بیگ بنگ: گربه شرودینگر شهرت جهانی دارد، اما واقعا معنایش چیست؟ مکانیک کوانتومی، این نظریه‌ حاکم بر دنیای اتم‌ها و ذرات، قطعاً خاص است. بر خلاف بسیاری از زمینه‌های دیگر فیزیک، عجیب و غریب و غیرقابل تصور بودن این حوزه آن را خیره‌کننده و جذاب می‌کند. وقتی جایزه نوبل فیزیک 2022 به آلن اسپکت، جان.اف.کلوزر و آنتون زایلینگر برای تحقیقات در زمینه فیزیک کوانتوم اعطا شد، هیجان و بحث‌ها بالا گرفت. اما بحث‌های مربوط به مکانیک کوانتومی – چه در جمع‌های عمومی، چه در رسانه‌ها و چه در داستان‌های علمی تخیلی – اغلب به لطف تعدادی از افسانه‌ها و تصورات غلط می‌تواند آشفته شود. در اینجا چهار مورد را بیان می‌کنیم:

1-یک گربه می‌تواند مرده و زنده باشد

احتمالاً “اروین شرودینگر” هرگز نمی‌توانست پیش‌بینی کند که آزمایش فکری او(گربه شرودینگر)، در قرن 21 به یک موضوع جذاب اینترنتی تبدیل شود. این آزمایش یک گربه بدشانس را توصیف می‌کند که در جعبه‌ای گیر افتاده است. گربه روبروی یک تفنگ قرار گرفته که توسط رویداد کوانتومی تصادفی فعال می‌شود. در واقع تا زمانی که جعبه را برای بررسی باز نکنیم، گربه می‌تواند همزمان زنده و مرده باشد.

مدت‌هاست که می‌دانیم ذرات کوانتومی همزمان می‌توانند در دو حالت – برای مثال در دو مکان- باشند که به آن اصل برهم‌نهی می‌گوییم. دانشمندان توانسته‌اند این را در آزمایش معروف دو شکاف نشان دهند، که در آن یک ذره کوانتومی منفرد، مانند فوتون یا الکترون، می‌تواند به طور همزمان از دو شکاف مختلف در یک دیوار عبور کند. این را از کجا می‌دانیم؟

در فیزیک کوانتوم، حالت هر ذره، بصورت یک موج نیز می‌باشد. اما وقتی جریانی از فوتون‌ها را – یکی یکی – از میان شکاف‌ها می‌فرستیم، الگویی از دو موج ایجاد می‌شود که روی صفحه‌ای در پشت شکاف با یکدیگر تداخل کرده‌اند. از آنجایی که هر فوتون در هنگام عبور از شکاف‌ها هیچ فوتون دیگری برای تداخل نداشته، این بدان معناست که باید همزمان از هر دو شکاف عبور کرده و با خودش تداخل کرده باشد (تصویر زیر).

الگوی تداخلی در آزمایش معروف دو شکاف، که در آن یک ذره کوانتومی منفرد، مانند فوتون یا الکترون، می‌تواند به طور همزمان از دو شکاف مختلف در یک دیوار عبور کند. با این حال، حالات (امواج) در برهم‌نهی ذره‌ای که از هر دو شکاف می‌گذرد، باید “همدوس” باشند یعنی رابطه‌ای کاملاً مشخص با یکدیگر داشته باشند.

آزمایش برهم‌نهی را می‌توان با اشیائی با اندازه و پیچیدگی رو به افزایش انجام داد. یکی از آزمایش‌های معروف انجام شده توسط آنتون زایلینگر در سال 1999 برهم‌نهی کوانتومی با مولکول‌های بزرگ کربن 60 معروف به «باکی‌بال» است.

پس این برای گربه بیچاره ما چه معنایی دارد؟ آیا واقعاً تا زمانی که جعبه را باز نکنیم، هم زنده است و هم مرده؟ بدیهی است که یک گربه در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده مانند یک فوتون منفرد نیست، بلکه بسیار بزرگ‌تر و پیچیده‌تر است. هر گونه همدوسی که تریلیون‌ها تریلیون اتم‌های تشکیل دهنده گربه ممکن است با یکدیگر داشته باشند بسیار کوتاه مدت است. این بدان معنا نیست که همدوسی کوانتومی در سیستم‌های بیولوژیکی غیرممکن است، بلکه فقط به طور کلی در مورد موجودات بزرگ مانند گربه‌ها یا انسان صدق نمی‌کند.

