاباندن فوتون از آينه برگردانده شود. در مقياس هاي كوچك تر، دو گروه به رهبري "رينر بلت" از دانشگاه اينسبرگ و "ديويد ج. واينلند" از مؤسسه ملي استانداردها و فناوري در بولدرِ كلرادو، اندازه گيري يون هاي لرزان در يك دام يوني را بازگردانده اند.
در پرورش اين آزمايش ذهني گيج كننده، "ويگنر" و "دويچ" پا جاي پاي آروين شرودينگر، آلبرت اينشتين و ديگر نظريه پردازاني گذاشته اند كه اعتقاد دارند فيزيكدانان هنوز بايد مكانيك كوانتومي را به گونه اي عميق درك كنند. چندين دهه، بيشتر فيزيكدانان به ندرت به اين موضوع توجه مي كردند؛ زيرا موضوعات بنيادين هيچ تأثيري بر كاربردهاي عملي نظريه نداشت. اما اكنون كه مي توانيم اين آزمايش ها را در عمل انجام دهيم، وظيفه درك مكانيك كوانتومي بيشترين ضرورت را دارد.
چيزهاي بزرگ تر، بيشتر از چيزهاي كوچك تر به ناهمدوسي حساس هستند. اين مطلب، توضيح مي دهد كه چرا فيزيكدانان غالباً مي توانند با در نظر گرفتن مكانيك كوانتومي به عنوان نظريه دنياي خرد، كامياب شوند. در بسياري از موارد، تراوش اطلاعات مي تواند آهسته يا متوقف شود؛ و آن وقت است كه جهان كوانتومي با تمام شكوهش خود را بر ما نمايان مي سازد. اثر ذاتي كوانتوم، "در هم تنيدگي"، اصطلاحاتي است كه شرودينگر در سال 1935 در همان مقاله اي كه گربه اش را به دنيا معرفي كرد، مطرح كرد. در هم تنيدگي، ذرات منفرد را به هم پيوند مي دهد و به شكل يك كل تقسيم ناپذير درمي آورد. همواره يك سيستم كلاسيك، دست كم به طور كلي، تقسيم پذير است. هر يك از ويژگي هاي جامعي كه دارد برخاسته از مؤلفه هايي است كه خودشان ويژگي هاي خاصي دارند. اما يك سيستم درهم تنيده، نمي تواند بدين شكل تجزيه شود. در هم تنيدگي، نتايج عجيبي در پي دارد حتي زماني كه دو ذره در هم تنيده كاملاً ازهم دور هستند، باز هم به عنوان يك وجود يگانه رفتار مي كنند كه دلالت دارد بر آن چيز معروفي كه اينشتين آن را "رفتارهاي جادويي از دور" ناميد.
فيزيكدانان معمولاً از درهم تنيدگي جفت هايي از ذرات بنيادي مانند الكترون ها سخن مي گويند. چنين ذراتي مي توانند به طور ابتدايي، فرفره هاي كوچك چرخاني پنداشته شوند كه يا ساعتگرد مي چرخند يا پادساعتگرد. محورهايشان به هر راستايي كه فرض شود، افقي، عمودي، با زاويه 45 درجه و به همين ترتيب روي دارند. براي اندازه گيري اسپين يك ذره بايد راستايي را انتخاب كرده و ببينيد كه آيا ذره در آن راستا مي چرخد يا نه.
فرض كنيد در اين بحث، آن الكترون ها، كلاسيكي رفتار مي كردند. ممكن بود شما يك الكترون را طوري قرار دهيد تا در راستاي ساعتگرد افقي بچرخد و ديگري در راستاي پادساعتگرد افقي بچرخد. در اين صورت، اسپين كل مساوي صفر خواهد شد. محورهايشان در فضا ثابت باقي مي ماند و زماني كه يك اندازه گيري را انجام مي دهيد، نتيجه بستگي به آن دارد كه راستايي كه انتخاب كرده ايد با محور ذره در يك امتداد است يا خير. اگر هر دو آنها را افقي اندازه گيري كنيد، آنها را در راستاهايي مخالف هم چرخان مي بينيد. اگر آنها را عمودي اندازه گيري كنيد، هيچ اسپيني براي هيچ يك از آنها كشف نخواهيد كرد.
اما براي الكترون هاي كوانتومي، وضعيت به طور شگفت آوري متفاوت است. شما مي توانيد ذرات را طوري قرار دهيد كه اسپين كل آنها، حتي زماني كه اسپين هر يك از آنها را مشخص نكرده ايد، صفر باشد. وقتي يكي از ذرات را اندازه مي گيريد، خواهيد ديد كه تصادفاً يا ساعتگرد و يا پادساعتگرد مي چرخد؛ انگار كه ذره براي خودش تصميم مي گيرد كه از چه راهي بچرخد. با اين وجود، هيچ اهميتي ندارد كه كدام راستا را براي اندازه گيري الكترون ها انتخاب كنيد. به شرطي كه براي هر دو يكسان باشد، آنها همواره در راستاهاي مخالف هم مي چرخند، يكي ساعتگرد و ديگري پادساعتگرد. چگونه آنها مي دانند كه اين طور عمل كنند؟
اين موضوع كاملاً مرموز باقي مي ماند و مهم تر از آن، اين كه اگر يك ذره را به طور افقي و ديگري را به طور عمودي اندازه بگيريد، باز هم اسپين هايي براي هر يك خواهيد يافت. اين نشان مي دهد كه ذرات هيچ محور ثابتي ندارند. بنابراين، برآمدهاي اندازه گيري آن قدر به هم مي پيوندند كه فيزيك كلاسيك نمي تواند آن را توضيح دهد.

