پیش بینى هاى نسبیت خاص

نسبیت خاص پیش بینى هایى مى کند که براى ما بسیار عجیبند. مثلاً اینکه ساعت هاى متحرک کندتر کار مى کنند، خط کش هاى متحرک کوتاه ترند. یا اینکه ممکن است مقدارى جرم به انرژى تبدیل شود (E=mc2) . تمام پیش بینى هاى نسبیت خاص با دقت بسیار آزموده شده اند و امروزه تقریباً هیچ فیزیک پیشه مطرحى هیچ شکى درباره درست بودن نسبیت خاص ندارد. انگیزه اینشتین از پرداختن نسبیت خاص آشتى دادن نظریه الکتریسیته و مغناطیس مکسول با اصل نسبیت گالیله بود. در واقع نسبیت خاص کامل شده نسبیت گالیله اى است. از سال 1905 به این طرف همه فیزیک پیشه ها متقاعد شده اند که هر نظریه فیزیکى اى باید با نسبیت خاص سازگار باشد.

چهار قرن و نیم پیش در سال 1543 نیکلاس کوپرنیکوس مرد و در همان سال کتاب معروف او De revolutionibus منتشر شد. در این کتاب نظامى جدید براى هیئت پیشنهاد شده بود، نظامى که در آن خورشید در مرکز بود و زمین و دیگر سیاره ها به دور آن مى گشتند. گالیله این ایده را پذیرفت و براى آن تبلیغ بسیار کرد. این که زمین به دور خودش و به دور خورشید مى گردد، با فلسفه رسمى آن دوران نمى خواند. استدلالى که مخالفان نظام کپرنیکى مى کردند این بود که چرا ما متوجه حرکت زمین نمى شویم. گالیله در این باره فکر کرد و کشفى کرد که بسیار مهم است. گالیله کشف کرد که با هیچ آزمایشى نمى توان حرکت یکنواخت را آشکار کرد. امروزه همه این تجربه را داریم که اگر قطارى با سرعت ثابت حرکت کند، در داخل قطار همه چیز همان طورى است که در ایستگاه است، با هیچ آزمایشى نمى توان فهمید قطار حرکت مى کند یا نه (تنها با نگاه کردن به بیرون است که مى توان این را فهمید). فیزیک پیشه ها این را اصل نسبیت گالیله مى نامند.

پس از گالیله، نیوتن سه قرن پیش دو چیز بسیار مهم کشف کرد: 1- قوانین مکانیک را کشف کرد؛ قوانینى که براساس آنها مى توان فهمید که یک سیستم مکانیکى (مثلاً منظومه شمسى) در زمان هاى آینده چه وضعیتى دارد، مشروط بر آن که وضعیت آن در یک زمان مثلاً الان معلوم باشد. 2- قانون گرانش عمومى را کشف کرد؛ قانونى که مى گوید در طبیعت هر دو جسمى یکدیگر را با نیروى جذب مى کنند و این نیرو متناسب است با عکس مجذور فاصله و متناسب با جرم هر کدام از جسم ها. فیزیک پیشه ها این پدیده را گرانش و این نیرو را نیروى گرانشى مى نامند. به دلیل این نیروى گرانشى است که ماه به دور زمین و زمین به دور خورشید مى گردد. ضمناً مکانیکى که نیوتن ساخت با اصل نسبیت گالیله سازگار است.

دقیقاً صد سال پیش آلبرت اینشتین با انتشار چند مقاله تاریخ ساز، انقلاب یا در واقع انقلاب هایى در علم فیزیک راه انداخت. یکى از این مقاله ها با عنوان «درباره الکترودینامیک جسم هاى متحرک» ارائه نظریه اى است که به نسبیت خاص معروف شد.

نسبیت خاص پیش بینى هایى مى کند که براى ما بسیار عجیبند. مثلاً اینکه ساعت هاى متحرک کندتر کار مى کنند، خط کش هاى متحرک کوتاه ترند. یا اینکه ممکن است مقدارى جرم به انرژى تبدیل شود E=mc2 . تمام پیش بینى هاى نسبیت خاص با دقت بسیار آزموده شده اند و امروزه تقریباً هیچ فیزیک پیشه مطرحى هیچ شکى درباره درست بودن نسبیت خاص ندارد.

انگیزه اینشتین از پرداختن نسبیت خاص آشتى دادن نظریه الکتریسیته و مغناطیس مکسول با اصل نسبیت گالیله بود. در واقع نسبیت خاص کامل شده نسبیت گالیله اى است. از سال 1905 به این طرف همه فیزیک پیشه ها متقاعد شده اند که هر نظریه فیزیکى اى باید با نسبیت خاص سازگار باشد.

