نوبل فیزیک ۲۰۲۵
آشکارسازی رفتار کوانتومی در مقیاس انسانی
جایزه نوبل نماد یکی از والاترین افتخارات برای دستاوردهای فکری است که هر سال به افرادی اهدا می‌شود که بیشترین فایده را به بشریت رسانده‌اند. با اعلام جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۵، یک دستاورد بنیادی که پلی بین جهان مرموز کوانتومی و تجربه روزمره ماست، به رسمیت شناخته شد.
به گزارش گروه رسانه‌ای شرق،
مقدمه: اعتبار جایزه نوبل و یک دستاورد تحول‌آفرین
جایزه نوبل نماد یکی از والاترین افتخارات برای دستاوردهای فکری است که هر سال به افرادی اهدا می‌شود که بیشترین فایده را به بشریت رسانده‌اند. با اعلام جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۵، یک دستاورد بنیادی که پلی بین جهان مرموز کوانتومی و تجربه روزمره ماست، به رسمیت شناخته شد. برندگان امسال -جان کلارک، میشل ایچ. دووره و جان ام. مارتینیس- آزمایش‌های پیشگامی انجام دادند که رفتار مکانیک کوانتومی را در سامانه‌ای به اندازه‌ای بزرگ که بتوان در دست نگه داشت، نشان داد و فرضیات دیرینه درباره مقیاس بروز اثرات کوانتومی را به چالش کشید. کار آنها که در میانه دهه ۱۹۸۰ انجام شد؛ از آن زمان راه را برای فناوری‌های انقلابی از‌جمله رایانه‌های کوانتومی و حسگرهای فوق‌حساس کوانتومی هموار کرده و بالقوه نویدبخش یک انقلاب فناورانه جدید بر‌اساس ویژگی‌های عجیب جهان کوانتومی است. این نوشتار به بررسی خاستگاه جایزه نوبل، تشریح تحقیق برنده جایزه در مورد پدیده‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس، توضیح مفاهیم علمی ضروری برای نامتخصصان، بررسی اهمیت ژرف این دستاورد و معرفی دانشمندان پیشگام پشت این کار تحول‌آفرین می‌پردازد.
خاستگاه و تحول جایزه نوبل آلفرد نوبل؛ مرد پشت این جایزه
داستان جایزه نوبل با آلفرد نوبل (۱۸۳۳-1896) آغاز می‌شود؛ یک شیمی‌دان، مهندس و مخترع سوئدی که مشهورترین اختراعش -دینامیت- به طریقی متناقض، بنیان جایزه صلح را بنا نهاد. نوبل که در استکهلم به دنیا آمده بود، مخترعی درخشان بود که از طریق ۳۵۵ اختراع خود ثروت هنگفتی به دست آورد که دینامیت موفق‌ترین آنها از نظر تجاری بود.
وصیت‌نامه نهایی نوبل و برپایی جوایز
در ۲۷ نوامبر ۱۸۹۵، نوبل آخرین وصیت‌نامه خود را در باشگاه سوئد-نروژ در پاریس امضا و مشخص کرد که بخش عمده ثروت درخور توجهش -حدود ۳۱ میلیون کرون سوئد- باید به یک صندوق تبدیل و در «اوراق بهادار مطمئن» سرمایه‌گذاری شود. سود سالانه این صندوق باید «به صورت جایزه به کسانی اعطا می‌شد که در سال قبل، بزرگ‌ترین سود را به بشریت رسانده باشند».
وصیت‌نامه نوبل پنج دسته جایزه اصلی را مشخص کرده بود:
فیزیک: اعطاشده توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد
شیمی: اعطاشده توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد
فیزیولوژی یا پزشکی: اعطاشده توسط مجمع نوبل در مؤسسه کارولینسکا
ادبیات: اعطاشده توسط آکادمی سوئد
صلح: اعطاشده توسط کمیتهای منتخب از مجلس نروژ
در سال ۱۹۶۸، سوئیس ریسک‌بانک -بانک مرکزی سوئد- جایزه علوم اقتصادی به یادبود آلفرد نوبل را تأسیس کرد که اگرچه به‌طور فنی یک جایزه نوبل نیست، اما همراه با جوایز اصلی اداره می‌شود و اعتبار مشابهی دارد.