يگانه رفتار كردن
 

بيشترين نمودهاي در هم تنيدگي ذراتي به اندازه يك مشت را فرا مي گيرد. دسته هاي بزرگ تر را سخت تر مي توان از اطرافشان منزوي كرد. ذرات در اين دسته ها بيشتر تمايل دارند تا با ذرات سرگردان هم تنيده شده و پيوستگي ذاتي خويش را تيره و تار كنند. به زبان ناهمدوسي، اطلاعات خيلي زياد به محيط اطراف منتشر شده و باعث مي شود سيستم، كلاسيكي رفتار كند. دشواري حفظ شرايط در هم تنيدگي، چالش بزرگي براي آن دسته از ماست كه به دنبال بهره برداري از اين تأثيرات نوين، براي استفاده هاي عملي نظير رايانه هاي كوانتومي هستيم.
يك آزمايش ساده، اما هوشمندانه، در سال 2003 ثابت كرد كه سيستم هاي بزرگ تر نيز مي توانند هنگامي كه تراوش اطلاعات كاسته يا تا اندازه اي بي اثر مي شود، در هم تنيده باقي بمانند. "گابريل اپلي" از كالج دانشگاهي لندن و همكارانش، قطعه اي از نمك فلوروئيد ليتيوم را برداشته و آن را در يك ميدان مغناطيسي خارجي قرار دارند. شما مي توانيد اتم هاي درون نمك را به عنوان مغناطيس هاي چرخان كوچكي در نظر بگيريد كه سعي دارند خود را با ميدان خارجي همسو كنند؛ تأثيري كه به "پذيرفتاري مغناطيسي" (قابليت مغناطيسي شدن ماده اي) معروف است. نيروه هايي كه اتم ها بر يكديگر اعمال مي كنند، مانند يك نوع فشار هم نوع رفتار مي كند كه آنها را بسيار سريع تر هم خط مي كند. محققان، همزمان با اين كه شدت ميدان مغناطيسي را تغيير مي دادند، اندازه مي گرفتند كه اتم ها با چه سرعتي هم خط مي شوند. آنها دريافتند كه اتم ها بسيار سريع تر از آن چه شدت بر هم كنش هاي متقابل آن نشان مي داد، واكنش مي دادند، ظاهراً چند تأثير اضافي، به اتم ها كمك مي كرد تا هماهنگ رفتار كنند؛ و محققان ثابت كردند كه در هم تنيدگي در اين موضوع نقش دارند. اگر چنين باشد، 1020 اتم در يك نمك، يك حالت در هم تنيده بسيار بزرگ را تشكيل داده اند.
براي جلوگيري از اثرات شگفت انگيز و گيج كننده حركت هاي تصادفي مربوط به انرژي گرمايي، گروه اپلي" آزمايش هايي در دماي چند ميلي كلوين انجام دادند.
بعد از آن، "الكساندر مارتين سوزا" و گروهش از مركز تحقيقات فيزيك برزيل در ريودوژانيرو، در هم تنيدگي هايي را در مقياس كلان در مواردي مانند كربوكسيلات مس در دماي اتاق و بالاتر كشف كردند. در اين سيستم ها، تأثيرات متقابل بين اسپين ذرات به اندازه كافي قوي هست كه در برابر تحركات گرمايي مقاومت كند.
اين سيستم ها مانند گربه شرودينگر هستند. يك اتم يا يون را در نظر بگيريد. الكترون ها مي تواند در يك زمان نزديك هسته يا دور از آن، يا هر دوي آن حالت ها، باشد. چنين الكتروني مي تواند مصداق اتمي باشد كه در آزمايش هاي ذهني شرودينگر، هم فروپاشيده و هم دست نخورده است. مستقل از حركت الكترون، اتم خود مي تواند حركت هاي مختلفي داشته باشد. اين حركت ها، نقش گربه مرده يا زنده را دارد. فيزيكدانان مي توانند با استفاده از ليزر، اين دو خاصيت را با هم تركيب كنند (حركت الكترون و حركت اتم). اگر الكترون نزديك هسته باشد، مي توانيم اتم را وادار كنيم به سمت چپ برود؛ در حالي كه اگر الكترون دور از هسته بود، اتم به سمت راست برود. بنابراين موقعيت الكترون وابسته (يا در هم تنيده) با وضعيت اتم مي شود؛ مانند واپاشي پرتوزا كه با وضعيت گربه در هم تنيده است. گربه اي كه هم زنده است هم مرده، مانند اتمي است كه هم به راست مي رود هم به چپ.
ساير آزمايش ها، اين ايده مادر را گسترش مي دهند. در نتيجه، شمار زيادي از اتم ها در هم تنيده شده و وارد وضعيتي مي شوند كه فيزيك كلاسيك آن را ناممكن مي داند. اگر جامدات حتي وقتي بزرگ يا گرم هستند. بتوانند در همتنيده شوند، به يك ايده جسورانه نياز داريم تا از خود بپرسيم: آيا اين حالت در مورد يك نوع سيستم ويژه بسيار گرم و بزرگ يعني حيات نيز صادق است؟