2- با شباهت‌های ساده می‌توان درهم‌تنیدگی را توضیح داد

درهم‌تنیدگی یک خاصیت کوانتومی است که دو ذره مختلف را به هم مرتبط می‌کند، طوری که اگر یکی را اندازه‌گیری کنید، به‌طور خودکار و فوراً از وضعیت دیگری هم مطلع می‌شوید و نکته‌ی جالب این است که مهم نیست چقدر از هم فاصله دارند. ذرات کوانتومی به شکلی اسرارآمیز در ارتباط هستند و ما نمی‌توانیم آن را با منطق یا زبان روزمره توصیف کنیم.

توضیحات مرسوم برای آن معمولاً شامل اشیاء روزمره از دنیای ماکروسکوپی کلاسیک ما، مانند تاس، کارت یا حتی جفت جوراب با رنگ‌های عجیب و غریب است. به عنوان مثال، تصور کنید به دوست خود می‌گویید که یک کارت آبی در یک پاکت و یک کارت نارنجی در پاکت دیگر قرار داده‌اید. اگر دوستتان یکی از پاکت‌ها را بردارد و باز کند و کارت آبی را پیدا کند، متوجه می‌شود که شما کارت نارنجی را دارید.

اما برای درک مکانیک کوانتومی، باید تصور کنید که دو کارت درون پاکت‌ها در یک حالت برهم‌نهی متصل قرار دارند. به این معنی که هر دو، همزمان هم نارنجی و هم آبی هستند (به طور دقیق‌تر، نارنجی/آبی و آبی/نارنجی). با باز کردن یک پاکت، یک رنگ به صورت تصادفی مشخص می‌شود. اما با باز کردن دومی همیشه رنگ مخالف دیده می‌شود، زیرا «شبح وار» به کارت اول مرتبط است.

می‌شد کارت‌ها را مجبور کرد که در مجموعه‌ای از رنگ‌های متفاوت ظاهر شوند، مثل اینکه نوع دیگری از اندازه‌گیری را انجام دهیم. می‌توانستیم پاکتی را باز کنیم و این سؤال را بپرسیم: “شما کارت سبز هستید یا قرمز؟” پاسخ دوباره تصادفی خواهد بود: سبز یا شاید قرمز. اما به طرز مهمی اگر کارت‌ها در هم‌تنیده باشند، وقتی همان سؤال پرسیده شود، خروجی کارت دیگر همیشه برعکس است.

“آلبرت اینشتین” سعی کرد این آزمایش را با شهود کلاسیک توضیح دهد و پیشنهاد کرد که کارت‌ها می‌توانند یک مجموعه دستورالعمل پنهان و درونی داشته باشند که به آنها می‌گوید با توجه به یک سوال خاص، در چه رنگی ظاهر شوند. همچنین اینشتین تاثیرگذاری آنی عمل «شبح وار» روی کارت‌ها را رد کرد، زیرا این به معنای ارتباط سریع‌تر از سرعت نور بود، چیزی که بر طبق نظریه‌های اینشتین ممنوع است.

با این حال، توضیح اینشتین متعاقباً توسط قضیه بل (آزمون نظری ایجاد شده توسط فیزیکدان جان استوارت بل) و آزمایش‌های برندگان جایزه نوبل 2022 رد شد. این ایده که اندازه‌گیری یک کارت درهم‌تنیده وضعیت دیگری را تغییر می‌دهد درست نیست. ذرات کوانتومی به شکلی اسرارآمیز همبستگی دارند که با منطق یا زبان روزمرۀ ما نمی‌توان آن را توضیح داد. در ضمن ارتباط آنها بصورت یک کد پنهان که اینشتین فکر می‌کرد، نیست. بنابراین وقتی به موضوع درهم‌تنیدگی فکر می‌کنید، مثال زدن از اشیاء روزمره را فراموش کنید.

