ویژگی‌های کوانتومی در مقیاس انسانی

برندگان جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵، جان کلارک، میشل ه. دووره و جان مارتینیس، با استفاده از مجموعه‌ای از آزمایش‌ها نشان دادند که ویژگی‌های شگفت‌انگیز دنیای کوانتوم را می‌توان در سیستمی به اندازه‌ای بزرگ که در دست جا بگیرد، به‌طور عینی نمایان کرد.
سیستم الکتریکی ابررسانای آن‌ها می‌توانست از یک حالت به حالت دیگر تونل بزند، گویی مستقیم از میان یک دیوار عبور می‌کند. آن‌ها همچنین نشان دادند که این سیستم انرژی را در بسته‌هایی با اندازه‌های مشخص جذب و منتشر می‌کند، درست همان‌طور که مکانیک کوانتومی پیش‌بینی کرده است.

سلسله‌ای از آزمایش‌های تحول‌آفرین

مکانیک کوانتومی ویژگی‌هایی را توصیف می‌کند که در مقیاسی مهم‌اند که شامل ذرات منفرد می‌شود.
در فیزیک کوانتومی، این پدیده‌ها «میکروسکوپی» نامیده می‌شوند، حتی زمانی که بسیار کوچک‌تر از چیزی باشند که بتوان با یک میکروسکوپ نوری مشاهده کرد.
این موضوع در تضاد با پدیده‌های «ماکروسکوپی» است که از تعداد زیادی ذره تشکیل شده‌اند.

برای مثال، یک توپ معمولی از مقدار نجومی‌ای از مولکول‌ها ساخته شده و هیچ اثر مکانیک کوانتومی از خود نشان نمی‌دهد. ما می‌دانیم که این توپ هر بار که به سمت یک دیوار پرتاب شود، به عقب برمی‌گردد.
اما یک ذرهٔ منفرد گاهی مستقیماً از میان یک مانع معادل در دنیای میکروسکوپی خود عبور کرده و در طرف دیگر ظاهر می‌شود.
این پدیدهٔ مکانیک کوانتومی «تونل‌زنی» (Tunnelling) نامیده می‌شود.

جایزه نوبل فیزیک امسال از آزمایش‌هایی تقدیر می‌کند که نشان دادند چگونه تونل‌زنی کوانتومی را می‌توان در مقیاس ماکروسکوپی و با درگیر کردن تعداد زیادی ذره مشاهده کرد.
در سال‌های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵، جان کلارک، میشل دووره و جان مارتینیس مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی انجام دادند.
آن‌ها یک مدار الکتریکی با دو ابررسانا ساختند؛ اجزایی که می‌توانند جریان را بدون هیچ مقاومت الکتریکی هدایت کنند.
آن‌ها این دو ابررسانا را با یک لایه نازک از ماده‌ای که اصلاً جریان را عبور نمی‌داد از هم جدا کردند.

در این آزمایش، آن‌ها نشان دادند که می‌توانند پدیده‌ای را کنترل و بررسی کنند که در آن تمام ذرات باردار در ابررسانا هماهنگ عمل می‌کنند، طوری که گویی یک ذره‌ی واحد هستند که کل مدار را پر کرده است.

این سامانه شِبه‌ذره‌ای در حالتی به دام افتاده است که در آن جریانی بدون هیچ ولتاژی جریان دارد – حالتی که انرژی کافی برای گریز از آن را ندارد.
در این آزمایش، سامانه با استفاده از تونل‌زنی از حالتِ بدون ولتاژ فرار می‌کند و ولتاژ الکتریکی تولید می‌کند؛ بدین ترتیب، ماهیت کوانتومی خود را نشان می‌دهد.
همچنین، برندگان نشان دادند که این سامانه کوانتیزه است، به این معنا که تنها می‌تواند انرژی را در مقادیر مشخص (گسسته) جذب یا گسیل کند.

تونل‌ها و گذرگاه‌ها

برای دستیابی به این دستاوردها، برندگان از مفاهیم و ابزارهای تجربی‌ای بهره بردند که طی چند دهه توسعه یافته بودند.
همراه با نظریهٔ نسبیت، فیزیک کوانتومی بنیان چیزی است که امروزه فیزیک نوین نامیده می‌شود، و پژوهشگران یک قرن گذشته را صرف بررسی پیامدهای آن کرده‌اند.

