عجایب دنیای کوانتوم – وابستگی کوانتومی – قسمت سوم

3
1867

427423_256048747845432_1990824086_n

در دو قسمت قبل گفتيم كه وابستگي كوانتومي يا در هم‌تنیدگی کوانتومی به زبان ساده جفت‌شدن خواص مکانیکی دو ذره است، ذراتی که پیش‌تر با یکدیگر در اندرکنش بوده و سپس از یکدیگر جدا شده‌اند.
بر اساس تفسیر کپنهاگی از مکانیک کوانتومی، حالت دو ذره جفت شده تا زمان مشاهده نامعین باقی می‌ماند. با انجام اندازه‌گیری یکی از کمیت‌های جفت شده ذره اول معین می‌شود، این امر موجب می‌شود بی درنگ مقدار متناظر در ذره دوم مشخص گردد. به عبارت دیگر اگر دو سیستم یک بار با هم اندرکنش داشته و سپس از هم جدا شوند، اندازه گیری روی یکی از آنها تاثیری آنی در حالت دیگری ایجاد می‌کند، حتی اگر این دو ذره خیلی از هم دور شده باشند. به طور مثال با مشخص شدن اینکه اسپین یکی از ذرات ساعتگرد است، اسپین ذره دوم بی درنگ به حالت پادساعتگرد می‌رود.
در هم‌تنیدگی مي‌تواند برای ذراتی همچون فوتونها، الکترونها و حتی مولکول‌ها رخ دهد. این اندرکنش فیزیکی مربوط به خواصی نظیر مکان، تکانه، اسپین و قطبش و… است به گونه‌ای که با تعیین هر یک از خواص برای یکی از دو ذره همان خاصیت در دیگری تعیین می‌شود. به عبارت دیگر هر یک از ذرات جفت شده به خوبی توسط حالت کوانتومی مشابه توصیف می‌شوند.
همچنين اشاره كرديم كه پیشگویی‌های غیر مستقیم مکانیک کوانتومی شدیداً وابسته به سیستمی است که برای نخستین بار توسط آلبرت اینشتین طی مقاله ای مشترک با بوریس پودولسکی و روزن مورد بحث قرار گرفت. در این مطالعه، تناقض‌نمای (پارادوکس) EPR فرموله شد، آزمایشی فکری که در تلاش بود ناکامل بودن تئوری مکانیک کوانتومی را نشان دهد.
آنها در مقاله‌اي بيان داشتند كه
“بنابراین ما مجبوریم چنین نتیجه گیری کنیم که توصیف مکانیک کوانتومی از واقعیت فیزیکی توابع موج، غیرکامل می باشد.”
با این حال نه تنها واژه درهم‌تنیدگی توسط این سه ساخته و پیشنهاد نشده بود بلکه آنها خواص ویژه این وضعیت را نیز تعمیم نداده بودند.
پس از انتشار مقاله EPR، اروین شرودینگر در نامه ای که برای اینشتین می نویسد از واژه درهم‌تنیدگی برای توصیف بستگی دو ذره که موقتاً با یکدیگر در اندرکنش بوده و سپس جدا شده‌اند استفاده کرد. شرودینگر اهمیت EPR را در آن می‌دید که انحراف مکانیک کوانتومی از موازین ذهن کلاسیک نشان می‌داد. وی همچون اینشتین با مفهوم درهم‌تنیدگی مخالف بود چرا که آشکاراً نظریه نسبیت را که در آن سرعت نور، بیشینه سرعت انتقال اطلاعات بود را به چالش می‌کشید. اینشتین بعدها درهم‌تنیدگی را تاثیر شبح‌وار از فاصله نامید و به این ترتیب آن را به سخره گرفت.
مقاله EPR چنان برای فیزیکدانان جذاب بود که موجب بحثی دامنه دار درباره اصول مکانیک کوانتومی شد، تاثیری که تا به حال کمتر دیده شده است.

حال مي‌خواهيم آزمايش EPR را از ديدي ديگر بررسي كنيم.

شرح آزمایش
آزمایش EPR دربارهٔ اندازه‌گیری روی حالت‌های درهم‌تنیده است. چشمه‌ای داریم که یک جفت الکترون را می‌گسیلد. یکی از الکترون‌ها به مقصد A می‌رود که مشاهده‌گری به نام آزیتا آن‌جاست، و الکترون دوم به مقصد B می‌رود که مشاهده‌گری به نام بابک در آن نشسته است. بر اساس مکانیک کوانتومی، می‌توانیم کاری کنیم که الکترون‌های گسیل‌شده در حالت کوانتومی اسپین تک‌تایی باشند. حالت تک‌تایی برهم‌نهی کوانتومی دو حالت I و II است. در حالت I اسپین الکترون اول بالاست و اسپین دومی پایین است، و در حالت II اسپین الکترون اول پایین و اسپین دومی بالا است (بالا و پایین را در راستای محور فرضی z می‌سنجیم. از همین رو، نمی‌توان حالتی را انگاشت که اسپین هردو الکترون در یک جهت باشد. چنین حالتی را حالت درهم‌تنیده می‌نامند.
حال آزیتا اسپین الکترون خود را در راستای z می‌سنجد. او یکی از نتیجه‌های ممکن را خواهد دید:
+h/2 یا -h/2 . فرض کنیم که +h/2 را دیده است. براساس مکانیک کوانتومی، حالت کوانتومی این سیستم دوالکترونی به حالت I فروکاسته خواهد شد. (تفسیرهای گوناگون مکانیک کوانتومی این فرایند را با زبان‌های متفاوتی بازمی‌گویند، ولی نتیجهٔ پایانی یکسان است.) حالت کوانتومی نتیجهٔ هر اندازه‌گیری روی سیستم را مشخص می‌کند. در مثال ما، اگر بابک اسپین الکترونش را بسنجد، به احتمال ۱۰۰٪ اسپین را -h/2 خواهد یافت. به همین ترتیب اگر آزیتا اسپین را -h/2 می‌دید، بابک +h/2 به دست می‌آورد.