تقریباً بلافاصله پس از تکمیل نسبیت خاص این سئوال مطرح شد که آیا گرانش عمومى نیوتن با نسبیت خاص سازگار هست و پاسخ منفى بود. پس لابد نظریه گرانش نیوتن کامل نیست. بعضى از فیزیک پیشه ها به دنبال نظریه کامل ترى براى گرانش گشتند، نظریه اى که با نسبیت خاص سازگار باشد. هیچ کس نتوانست نظریه شسته رفته و موفقى براى گرانش بیابد که هم نسبیت خاصى باشد، هم با تجربه بخواند.

آزمایش هاى بسیارى موید این هستند که اگر نیرویى جز گرانش در کار نباشد همه اجسام با یک شتاب مى افتند! در 1911 اینشتین از این واقعیت تجربى نتیجه گرفت1 که اگر در اتاقکى باشیم که از بالاى برجى رها شده باشد (ول شده باشد)، با هیچ آزمایشى نمى توانیم گرانش زمین را حس کنیم.2 امروزه فیزیک پیشه ها این را اصل هم ارزى مى نامند. اینشتین فهمید که کلید نظریه نسبیتى گرانش همین اصل هم ارزى است. با استدلال هایى که نبوغ از آنها مى بارد، اینشتین از این اصل چند نتیجه گرفت: 1- اینکه اگر نورى از زمین به بالا فرستاده شود وقتى به ارتفاع هاى بالاتر مى رسد طول موجش بیشتر مى شود. 2- اینکه ساعت ها در نزدیکى سطح زمین کندتر کار مى کنند تا ساعت هایى که در ارتفاع هاى بالاتر هستند. 3- اینکه اگر پرتوى نورى از کنار یک جسم سنگین مثلاً از کنار خورشید بگذرد، کمى خم مى شود. در مورد خورشید این خم شدگى حدود 1 ثانیه قوس است.

پس از آن با پنج سال کار طاقت فرسا اینشتین نظریه اى براى گرانش ساخت و آن را نسبیت عام نامید. بنابر نسبیت عام گرانش عبارت است از خمیده بودن فضازمان علت سخت فهم بودن نسبیت عام این است که مبتنى است بر دو ساختار ریاضى که هنوز جزء برنامه هاى درسى مدارس و دبیرستان هاى ما نشده: خمیدگى و فضازمان.

در قرن نوزدهم هندسه پیشرفت زیادى کرد. از جمله کارل فردریش گاوس هندسه سطح هاى خمیده را بررسى کرد. منظور از سطح هاى خمیده چیز هایى است مثل سطح یک توپ یا سطح یک تیوب، چرخ ماشین (که ریاضى پیشه ها به آن چنبره مى گویند) یا سطح یک زین اسب. ریاضیاتى را که گاوس پیش کشیده بود گئورگ فردریش برنهارد ریمان ریاضى پیشه دیگر آلمانى بسیار پیش برد.3 ریمان کشف کرد که آنچه در هندسه مهم است چه در هندسه اقلیدسى، چه در هندسه رویه هاى خمیده قضیه فیثاغورث براى مثلث هاى کوچک است. در هندسه اقلیدسى صفحه قضیه فیثاغورث مى گوید که اگر مثلث قائم الزاویه اى داشته باشیم که یک ضلع آن dx و ضلع دیگرش dy باشد، طول وترش ds است و داریم ds2=dx2+dy2 که در اینجا x و y مختصه هاى دکارتى متداول صفحه اند و dx2 یعنى 2(dx). ریمان کشف کرد که تمام هندسه اقلیدسى صفحه نتیجه این تساوى ds2=dx2+dy2 است. این فرمول ریاضى را ریاضى پیشه ها متریک ریمانى مى نامند. در مورد سطح خمیده کره زمین این اصطلاح متریک به شکل ds2=R2cos2dldj درمى آید. که در اینجا R شعاع زمین، l عرض جغرافیایى و j طول جغرافیایى است.

Ds فاصله دو نقطه نزدیک روى سطح زمین است که عرض جغرافیایى آنها به اندازه dl و طول جغرافیایى آنها به اندازه dj فرق دارد. ضمناً این نکته بسیار مهم است که در این فرمول dj و dl باید بسیار کوچک باشند؛ اگر نه براى محاسبه فاصله باید از فرمولى پیچیده تر استفاده کرد.) تعمیم به ابعاد بیش از دو براى ریاضى پیشه اى مثل ریمان سرراست بود.

