بیگ بنگ: در مقاله‌ی جدید و بغرنجی که بتازگی منتشر شده، فیزیکدانان بر لبان گربه‌ شرودینگر لبخندی چشایری نشاندند. «آلیس با خودش فکر کرد: «اغلب گربه را بدون لبخند دیده‌ام، اما لبخند ِ بدون گربه! این عجیب‌ترین چیزی است که تا به حال در طول عمرم دیدم!»

به گزارش بیگ بنگ، این گفته‌ی آلیس می‌تواند به فیزیکدان برجسته‌ “یاکر آهارونوف” مربوط شود. یاکر همراه با همکار فیزیکدانش “دانیل روهرلیخ” به‌طور نظری نشان دادند که چگونه یک ذره می‌تواند صورت خود را در گوشه‌ی آزمایشگاه نشان دهد بی‌آنکه نیاز باشد بدنش در هرجایی وجود داشته باشد.

به عبارت دقیق‌تر، تجزیه و تحلیل آن‌ها نشان می‌دهد که اطلاعات می‌تواند بدون تبادل ذرات بین دو نقطه نیز جابه‌جا شود. سابقه‌ی این نظریه به سال ۲۰۱۳ باز می‌گردد. در آن سال پژوهشگران از ایالات متحده و عربستان سعودی پیشنهاد کردند: حتی اگر بتوانید یک موج کوانتومی را در جای خود قفل کنید باز هم این اثر قفل‌شدگی آنقدر مؤثر نیست تا بتواند جلوی انتقال اطلاعات را بگیرد.

به گفتۀ آهارونوف: «امکان برقراری ارتباط میان دو نفر بی‌آنکه چیزی بین‌شان رد و بدل شود، بسیار جالب است. به همین می‌خواستیم ببینیم که آیا می‌‌‌‌توانیم این پدیده را بهتر درک کنیم.» مدل آزمایشگاهی که آن‌ها محاسبات خود را بر مبنای آن انجام دادند از سادگی حیرت‌آوری برخوردار است.

دالانی را مجسم کنید که یک انتهای آن با درب آینه‌ای مسدود شده است. در فیزیک کوانتومی، مادامی‌ که چیزی مشاهده نشود تعریف دقیق آن امکان‌پذیر نیست، بنابراین درست مثل گربه‌‌ی بخت‌برگشته‌ای که در آزمایش فکری شرودینگر در جعبه آرمیده بود، درب آینه‌ای نیز مادامی‌ که مشاهده نشود هم باز است و هم بسته.

اگر قرار بود ذره‌ای را به انتهای دالان بفرستید، سرنوشت آن ذره نیز در هاله‌ای از احتمالات باقی می‌ماند، مگر آنکه سیاحت ذره برای‌مان آشکار می‌شد. در این هاله‌ی احتمالات، ذره هم منعکس می‌شود و هم منعکس نمی‌شود و یا ذره هم عبور می‌کند و هم عبور نمی‌کند.

چون موج احتمالِ ذره دقیقاً همان مشخصه‌هایی را دارد که هر موج فیزیکی از آن‌ها برخوردار است: قله‌ها و دره‌هایی دارد که شانس حضور ذره را در یک مکان ِ مشخص تعیین می‌کنند و فازهایی دارد که با گذشت زمان و انتشار موج تشکیل می‌‌شوند. به بیان ساده‌تر، بر اساس نظر فیزیکدانان بخشی از فاز موجِ ذره که تکانه‌ی زاویه‌ای یا اسپین ذره را توصیف می‌کند بسته به اینکه درب آینه‌ای در حالت باز باشد یا بسته، باید دستخوش تغییر شود. (در فیزیک، تکانهٔ زاویه‌ای یا تکانهٔ دورانی، کمیتی بُرداری است که برای بیان وضعیت حرکتی سیستم‌های در حال حرکت دورانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.)

آهارونوف و روهرلیخ متوجه شدند که حتی وقتی مکان ِ خود ذره در نزدیکی انتهای دالان نامشخص است، ذره طوری رفتار می‌کند که گویی تکانه‌اش به‌قدر کافی بزرگ هست تا از دالان خارج شود و پیش از آنکه با خود اطلاعاتی را به خارج از دالان منتقل کند انگار با انگشتی شبح‌وار درب آینه‌ای بسته را لمس می‌کند. برخلاف گربه‌ی چشایر که علیرغم محوشدنِ تدریجی صورتش همچنان لبخند بر لب داشت، ذرات معمولاً نمی‌توانند مشخصه‌های خود نظیر اسپین یا بار الکتریکی را رها کنند تا در اطراف پرسه بزنند و بر محیط اطراف خود در فواصل دور اثر بگذارند.

روهرلیخ گفت: «بروز چنین پدیده‌ای دربارۀ گربه و لبخندش بسیار عجیب است. و البته تمام این ماجرا را باید با ذرات بنیادی تفسیر کنید که در آن صورت نیز اگر یک ذرۀ بنیادی اسپین خود را به این خاطر از دست داده باشد که اسپینش به مکان دیگری منتقل شده است باز هم این پدیده عجیب است و چه بسا پدیده‌ای باشد که بتوانیم به آن عادت کنیم.»