اجرا و گسترش
پس از مرگ نوبل در ۱۰ دسامبر ۱۸۹۶، اجرای وصیت‌نامه او با موانع درخور توجهی از‌جمله شکایت بستگان و چالش‌های قانونی مواجه شد. تأسیس بنیاد نوبل در سال ۱۹۰۰ چندین سال زمان برد و اولین جوایز نوبل سرانجام در سال ۱۹۰۱، در پنجمین سالگرد درگذشت او اعطا شد. امروزه، هر جایزه نوبل شامل یک مدال طلایی با روکش طلای سبز، یک دیپلم و یک جایزه نقدی است که در سال ۲۰۲۵ مقدار آن ۱۱ میلیون کرون سوئد معادل حدود ۱.۲ میلیون دلار آمریکاست.
جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵: پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپی یا بزرگ‌مقیاس
دستاورد برنده جایزه
آکادمی سلطنتی علوم سوئد، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵ را به جان کلارک، میشل ایچ. دووره و جان ام. مارتینیس «برای کشف تونل‌زنی [مکانیک] کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی یا بزرگ‌مقیاس و انرژی کوانتیده در یک مدار الکتریکی» اهدا کرد. در آزمایش‌های تحول‌آفرین آنها که در سال‌های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵ در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی انجام شد، این سه نفر نشان دادند که ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی - که پیش از این تصور می‌شد فقط در حیطه اتم‌ها و ذرات زیراتمی عمل می‌کنند - می‌توانند در سامانه‌ای به اندازه‌ای بزرگ که بتوان در دست نگه داشت، ظاهر شوند. کار آنها به یک پرسش بنیادی در فیزیک پاسخ داد: یک سیستم یا سامانه تا چه اندازه می‌تواند بزرگ باشد و همچنان اثرات مکانیک کوانتومی را نمایش دهد یا از خود بروز دهد؟ عرف دانشی رایج بر این باور بود که رفتار کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ‌تر ناچیز شده و با برهمکنش‌های محیطی «شسته می‌شود». برندگان با ایجاد یک مدار الکتریکی ابررسانا که دو پدیده نمادین کوانتومی را در مقیاسی ماکروسکوپی یا بزرگ‌مقیاس نشان می‌داد، این فرض را به چالش کشیدند: تونل‌زنی کوانتومی و انرژی کوانتیده.
موفقیت تجربی
برندگان طرح آزمایشی خود را با استفاده از «ابررساناها» -موادی که وقتی تا دمای بسیار پایین سرد شوند، می‌توانند الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی هدایت کنند- ساختند. آنها مداری با دو ابررسانا که توسط یک لایه نازک عایق از هم جدا شده بودند، ایجاد کردند؛ پیکربندی که به‌عنوان اتصال جوزفسون شناخته می‌شود. در آزمایش آنها، سیستم یا سامانه در یک «حالت صفر ولتاژ» شروع به کار کرد که در آن جریان بدون هیچ ولتاژ الکتریکی جریان داشت؛ شرایطی که منحصر به ابررساناهاست. سیستم به‌طور مؤثری در این حالت به دام افتاده بود، گویی پشت یک مانع انرژی است که از نظر فیزیک کلاسیک نباید بتواند از آن عبور کند. بااین‌حال، از طریق پدیده تونل‌زنی کوانتومی، سیستم می‌توانست گهگاه از این حالت «فرار کند» و یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری تولید کند. برای تشخیص این رفتار کوانتومی، پژوهشگران جریان ضعیفی را به اتصال جوزفسون تزریق کردند و اندازه‌گیری کردند که چقدر طول می‌کشد تا ولتاژی ظاهر شود؛ زیرا