در 1908 هرمان مینکفسکى که زمانى در پلى تکنیک زوریخ استاد ریاضى اینشتین بود، کشف کرد که آنچه نسبیت خاص مى گوید در واقع این است که فضا و زمان موجودیت مستقلى ندارند. آنچه موجودیت مستقل دارد چیزى است که مینکفسکى آن را فضازمان نامید. مینکفسکى در واقع براى نسبیت خاص یک تعبیر هندسى کشف کرد: فضازمان یک پیوستار چاربعدى است و ساختار این پیوست ها تعمیمى است از چیزى که هندسه اقلیدسى مى نامیم. در واقع آنچه مینکفسکى کشف کرد این بود که اولاً عنصر بنیادى که در هندسه اقلیدسى نقطه است، در نسبیت خاص رویداد است، یعنى اتفاقى که در یک لحظه خاص در یک جاى خاص روى مى دهد- براى مشخص کردن یک نقطه در صفحه اقلیدسى باید x و y آن را داد؛ حال آنکه براى مشخص کردن یک رویداد در نسبیت خاص باید x، y، z و t آن را داد. ثانیاً مینکفسکى کشف کرد که تمام نسبیت خاص در واقع بیان این است که در این فضازمان قضیه اى شبیه قضیه فیثاغورث درست است که باعث مى شود بتوان فضازمان را مثل یک هندسه ریمانى در نظر گرفت، منتها با متریک شبه ریمانى ds2=dx2+dy2+dz2-c2dt2 که در آن c سرعت نور است (سرعتى که بنابر نسبیت خاص یکى از ثابت هاى طبیعت است، همان c اى که در E=mc2 ظاهر مى شود.) به دلیل علامت منفى در کنار dt2 است که به این متریک شبه ریمانى مى گویند.

اینشتین متوجه شد که گرانش یعنى اینکه متریک شبه ریمانى فضازمان به شکل ساده اى که در نسبیت خاص مى آید نیست. این گام که اینشتین برداشت گام بسیار سختى بود. اینشتین با نبوغ خود از اصل هم ارزى نتیجه گرفت که فضازمان خمیده است. اما این تازه شیوع نسبیت عام بود. اینشتین فهمید وجود ماده در فضا باعث مى شود متریک فضازمان عوض شود، اما چقدر و چگونه؟ براى یافتن پاسخ اینشتین مى بایست هندسه ریمانى فرا بگیرد. در این کار دوست ریاضى پیشه اش مارسل گرسمان (که اینشتین در 1905 پایانه نامه دکترایش را به او تقدیم کرده بود) به کمکش آمد. اینشتین از گرسمان هندسه یاد گرفت4، و توانست معادله هایى به دست آورد که با حل کردن آنها مى توان متریک را به دست آورد. این معادله ها که معادله هاى اینشتین نام دارند، مى گویند که وجود جرم و انرژى در فضا چگونه فضازمان را مى خماند. معادله هاى اینشتین بسیار پیچیده اند.

نتیجه هاى فیزیکى

یکى از نخستین حل هاى معادله اینشتین را فیزیک پیشه منجمى به نام کارل شوارتس شیلد به دست آورد.5 شوارتس شیلد متریک اطراف یک کره مثلاً اطراف یک ستاره را به دست آورد. این متریک که امروزه متریک شوارتس شیلد نام دارد، خاصیت بسیار عجیبى دارد: اگر شعاع ستاره از حدى کوچک تر شود، دیگر حتى نور هم از آن نمى تواند بیرون بیاید. در این حالت ستاره تبدیل به شىء عجیبى مى شود که سیاهچاله نام گرفته است. درک فیزیک سیاهچاله ها یکى از چالش هایى است که فیزیک پیشه ها بیش از نیم قرن است با آن دست و پنجه نرم مى کنند. امروزه تقریباً اکثر اخترفیزیک پیشه هاى فعال اعتقاد دارند که در دنیا از جمله در مرکز کهکشان راه شیرى سیاهچاله هست. بعد از تکمیل نسبیت عام اینشتین به این مسئله پرداخت که معادله هایى که نوشته چه چیزى براى کل جهان یا کیهان پیش بینى مى کنند. فرض هایى بسیار معقول و کلى براى کل کیهان کرد. مثلاً اینکه کیهان در مقیاس هاى بزرگ نه مرکز مرجحى دارد نه امتداد. مرجحى معادله ها را حل کرد و در کمال تعجب دید که حل ایستا ندارند: یا جهان در حال بزرگ شدن است یا در حال کوچک شدن، در گذشته اى متناهى از یک نقطه آغاز شده و ممکن است در آینده اى متناهى به یک نقطه بینجامد! از این حل خوشش نیامد. دستى در معادله هایش برد. جمله اى به آنها افزود. در این جمله ثابتى ظاهر مى شود که آن را ثابت کیهان شناختى نامگذارى کرد. اگر این ثابت که آن را با l نشان مى دهند، صفر باشد، معادله ها مى شوند همان معادله هاى قبلى اگر l مثبت باشد، جلوى انبساط عالم گرفته مى شود و اگر l منفى باشد، جهان به نحو فزاینده اى منبسط مى شود. چند سال بعد ادوین هابل منجم آمریکایى انبساط جهان را کشف کرد! پس از آن اینشتین گفت این افزودن جمله کیهان شناختى به معادله هایش بزرگ ترین اشتباه زندگى اش بوده. امروز یک نظریه بسیار موفق براى کیهان شناخت داریم موسوم به مدل استاندارد کیهان شناخت.6 یکى از سنگ هاى اصلى این بناى بسیار عظیم و زیبا نسبیت عام است.

