ترجمه: «مکانیک کوانتومی وآشوب»

مکانیک نیوتونی پایه‌ی تمام فیزیک است و علم جدید برپایه ایده‌های مکانیک نیوتونی بنا شده است. اعتقاد بر این بوده که اگر برهم‌کنش بین عناصر تشکیل‌دهنده‌ی یک سیستم را بدانیم، با استفاده از قوانین نیوتون می‌توان حرکت سیستم را پیش‌بینی کرد. ایده‌ی دنیایی که مانند یک ساعت، کوک شده  و همه چیز بر اساس قوانین فیزیک پیش می‌رود برای سیستم‌های مکانیکی ساده درست است ولی نه لزوما درست. حدود سال ۱۹۰۰ این موضوع فقط توسط دانشمند بزرگ فرانسوی، آنری پوانکاره، درک شده بود. پوانکاره به این پی‌برد که سیستم‌هایی وجود دارند که غیر قابل پیش‌بینی هستند و نمی‌توان آنها را به صورت ریاضی حل‌ کرد.

اگر شما سعی کنید آینده را به صورت ریاضیاتی پیش‌بینی کنید خواهید دید که سیستم به صورت گستره رفتار خواهد کرد و منظور از گسترده این است که اگر شما شرایط اولیه را به مقدار بسیار بسیار کمی تغییر دهید، پاسخ کاملا متفاوتی از سیستم خواهید دید. (برای سیستم‌های خوش‌رفتار اگر شما شرایط اولیه را به مقدار کمی تغییر دهید، رفتار سیستم هم به مقدار کمی تغییر می‌کند). کشف پوانکاره تا دهه ۱۹۷۰ رها شد تا اینکه یک ریاضی‌دان آب و هوا شناس،به نام ادوارد لورنتس در MIT کشف کرد که معادلات عددی وجود دارند که اتمسفر را توصیف می‌کنند به طوری که نمی‌توان رفتار سیستم را پیش‌بینی کرد. او به جالب‌ترین حالت ممکن به این موضوع پی‌برد. لورنتس از یک کامپیوتر به نسبت ساده برای حل انتگرال یک معادله‌ی ساده استفاده می‌کرد. او متوجه شد هر بار که مسئله را حل می‌کند به جواب‌های متفاوتی می‌رسد و علت آن این بود که کامپیوترها شرایط اولیه را به مقدار بسیار کمی در شروع هر حل تغییر می‌دهند، کامپیوترها کاملا(بینهایت) دقیق نیستند و اگر شما واقعا دقیق نباشید، پاسخ‌های متفاوتی دریافت خواهید کرد! او این موضوع را بررسی کرد و ما آشوب را کشف کردیم و برای آن اسم شگفت‌انگیز «اثر پروانه‌ای» را انتخاب کردیم. به این خاطر که اگر پروانه‌ای در برزیل در حال پرزدن باشد می‌تواند مسبب گردبادی در امریکای شمالی شود. اثر پروانه‌ای در حقیقت، کشف مجدد آشوب بود که تبدیل به موضوع بسیار مهمی در دینامیک شد و مطالعه‌ی سیستم‌های دینامیکی را متحول ساخت، به طوری که موضوع کتاب پرفروشی به نام آشوب در دهه‌ی ۸۰ شد.