سیستم از حالت صفر ولتاژ تونل می‌زد. از آنجا که مکانیک کوانتومی شامل یک عنصر شانس است، آنها مجبور بودند اندازه‌گیری‌های متعددی انجام دهند و نمودارهای آماری ترسیم کنند؛ مشابه نحوه اندازه‌گیری فیزیک‌دانان از نیمه عمر اتم‌های پرتوزا. در تأیید بیشتر رفتار کوانتومی، برندگان نشان دادند که سیستم ماکروسکوپی آنها ترازهای انرژی کوانتیده را نشان می‌دهد؛ فقط می‌توانست انرژی را در مقادیر خاص و گسسته (کوانتیده) جذب یا منتشر کند، درست مانند اتم‌های منفرد یا ذرات زیراتمی. هنگامی‌که آنها ماکروویوهایی با طول موج‌های مختلف معرفی کردند، سیستم فقط بسامدهای خاصی را جذب می‌کرد که باعث می‌شد به سطوح انرژی بالاتر بپرد؛ شواهدی روشن از رفتار کوانتومی در مقیاسی به‌مراتب بزرگ‌تر از آنچه قبلا مشاهده شده بود.
مفاهیم علمی ضروری برای درک این دستاورد
مکانیک کوانتومی: فیزیک در مقیاس بسیار کوچک
مکانیک کوانتومی شاخه‌ای از فیزیک است که رفتار ماده و انرژی را در مقیاس اتمی و زیراتمی توصیف می‌کند. برخلاف فیزیک کلاسیک که پیش‌بینی‌های قطعی در مورد اشیایی مانند توپ بیسبال و سیارات ارائه می‌دهد، مکانیک کوانتومی با احتمالات و پدیده‌های عجیبی سروکار دارد که با شهود روزمره در تضاد هستند. دو مفهوم کلیدی کوانتومی برای درک کار برندگان ضروری است: تونل‌زنی کوانتومی و انرژی کوانتیده.
تونل‌زنی کوانتومی: گذر از موانع
در تجربه روزمره ما، اگر توپی به دیوار پرتاب کنید، به عقب برمی‌گردد. در جهان کوانتومی، بااین‌حال، یک ذره احتمال ظاهر‌شدن در طرف دیگر یک مانع را دارد، گویی از درون یک تونل خیالی عبور کرده است. این پدیده که «تونل‌زنی کوانتومی» نامیده می‌شود، از طبیعت موج‌گونه ذرات در مکانیک کوانتومی ناشی می‌شود. یک مثال کلاسیک از تونل‌زنی کوانتومی، واپاشی رادیواکتیو یا پرتوزا است؛ جایی که ذرات با وجود مواجهه با موانع انرژی که طبق فیزیک کلاسیک ناممکن است از آن عبور کنند، از هسته اتمی فرار می‌کنند. احتمال تونل‌زنی به ویژگی‌های مانع بستگی دارد؛ موانع نازک‌تر اجازه تونل‌زنی چندباره را می‌دهند. تونل‌زنی کوانتومی فقط یک کنجکاوی نظری نیست، بلکه نقش مهمی در همجوشی هسته‌ای در ستارگان، واپاشی پرتوزایی و دستگاه‌های الکترونیکی مدرن ایفا می‌کند.
ابررسانایی و جفت‌های کوپر
ابررسانایی زمانی رخ می‌دهد که مواد خاصی تا دمای بسیار پایین سرد شده و تمام مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. در این حالت، الکترون‌ها چیزی تشکیل می‌دهند که جفت‌های کوپر نامیده می‌شوند که می‌توانند بدون پراکندگی یا از دست دادن انرژی از درون ماده حرکت کنند. برخلاف الکترون‌های منفرد که هویت متمایز خود را حفظ می‌کنند، جفت‌های کوپر به‌طور جمعی رفتار می‌کنند. در یک ابررسانا، تمام جفت‌های کوپر را می‌توان با یک تابع موج واحد -یک توصیف ریاضی که کل سیستم را در‌بر می‌گیرد- توصیف کرد. این رفتار جمعی به این معناست که تعداد زیادی از ذرات (معمولا حدود 10 به توان 20 (یعنی یک- جلوی آن 20 تا صفر) جفت کوپر) می‌توانند به‌عنوان یک موجودیت کوانتومی واحد عمل کنند که این امر باعث امکان بروز اثرات کوانتومی در مقیاس‌های بسیار بزرگ‌تر می‌شود.