 یک فیزیک دان ایرانی مقیم دانشگاه میسوری در کلمبیا هنگام بررسی نتایج نظریه نسبیت اینشتین روی ذراتی زیر اتمی که با سرعت زیاد در حرکتند موفق به کشف اثر تازه و شناخته نشده ای از سیاه چاله ها شده است.

سیاه چاله ها که در زمره ی عجیب ترین اجرام کیهانی به شمار می آید باز هم شگفتی آفریده اند و اخترشناسان را حیرت زده کرده اند. به نوشته ی هفته نامه ی علمی نیوساینتیست بهرام مشحون و همکارش کارمن چیکانک در دانشگاه میسوری در بررسی های علمی خود به این نکته پی برده اند که سیاه چاله ها می توانند نیروهای جزر و مدی عجیبی تولید کنند که بر ذرات با سرعت زیاد تاثیری متفاوت از ذرات با سرعت کم باقی می گذارد. این اثر پیشبینی نشده به این معناست که سیاه چاله ای که در مرکز کهکشان خود ما قرار دارد می تواند منبع پرتوهای کیهانی بسیار پرقدرت و نادری باشد که اخترشناسان تاثیر مخرب آنها را در جو زمین مشاهده کرده اند اما تاکنون نتوانسته اند توضیحی برای منشا شان پیدا کنند.

نیروهای جزر و مدی بر اساس نظریه ی نیوتونی هنگامی ظاهر می شوند که تاثیر نیروی جاذبه به واسطه ازدیاد فاصله کم می شود به عنوان مثال 2 ذره که در فواصل متفاوتی نسبت به یک سیاه چاله قرار دارند تحت تاثیر 2 نیروی مختلف قرار می گیرند و یکی از آنها که نزدیک تر است شتاب بیشتری پیدا می کند. اما توضیحی که از طریق فیزیک نیوتونی به دست می آید برای شرایطی که در نزدیک سیاه چاله ها برقرار است کفایت نمی کند. اخترشناسان از مدت ها قبل به این نکته پی برده بودند که در پلاسما(ماده در دما و فشار زیاد) که اطراف سیاه چاله ها در گردش است ذرات بنیادی و زیر اتمی با سرعت بسیار زیاد فراوانند.

مشحون و همکارش در تلاش محاسبه این امر بودند که این ذرات در میدان جاذبه قدرتمند سیاه چاله ها چگونه رفتار می کنند. این 2 فیزیکدان دریافتند که تاثیر میدان جاذبه سیاه چاله ها روی ذراتی که با سرعت کم در این میدان حرکت می کنند دقیقا به همان نحو است که فیزیک نیوتن پیشبینی می کند اما در مورد ذراتی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند نتایج به دست آمده کاملا خلاف انتظار بود. ذراتی که با سرعتی بیش از 70درصد سرعت نور300هزار کیلومتر در ثانیه حرکت می کنند رفتارشان تابع جهت حرکتشان است.

ذرات پرسرعتی که در امتداد محور چرخش سیاه چاله ها حرکت می کنند از شتاب حرکتشان نسبت به ذرات کند کاسته می شود اما ذرات تند سرعتی که در جهت عمود بر این محور سیر می کنند شتابی بسیار زیاد و انرژی حیرت انگیز و عظیم کسب می کنند.

نتایج بدست آمده به وسیله مشحون و همکارش شماری از رصد ها و مشاهدات توضیح ناپذیری را که اخترشناسان در گذشته انجام داده بودند قابل فهم ساخته است. از جمله این امور افشانه های بسیار پر قدرت از جنس ذرات زیر اتمی است که از قطب های اجرام کیهانی موسوم به((مایکروکازارها)) به بیرون پرتاب می شوند. تلقی خترشناسان آن است که مایکروکازارها سیاه چاله ها را درون خود پنهان ساخته اند. آنچه که موجب حیرت اخنرشناسان بود آن است که این ذرات پر انرژی دارای شتاب کاهش یابنده هستند. علاوه بر این از تحقیقات مشحون و همکارش چنین بر می آید که رویداد های حیرت انگیز دیگری نیز در جهات دیگر و هنگام حرکت ذرات پر شتاب رخ می دهد که هنوز مشاهده نشده است. به اعتقاد مشحون نیروهای جزر و مدی کند کننده تنها در زاویه55 درجه از محور یک سیاه چاله ظهور می یابد و تنها در این زاویه است که ذرات زیر اتمی شتاب منفی پیدا می کنند و از سرعتشان کاسته می شود. در همه جهت و زوایای دیگر حول این محور این نوع ذرات شتاب مثبت بدست می آورند و براساس نظریه اینشتین سرعت این ذرات می تواند تا سرعت نور بالا برود. اگر نظریه مشحون و همکارش درست باشد سیاه چاله هایی که در کهکشان ما قرار دارند دائما ذرات پر شتاب و پر سرعتی عمدتا از جنس پروتون را به بیرون پرتاب می کنند که انرژی شان هنگامی که به زمین می رسند بیش از1020الکترون ولت است. به گفته مشحون می توان نظریه پیشنهادی او و همکارش را با مقایسه رابطه میان جهت ورود پرتوهای کیهانی مافوق پرقدرت به جو زمین و موقعیت مایکروکازار ها در کهکشان راه شیری را مورد آزمایش قرار داد.