پرندگان شرودينگر
 

روبين هاي اروپايي، پرندگان كوچك شكاري هستند كه هر سال از اسكانديناوي به دشت هاي گرم استوايي آفريقا مهاجرت مي كنند؛ و در بهار كه هواي مناطق شمالي قابل تحمل تر مي شود، باز مي گردند. روبين ها اين سفر رفت و برگشتي را كه حدود 13 هزار كيلومتر است، به راحتي و به طور طبيعي طي مي كنند.
براي مدت طولاني، تصور مردم اين بود كه پرنده ها و ساير حيوانات قطب نماي دروني دارند. در دهه 70 "ولفانگ ويلچوكو" و همسرش "روزيتا"، از دانشگاه فرانكفورت در آلمان، اين روبين ها را گرفتند و آنها را در يك ميدان مغناطيسي مصنوعي قرار دارند. آنها به طرز شگف آوري كشف كردند، روبين ها نسبت به معكوس شدن ميدان مغناطيسي عكس العمل نشان نمي دهند. اين نشان مي داد كه آنها توانايي تفكيك شمال و جنوب را ندارند. اما اين پرندگان نسبت به انحراف (كژي) ميدان مغناطيسي زمين (كه زاويه خطوط ميدان با سطح زمين است)، واكنش نشان دادند. اين همه آن چيزي است كه آنها براي جهت يابي نياز دارند. جالب آن كه پرندگاني كه چشم آنها را بسته بودند، به هيچ وجه نسبت به وجود ميدان واكنش نشان ندادند. اين موضوع ثابت مي كند كه آنها به نحوي با چشمان خود ميدان را حس مي كنند.
در سال 2000، فيزيكداني به نام "تورستن ريتز" و گروه همراهش از دانشگاه فلوريداي جنوبي، كه اشتياق شديدي براي بررسي مهاجرت پرندگان داشتند، پيشنهاد دادند "در هم تنيدگي" كليد حل اين معماست. در سناريوي آن، كه بر اساس كارهاي قبلي "كلاوس شولتن" از دانشگاه ايلينوي بود، چشم پرنده نوعي مولكول دارد كه در آن 2 الكترون جفت شده در هم تنيده با اسپين كل صفر وجود دارد. اين اتفاق، با فيزيك كلاسيك قابل توجيه نيست. وقتي اين مولكول نور مرئي را جذب مي كند، الكترون ها انرژي كافي براي جدا شدن و تأثيرپذيري از عوامل خارجي را كسب مي كنند كه يكي از اين عوامل، ميدان مغناطيسي زمين است. اگر ميدان منحرف شود (تغيير جهت بدهد)، روي دو الكترون به دو گونه متفاوت تأثير مي گذارد. به موجب آن، عدم تعادلي به وجود مي آيد كه واكنش هاي شيميايي را كه در مولكول رخ مي دهد، تغييرمي دهد. مراكز واكنش شيميايي درون چشم، اين تفاوت را به پالس هاي عصبي تبديل مي كند. اين فرايند، سرانجام به تشكيل نقشه اي از ميدان مغناطيسي در مغز پرنده مي انجامد.