خب این موضوع چه دخلی به فیزیک اتمی دارد؟ ربط زیادی ندارد! به خاطر اینکه فیزیک اتمی موضوع بررسی رفتار میکروسکوپیک اتم‌هاست و نه سیستم آب و هوای جهانی. با این وجود این سوال را برمی‌انگیزد که سیستم‌های اتمی چگونه رفتار می‌کنند که رفتار کلاسیکی سیستم، یک رفتار آشوب‌ناک می‌شود؟! می‌دانیم برای سیستم‌های اتمی که عددهای کوانتومی بالایی دارند، اصل هم‌خوانی بور برقرار است و رفتاری که سیستم از خود بروز می‌دهند مانند یک سیستم کلاسیک خواهد بود. او از این اصل برای توسعه مدل اتم هیدروژن درسال ۱۹۱۳ استفاده کرد، بنابراین یک نظریه‌ی قدرتمند است. اگر شما یک اتم را در نظر بگیرید و الکترون آن را تا ترازهای بالایی برانگیخته کنید آنگاه از قوانین ساده‌ی مکانیک کوانتومی پیروی می‌کند که درست مانند چیزی است که شما از فیزیک کلاسیک انتظار داشتید. برای مثال دوره‌تناوب مدارها با استفاده از قوانین کپلر به‌دست می‌آیند. ما به این سیستم‌ها، سیستم‌های نیمه‌کلاسیک می‌گوییم. زمانی که یک پروتون، یک الکترون را به سمت خود جذب می‌کند و الکترون بسیار دورتر از آن است به گونه‌ای که تفاوت حرکت بین حالت‌های کوانتومی بسیاربسیار کوچک باشد، به آن رژیم شبه‌کلاسیک می‌گوییم. اتم به خودی خود، هیچ‌گاه آشوب‌ناک نیست ولی اگر یک میدان مغناطیسی و یا الکتریکی به آن اعمال کنیم، آنگاه حرکت کلاسیک آن آشوب‌ناک می‌شود. سوال این است که رفتار کوانتومی این سیستم چیست!؟ سوال از‌ آنجا مطرح می‌شود که آشوب، حرکتی است که در آن تغییرات بسیار بسیار کوچک در شرایط اولیه،  رفتار سیستم را به طور کامل عوض می‌کند. اما از آنجا که مکانیک کوانتومی شرایط را تغییر می‌دهد، نمی‌توان تغییرات بسیاربسیارکوچک ایجاد کرد. شما نمی‌توانید مکان و سرعت را به صورت بسیاربسیار کوچک تغییر دهید از آنجا که اصل عدم قطعیت بر آن‌ها حاکم است. پس شما انتظار رفتار متفاوت دیگری را می‌کشید. بنابراین موضوع مورد علاقه‌ برای بسیاری از مردم در دهه‌ ۸۰ شد. در آن موقع من در حال تحقیق بر روی اتم ریدبرگ بودم و این سوال برایمان پیش آمده بود، برای همین ما شروع به آزمایش کردیم. هنگامی که آزمایشی انجام می‌دهیم، می‌توانیم اتم‌ها را در رژیم‌هایی مطالعه کنیم که مکانیک کوانتومی به درستی برای آن‌ها برقرار است و پس از آن به رژیم‌هایی برویم که رفتار کلاسیکی سیستم در آن‌ها آشوب‌ناک است. برای همین ما کاملا گیج شده بودیم که قرار است چه اتفاقی با هم رخ دهد؟! مکانیک کوانتومی که به کمک آن ترازهای انرژی بسیار خوب مشخص شده بودند، دیگر در ناحیه‌ی آشوبناک ناپدید می‌شد! هنگامی که برای اولین بار به آن نگاه کردیم بسیار حیرت‌زده شدیم، چون که تمام ترازهای انرژی کماکان در آنجا وجود داشت. شاید الان که به آن نگاه می‌کنیم یک پندار ساده‌ به نظر برسد ولی ما واقعا گیج شده بودیم. چیزی که ما به‌دست آورده بودیم الگوهای ترازهای انرژی بود که بسیار پیچیده و به نظر بی‌نظم و بی‌نظم‌تر می‌شدند. بنابراین می‌توان عمیقا وارد این رژیم از آشوب کلاسیک شده و کماکان ترازهای انرژی را دید، اما به شکل اسپاگتی! با این وجود، پی‌برده شد که حتی درون این رفتار شبیه اسپاگتی، نظم وجود دارد و نظم‌ توجیه‌کننده‌ی این موضوع است که حتی در حضور آشوب، مدارهای متناوب می‌توانند وجود داشته باشند. عده‌ی زیادی از نظریه‌پردازان به صورت نظری به این موضوع پی‌بردند و پس از آن آزمایش‌هایی انجام شد و ما متوجه شدیم که آن‌ها وجود دارند. در حقیقت پوانکاره این موضوع را مطرح کرده بود که حتی در شرایطی که سیستم‌ها کاملا آشوبناک هستند، حرکات متناوبی برای سیستم وجود دارد که مدام اتفاق می‌افتند. بنابراین ما به این نتیجه رسیدم که قطعا در سیستم‌های آشوبناک می‌توان این حرکت‌های متناوب را دید.