توانایی تونل‌زنی ذرات منفرد به‌خوبی شناخته شده است.
در سال ۱۹۲۸، فیزیک‌دان جورج گاموف دریافت که تونل‌زنی دلیل آن است که چرا برخی از هسته‌های اتمی سنگین تمایل دارند به شیوه‌ای خاص واپاشی کنند.
برهم‌کنش نیروهای درون هسته، سدی پیرامون آن ایجاد می‌کند که ذرات درون هسته را نگه می‌دارد.
با این حال، با وجود این سد، گاهی تکهٔ کوچکی از هستهٔ اتم می‌تواند جدا شود، به بیرون از سد حرکت کند و فرار نماید — و در نتیجه، هسته‌ای باقی می‌ماند که به عنصر دیگری تبدیل شده است.
بدون تونل‌زنی، این نوع واپاشی هسته‌ای نمی‌توانست رخ دهد.

تونل‌زنی یک فرایند مکانیک کوانتومی است و این به آن معناست که شانس (احتمال) در آن نقش دارد.
برخی انواع هسته‌های اتمی دارای سدی بلند و پهن هستند، بنابراین ممکن است مدت زیادی طول بکشد تا تکه‌ای از هسته در بیرون آن ظاهر شود، در حالی که برخی انواع دیگر ساده‌تر واپاشی می‌کنند.
اگر تنها به یک اتم منفرد نگاه کنیم، نمی‌توانیم پیش‌بینی کنیم این رخداد چه زمانی اتفاق خواهد افتاد،
اما با مشاهدهٔ واپاشی تعداد زیادی از هسته‌های هم‌نوع، می‌توانیم زمان موردانتظار پیش از وقوع تونل‌زنی را اندازه‌گیری کنیم.
رایج‌ترین روش توصیف این موضوع استفاده از مفهوم نیمه‌عمر است؛ یعنی مدتی که طول می‌کشد تا نیمی از هسته‌های موجود در یک نمونه واپاشی کنند.

فیزیک‌دانان خیلی زود این پرسش را مطرح کردند که آیا ممکن است نوعی از تونل‌زنی را بررسی کرد که بیش از یک ذره را به‌طور هم‌زمان درگیر کند؟
یکی از رویکردها برای انجام آزمایش‌های جدید از پدیده‌ای سرچشمه گرفت که زمانی رخ می‌دهد که برخی مواد بسیار سرد شوند.

در یک مادهٔ رسانای معمولی، جریان الکتریکی به این دلیل جاری می‌شود که الکترون‌هایی وجود دارند که آزادانه می‌توانند در سراسر ماده حرکت کنند.
اما در برخی مواد، الکترون‌های منفردی که درون رسانا حرکت می‌کنند ممکن است سازمان‌دهی شوند و یک «رقص هماهنگ» را شکل دهند که بدون هیچ مقاومتی جریان می‌یابد.
در این حالت، ماده ابررسانا شده است و الکترون‌ها به صورت جفت به هم می‌پیوندند.
این جفت‌ها «جفت‌های کوپر» نامیده می‌شوند، به افتخار لئون کوپر که همراه با جان باردین و رابرت شریفر توضیح دقیقی از سازوکار ابررساناها ارائه داد (برندگان جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۲).

جفت‌های کوپر رفتاری کاملاً متفاوت از الکترون‌های عادی دارند.
الکترون‌ها دارای «اصالت فردی» بالایی هستند و دوست دارند از یکدیگر فاصله بگیرند — دو الکترون با ویژگی‌های یکسان نمی‌توانند در یک مکان باشند.
برای مثال، در یک اتم می‌بینیم که الکترون‌ها خود را در ترازهای انرژی متفاوت (پوسته‌ها) تقسیم می‌کنند.
اما وقتی الکترون‌ها در یک ابررسانا به صورت جفت در می‌آیند، بخشی از فردیت خود را از دست می‌دهند؛
در حالی که دو الکترون جدا از هم همیشه متمایز هستند، دو جفت کوپر می‌توانند کاملاً یکسان باشند.

این بدان معناست که جفت‌های کوپر در یک ابررسانا را می‌توان به‌عنوان یک واحد واحد، یعنی یک سامانهٔ مکانیک کوانتومی یگانه توصیف کرد.
در زبان مکانیک کوانتومی، آن‌ها با یک تابع موج واحد توصیف می‌شوند.
این تابع موج احتمال مشاهدهٔ سامانه را در یک حالت معین و با ویژگی‌های مشخص بیان می‌کند.

اگر دو ابررسانا با یک لایهٔ نازکِ عایق در میانشان به هم متصل شوند، یک پیوند جوزفسون (Josephson junction) ایجاد می‌شود.
این مؤلفه به نام برایان جوزفسون نام‌گذاری شده است، کسی که محاسبات مکانیک کوانتومی مربوط به این پیوند را انجام داد.
او کشف کرد که پدیده‌های جالبی هنگامی پدید می‌آیند که تابع‌های موج در دو سوی پیوند در نظر گرفته شوند
(برندهٔ جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۳).