اگرچه شواهد براي سازو كار ريتز، نسبي به نظر مي آيد، "كريستوفر راجرز" و "كيمينوري مائدا" از دانشگاه آكسفورد، مولكول هاي غيرزنده (غيرارگانيك) مشابه مولكول هاي ريتز را در آزمايشگاه مطالعه كردند. آنها نشان دادند اين مولكول ها، به دليل درهم تنيدگي الكترون ها، كاملاً نسبت به ميدان مغناطيسي حساس اند. بر اساس محاسباتي كه من (نويسنده مقاله) و گروهم انجام داديم، آثار كوانتومي در چشم پرنده 100 ميكروثانيه دوام مي آورد كه در اينجا زمان بسيار زيادي است. ركورد ماندگاري سيستم مصنوعي اسپين الكتروني، 50 ميكروثانيه است. ما نمي دانيم طبيعت چگونه اثرات كوانتومي را تا اين اندازه حفظ مي كند؛ ولي جواب اين سؤال مي تواند راهگشاي حفاظت از رايانه هاي كوانتومي در برابر فرايند ناهمدوسي باشد. (يعني جلوگيري از تراوش اطلاعات-م.)
فرايند ديگري كه امكان دارد در هم تنيدگي در آن مؤثر باشد، "فتوسنتز" است. عملي كه به موجب آن، گياهان نور خورشيد را به انرژي شيميايي تبديل مي كنند. نور فرودي، الكترون ها را از مكان اوليه خود خارج مي سازد. همه اين الكترون ها بايد به مكان يكساني بروند. اين مكان، مركز واكنش هاي شيميايي است كه در آن الكترون ها مي توانند انرژي خود را تخليه كنند و واكنش هايي را كه سوخت سلول هاي گياه را تأمين مي كنند، آغاز كنند. فيزيك كلاسيك در توصيف اين فرايند بي نظير عاجز مي ماند.
آزمايش هايي كه به وسيله گروه هاي مختلف نظير "گراهام فلمينگ"، "موهان سارووار" و گروه هايشان در دانشگاه كاليفرنيا و بركلي و "گرگوري اسكولز" از تورنتو انجام شد، پيشنهاد دادند مكانيك كوانتومي، كارآمدي اين فرايند را شرح مي دهد. در جهان كوانتومي، يك ذره ملزم نيست در يك زمان تنها از يك مسير حركت كند؛ بلكه مي تواند همه مسيرهاي ممكن را در يك زمان بپيمايد. ميدان هاي الكترومغناطيسي درون سلول هاي گياه، اين امكان را به وجود مي آورد كه بعضي از اين مسير ها يكديگر را حذف كرده و بعضي متقابلاً يكديگر را تقويت كنند؛ در نتيجه شانس الكترون براي گذر از مسيرهاي بي فايده كاهش مي يابد و در عوض شانس عبور از مسيرهايي كه مستقيماً به سمت مراكز واكنش هاي شيميايي مي روند، افزايش مي يابد.
درهم تنيدگي ها ممكن است كثري از ثانيه به طول انجامد، و در همين زمان نمونه ديگري از درهم تنيدگي ها در مقياس بزرگ تر و پايدارتر وجود دارد؟ نمي دانيم، ولي اين پرسش به اندازه كافي هيجان انگيز هست كه موجب پديد آمدن يك رشته جديد شود؛ زيست شناسي كوانتومي.