آهارونوف جنون اعجاب‌انگیز دنیای کوانتومی را به خوبی می‌شناسد. بیش از نیم قرن پیش، آهارونوف همراه با فیزیکدان نظری مشهور “دیوید بوهم” دربارۀ آنالیز تأثیرات غیرمحلی بر ذرات در میدان‌های الکترومغناطیسی مطالعه می‌کرد. در پدیده‌ای که امروزه به «اثر آهارونوف-بوهم» شناخته می‌شود، ذره‌ی باردار حتی با وجود آنکه در محیطی محصور شده باشد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی اطراف آن صفر باشند باز هم می‌تواند تحت تأثیر یک پتانسیل الکترومغناطیسی قرار گیرد.

تصور کنید یک قایق بادبانی با وجود آنکه اقیانوس آرام است و بادی هم نمی‌وزند، همچنان با سرعت در امتداد افق پیش می‌رود. البته، می‌توانید نتیجه بگیرید که «چیزی» باید قایق را به جلو هل دهد. اگر ندانید که چه چیزی دقیقاً موجب حرکت ِ قایق می‌شود، آنگاه باید با چشمانی متعجب قایق را در امتداد افق تعقیب کنید و از اینکه چه چیز دیگری واقعاً ممکن است قایق را به جلو پیش براند دچار تعجب شوید.

همانطور که ما با دیدن حرکت ِ قایق بادبانی بدون نیروی محرکه دچار حیرت می‌شویم، فیزیکدانان کوانتومی هم با دیدن «اثر از فاصله» که منجر به برهم‌کنش‌های کوانتومی می‌شود دچار حیرت می‌شوند. برای اینکه شیء بتواند حرکت کند چیزی باید آن را از مکان اولیه‌اش در مسیر مشخصی جابه‌جا کند و به آن سرعت ببخشد. اینطور نیست که اشیاء خودشان تصمیم بگیرند که چگونه رفتار کنند.

اما در فیزیک کوانتومی با پدیده‌هایی روبرو هستیم که نشان از «عمل شبح‌وار» دارند و هنوز توصیف کاملی از آن‌ها در دست نداریم. برای مثال، امواجی که با رویدادهای گذشته درهم‌تنیده شده‌‌‌اند، می‌توانند فوراً به ذرات گسسته‌ای بدل شوند که با یکدیگر همبستگی دارند و اهمیتی ندارند که فاصله‌ی این ذرات از هم چقدر است. (هرگاه این ذرات درهم‌تنیده را از هم جدا کنید و هر کدام را به فواصل دور منتقل کنید، مشاهده مشخصه‌ی یک ذره منجر به تغییر آنی مشخصه‌ی ذره دوم می‌شود. به عبارت دیگر، گویی ذرات علیرغم جدایش بی‌آنکه چیزی بینشان رد و بدل شود، هنوز از راه دور با هم “ارتباطی شبح‌وار” دارند به‌طوری که تعیین یک مشخصه در یک ذره (عمل مشاهده یا اندازه‌گیری) منجر به تعیین همان مشخصه در ذره دیگر می‌شود – مترجم)

توضیح آهارونوف بر مفهومی تکیه دارد که به «تکانه پیمانه‌ای» معروف است: مشخصه‌ای از ذرات که توصیف دقیق آن بدون پیش‌زمینه‌ی قوی در ریاضیات و نظریه میدان کوانتومی بسیار دشوار است. اساساً، برخلاف تکانه‌ی روزمره‌ای که ما معمولاً آن را در قالب گلوله‌های شلیک‌شده یا حباب‌‌‌‌های شناور مستقیماً درک می‌کنیم، تکانه‌ی پیمانه‌ای در دنیای امواج احتمالات که دائماً در امتداد فضا چین می‌خورند و با هم تداخل می‌کنند جایگاه خودش را دارد.

این نوع تکانه با تکانه‌ای که ما برای توصیف حرکت جهشی توپ در ماشین پین‌بال از آن استفاده می‌کنیم کاملاً فرق دارد. اما تکانه‌ پیمانه‌ای حضور خودش را در محاسبۀ احتمالات مربوط به حرکت ذره نشان می‌دهد، حتی اگر تجسم پیامد برهم‌کنش‌های آن دشوارتر باشد.

آهارونوف افزود: «این واقعیت که مشخصه‌های یک ذره می‌توانند از خود ذره پیشی بگیرند و منجر به تأثیرگذاری در فواصل دور شوند بسیار عجیب است، اما عجیب‌تر از آن زمانی است که تأثیری در فاصله‌ی دور صورت پذیرد و آنگاه بگوییم که چیزی روی نداده است.»

پیامدهای عملی این پدیده – اگر اصلاً پیامدی در کار باشد – ممکن است از اصولی پیروی کنند که طی آزمایش‌های بعدی و به دست مهندسین آینده پرده از اسرار آن گشوده خواهد شد. به نظر آهارونوف و روهرلیخ هدف ِ این پژوهش درک راه‌حل‌هایی است که مفهوم برهم‌کنش‌های محلی ذرات را با بکارگیری مشخصه‌های آن‌ها روشن می‌کند. درست مثل تبسم مغرورانه‌ی گربه‌ی چشایر که گاهی ممکن است از خود صورت محوشدۀ گربه، مهم‌تر باشد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review Letters منتشر شده است.

گربه چشایر: گربه چشایر در داستان “آلیس در سرزمین عجایب”، به طور مداوم لبخند زده و می‌تواند ناپدید شود، لبخند یک خصوصیت گربه است. در داستان آلیس این لبخند گربه بدون گربه هم وجود دارد!

ترجمه: محمد نوده فراهانی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com