این ایده‌ی جالبی است، از آنجا که اگر بخواهید آن مدارها (ترازها) را با استفاده از روش‌های کلاسیک به دست آورید، کار به مراتب سختی خواهدبود، چون که سیستم‌های آشوب‌ناک می‌توانند به قدری ناپایدار باشند که اگر ،فقط به صورت عددی، بخواهید مدارهای متناوب مشخصی را از بین‌ آن‌ها پیدا کنید کار غیرممکنی خواهد بود، فقط به این خاطر که آشوب‌ناک است. ولی این‌ کار را طبیعت برای شما انجام می‌دهد! یعنی طبیعت مانند یک کامپیوتر کوانتومی عجیب و غریب رفتار می‌کند، انگار طبیعت یک سیستم کوانتومی است که مدارهای متناوب کلاسیک را در منطقه آشوب محاسبه می‌کند. ما چیزهای بسیار زیادی از این مدارها یاد گرفتیم، به عنوان مثال با استفاده از روش‌های مکانیک کوانتومی می‌توانیم رفتار کلاسیک سیستم را پیش‌بینی کنیم و نظم موجود در حرکت‌ را پیدا کنیم که در غیر این صورت امکان آن وجود ندارد. پس با این تعبیر، مکانیک کوانتومی از شر آشوب نجات یافته است و به ما چیزهایی از یک سیستم آشوب‌ناک می‌گوید. چیزی که واقعا از سیستم‌های آشوب‌ناک می‌دانیم و بسیار جالب است، وجود این مدارهاست. بنابراین ما در تلاش هستیم که بفهمیم مکانیک کوانتومی چه چیزهایی به ما می‌گوید ‌و فهمیده‌ایم که چیزهای زیادی به ما می‌گوید! همان‌گونه که ما و دیگران مطالعاتمان را معطوف به آشوب کوانتومی کردیم، بیشتر و بیشتر گیج می‌شدیم که به دنبال چه چیزی هستم؟!‌ سوالی که قرار است به آن جواب دهیم کدام‌ است؟! یک سوال این است که مشخصه‌های یک سیستم‌ کوانتومی که بازتاب کننده‌ی رفتار کلاسیک یک سیستم آشوبناک است چیست؟! ما هم اکنون یک جواب برای این سوال داریم. سوال عمیق‌تر این است که اصولا مکانیک کوانتومی جایی برای آشوب ندارد، به هر سیستم کوانتومی که نگاه کنید گونه‌ای از یک سیستم محدود در جعبه است و اگر به جواب‌های آن بنگرید، همه‌ی آنها متناوب هستند. شما یک برهم‌نهی از تابع‌موج‌های مختلفی که هر کدام با یک فرکانسی در حال نوسان هستند در نظر می‌گیرید، مهم نیست که چه تعداد، نتیجه‌ی نهایی یک حرکت متناوب است. اما در سیستم‌های آشوبناک، معمولا خبری از حرکت‌های متناوب نیست، شاید حالت‌های خاصی وجود داشته باشد، اما اغلب حرکت‌ها این گونه نیستند. بنابراین این‌گونه به نظر می‌رسد که مکانیک کوانتومی در توجیه آشوب کلاسیک ناتوان است. ولی ما می‌دانیم که مکانیک کوانتومی،‌ مکانیک کلاسیک را در برگرفته است. ما دوست داریم که بر این اعتقاد بمانیم که باید راهی وجود داشته باشد به طوری که هر حرکت کلاسیکی که می‌بینیم را توصیف کنیم. ما به معمایی رسیده‌ایم که به نظر می‌رسد، علی‌الاصول به خوبی طرح نشده است!  به هرحال، برای داشتن یک توضیح شفاف برای آن در حال تلاش هستیم.

یکی از پیشتازان این زمینه،‌ مایکل بری، فیزیک‌دان برجسته‌ی انگلیسی، اصطلاح «Quantum Chaology» به جای «آشوب کوانتومی» معرفی کرد و من فکر می‌کنم که اصطلاح خوبی است و به معنی آن دسته از پدیده‌های کوانتومی است که با حرکت کلاسیک مرتبط هستند ولی به خودی خود آشوب نیستند. با این وجود، هنوز مردم با اصطلاح «آشوب کوانتومی» مشکل دارند و نمی‌دانند که به چه معناست!

دنیل کلپنر

استاد فیزیک دانشگاه اِم آی تی و مدیر مشترک مرکز تحقیقاتی اتم‌های فوق سرد ِ اِم آی تی – هاروارد