اتصالات جوزفسون: پل‌هایی بین ابررساناها
یک اتصال جوزفسون از دو ابررسانا تشکیل شده که توسط یک مانع عایق نازک (معمولا فقط یک تا دو نانومتر ضخامت) از هم جدا شده‌اند. به‌رغم این جدایی فیزیکی، جفت‌های کوپر می‌توانند از طریق مانع تونل بزنند و همدوسی کوانتومی بین مناطق ابررسانا را حفظ کنند. برایان جوزفسون در سال ۱۹۶۲ پیش‌بینی کرد که این اتصالات پدیده‌های کوانتومی منحصربه‌فردی از‌جمله جریان بدون ولتاژ و روابط دقیق بین ولتاژ و بسامد را نشان خواهند داد.
اهمیت و کاربردهای این پژوهش اهمیت علمی بنیادی
کار کلارک، دووره و مارتینیس یک دستاورد برجسته در فیزیک بنیادی است که شواهد تجربی ارائه می‌دهد که «رفتار کوانتومی» به قلمرو میکروسکوپی یا ریزمقیاس محدود نیست. پژوهش آنها به پرسش‌های عمیق درباره مرز بین جهان کوانتومی و کلاسیک پرداخت و نشان داد که تحت شرایط مناسب، اثرات کوانتومی می‌توانند در سامانه‌های متشکل از تریلیون‌ها ذره پایدار بمانند.
آزمایش‌های برندگان با «آزمایش فکری معروف اروین شرودینگر» درباره گربه‌ای که می‌توانست به‌طور هم‌زمان هم زنده و هم مرده باشد، مقایسه شده است؛ سناریویی که برای برجسته‌کردن پوچی ظاهری اعمال برهم‌نهی کوانتومی بر اشیا‌ی روزمره در نظر گرفته شده بود. درحالی‌که سامانه‌ای که برندگان نوبل 2025 استفاده کرده‌اند به‌مراتب کوچک‌تر از یک گربه است، گامی مهم را به سوی جهان ماکروسکوپی نشان می‌دهد و نیز نشان می‌دهد که حالت‌های جمعی کوانتومی واقعا می‌توانند در سامانه‌های در مقیاس انسانی اندازه‌گیری و کنترل شوند.
امکان‌پذیر‌کردن فناوری‌های کوانتومی
شاید تأثیرگذار‌ترین پیامد این پژوهش در کاربردهای عملی آن، به‌ویژه در توسعه «فناوری‌های اطلاعات کوانتومی» نهفته باشد:
رایانش کوانتومی: ترازهای انرژی کوانتیده نشان داده‌شده در آزمایش‌های برندگان، اساس «کیو بیت‌ها» یا «بیت‌های کوانتومی» را تشکیل می‌دهند؛ بلوک‌های سازنده اساسی رایانه‌های کوانتومی. جان مارتینیس بعدها این اصول را در کارش در گوگل به کار برد؛ جایی که تیمی را رهبری کرد که در سال ۲۰۱۹ ادعای «برتری کوانتومی» کرد؛ نشان‌دادن یک رایانه کوانتومی که می‌توانست یک مسئله خاص را به‌مراتب سریع‌تر از ابررایانه‌ترین قدرتمند جهان حل کند.
