اثبات نادرستی فرضیه‌ای در فیزیک کوانتوم که برای یک دهه مورد قبول بوده است

دانشمندان به‌تازگی پی برده‌اند که مدل ساده‌ی مورد استفاده‌ی آن‌ها برای تشریح شکل‌گیری نوعی ذره‌ی کوانتومی بسیار عجیب به نام مولکول افیموف (Efimov) که در ده سال اخیر به کار می‌رفته، دچار ایراد است و به این ترتیب داده‌های به‌دست‌آمده در طی سال‌ها پژوهش را به‌نوعی دچار چالش کرده است.

نتیجه‌ی این مطالعه برای پژوهشگران بسیار غافل‌گیرکننده و شگفت‌انگیز است و نشانه‌هایی از تأثیر بر درک پایه‌ای ما از چگونگی پدیدار شدن مولکول‌ها در زمان‌های اولیه‌ی پیدایش جهان هستی دارد. چنگ چین، سرپرست این پژوهش از دانشگاه شیکاگو، در این مورد می‌گوید:

باید بگویم که بسیار غافل‌گیر شده‌ام. این آزمایشی بود که من پیش از پایان آن، به هیچ روی پیش‌بینی نمی‌کردم که قرار است با چنین داده‌هایی مواجه شویم.

 مولکول‌های افیموف ذره‌های کوانتومی هستند که در هنگام به هم چسبیدن سه ذره با همدیگر شکل می‌گیرند؛ زیرا نسخه‌ی دوذره‌ای از چنین سیستمی در دنیای کوانتومی نمی‌تواند تشکیل شود. این نوع از مولکول‌ها با استفاده از نیروهای کوانتومی در کنار هم نگه داشته می‌شوند و در اینجا چیزی شبیه پیوندهای شیمیایی متداولی که شاید در آب یا سایر مواد طبیعی سراغ داشته باشیم وجود ندارد.

از آنجایی که نیروهای کوانتومی کاملا ناچیز هستند، مولکول‌های افیموف دارای یک ماهیت وجودی خطرناک‌اند. دمای معمولی اتاق، انرژی لازم برای شکستن پیوندهای ضعیف را می‌تواند فراهم کند و بنابراین مولکول‌های افیموف تنها می‌توانند در دماهایی نزدیک به دمای صفر مطلق وجود داشته باشند.

تئوری پابرجا و پذیرفته‌شده‌ای که تا به امروز وجود داشت این بود که اندازه‌ی مولکو‌ل‌های افیموف با اندازه‌ی ذره‌هایی همبستگی دارد که این مولکول‌ها از آن‌ها ساخته می‌شوند. فیزیکدانان از این خاصیت با نام فراگیری یاد می‌کنند. چین می‌گوید:

این فرضیه در طی ده سال اخیر بارها بررسی‌ شده و صحت مجدد آن هم به‌نوعی تأیید شده است. تقریبا تمامی آزمایش‌ها نشان می‌دادند که روند واقعی به همین صورت است. اما برخی از نظریه‌پردازان می‌گویند دنیای واقعی پیچیده‌تر از آن است که با چنین فرمول ساده‌ای کار کند. باید عوامل دیگری هم وجود داشته باشند که این فراگیری را تحت تأثیر قرار دهند.

یافته‌ی اخیر دانشمندان هم تنها با کامل کردن مراحل یک روش حساس توسعه داده‌شده در آزمایش پژوهشی چین و در طی چندین سال پژوهش به دست آمده است.

آزمایش‌های حساس باید در دماهای بسیار پایینی به میزان پنجاه میلیاردم درجه بالای صفر مطلق انجام شوند و همچنین مستلزم وجود یک میدان مغناطیسی قوی هستند. این میدان مغناطیسی برای کنترل میزان برهم‌کنش میان ذره‌ها استفاده می‌شود.

مولکول‌های افیموف تنها زمانی شکل می‌گیرند که قوای میدان مغناطیسی در یک بازه‌ی محدود و خاص واقع شده باشد. دانشمندان با تجزیه‌ و تحلیل دقیق شرایطی که فرایند تشکیل در آن روی داده بود، توانستند روی سایز این مولکول‌ها کار کنند و در نتیجه بتوانند تئوری فراگیری را نیز مورد آزمایش قرار دهند.

 مقوله‌ی کنترل ذره‌ها با چنین میزان از دقت که در آزمایش لازم بوده، به‌عنوان مهم‌ترین چالش پیش روی دانشمندان محسوب می‌شده است. حتی گرمای ایجادشده از طریق جریان الکتریکی که برای ایجاد میدان مغناطیسی در آزمایشگاه استفاده می‌شود هم برای ایجاد تغییرات مؤثر در میدان کافی است و همین امر سبب می‌شود تا بازآفرینی یا تکرار سریع آزمایش برای دانشمندان بسیار سخت شود.

روش به‌کاررفته می‌بایست به نحوی تنظیم می‌شد که تجهیزات آزمایشگاهی روی اندازه‌گیری‌ها تأثیر نداشته باشند. یافتن روشی جدید برای متعادل ساختن میدان مغناطیسی به‌عنوان دستاورد کلیدی در مسیر انجام اندازه‌گیری‌هایی با قابلیت تکرار و بازآفرینی مجدد مطرح بوده است. چین می‌گوید:

یوهانسن می‌تواند میدان را با چنین دقتی کنترل کند و در نتیجه اندازه‌گیری‌های دقیقی در مورد اندازه‌ی مولکول‌های افیموف انجام دهد و برای نخستین بار هم بتواند داده‌هایی به دست آورد که بر پایه‌ی آن‌ها مطمئن شویم یک انحراف قابل ملاحظه در پدیده‌ی فراگیری در محیط واقعی آزمایش وجود داشته است.

 یافته‌های این بررسی دارای تأثیرات وسیع و باارزشی می‌توانند باشند. این یافته‌ها به دانشمندان در درک علت این پدیده کمک خواهند کرد که چرا مواد معمولی دارای خاصیت‌های متنوع و گوناگونی هستند که در شرایط مشابه کوانتومی و با وجود همان رفتارها، مشاهده نمی‌شوند. پی بردن به ماهیت سیستم سه‌بخشی افیموف دانشمندان را وارد مرحله‌ی جدیدی از پژوهش‌هایی کرده است که در آن دیگر رفتارهای همگانی مواد مشاهده نمی‌شود. چین توضیح می‌دهد:

هر سیستم کوانتومی متشکل از سه یا تعداد بیشتری از ذرات، به‌عنوان یک مسئله‌ی دشوار برای دانشمندان مطرح است. تنها در همین اواخر بوده است که ما واقعا موفق شده‌ایم به توانایی لازم برای آزمایش تئوری‌ها و درک طبیعت این دسته از مولکول‌ها برسیم... این مرحله به‌عنوان یکی از بلوک‌های مقدماتی لازم برای درک بهتر ساختارهای پیچیده‌تر کوانتومی است.

گفتنی است که دستاوردهای این پژوهش در Nature Physics گزارش شده است.