3- طبیعت غیر واقعی و “غیر محلی” است

اغلب گفته می‌شود که قضیه بل ثابت می‌کند که طبیعت «محلی» نیست، و یک شی فقط تحت تأثیر مستقیم محیط نزدیکش قرار ندارد. یکی دیگر از تفسیرهای رایج آن است که این یعنی، ویژگی‌های اجسام کوانتومی «واقعی» نیستند، زیرا آنها تا قبل از اندازه‌گیری وجود ندارند.

اما قضیه بل فقط به ما اجازه می‌دهد بگوییم که طبق فیزیک کوانتوم، اگر هم‌زمان چند چیز دیگر را فرض کنیم، طبیعت هم واقعی و هم محلی نخواهد بود. این فرضیات شامل این ایده است که اندازه‌گیری‌ها فقط یک نتیجه دارند (و نه چندگانه شاید در جهان‌های موازی)، رابطه علت و معلولی در زمان به جلو جریان می‌یابد و ما در «جهانی مانند ساعت» زندگی نمی‌کنیم که در آن همه چیز از آغاز تعیین شده باشد.

علیرغم قضیه بل، طبیعت ممکن است کاملا واقعی و محلی باشد، اگر اجازه داشته باشید برخی چیزهای دیگر مانند زمان حرکت رو به جلو، که حواس معمولمان اقتضا می‌کند، را بشکنید. امید می‌رود که تحقیقات بعدی، تعداد زیاد تفسیرهای بالقوه از مکانیک کوانتومی را محدود کند. با این حال، اکثر گزینه‌های روی میز – برای مثال، زمان رو به عقب یا فقدان اراده آزاد – حداقل به اندازه کنار گذاشتن مفهوم واقعیت محلی نامعقول هستند.

4- هیچکس مکانیک کوانتومی را نمی‌فهمد

یک نقل قول کلاسیک منسوب به فیزیکدان ریچارد فاینمن چنین فرض می‌کند: «اگر فکر می‌کنید مکانیک کوانتومی را درک کرده‌اید، پس آن را نمی‌فهمید.»

این دیدگاه به طور گسترده‌ای در بین مردم وجود دارد. فرض رایج از جمله در میان فیزیکدانان، این است که درک فیزیک کوانتومی غیرممکن است. اما از چشم‌انداز قرن بیست و یکم، فیزیک کوانتومی نه تنها از نظر ریاضی و نه از نظر مفهومی برای دانشمندان به طور ویژه‌ای دشوار نیست. ما آن را تا حدی خوب درک می‌کنیم که می‌توانیم رویدادهای کوانتومی را با دقت بالا پیش‌بینی کنیم، سیستم‌های کوانتومی بسیار پیچیده را شبیه‌سازی کنیم و حتی شروع به ساخت کامپیوترهای کوانتومی کنیم.

برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، وقتی به زبان اطلاعات کوانتومی توضیح داده شود، به چیزی بیشتر از ریاضیات دبیرستان نیاز نیست. قضیه بل اصلاً نیازی به فیزیک کوانتومی ندارد. با استفاده از نظریه احتمال و جبر خطی می‌توان آن را در چند خط استخراج کرد.

شاید مشکل واقعی در این است که چگونه فیزیک کوانتومی را با واقعیت شهودی خود آشتی دهیم. نداشتن همه پاسخ‌ها ما را از پیشرفت بیشتر در فناوری کوانتومی باز نمی‌دارد. ما به سادگی می‌توانیم سکوت کرده و فقط حساب کنیم. در کمال خوشبختی برای بشریت، برندگان نوبل اسپکت، کلوزر و زایلینگر از سکوت خودداری کردند و مدام به دنبال چرایی‌ها بودند. افراد دیگری مانند آنها شاید بتوانند “عجایب کوانتوم” را با تجربه ما از واقعیت آشتی دهند.

سایت علمی بیگ بنگ/ منبع: theconversation.com

ترجمه: شهره کرمی/ انجمن فیزیک ایران