جمع بندي
 

براي شرودينگر، منظره گربه اي كه هم زنده باشد هم مرده، بي معني و پوچ به نظر مي رسيد. از ديد او، هر نظريه اي كه به چنين پيش بيني بينجامد ناقص است. فيزيكدانان بر اين موضوع تلخ كه مكانيك كوانتومي در مقياس هاي بزرگ شكست مي خورد، توافق داشتند. در دهه 80 "راجرز پنروز" از دانشگاه آكسفورد پيشنهاد داد كه گرانش ممكن است موجب شود مكانيك كوانتومي براي اشيايي با جرم بيش از 20 ميكروگرم، به فيزيك كلاسيك تبديل شود. گروه سه نفر متشكل از فيزيكدانان ايتاليايي "جيان كارلو گيراردي" و "توماس وبر" از دانشگاه ترايست و "آلبرتو ريميني" از دانشگاه پاويا، نشان دادند مقادير ذرات به طور طبيعي به صورت كلاسيك رفتار مي كنند، ولي آزمايش هاي كنوني فضاي كمي براي انجام چنين فرايندي باقي گذاشته است. جدايي بين جهان كلاسيك و جهان كوانتومي به نظر موضوع اساسي نمي رسد. بحث فقط بر سر ميزان دقت آزمايش است. تعداد كمي از فيزيكدانان عقيده دارند كه فيزيك كلاسيك در هر مقياسي باز مي گردد. در حقيقت باور عمومي اين است كه اگر يك نظريه عميق تر جايگزين فيزيك كوانتومي شود، نشان ميدهد جهان از چيزي كه تا به حال ديده ايم پيچيده تر و عجيب تر است.
بدين گونه، اين حقيقت كه مكانيك كوانتومي براي تمامي مقياس ها كاربرد دارد، ما را وادار مي كند با عميق ترين رازهاي ديگر نظريه ها در تقابل قرار بگيريم. براي مثال، فضا و زمان دو تا از اساسي ترين مفاهيم فيزيك كلاسيك اند؛ ولي بر اساس نظريه كوانتومي، آنها كميت هايي فرعي اند. در عوض، در هم تنيدگي ها بنيادي ترند. آنها سيستم هاي كوانتومي را به هم متصل مي كنند بدون اين كه نياز به فضا و زمان داشته باشند. اگر مرز تقسيم كننده اي بين فيزيك كلاسيك و كوانتومي وجود داشت، مي توانستيم فضا و زمان فيزيك كلاسيك را براي ايجاد يك چهارچوب به منظور شرح دادن فرايندهاي كوانتومي به كار ببنديم. ولي بدون وجود چنين مرزي، و صد البته بدون يك جهان كلاسيك واقعي، ما اين چهارچوب بندي را از دست مي دهيم. يعني بايد فضا و زمان را اساساً از جهان بدون فضا و زمان استنتاج كنيم.
اين ديد به ما كمك مي كند فيزيك كوانتومي را با يكي ديگر از شاهكارهاي بنيادين فيزيك آشتي دهيم: نظريه نسبت عام. اين نظريه، گرانش را در قالب هندسه فضا - زمان شرح مي دهد. نسبيت عام فرض مي كند اشيا، مكان هاي تعريف شده اي دارند و هيچ وقت در يك زمان معلوم در دو مكان يا بيشتر ظاهر نمي شوند. اين تفكر، در تضاد مستقيم با نظريه كوانتومي است. بسياري از فيزيكدانان مانند "استفن هاوكينگ" فكر مي كنند نسبيت عام بايد به يك نظريه عميق تر تغيير پيدا كند كه در آن فضا و زمان وجود ندارند. فضا و زمان كلاسيك، از دل در هم تنيدگي هاي كوانتومي در خلال فرآيند ناهمدوسي پديد آيند.
يك احتمال جالب تر اين است كه گرانش به خودي خود يك نيرو نيست، بلكه باقي مانده اختلالات پديد آمده از آشفتگي هاي كوانتومي ديگر نيروهاي كيهان است. ايده گرانش القايي، به فيزيكدان اهل شوروي "آندري ساخاروف" در دهه 60 باز مي گردد. اين ايده، در صورت درست بودن، نه تنها گرانش را از جايگاه نيروي بنيادين بودن به زير مي كشد، بلكه بيان مي كند ايده هاي گرانش كوانتومي گمراه كننده بوده اند. گرانش ممكن است در مقياس هاي كوانتومي اصل وجود نداشته باشد. مفهوم كوانتومي بودن پديده هاي بزرگ مقياس (مانند خودمان) و حالت تعليق آن ها، آن قدر شگفت انگيز و باشكوه است كه ما فيزيكدانان هنوز در يك درهم تنيدگي بين گيجي و شگفتي هستيم.