پیوند جوزفسون به‌سرعت در حوزه‌های کاربردی متعددی جای خود را یافت، از جمله در اندازه‌گیری دقیق ثابت‌های بنیادی فیزیکی و میدان‌های مغناطیسی.

این ساختار همچنین ابزارهایی برای کاوش در بنیادهای فیزیک کوانتومی به شیوه‌ای نوین فراهم کرد.
یکی از کسانی که چنین کاری انجام داد، آنتونی لِجِت بود (برندهٔ جایزه نوبل فیزیک ۲۰۰۳)،
که کار نظری او دربارهٔ تونل‌زنی کوانتومی ماکروسکوپی در پیوند جوزفسون الهام‌بخشِ انواع تازه‌ای از آزمایش‌ها شد.

آغاز کار گروه پژوهشی روی تونل زنی کوانتومی

این موضوع‌ها کاملاً با علایق پژوهشی جان کلارک مطابقت داشت. او استاد دانشگاه کالیفرنیا، برکلی در ایالات متحده بود؛ جایی که پس از پایان دورهٔ دکتری خود در دانشگاه کمبریج، بریتانیا در سال ۱۹۶۸ به آنجا منتقل شد.
او در دانشگاه برکلی گروه تحقیقاتی خود را پایه‌گذاری کرد و در مطالعهٔ مجموعه‌ای از پدیده‌ها با استفاده از ابررساناها و پیوند جوزفسون تخصص یافت.

در میانهٔ دههٔ ۱۹۸۰، میشل دووره پس از دریافت دکتری خود در پاریس، به عنوان پژوهشگر پسادکتری به گروه جان کلارک پیوست.
این گروه همچنین شامل دانشجوی دکتری جان مارتینیس بود.
آن‌ها با هم چالش نشان‌دادن تونل‌زنی کوانتومی ماکروسکوپی را بر عهده گرفتند.

برای انجام این کار، مقدار بسیار زیادی دقت و ظرافت لازم بود تا دستگاه آزمایشگاهی در برابر هرگونه اختلال خارجی محافظت شود.
آن‌ها موفق شدند تمام ویژگی‌های مدار الکتریکی خود را به دقت تنظیم و اندازه‌گیری کنند و همین به آن‌ها امکان داد تا آن را با جزئیات کامل درک کنند.

برای اندازه‌گیری پدیده‌های کوانتومی، آن‌ها جریانی ضعیف را وارد پیوند جوزفسون کردند و ولتاژ را اندازه‌گیری نمودند؛ ولتاژی که با مقاومت الکتریکی در مدار مرتبط است.
در ابتدا، ولتاژ روی پیوند جوزفسون صفر بود، همان‌طور که انتظار می‌رفت.
این به آن دلیل بود که تابع موج سامانه در حالتی محبوس شده بود که اجازهٔ ایجاد ولتاژ را نمی‌داد.

سپس آن‌ها بررسی کردند که چقدر طول می‌کشد تا سامانه از این حالت تونل بزند و ولتاژ ایجاد شود.
از آنجا که مکانیک کوانتومی شامل عنصر احتمال است، آن‌ها اندازه‌گیری‌های متعددی انجام دادند و نتایج را به صورت نمودار رسم کردند تا بتوانند مدت زمان حالتِ بدون ولتاژ را از آن بخوانند.

این روش مشابه اندازه‌گیری نیمه‌عمر هسته‌های اتمی است که بر اساس آمار تعداد زیادی از موارد واپاشی انجام می‌شود.

تونل‌زنی نشان می‌دهد که چگونه جفت‌های کوپر در دستگاه آزمایشی، در رقص هماهنگ خود، مانند یک ذرهٔ غول‌پیکر واحد رفتار می‌کنند.
پژوهشگران زمانی تأیید بیشتری به دست آوردند که دیدند سامانه دارای ترازهای انرژی کوانتیزه است.

مکانیک کوانتومی نام خود را از این مشاهده گرفته است که انرژی در فرایندهای میکروسکوپی به بسته‌های جداگانه‌ای به نام «کوانتا» تقسیم می‌شود.

برندگان جایزه موج‌های میکروویو با طول‌موج‌های مختلف را به حالتِ بدون ولتاژ وارد کردند.
برخی از این موج‌ها جذب شدند و سامانه سپس به تراز انرژی بالاتری منتقل شد.

این نشان داد که مدت‌زمان حالتِ بدون ولتاژ زمانی کوتاه‌تر است که سامانه انرژی بیشتری در خود داشته باشد — و این دقیقاً همان چیزی است که مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند.

