ذره، موج، هر دو یا هیچ‌کدام؟ آزمایشی که هر آنچه را دربارۀ واقعیت می‌دانیم به چالش می‌کشد (۱)

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، آزمایش دو شکافی توماس یانگ در ابتدا قرار بود ثابت کند که نور موجی است؛ اما مدل‌های کوانتومی بعدی تصویر بسیار مبهم‌تری را به وجود آوردند.

توماس یانگ (Thomas Young)، دانشمندی که 250 سال پیش به دنیا آمد، یافته‌های علمی فراوانی در زمینه‌های مختلف به دست آورد. ماندگارترین میراث او، به چالش کشیدن باورهای ایزاک نیوتن در مورد نور بود. آزمایش یانگ، که در سال 1803 انجام شد، نشان داد که نور مانند یک موج رفتار می‌کند و هنگام عبور از دو شکاف، الگوهای تداخلی را روی صفحه نشان می‌دهد. این کشف فیزیک را متحول کرد و بحث‌هایی را دربارۀ ماهیت واقعیت ایجاد کرد که تا به امروز نیز ادامه دارد.

پیامدهای این آزمایش با توسعۀ مکانیک کوانتومی توسط ماکس پلانک (Max Planck) و آلبرت اینشتین (Albert Einstein) در اوایل سدۀ بیستم بیشتر شد. مکانیک کوانتومی می‌گفت نور از واحدهای انرژی غیرقابل تقسیم به نام فوتون متشکل شده است و بدین ترتیب نظریۀ سنتی موج را به چالش کشید. با وجود این حرکت به سمت نظریۀ ذره‌ای نور و آزمایش‌های بعدی با دو شکاف، درک رفتار نور را پیچیده‌تر کرد.

دوگانگی ماهیت موج-ذرۀ نور همچنان یکی از اسرار بنیادین فیزیک است. این امر تاییدی است برای پیچیدگی‌های نظریۀ کوانتومی و ماهیت واقعیت. مکانیک کوانتومی چارچوب بسیار دقیقی برای توضیح عناصر بنیادی واقعیت مادی و برهمکنش‌های آن‌ها ارائه کرده است. تلاش مداوم برای آشتی‌دادن رفتارهای موجی و ذره‌ای نور همچنان دانشمندان را مجذوب خود می‌کند و انگیزۀ پژوهش‌های بسیاری برای کشف طبیعت بنیادین جهان است.

تکینگی کوانتومی

دانشمندان با آزمایش دو شکافی کشف کردند که نور هم رفتاری شبیه به موج دارد و شبیه به ذره رفتار می‌کند. این واقعیت فهم کلاسیک را به چالش می‌کشد. حتی زمانی که فوتون‌های منفرد در خلال شکاف‌ها به بیرون پرتاب شوند، الگویی تداخلی روی صفحه مشاهده می‌شود که پیش‌بینی‌های نظریۀ کوانتومی را تایید می‌کند. در طول دهه‌های بعد، آزمایش‌های پیشرفته‌تر، مانند آزمایش‌هایی که با الکترون‌ها به جای فوتون انجام شد، باز هم این یافته‌ها را تأیید کرد. در دهه 1980، تیمی به رهبری آلن اَسپه (Alain Aspect) با تک فوتون‌ها همین آزمایش را انجام داد و نظریۀ کوانتومی را تأیید کرد و در سال 2022 موفق به کسب جایزه نوبل فیزیک شد.

مکانیک کوانتومی موقعیت فوتون را با کمک انتزاعی ریاضیاتی به نام تابع موجی توصیف می‌کند. تابع موجی هنگام عبور از شکاف‌ها به دو دسته تقسیم می‌شود و سپس برای ایجاد الگوی تداخل روی صفحه، این دو دسته دوباره با هم ترکیب می‌شوند. احتمالات یافتن یک فوتون در یک مکان مشخص با کمک این تابع محاسبه می‌شود: احتمال حضور فوتون در مناطق مربوط به تداخل سازنده بسیار زیاد و در مناطق مربوط به تداخل مخرب بسیار کم است.

مفهوم دوگانگی موج-ذره یکی از اسرار مفهومی بنیادین در مکانیک کوانتومی است. فوتون پیش از اندازه‌گیری در برهم‌نهشت حالت‌های مختلف وجود دارد و هر دو مسیر ممکن از خلال شکاف‌ها را طی می‌کند. پس از اندازه‌گیری، تابع موجی دچار فروریزش و فوتون در یک مکان خاص یافت می‌شود. اگر مسیر فوتون مشخص شود، فوتون مانند ذره رفتار می‌کند. در غیر این صورت، مثل یک موج عمل می‌کند و چون مسیرهای مختلف برای رسیدن جسم کوانتومی به وضعیت نهایی ممکن است، وضعیت تداخل کوانتومی را نشان می‌دهد.