حسگرهای کوانتومی: مدارهای کوانتومی ابررسانا امکان توسعه حسگرهای فوق‌حساس برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی، جریان‌های الکتریکی و سایر کمیتهای فیزیکی را فراهم می‌کنند. این حسگرها کاربردهایی در تصویربرداری پزشکی (مانند مگنتوانسفالوگرافی)، اکتشافات زمین‌شناسی و پژوهش علمی بنیادی دارند.
رمزنگاری کوانتومی: اصول نشان داده‌شده در این پژوهش، به توسعه روش‌های رمزگذاری غیرقابل شکست مبتنی بر مکانیک کوانتومی کمک می‌کند که می‌تواند ارتباطات امن را در آینده متحول کند.
تأثیر بر فناوری‌های تثبیت‌شده
فراتر از کاربردهای آینده‌نگرانه، درک پدیده‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس به افزایش فناوری‌های موجود کمک کرده است. همان‌طور که جان کلارک در زمان اعلام جایزه اشاره کرد: «من با تلفن همراهم صحبت می‌کنم و گمان می‌کنم شما نیز همین کار را می‌کنید و یکی از دلایل زیربنایی که باعث کارکرد تلفن همراه می‌شود، همه این کارهاست». مکانیک کوانتومی از قبل مبنای تمام فناوری دیجیتال، از ترانزیستورها در تراشه‌های رایانه‌ای تا لیزرها در ارتباطات فیبر نوری است و این پژوهش توانایی ما را برای بهره‌گیری از اثرات کوانتومی برای اهداف عملی عمیق‌تر کرده است. کار برندگان چیزی ایجاد کرده است که فیزیک‌دانان آن را یک «اتم مصنوعی» در مقیاس بزرگ‌مقیاس می‌نامند؛ سامانه‌ای با حالت‌های انرژی کوانتیده که می‌تواند به دقت کنترل و به مدارهای دیگر متصل شود. این امر امکانات جدیدی برای شبیه‌سازی سامانه‌های کوانتومی پیچیده و آزمایش نظریه‌های بنیادی فیزیک به روش‌هایی که با اتم‌های طبیعی ممکن نیست، باز کرده است.
برندگان جایزه نوبل فیزیک جان کلارک
جان کلارک در سال ۱۹۴۲ در کمبریج بریتانیا به دنیا آمد. او در سال ۱۹۶۸ مدرک دکترای خود را از دانشگاه کمبریج دریافت کرد؛ سپس به دانشگاه کالیفرنیا، برکلی نقل‌مکان کرد؛ جایی که به‌عنوان استاد مشغول شد و یک گروه پژوهشی در زمینه ابررساناها و اتصال جوزفسون تأسیس کرد. کلارک به‌عنوان رهبر گروه پژوهشی که آزمایش‌های برنده جایزه در آن انجام شد، تخصص بنیادی و محیط آزمایشگاهی را فراهم کرد که باعث امکان‌پذیر‌شدن این اکتشافات شد. کلارک پس از آگاهی از جایزه نوبل خود، ابراز کرد که کاملا شوکه شده و گفت که هیچ‌وقت به ذهنم خطور نکرده بود پژوهش‌هایم ممکن است مبنای یک جایزه نوبل باشد. او سخاوتمندانه همکارانش را مورد تقدیر قرار داد و گفت سهم آنها به سادگی قاطعانه بوده است.
میشل ایچ. دووره
میشل ایچ. دووره در سال ۱۹۵۳ در پاریس فرانسه به دنیا آمد. او در سال ۱۹۸۲ مدرک دکترای خود را از دانشگاه پاری-سود دریافت کرد و سپس به‌عنوان پژوهشگر پسادکتری به آزمایشگاه جان کلارک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پیوست. دووره بینش‌های نظری پیچیده‌ای به کار تجربی آورد و به طراحی و تفسیر آزمایش‌های تحول‌آفرین کمک کرد. دووره در حال حاضر استاد دانشگاه ییل و دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا‌ست و به‌عنوان دانشمند ارشد گوگل کوانتوم ای‌آی خدمت می‌کند. کار او هم پژوهش دانشگاهی و هم کاربردهای عملی فناوری‌های کوانتومی را در‌بر می‌گیرد.