 یک محقق ایرانی در دانشگاه پنسیلوانیا به کمک یکی از همکارانش ، نشان داده است که می توان با استفاده از پرتوهای پلاسمایی اجسام را نامریی کرد.

ایده نامریی کردن اجسام تا چندی پیش تنها در سطح داستانهای تخیلی علمی نظیر «مرد نامریی» ، «چ جی ولز» مطرح بود اما «نادر انقطاع» و «آندرآ آلو» از دانشگاه پنسیلوانیا شیوه ای را پیشنهاد کرده اند که با استفاده از آن می توان با فناوریهای موجود، اجسام را تا حد زیادی غیر قابل رویت ساخت .

به اعتقاد فیزیکدان این روش کاربردهای متعددی در فناوری های نظامی مربوط به مخفی کردن و استتار اجسام خواهد داشت . در گذشته گروههایی از فیزیکدانان کوشیده بودند با روش موسوم به «روش آفتاب پرست» به استتار اشیا و اجسام دست یابند.

محققان دانشگاه توکیو نیز بر روی نوعی پارچه تحقیق می کنند که بر همین مبنا عمل استتار را انجام می دهد: در داخل این پارچه دانه هایی نظیر رشته تسبیح کار گذارده شده که می تواند صحنه ای را که برروی آن تابانده می شود منعکس سازد و جسمی را که این پارچه بر آن پوشانده شده نظیر بدن آفتاب پرست به رنگ محیط درآورد و به این ترتیب آن را نامریی سازد.

محقق ایرانی و همکارش با انجام محاسباتی نشان داده اند اجسام کروی یا استوانه ای که با این قبیل سپرها پوشیده شوند، عملا نور بسیار کمی از خود بازمی تابند. در عمل زمانی که این اجسام در معرض نور مریی قرار داده می شوند، نوری که از آنها به چشم می رسد آنقدر اندک است که عملا دیده نمی شوند.

یک محدودیت این فناوری آن است که هر سپر مخصوص تنها برای یک طول موج خاص کار می کند و به عنوان مثال جسمی که در زیر نور قرمز غیرقابل رویت شده اگر تحت پرتوهای به رنگ سبز یا آبی قرار گیرد قابل مشاهده خواهد بود. نکته دیگر آنکه سپر نامریی کننده زمانی عمل می کند که طول موج با تابیده شده نزدیک ابعاد خود جسم باشد. به این ترتیب در مورد نور مریی، از این سپر تنها برای مخفی کردن اجسام میکروسکوپی می توان استفاده به عمل آورد. اجسام بزرگتر تنها هنگامی از دید پنهان می شوند که پرتوهای با طول موج بلندتر به آنها تابیده شود. بنابراین با این فناوری نمی توان افراد یا خودروها را نامریی کرد.

اما انقطاع معتقد است که از این فناوری می توان در زمینه های دیگر نظیر تولید موادی که از برق زدن و درخشش اجسام جلوگیری می کنند استفاده به عمل آورد. این سپرها همچنین می توانند مانع از تاثیر نامطلوب نوری شوند که از اجسام ریز پراکنده می شود و به این ترتیب می توانند بازده میکروسکوپها را افزایش دهند. یک کاربرد دیگر این روش نامریی کردن ماهواره ها در فضا است.

 بنا بر فرضیه نسبیت اینشتین، که او آن را در سال 1905 میلادى ارائه کرد، ساعت هایى که به سرعت تغییر مکان داده مى شوند نسبت به ساعت هایى با ساخت همسان که در مکان ثابتى قرار گرفته اند، آهسته تر کار مى کنند. این پدیده که به صورت تحت اللفظى «کش آمدن زمان» نامیده مى شود، احتمالاً یکى از نتایج اعجاب برانگیز تئورى انقلابى اینشتین در مورد فضا و زمان است. اینکه مدت یک ثانیه، بایستى به سرعت حرکت خود ساعت بستگى داشته باشد، از لحاظ حسى، قابل تصور نیست و با تجارب همه روزه ما، همخوانى ندارد. با این وجود، «انبساط زمان» که در سال 1971 توسط ساعت هاى اتمى در داخل هواپیماهاى پر سرعت ثابت شد، یک واقعیت است. اما فیزیکدانان آلمانى درصدد برآمدند تا این موضوع را دقیق تر بررسى کنند.

قلب تپنده انستیتوى فیزیک هسته اى ماکس پلانک، یک دستگاه شتاب دهنده ذرات است که در مکانى به بزرگى جایگاه نگهدارى هواپیماها قرار گرفته است. «گیدو زاتهوف» که به هنگام کار ترانسفورماتورها و دستگاه هاى تولیدکننده خلاء به زحمت مى توانست صداى خود را به گوش ما برساند، گفت: «داستان از اینجا آغاز مى شود. ما اینجا یک قفس فارادى داریم که درون آن یک منبع یونى جاى گرفته است.»

