پژوهشگران دانشگاه MIT، با انجام آزمایشی جسورانه در مقیاس اتمی، یافتههای پیشین در فیزیک کوانتوم مبنی بر اینکه نور نمیتواند همزمان به صورت موج و ذره رفتار کند را تایید کردند. این یافتهها، اختلافی دیرینه میان آلبرت اینشتین و نیلز بور را حل و فصل کرده و درک ما از ماهیت بنیادی واقعیت کوانتومی را بیش از پیش عمیقتر میسازد.
بحث درباره ماهیت نور به قرن هفدهم میلادی و زمان ایزاک نیوتن (Isaac Newton) و کریستیان هویگنس (Christiaan Huygens) بازمیگردد. نیوتن معتقد بود نور از ذرات تشکیل شده است تا بتواند پدیدههایی نظیر تصاویر شفاف آینهای و عدم توانایی دیدن اشیا در گوشهها را توضیح دهد. در مقابل، هویگنس و دیگران به رفتار موجی نور، مانند پراش و شکست، اشاره داشتند.
نقطه عطف این بحث در سال ۱۸۰۱ میلادی رقم خورد؛ زمانی که فیزیکدان انگلیسی، توماس یانگ (Thomas Young)، آزمایش مشهور دو شکاف را ابداع کرد. او با عبور دادن نور همدوس از دو شکاف باریک و تاباندن آن بر روی دیوار، الگوی تداخل موجی (نوارهای روشن و تاریک) را مشاهده کرد. اگر نور صرفا ذره بود، انتظار میرفت تنها دو نقطه نورانی بر روی دیوار ظاهر شود. اما الگوی مشاهده شده تنها با فرض انتشار موج از هر شکاف و تداخل آنها قابل توضیح بود.
یک قرن بعد، ماکس پلانک (Max Planck) نشان داد که انرژی و نور در بستههای کوچکی به نام کوانتوم منتشر میشوند و آلبرت اینشتین (Albert Einstein) توضیح داد که هر کوانتوم نور، ذرهای به نام فوتون است. فیزیک کوانتوم همچنین نشان داد که فوتونها رفتارهای موجی نیز از خود بروز میدهند. بدین ترتیب، نیوتن و هویگنس هر دو درست گفته بودند: نور دارای دوگانگی موج-ذره است.
با این حال، اصل عدم قطعیت در فیزیک کوانتوم بیان میدارد که ما هرگز نمیتوانیم فوتونی را که همزمان هم به عنوان موج و هم به عنوان ذره عمل میکند، مشاهده کنیم. نیلز بور (Niels Bohr)، پدر فیزیک کوانتوم، این مفهوم را اصل مکمل بودن نامید. وی معتقد بود که خواص مکمل یک سامانه کوانتومی، نظیر رفتار موجی و ذرهای، هرگز نمیتوانند به طور همزمان اندازهگیری شوند.
اینشتین هرگز از تصادفی بودن ذاتی که اصل مکمل بودن و اصل عدم قطعیت به قوانین طبیعت وارد میکرد، رضایت نداشت. او به دنبال راههایی برای رد کردن اصل مکمل بودن بود و در این راستا، آزمایش کلاسیک دو شکاف یانگ را مورد بازنگری قرار داد. اینشتین استدلال کرد که هنگامی که یک فوتون از یکی از شکافها عبور میکند، کنارههای شکاف باید نیروی کوچکی را احساس کنند؛ گویی که فوتون باعث «لرزش» آنها میشود. به این ترتیب، میتوانستیم همزمان نور را به عنوان یک ذره فوتونی در حال عبور از شکاف و به عنوان یک موج در تعامل با سایر فوتونها مشاهده کنیم.
