دانشمندان راهی تازه برای محاسبه زمان کشف کردند - وبلاگ اسبیکو

به گزارش وبلاگ اسبیکو، دانشمندان راهی تازه برای سنجش زمان در مقیاس کوانتومی کشف نموده اند که احتیاج به نقطه شروع ندارد.

شاید سنجش گذر زمان در دنیایی با تیک تاک ساعت ها که ثانیه ها را بین زمان قبلی و اکنون می شمارند، کاری ساده باشد. اما در مقیاس کوانتومی با الکترون های پرشتاب، همواره نمی توان زمان بعدی را پیش بینی کرد. حتی بدتر از آن، زمان حال هم در هاله ای از عدم قطعیت قرار می گیرد و بدین ترتیب یک زمان سنج عادی برای ثبت گذر زمان جوابگو نیست.

اما به گفته پژوهشگران دانشگاه اوپسالا سوئد، یک راه چاره بالقوه برای سنجش زمان کوانتومی می تواند در شکل خود مِه کوانتومی نهفته باشد. آزمایش های آن ها روی ماهیت موج-مانند چیزی که حالت ریدبرگ (Rydberg) نامیده می گردد، روش تازه ای را برای میزان گیری زمان نشان داده است که به نقطه آغاز دقیقی احتیاج ندارد.

اتم های ریدبرگ بادکنک های بیش از حد متورم در قلمرو ذرات اتمی محسوب می شوند. این اتم ها با برانگیخته شدن به وسیله لیزر پُف نموده اند و دارای الکترون هایی در حالت های انرژی بسیار بالا هستند که در فاصله دوری از هسته می چرخند.

البته پرتو لیزر (لیزر پمپ) همواره برای برانگیختن شدید اتم استفاده نمی گردد بلکه به طور معمول برای برانگیختن الکترون ها به حالت های انرژی بالاتر برای مصارف مختلفی کاربرد دارد. در بعضی کاربردها می توان از لیزر دوم (لیزر کاوشگر) برای نظارت بر تغییرات موقعیت الکترون از جمله گذر زمان استفاده کرد. برای نمونه می توان از این تکنیک پمپ-کاوشگر برای میزان گیری سرعت بعضی از پدیده های الکترونیکی فوق سریع استفاده کرد.

برانگیختن اتم ها به حالت های ریدبرگ یک ترفند مفید برای مهندسان به ویژه در زمینه طراحی اجزای تازه برای رایانه های کوانتومی است و تا کنون فیزیکدانان اطلاعات زیادی را درباره شیوه حرکت الکترون ها هنگام رفتن اتم به حالت ریدبرگ جمع آوری نموده اند.

با این حال این الکترون های سرکش، کمتر حرکت منظم مانند مهره های چرتکه دارند و بیشتر مانند مهره های روی یک گردانه حرکت می نمایند که در آن هر چرخش و جابه جایی توپ شانسی است. قوانین ریاضی پشت این بازی نامنظم، بسته موج ریدبرگ نامیده می گردد.

درست مانند امواج واقعی در یک حوض آب، وجود بیش از یک بسته موج ریدبرگ، باعث تداخل می گردد و در نتیجه الگوهای منحصربه فردی از امواج را شکل می دهد. با قرارگیری بسته های موج ریدبرگ کافی در یک حوض اتمی، الگوهای منحصربه فردی شکل می گیرد و هر کدام بیانگر زمان تعیینی است که طول می کشد تا هر بسته موج مطابق با دیگری رشد کند.

این همان اثر انگشت زمان است که طبق آزمایش های تازه فیزیکدانان، به میزان کافی برای سنجش زمان کوانتومی سازگار و قابل اعتماد است. تحقیقات آن ها شامل میزان گیری نتایج اتم های هلیوم برانگیخته شده با لیزر و تطبیق یافته ها با پیش بینی های تئوری بود تا نشان دهند که اثر آن ها می تواند برای مدت طولانی باقی بماند.

مارتا برهولتز (Marta Berholts) فیزیکدان دانشگاه اوپسالا و سرپرست این مطالعه به نیوساینتیست گفت: اگر از یک شمارنده بهره ببرید، باید صفر را تعیین کنید. چون شما از نقطه ای تعیین آغاز به شمارش می کنید. اما مزیت این روش تازه این است که مجبور نیستید سنجش زمان را از نقطه ای تعیین آغاز کنید، فقط به ساختار تداخلی نگاه می کنید و برای مثال می گویید 4 نانوثانیه گذشته است.

از خوانش بسته های موج ریدبرگ می توان در ترکیب با دیگر اشکال طیف سنجی پمپ-کاوشگر استفاده کرد که رویدادها را در مقیاس ریز میزان گیری می نمایند و زمان اکنون و آینده در آن ها کمتر تعیین هستند، یا به آسانی نمی توان آن ها را میزان گرفت.

نکته مهم این است که هیچ یک از این اثر انگشت های تداخلی، احتیاج به زمان آینده و اکنون ندارند تا به عنوان نقطه آغاز و توقف زمان عمل نمایند. این مانند میزان گیری سرعت یک دونده در مسابقه ای است که رقبای او با سرعت تعیینی می دوند.

با جست وجوی امضای حالت های تداخلی ریدبرگ در میان نمونه ای از اتم های پمپ-کاوشگر، متخصصان می توانند رویدادهایی را تا سرعت تنها 1.7 تریلیونم ثانیه میزان گیری نمایند.

آزمایش های آینده در این زمینه می توانند از اتم های دیگری به جای هلیوم استفاده نمایند، یا پالس لیزری با انرژی های متفاوتی را به کار بگیرند تا این روش سنجش را برای بهینه شدن در شرایط متنوع تری توسعه دهند.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از گذر زمان

Credit: in-future/Getty Images

منبع: Science Alert