این فیزیکدان متخصص به تانکى نارنجى رنگ و به شکل یک سوسیس بسیار بزرگ اشاره مى کند و مى افزاید: «در درون این محفظه، یک جریان الکتریکى فشار قوى، یون هاى عنصر لیتیم را تحریک کرده و به میزان 19 هزار کیلومتر در ثانیه به شتاب در مى آورد. این سرعت که یک ششم سرعت نور است براى گردش هر 2 ثانیه یکبار یون ها به دور زمین کفایت مى کند.»

بر اساس فرضیه نسبیت اینشتین، بایستى ساعت درونى ذرات پرسرعت یون ها نسبت به ساعت مچى زاتهوف آهسته تر کار کند. به گفته او: «بر اساس نظریه اینشتین، تقریباً 002/1 مرتبه آهسته تر. یعنى 002/0 ثانیه آهسته تر از ساعت هاى آزمایشگاه و ما مى توانیم به وسیله اسپکتروسکوپ لیزرى این فاکتور را تا رقم دهم بعد از ممیز نیز دقیقاً محاسبه کنیم.»

سفر یون هاى لیتیم در سالن جانبى انستیتوى ماکس پلانک خاتمه مى یابد. در این محل مغناطیس هاى قوى، این یون ها را وادار مى کنند تا در مدارى دایروى حرکت کنند. این لوله دایره مانند آلومینیومى، 55 متر درازا دارد و در درون آن، یون ها با شتاب 330 هزار دور در ثانیه در حرکتند. به علت زیاد بودن تعداد سیم پیچ ها، کابل ها و دیگر وسایل الکترونیکى، به زحمت مى توان این لوله خالى از هوا را دید.

زاتهوف در ادامه مى گوید: «این ذرات، خود به عنوان یک ساعت کار مى کنند. به این صورت که آنها مى توانند نوسان داشته باشند. کار یک ساعت همیشه بر پایه یک سیستم نوسان کننده است. در یک ساعت پاندول دار، پاندول ساعت است که نوسان مى کند و در یک ساعت کوارتز، کریستال کوارتز، این حرکت را انجام مى دهد. اتم ها و الکترون هاى درون آنها نیز مى توانند نوسان داشته باشند. این ذرات، در مقایسه با یک کریستال کوارتز با سرعت بیشترى نوسان مى کنند. همین امر این اجازه را به ما مى دهد که بتوانیم زمان را با دقت بسیارى بسنجیم.»

فیزیکدانان براى محاسبه این زمان از اشعه لیزر استفاده مى کنند. به این ترتیب، پژوهشگران پوشش الکترونى یون هاى شتابدار لیتیم را هدف قرار داده و آنها را براى نوسانات مشخصى تحریک مى کنند. در این حالت یون هاى مزبور نور فلوئورسانس از خود متساعد مى سازند که نشان دهنده آن است که ساعت درونى آنها با چه سرعتى در حال کار کردن است.

در زیرزمین موسسه ماکس پلانک، زیر نورى ضعیف و در پس یک پرده پلاستیکى سیاه رنگ، یک میز به بزرگى میز پینگ پونگ قرار دارد. 3 دستگاه بزرگ لیزر و شمار زیادى عدسى و آینه، بر این میز جاى گرفته اند. تنها سوار کردن این سیستم دقیق نورى 3 سال تمام زمان نیاز داشت.

تاکنون کارشناسان آلمانى موفق شده اند فرمول اینشتین را با دقت 10 رقم بعد از ممیز نیز تائید کنند. اما آنها قصد دارند به زودى این آزمایش ها را با دستگاه قوى ترى در شهر «دارمشتات» به انجام برسانند.

 نمونه های اولیة رایانه های کوانتومی که از ذرات اتمی و زیر اتمی برای انجام محاسبات خود استفاده می کنند، عجایب آزمایشگاهی هستند و با شلیک طیف خاصی از لیزر به درون کریستالهای خاص، به آزمایش مایع درون دستگاه تولید MRI پزشکی می پردازند.

رایانه های کوانتومی می توانند در حل مسائل بزرگی مانند شکستن کدهای رمزی به صورت اعجاب انگیزی سریع باشند. امــا این نوع رایانه ها عمدتا در حد تئـوری باقی مانده اند. به همین دلیل پژوهشگران روش های مختلفی را آزمایش می کنند تا ببینند که آیا امکان ساخت آنها هست یا خیر.

پژوهشگران دانشگاه استانفورد و دانشگاه کیو(Kieo )در ژاپن، در تلاش برای ساخت وسایل کوانتومی کاملاً مشابه با رایانه های معمولی و کلاسیک هستند. این تیم با هدف ساختن رایانه های کوانتومی، به طور کامل از مواد متعارف مورد استفاده در رایانه ها- سیلیکون- استفاده می کنند.