بور با این استدلال مخالفت کرد. او توضیح میدهد: «اصل عدم قطعیت بیان میکند که ما نمیتوانیم همزمان اندازه حرکت و موقعیت دقیق یک فوتون را بدانیم (دو خاصیت مکمل). بنابراین، بور اظهار داشت که اندازهگیری «لرزش» فوتون عبوری، تنها باعث از بین رفتن رفتار موجی شده و الگوی تداخلی حاصل از آزمایش دو شکاف، به دو نقطه نورانی ساده تبدیل خواهد شد.»
آزمایشهای متعددی در طول سالها، صحت دیدگاه بور را تایید کرده بودند، اما همواره این تردید وجود داشت که شاید دستگاههای آزمایشی مورد استفاده، به دلیل حجم و پیچیدگیشان، تاثیراتی را ایجاد کرده باشند که مانع از مشاهده همزمان رفتار موجی و ذرهای نور شوند.
آزمایش نوین دانشگاه MIT؛ تکرار در مقیاس اتمی
برای رفع این تردید، تیم دانشگاه MIT به رهبری فیزیکدانان ولفگانگ کترله (Wolfgang Ketterle) و ویتالی فدوسیف (Vitaly Fedoseev)، با سادهسازی حداکثری دستگاه آزمایش، آن را به مقیاس اتمی رساندند. آنها با استفاده از پرتوهای لیزر، ۱۰ هزار اتم منفرد را تا کسری از درجه بالای صفر مطلق سرد کردند. هر اتم در این آزمایش، به مثابه یک شکاف عمل میکرد؛ به این معنا که فوتونها میتوانستند از اطراف آنها پراکنده شده و در گذر زمان، الگوی پراش مشابه آزمایش دو شکاف را ایجاد کنند.
این گروه تحقیقاتی توانستند با قطع کردن پرتوهای لیزر نگهدارنده اتمها و اندازهگیری در مدت یک میلیونیم ثانیه پس از آن، اطمینان حاصل کنند که دستگاه مورد استفاده (پرتوهای لیزر) هیچ تاثیری بر نتایج نداشته و اتمها فرصت جابجایی یا حرکت تحت تاثیر گرانش را پیدا نکردهاند. نتیجه همیشه یکسان بود: ماهیت ذرهای و موجی نور نمیتوانست به طور همزمان مشاهده شود.
ولفگانگ کترله در بیانیهای میگوید: «این کار را میتوان نوعی سویه جدید از آزمایش دو شکاف در نظر گرفت. این اتمهای منفرد، مانند کوچکترین شکافهایی هستند که میتوان تصور کرد.»
ویتالی فدوسیف اضافه میکند: «آنچه اهمیت دارد، صرفا تاری اتمهاست. این تاری به ابهام کوانتومی پیرامون موقعیت دقیق اتم اشاره دارد که طبق اصل عدم قطعیت، لازم و ملزوم ماهیت کوانتومی آنهاست. این ابهام با میزان استحکام نگهداری اتمها توسط پرتوهای لیزر قابل تنظیم است و هرچه اتمها تارتر و آزادتر باشند، لرزش ناشی از فوتونها را بیشتر احساس کرده و ماهیت ذرهای نور را بهتر آشکار میکنند؛ اما این لرزش، خود مشاهده رفتار موجی را مختل میسازد.»
کترله با اشاره به این دستاورد اظهار میکند: «اینشتین و بور هرگز تصور نمیکردند که انجام چنین آزمایشی با اتمها و فوتونهای منفرد امکانپذیر باشد.» این آزمایش، شگفتیهای فیزیک کوانتوم را که در آن ذرات ماهیتی دوگانه دارند و ما هرگز نمیتوانیم خواص مکمل را همزمان اندازهگیری کنیم، بیش از پیش مستحکم میسازد. به نظر میرسد جهان بر پایه احتمالات عمل میکند و خواص پدیدار شده از قلمرو کوانتوم، تنها تجلی آماری تعاملات میان تعداد بسیار زیادی ذره است که همگی، بر خلاف میل اینشتین، تاس میاندازند.