جان ام. مارتینیس
جان ام. مارتینیس در سال ۱۹۵۸ به دنیا آمد و در طول آزمایش‌های محوری سال‌های ۱۹۸4-۱۹۸5 دانشجوی دکترا در گروه پژوهشی جان کلارک بود. او در سال ۱۹۸۷ مدرک دکترای خود را از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی دریافت کرد و اکنون استاد دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا‌ست. مارتینیس بیش از همه اکتشافات بنیادی را به کاربردهای عملی تبدیل کرده است. او تا سال ۲۰۲۰ رهبری آزمایشگاه هوش مصنوعی کوانتومی گوگل را بر عهده داشت و تیمی را رهبری کرد که در سال ۲۰۱۹ برتری کوانتومی را نشان داد. کار او نشان‌دهنده خط مستقیمی از پژوهش‌های بنیادی در مورد پدیده‌های کوانتومی بزرگ‌مقیاس تا توسعه سیستم‌های رایانش کوانتومی عملیاتی است.
نتیجه‌گیری: میراثی از الهام علمی
جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ از کاری تقدیر می‌کند که درک ما از اینکه مکانیک کوانتومی در کجای جهان ما یا گیتی ما عمل می‌کند، به‌طور اساسی گسترش داده است. کلارک، دووره و مارتینیس پشتکار و خلاقیتی فوق‌العاده در طراحی آزمایش‌هایی را نشان دادند که می‌توانست رفتار کوانتومی را در یک سیستم در مقیاس انسانی آشکار کند و بر چالش‌های فنی بزرگ مربوط به محافظت از دستگاهشان در برابر تداخل محیطی غلبه کند. دستاورد آنها نمونه‌ای از این است که چگونه پژوهش بنیادی، که با کنجکاوی درباره عمیق‌ترین اصول طبیعت هدایت می‌شود، در نهایت می‌تواند به فناوری‌های تحول‌آفرین منجر شود. همان‌طور که کمیته نوبل اشاره کرد: «این فوق‌العاده است که بتوانیم نحوه ارائه مداوم شگفتی‌های جدید توسط مکانیک کوانتومی با وجود بیش از یک قرن قدمت را جشن بگیریم. همچنین فوق‌العاده مفید است؛ زیرا مکانیک کوانتومی پایه تمام فناوری‌های دیجیتال امروزی است». میراث این کار همچنان در آزمایشگاه‌های سراسر جهان که دانشمندان در حال توسعه فناوری‌های کوانتومی هستند که ممکن است رایانش، سنجش و ارتباطات را متحول کنند، در حال آشکارشدن است. همان‌طور که وصیت‌نامه آلفرد نوبل جوایزی را برای تقدیر از کسانی برپا کرد که «بزرگ‌ترین سود را به بشریت» می‌رسانند، برندگان فیزیک امسال دانش بشری را به روش‌هایی گسترش داده‌اند که همچنان به بشریت سود می‌رساند. پایان سخن اینکه جایزه نوبل امسال نشان داد سرمایه‌گذاری درست روی کارهای پژوهشی بی‌شک بازگشت و سودآوری دارد؛ هم کسب اعتبار برای نهادهای علمی و دانشمندان درگیر است و هم سودآوری فنی برای کشور. نوبل امسال علاوه بر دانشمندان برای سیاست‌مداران در کشورها هم درس‌آموز است که بیاموزند در کار پژوهش سرمایه‌گذاری کنند، صبور باشند و از نهادهای دانشی به‌عنوان ابزار استفاده نکنند. بی‌شک اگر در آزمایشگاه‌هایی که این سه نفر کار کرده‌اند، کسانی به واسطه سهمیه یا رابطه آنجا بودند، هرگز چنین افتخاری نصیب آن دانشگاه‌ها و آن دانشمندان نمی‌شد.
آخرین مطالب منتشر شده در روزنامه شرق را از طریق این لینک پیگیری کنید.