تادیوس لاد، یکی از پژوهشگران دانشگاه استانفورد گفت:"" طراحیهــای مبتنی بر سیلیکون بســــیار شگفت انگیزند، زیرا همة مهندسین در طی بیش از 40 سال گذشته، فناوری سیلیکون را دنبال کرده اند.،،

رایانه های کوانتومی برای نشان دادن بیت های اطلاعاتی، ذرات اتمی یا زیر اتمی کیوبیتها را به کار می برند. هستة هر اتم می نواند همانند یک آهنربای کوچک عمل کند، و بسته به اینکه میدان مغناطیسی در چه جهتی قرار گیرد، صفر یا یک را نشان می دهد. رایانه های موجود، از وجود یا عدم وجود جریان الکـتـریـکـی حـاصـل از تـرانزیــستــورهـا برای نشان دادن یک ها و صفرهای اطلاعات دیجیتالی استفاده می کنند. هنگامی که یک اتم از محیطش جدا می شود، هسته در حالت کوانتومی غیر طبیعی ابر موقعیت ((Super Position قرار می گیرد. بــدین مـعنـی کـــه در آمیزه ای از تمام شرایط ممکن قرار می گیرد. یک کیوبیت در حالت ابــر موقـعـیـت مخلوطی از 1 و 0 است، و رشته ای از کیوبیت ها در حالت ابر موقعیت می تواند هر ترکیبی از یک ها و صفرها را به طور همزمان نشان دهد.

قدرت یک رایانه کوانتومی ناشی از توانایی آن برای کنترل و ارائة همزمان ترکیبات عددی مختلف جهت دستیابی بـه کـدهای رمــز است. در صورتی که رایانـه های فـعلـی در هر زمان فقط یک پاسخ را کنترل می کنند. لذا یک رایانه کوانتومی کار بسیاری از رایانه ها را انجام می دهد.

پـــژوهشگــران در بــزرگتـرین نــمــونــه رایـانـه کـوانـتــومی کـه تا کنون ساخته شده، از فناوری رزونانس مغناطیس هسته ای ( NMR ) مایع برای دستکاری هفت کیوبیت استفاده کردند. NMR که دارای فناوری ورای دستگاه های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI ) است از میدان های مغناطیسی و امواج رادیویی برای تغییر و اندازه گیری هسته های اتمی در مولکول های تشکیل دهندة مایع استفاده می کند. با این وجود، پژوهشگران عموماً معـتقدند کـه رایـانــه های کوانتومی NMR مایع نمی توانند بزرگتر از 10 کیوبیت ساخته شوند، زیرا قدرت سیگنال های رادیویی حاصل از کیوبیت ها در مـقـایـسـه بـا سیگنـال ناخواستة هر کیوبیت اضافی، به صورت تصاعدی کاهش می یابد. یک رایانــه کـوانــتـومـی بــرای استفاده از تـوانایی های عظیم خود باید شامل هزاران یا میلیون ها کیوبیت باشد. رایانه های کلاسیک امروزی شامل میلیون ها ترانزیستور هستند.

طرح پژوهشگران دانشگاه های استانفورد و کیو از فناوری NMR نیز استفاده می کند، اما به شکل جامد. طرح آنها به این صورت است که به جای اتم های سیلیکون از ایزوتوپ سیلیکون 29 استفاده کنند، زیرا در سیلیکون 29 هسته ها همانند آهنربا عمل می کنند در حالی کــه سیلیکون مـعمـولی چنیـــن نیست. هسته های ایزوتوپ سیلیکون 29 مشکل سیگنال های ناخواسته را کاهش می دهد. چالش دیگری که در ساخت رایانه های کوانتومی وجود دارد، حفاظت کیوبیت ها از شرایط شکننده است. انرژی محیط اطراف می تواند کیوبیت ها را نابسامان کند و باعث تفرق(Decoherence) آنها شود. لاد گفت که تفرق شبـیــه حالتی است کـــه یـک رأس در حال گردش ( Spinning Top) از بین رفته یا آسیب می بیند. کیوبیتی که به مدت طولانی تری منسجم باقی بماند، باعث می شود که رایانه کوانتومی عملیات بیشتری را انجام دهد. طرح سیلیکون جایگزین شده، مسأله عدم انسجام و تفرق و همچنین محافظت از هسته های مغناطیسی را مـورد توجه قرار می دهد و باعث پایدار شدن شرایط کوانتومی می شود.