نكات مهم
 

1- عموماً گفته مي شود مكانيك كوانتومي نظريه اي از اشياي خرد است؛ مانند مولكول ها، اتم ها و ذرات ريز اتمي، هرچند تقريباً تمام فيزيكدانان بر اين باورند كه اين نظريه شامل هرچيزي بدون توجه به اندازه اش مي شود.
2- دليل اين ويژگي هاي مجزا جهان كوانتومي پنهان است موضوع ساده مقياس نيست. طي چند سال اخير، آزمايشگران اثرات كوانتومي را در تعداد فزاينده اي از سيستم هاي كلان مشاهده كرده اند.
3- تأثير ذاتي كوانتومي، "درهم تنيدگي"، مي تواند در سيستم هاي بزرگ و گرم رخ دهد- از جمله اعضاي بدن - گرچه انتظار مي رود كه لرزش هاي مولكولي، در هم تنيدگي را مختل كنند.

نمك كوانتومي
 

فيزيكدانان سابقاً بر اين باور بودند كه پديده شاخص كوانتومي تنها در سطح ذرات منفرد رخ مي دهد؛ و دسته هاي خيلي بزرگ تر ذرات، كلاسيكي رفتار مي كنند. آزمايش هاي اخير چيز ديگري را نشان مي دهد. به طور مثال، اتم ها در يك بلور نمك معمولاً به هر سمت و سويي روي دارند. (پايين سمت چپ). و هنگامي كه فيزيكدانان يك ميدان مغناطيسي را اعمال مي كنند، هم خط مي شوند (پايين وسط). ظاهراً پديده كوانتومي در هم تنيدگي - "رفتاري جادويي" كه با ويژگي هاي ذرات دور از هم متناسب است - به آنها كمك مي كند تا هم خط شوند. (پايين سمت راست)
نقش درهم تنيدگي با اندازه ويژگي هاي مغناطيسي بلور، آشكار شد.(نمودار)

در هم تنيدگي در دماهاي بالا
 

فيزيكدانان سابقاً تصور مي كردند جنبش هاي سلول هاي زنده، بايد پديده هاي كوانتومي را از بين ببرد. اكنون آنها عقيده دارند. سلول ها مي توانند اين پديده ها را تقويت كرده و از آن ها استفاده كنند.

