عجایب دنیای کوانتوم – وابستگی کوانتومی – قسمت اول

وابستگی کوانتومی (Quantum Entanglement)

پارادوکس EPR – قسمت اول

فرض کنید انفجاری رخ می‌دهد و دو الکترون در جهات مخالف و تقریباً نزدیک به سرعت نور، پرتاب می‌شوند. از آنجایی که الکترون‌ها می‌توانند دور خود بچرخند یا اسپین داشته باشند، فرض کنید که اسپین آن‌ها به هم وابسته باشد. یعنی اگر یکی از الکترون‌ها جهت محور چرخشش به سمت بالا باشد، جهت چرخش الکترون دیگر به سمت پائین خواهد بود، به گونه‌ای که مجموع اسپین‌ها برابر صفر است.
حال قبل از اینکه اندازه‌گیری انجام دهیم، نمی‌دانیم که هر یک از الکترون‌ها در چه جهتی در حال چرخش هستند.
سال‌های متمادی صبر کنید. در این زمان الکترون‌ها چندین سال نوری از هم فاصله گرفته‌اند. حال اگر اسپین یکی از الکترون‌ها را اندازه‌ بگیریم و مشاهده کنیم که اسپین آن به سمت بالاست، سپس فوراً درمی‌یابیم که اسپین الکترون دیگر به سمت پایین است و برعکس.
در واقع این حقیقت که یکی از الکترون‌ها اسپینش به سمت بالاست، الکترون دیگر را مجبور می‌کند که اسپینی به سمت پایین اختیار کند. یعنی می‌توانیم فوراً در مورد الکترونی با فاصله چندین سال نوری اطلاع حاصل کنیم.
پس این‌طور به‌نظر می‌رسد که سرعت انتقال اطلاعات بسیار سریع‌تر از سرعت نور است که در تناقض آشکار با نسبیت خاص اینشتین است.
در سال ۱۹۳۵، اینشتین و همکارانش بوریس پودولسکی و ناتان روزن آزمایشی ترتیب دادند که به پارادوکس EPR نامگذاری شد. هدف از انجام این آزمایش نشان‌دادن احمقانه بودن نظریه کوانتوم بود.
با استفاده از دلایل هوشمندانه، اینشتین موفق شد نشان دهد که با انجام دادن اندازه‌گیری موفقیت‌آمیز بر روی یکی از جفت‌ها می‌توان اصل عدم قطعیت را زیر سوال برد. مهم‌تر از این، او نشان داد که مکانیک کوانتومی از آنچه که قبلاً تصور می‌شد بسیار عجیب‌تر بود.
تا آن زمان فیزیک‌دانان عقیده داشتند که جهان مفهومی محلی است و تحولات در یک بخش از جهان، تنها به صورت محلی از منبع خود منتشر می‌شوند. اینشتین نشان داد که مکانیک کوانتومی ضرورتاً غیر محلی است و تحولات ناشی از یک منبع می‌تواند در یک لحظه بخش‌های دوردست عالم را نیز متأثر کند.
اینشتین آن را «تأثیر شبح‌وار از فاصله دور» نامید که البته گمان می‌کرد نامعقول و بی‌معنی است. بنابراین طبق این مسئله اینشتین اندیشید که پس نظریه کوانتوم باید بسیار بی‌معنی و اشتباه باشد.
متخصصین مکانیک کوانتومی توانستند پارادوکس EPR را با این فرض حل کنند که اگر تجهیزات ما تنها به اندازه کافی حساس بودند، واقعاً می‌توانستند جهت چرخش الکترون‌ها را تعیین کنند. وجود ظاهری عدم قطعیت به دلیل نا کارآمدی تجهیزات ما و امری تخیلی است.
آنها مفهومی را به عنوان متغیر نهانی معرفی کردند، به این معنی که یک نظریه نهانی زیرکوانتومی وجود دارد که در آن هیچ عدم قطعیتی نیست و بر اساس متغیرهای جدیدی به نام پرتوهای نهانی بنا شده است.
در سال ۱۹۶۴، زمانی‌ که فیزیک‌دانی به نام جان بِل، پارادوکس EPR و متغیرهای نهانی را در معرض تست قرار داد، خیلی چیزها آشکار شد. او نشان داد که در آزمایش EPR، وابستگی عددی بین اسپین‌های دو الکترون به نظریه مورد استفاده بستگی دارد.
اگر نظریه متغیرهای نهانی، همان‌طور که برخی عقیده داشتند درست باشد، اسپین‌ها به یک روش به هم وابسته هستند و اگر مکانیک کوانتومی درست باشد، اسپین‌ها به روش دیگری به هم وابسته خواهند بود.
به بیان دیگر، مکانیک کوانتومی (اساس تمام فیزیک اتمی مدرن)، با استناد به تنها یک آزمایش دچار فراز و نشیب می‌شد.
اما آزمایش‌ها به طور قطع ثابت کردند که اینشتین اشتباه می‌کرده است. مکانیک کوانتومی با تمام غیر قابل پیش‌بینی‌ بودنش دوباره پیروز شد. (یک بار هم اینشتین به خاطر مسئله گربه شرودینگر شکست خودش را در برابر مکانیک کوانتومی اعلام کرده بود)

ادامه دارد ….