یک ذرهٔ میکروسکوپی که پشت یک سد محبوس شده باشد، به همین شیوه عمل می‌کند.

مزیت عملی و نظری کار برندگان جایزه نوبل

این آزمایش پیامدهایی برای درک مکانیک کوانتومی دارد.
سایر انواع اثرات مکانیک کوانتومی که در مقیاس ماکروسکوپی نشان داده شده‌اند، از تعداد زیادی جزء میکروسکوپی و ویژگی‌های کوانتومی جداگانهٔ آن‌ها تشکیل شده‌اند.
این اجزای میکروسکوپی سپس ترکیب می‌شوند تا پدیده‌های ماکروسکوپی مانند لیزرها، ابررساناها و مایعات ابرروان ایجاد شود.

با این حال، این آزمایش اثر ماکروسکوپی — یعنی یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری — را از حالتی ایجاد کرد که خود آن نیز ماکروسکوپی است و به شکل یک تابع موج مشترک برای تعداد بسیار زیادی از ذرات وجود دارد.

نظریه‌پردازانی مانند آنتونی لِجِت سیستم کوانتومی ماکروسکوپی برندگان را با آزمایش فکری مشهور اروین شرودینگر که شامل یک گربه در یک جعبه است مقایسه کرده‌اند، جایی که اگر داخل جعبه را نگاه نکنیم، گربه هم زنده و هم مرده است.
(اروین شرودینگر برندهٔ جایزه نوبل فیزیک ۱۹۳۳ شد.)
هدف آزمایش فکری او نشان دادن پوچ بودن این وضعیت بود، زیرا ویژگی‌های ویژهٔ مکانیک کوانتومی اغلب در مقیاس ماکروسکوپی از بین می‌روند.
ویژگی‌های کوانتومی یک گربهٔ کامل نمی‌توانند در یک آزمایشگاه به نمایش گذاشته شوند.

با این حال، لِجِت استدلال کرده است که مجموعه آزمایش‌هایی که جان کلارک، میشل دووره و جان مارتینیس انجام دادند نشان داد وجود پدیده‌هایی که شامل تعداد بسیار زیادی ذره هستند و همگی با هم دقیقاً همان‌طور رفتار می‌کنند که مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند.
سیستم ماکروسکوپی که از تعداد زیادی جفت کوپر تشکیل شده است، هنوز چندین مرتبه کوچکتر از یک بچه‌گربه است — اما از آنجا که آزمایش ویژگی‌های مکانیک کوانتومی را که برای کل سامانه صدق می‌کند اندازه‌گیری می‌کند، برای یک فیزیکدان کوانتومی تا حد زیادی مشابه گربهٔ خیالی شرودینگر است.

این نوع حالت کوانتومی ماکروسکوپی پتانسیل جدیدی برای آزمایش‌ها با استفاده از پدیده‌هایی که جهان میکروسکوپی ذرات را هدایت می‌کنند ارائه می‌دهد.
می‌توان آن را به‌عنوان یک اتم مصنوعی در مقیاس بزرگ در نظر گرفت — اتمی با کابل‌ها و سوکت‌هایی که می‌توانند به مجموعه آزمایشی جدید متصل شوند یا در فناوری کوانتومی نوین مورد استفاده قرار گیرند.
برای مثال، اتم‌های مصنوعی برای شبیه‌سازی دیگر سیستم‌های کوانتومی و کمک به درک آن‌ها استفاده می‌شوند.

نمونهٔ دیگری، آزمایش کامپیوتر کوانتومی است که بعداً توسط مارتینیس انجام شد، که در آن او دقیقاً از کوانتیزه بودن انرژی استفاده کرد، همان‌طور که او و دو برندهٔ دیگر قبلاً نشان داده بودند.
او از مداری با ترازهای کوانتیزه به عنوان واحدهای حامل اطلاعات — یعنی یک بیت کوانتومی — استفاده کرد.
پایین‌ترین تراز انرژی و اولین تراز بالاتر به ترتیب به‌عنوان صفر و یک عمل کردند.
مدارهای ابررسانا یکی از تکنیک‌هایی هستند که در تلاش برای ساخت کامپیوتر کوانتومی آینده مورد بررسی قرار می‌گیرند.

بنابراین، برندگان امسال به هر دو جنبهٔ عملی در آزمایشگاه‌های فیزیک و فراهم کردن اطلاعات جدید برای درک نظری دنیای فیزیکی ما کمک کرده‌اند.

خلاصه اطلاعات برندگان جایزه نوبل فیزیک 2025

منبع:

Popular science background: Quantum properties on a human scale