1- الگوي تداخلي در باكي بال ها (كربن 60) مشاهده شد. براي اولين بار اين موضوع نشان مي داد مولكول ها مانند ذرات بنيادي رفتار موج گونه دارند. (ماركوس ارنت و آنتوان زلينگر و گروهشان - دانشگاه ويانا)
2- در هم تنيدگي هايي بين ميلياردها (يا بيشتر) از كربوكسيلات فلزي در حوزه پذيرفتاري مغناطيسي يافت شد.
3- كشف اين موضوع كه اثرات كوانتومي قابليت فتوسنتز را در دو گونه خزه دريايي بالا مي برد.
(اليزابت كوليني و گروهش از دانشگاه هاي تورنتو و نيو ساود ويلز و پادوا)
4- ركورد جديدي در مشاهده اثرات كوانتومي، در ابر مولكول هايي نظير مولكول هاي اختاپوس شكل كه 430 اتم دارند، ثبت شد. (استفان گرليج و ساندرا و گروهشان از دانشگاه ويانا)
5- سه بيت كوانتومي در يك مدارا ابر رسانا در هم تنيده شدند. اين فرآيند مي تواند سيستم هاي كوانتومي را در هر مقياسي به وجود آورد. (لئونارد ديكارلو و رابرت شوالكوف و گروهشان از دانشگاه هاي ييل و واترلو)
6- يك اسپرينگ برد كوچك برانگيخته شد تا همزمان با 2 فركانس مختلف نوسان كند. اين اسپرينگ برد حدوداً 40 ميكرون بود و با چشم غير مسلح ديده مي شد.
(هارون اكانل و مكس هوفينز و گروهشان - دانشگاه كاليفرنيا و سانتا باربارا)
7- ريسمان هايي حاوي 8 يون كلسيم كه در يك شبكه بلور به دام افتاده بودند، در هم تنيده شدند. امروزه فيزيكدانان مي توانند با 14 يون هم اين كار را انجام دهند.
(هارت موث هافنر و رينر بلت و گروهشان - دانشگاه اينس براك)
8- حركات ارتعاشي خارجي مانند اسپين، دريون هاي برليم و منيزيم به جاي ويژگي هاي داخلي در هم تنيده شدند.
(جان جست و ديويد وايندلند و گروهشان از انستيتوي ملي مدل ها و فناوري ها)

واژه نامه
 

ناهمدوسي (همدوسي زدايي)
انديشه اي كه مي گويد سامانه هاي كوانتومي را هرگز نمي توان از محيط اطرافشان جدا كرد. هواداران اين تفكر مي گويند كه جفت شدگي با محيط اطراف، وابستگي هاي فازي بين دامنه هاي احتمال كوانتومي را بسيار سريع وامي پاشد. اين رفتار موجب مي شود سامانه، تقريباً كلاسيكي رفتار كند.

اسپرينگ برد
 

تخته بسيار ريز از جنس نانولوله هايي كربني كه مي تواند وزن اتم هاي منفرد را هنگامي كه بر روي سطح آن مي افتند، اندازه بگيرد. اين وسيله مي تواند با بسامدهاي مختلف نوسان كند.

درهم تنيدگي
 

يك نوع هم بستگي در ساختار بنيادي جهان فيزيكي، ارتباط هاي شبح گون و آني بين ذرات مجزا از هم كه موجب نوعي كنش از راه دور مي شود. (براي اطلاعات بيشتر به شماره ارديبهشت 1388 دانشمند، ويژه نامه فيزيك كوانتومي، مراجعه كنيد.)

كيوبيت (بيت هاي كوانتومي)
 

نقاط كوانتومي كوچكي كه افزايش يا كاهش يك الكترون، خواص آن را به نحو ارزشمندي تغيير مي دهد. در نانوفناوري به آنها بيت هاي كوانتومي يا كيوبيت گفته مي شود. اندازه آنها در حد چند نانومتر است و از انواع مواد همچون سلنيد كادميوم - كه رنگ هاي مختلفي را توليد مي كند - ساخته مي شوند. كاربردهاي بالقوه آنها در مخابرات و اپتيك است.
منبع: ماهنامه دانشمند شماره 577