طرح این پــژوهشگــران نیازمند بــه کارگیــری رشته ای از هسته های سیلیکون 29 برای تشکیل یک کیوبیت است. لاد می گوید: "" اگر ویفرهای سیلیکونی موجود شکسته شوند ساختار کریستالی لبه ها، پله هایی را تشکیل می دهد و اتم های سیلیکون 29 بر روی این لبــه ها نشستــه و بـه گـوشــه هـای این پله ها حرکت می کنند و زنجیره هایی را ایجاد می کند. اندازه گیری جهت مغناطیسی زنجیره های حاوی فقط چند صد هستــة اتمی در مقایسه با گروههایی شامل میلیاردها هستة اتمی در مولکولهای مایع کار مشکلی است، بطوریکه چنین خاصیت مغناطیسی تا کنون اندازه گیری نشده است.،،

این پژوهشگران برای اندازه گیری و کنترل این زنجیره های کیوبیتی، آنها را در میدان های مغناطیسی با قدرتهای مختلف قرار می دهند و هر زنجیر به فرکانس رادیویی متفاوتی پاسخ می دهد. یعنی اصولاً هر کیوبیت، کانال رادیویی مخصوص به خود دارد. لذا با تنظیم فـرکانس امــواج رادیـویی با یک آنتن می تـوان آن را برای هر هسته تنظیم کرد. این سیگنال های فرکانس رادیویی می توانند هسته ها را به هر طریق که ما بخواهیم بچرخانند.

این رایانه های کوانتومی عملیات های منطقی را از طریق مراحل پیچیدة چرخش انجام می دهند. این طرح، او لین طــرح پـیـشنهـاد شده برای ساخت رایانه های کوانتومی از سیلیکون نیست. بروس کان، پژوهشگر دانشگاه مریلند، طرحی را برای ساخت کیوبیت ها از اتم های فسفر که در فواصل معینی از یک تراشه سیلیکونی گنجانده شده اند ابداع کرده است. لاد گفت، کیوبیت های این طرح از نظر تفرق مشکل کمتری دارند و احتمالاً حتی برای خواندن اطلاعات نیز از همة روش های سیلیکونی که پژوهشگران به کار می برند مناسبتر باشند.

بنا بر اظهار نظر لاد، در دراز مدت ممکن است که طرح کا ن دارای آیندة بهتری باشد، زیرا این احتمال بیشتر وجود دارد که برای ساخت رایانه های کوانتومی قابل استفاده، نیاز به تولید دستگاه هایی شود که دارای هزاران یا میلیون ها کیوبیت هستند. تفاوت عمده در آن است که رایانه های ما در مدت کوتاه تری قابل حصول و واقع بینانه تر هستند، در حالی که رایانه های کان از دسترس دورتر و بنابراین غیر متحمل تر هستند.

بنا به اظهارات لاد، طرح پژوهشگران دانشگاه های استانفورد و کیو جالب توجه است و شاید عملی ساختن آن از انواع دیگر رایانه های کوانتوم سیلیکونی آسان تر باشد. اما استفاده از تعداد زیادی کیوبیت در آن مقدور نیست.

ایلی یابلونویچ، استاد مهندسی الکترونیک دانشگاه کالیفرنیا، لوس آنجلس می گوید: که کار این پژوهشگران ممکن است برخی از مسائل رایانه های مــوجـود را حـل کند. وی گفت که به کارگیری رشتــه هایی از هسته های سیلیکونی ممکن است نسبت به استفاده از مایعات، دارای برتری های زیادی باشد.

با وجـود این، سـرعـت ایـن فـنـاوری کـمـتر از یک کیلو هرتز در ساعت باقی می ماند. مـیـدان هـای مـغـنـاطیــسـی بـاعـث رزونـانس هسته های اتـمی در فــرکــانس هـای نسبتاً پایـیـن و کـاهش ســرعت انـــجـام فرامــین می شوند. سیگنال های رادیــویـی کــه بـرای کنـتـرل کیوبیت ها به کار برده شده اند باید با فرکانس رزونانس پایین آنها هماهنگ شوند.

بــه همین خاطر، دیگر تیم های پژوهشی به جای کار با هسته های اتمی در حال کار با الکـتـرون هـا هستند. یابلونویچ می گوید: این نوع از رایانه های کوانتومی سیلیکونی بسیاری از مـزایای رایانــه های نوع دیگر را داشته و عـلاوه بـر آن دارای سرعت یک گیگاهرتز در ساعت هستند. الکترون ها نیز همانند هسته ها مانند آهنرباهای کوچکی عمل می کنند اما آنها را می توان با پالس های فوق سریع نور لیزر دستکاری کرد. مانعی کــه بـرای بـه کارگیری الکترون ها وجود دارد این است که شرایط کوانتومی آنها در مقایسه با شرایط کوانتومی دوام کمتری دارد.

لاد می گوید: کـــه تخمین این کــه توسعـة کامل رایانه های کـوانــتــومی تــا چـه مدت زمـانــی به طــول خـواهد انـجـامـیـد مشکل است اما با یک حساب سرانگشتی، این امر احتمالاً در طی 20 سال آینده میسر خواهد شد.

نوشته : آقای دکتر نادر ریاحی عالم، عضو هیئت علمی دانشگاه علوم پزشکی تهران, گروه فیزیک پزشکی