دانشمندان راهی تازه برای محاسبه‌ی زمان کشف کردند

دانشمندان راهی تازه برای محاسبه‌ی زمان کشف کردند

دانشمندان راهی تازه برای سنجش زمان در مقیاس کوانتومی کشف کرده‌اند که نیاز به نقطه‌ی آغاز ندارد. شاید سنجش گذر زمان در دنیایی با تیک‌تاک ساعت‌ها که ثانیه‌ها را بین زمان قبلی و اکنون می‌شمارند، کاری ساده باشد. اما در مقیاس کوانتومی با الکترون‌های پرشتاب، همیشه نمی‌توان زمان بعدی را پیش‌بینی کرد. حتی بدتر از آن، زمان حال هم در هاله‌ای از عدم قطعیت قرار می‌گیرد و بدین ترتیب یک زمان‌سنج عادی برای ثبت گذر زمان پاسخگو نیست. اما به گفته‌ی پژوهشگران دانشگاه اوپسالا سوئد، یک راه حل بالقوه برای سنجش زمان کوانتومی می‌تواند در شکل خود مِه کوانتومی نهفته باشد. آزمایش‌های آن‌ها روی ماهیت موج-مانند چیزی که حالت «ریدبرگ» (Rydberg) نامیده می‌شود، روش تازه‌ای را برای اندازه‌گیری زمان نشان داده است که به نقطه‌ی شروع دقیقی نیاز ندارد. اتم‌های ریدبرگ بادکنک‌های بیش از حد متورم در قلمرو ذرات اتمی محسوب می‌شوند. این اتم‌ها با برانگیخته شدن توسط لیزر پُف کرده‌اند و دارای الکترون‌هایی در حالت‌های انرژی بسیار بالا هستند که در فاصله‌ی دوری از هسته می‌چرخند. البته پرتو لیزر (لیزر پمپ) همیشه برای برانگیختن شدید اتم استفاده نمی‌شود بلکه به‌طور معمول برای برانگیختن الکترون‌ها به حالت‌های انرژی بالاتر برای مصارف مختلفی کاربرد دارد. در برخی کاربردها می‌توان از لیزر دوم (لیزر کاوشگر) برای نظارت بر تغییرات موقعیت الکترون از جمله گذر زمان استفاده کرد. برای نمونه می‌توان از این تکنیک «پمپ-کاوشگر» برای اندازه‌گیری سرعت برخی از پدیده‌های الکترونیکی فوق سریع استفاده کرد. برانگیختن اتم‌ها به حالت‌های ریدبرگ یک ترفند مفید برای مهندسان به‌ویژه در زمینه‌ی طراحی اجزای جدید برای رایانه‌های کوانتومی است و تا کنون فیزیکدانان اطلاعات زیادی را درباره‌ی شیوه‌ی حرکت الکترون‌ها هنگام رفتن اتم به حالت ریدبرگ جمع‌آوری کرده‌اند. با این حال این الکترون‌های سرکش، کمتر حرکت منظم مانند مهره‌های چرتکه دارند و بیشتر مانند مهره‌های روی یک گردانه حرکت می‌کنند که در آن هر چرخش و جابه‌جایی توپ شانسی است. قوانین ریاضی پشت این بازی نامنظم، بسته‌ی موج ریدبرگ نامیده می‌شود. درست مانند امواج واقعی در یک حوض آب، وجود بیش از یک بسته‌ی موج ریدبرگ، باعث تداخل می‌شود و در نتیجه الگوهای منحصربه‌فردی از امواج را شکل می‌دهد. با قرارگیری بسته‌های موج ریدبرگ کافی در یک حوض اتمی، الگوهای منحصربه‌فردی شکل می‌گیرد و هر کدام بیانگر زمان مشخصی است که طول می‌کشد تا هر بسته‌ی موج مطابق با دیگری رشد کند. این همان «اثر انگشت» زمان است که طبق آزمایش‌های جدید فیزیکدانان، به اندازه‌ی کافی برای سنجش زمان کوانتومی سازگار و قابل اعتماد است. تحقیقات آن‌ها شامل اندازه‌گیری نتایج اتم‌های هلیوم برانگیخته شده با لیزر و تطبیق یافته‌ها با پیش‌بینی‌های تئوری بود تا نشان دهند که اثر آن‌ها می‌تواند برای مدت طولانی باقی بماند. «مارتا برهولتز» (Marta Berholts) فیزیکدان دانشگاه اوپسالا و سرپرست این مطالعه به نیوساینتیست گفت: «اگر از یک شمارنده استفاده کنید، باید صفر را مشخص کنید. چون شما از نقطه‌ای مشخص شروع به شمارش می‌کنید. اما مزیت این روش تازه این است که مجبور نیستید سنجش زمان را از نقطه‌ای مشخص شروع کنید، فقط به ساختار تداخلی نگاه می‌کنید و برای مثال می‌گویید ۴ نانوثانیه گذشته است.» از خوانش بسته‌های موج ریدبرگ می‌توان در ترکیب با دیگر اشکال طیف‌سنجی پمپ-کاوشگر استفاده کرد که رویدادها را در مقیاس ریز اندازه‌گیری می‌کنند و زمان اکنون و آینده در آن‌ها کمتر مشخص هستند، یا به آسانی نمی‌توان آن‌ها را اندازه گرفت. نکته‌ی مهم این است که هیچ یک از این اثر انگشت‌های تداخلی، نیاز به زمان آینده و اکنون ندارند تا به‌عنوان نقطه‌ی شروع و توقف زمان عمل کنند. این مانند اندازه‌گیری سرعت یک دونده در مسابقه‌ای است که رقبای او با سرعت مشخصی می‌دوند. با جست‌وجوی امضای حالت‌های تداخلی ریدبرگ در میان نمونه‌ای از اتم‌های پمپ-کاوشگر، متخصصان می‌توانند رویدادهایی را تا سرعت تنها ۱.۷ تریلیونم ثانیه اندازه‌گیری کنند. آزمایش‌های آینده در این زمینه می‌توانند از اتم‌های دیگری به جای هلیوم استفاده کنند، یا پالس لیزری با انرژی‌های متفاوتی را به‌کار بگیرند تا این روش سنجش را برای بهینه شدن در شرایط متنوع‌تری توسعه دهند.