اما الکترونِ بابک از کجا بداند که چه مقداری در راستای z داشته باشد؟ براساس تفسیر کپنهاکی، تابع موج باید درست پس از اندازه‌گیری فروبکاهد. بنابراین یا باید تأثیر از راه دور رخ دهد (نقض موضعیت) یا این که الکترون پیش از اندازه‌گیری بداند که چه اسپینی دارد (متغیرهای نهان).

مبانی فلسفی آزمایش EPR
بررسی و بازخوانی این مقالة کلاسیک از سرفصل‌های درسی دوره‌های فلسفة فیزیک و فلسفة مکانیک کوانتوم است كه در سال 1935 ارایه شد. در این سال، اینشتین، پادولسکی و روزن در مقاله ای تحت عنوان ” آیا توصیف مکانیک کوانتوم از واقعیت فیزیکی را می توان کامل دانست؟ “، که بعدها به مقالة EPR معروف شد، نتیجه گرفتند که این توصیف کامل نیست. با توجه به اینکه نمی توان به سادگی ادعا کرد که هیچ نظریة علمی تصویر کاملی از همة پدیدارها ارایه می دهد، این پرسش پیش می آید که پس تأکید بر این امر در مکانیک کوانتوم به چه معناست؟ در واقع “کامل” بودن در مقالة EPR، به توصیفی که تابع موج از حالت سیستم می دهد، مربوط می شود. ساختار منطقی مقاله با مقدمه‌های فیزیکی‌ معرفت شناختیِ (a1) و (a2) آغاز می شود:
(a1): شرط لازم برای کامل بودن یک نظریة فیزیکی :” هر عنصری از واقعیت فیزیکی باید نمایش متناظری در نظریة فیزیکی داشته باشد.”
( a2) شرط کافی برای واقعیت فیزیکی: ” اگر بدون اختلال سیستم بتوانیم با قطعیت (احتمال برابر 1) مقدار یک کمیت فیزیکی را اندازه بگیریم، آنگاه عنصری از واقعیت فیزیکی متناظر با این کمیت فیزیکی وجود دارد.”
به اعتقاد EPR، ” عناصر واقعیت فیزیکی را نباید با ملاحظات فلسفی پیشینی تعریف کرد، بلکه باید آن را با توسل به نتایج آزمایش و اندازه گیری مشخص کرد.“ نویسندگان مقاله متذکر شدند که شاید کسی معیار واقعیت را به این جهت که به قدر کافی مانع (restrictive) نیست مورد انتقاد قرار دهد؛ یعنی ممکن است گفته شود که کمیات فیزیکی را تنها زمانی می توان بعنوان عناصر همزمان فیزیکی واقعی در نظر گرفت که بطور همزمان اندازه گیری یا پیش بینی شوند. اما اگر شرط واقعیت فیزیکی اینقدر محدودکننده باشد، واقعیت P و Q مربوط به ذرة دوم وابسته به فرایند اندازه گیری انجام گرفته روی سیستم اول، که سیستم دوم را مختل نمی کند، می‌شود و این تعریف از واقعیت فیزیکی، از نظر نویسندگان مقاله، تعریف معقولی به نظر نمی رسد. البته نسخة نهایی این مقاله توسط پودولسکی تنظیم شد و اینشتین قبل از چاپ مقاله آن را ندید، و از این بابت بعداً از ساختار مقاله و محورهای مورد تأکید مقاله اظهار ناخرسندی کردو خود روایت‌های دیگری ازاین برهان عرضه کرد.

وابستگي كوانتومي در قرن 21
فیزیکدانان دانشگاه ژنو در سوئیس با به کار گرفتن انسان به عنوان ردیاب فوتونی آزمایش جدید و شگفت انگیزی را انجام داده اند که برای اولین بار توانست پدیده وابستگي کوانتومی را در برابر چشم غیر مسلح به نمایش بگذارد. به گزارش خبرگزاری مهر، همبستگی کوانتومی یکی از پدیده های عجیب کوانتومی است که می تواند میان دو ذره که نسبت به هم فاصله دارند ارتباط ایجاد کند به شکلی که هر نوع تغییر در یکی از این ذره ها بلافاصله در ذره دیگر نیز تغییر به وجود می آورد، حتی اگر هر یک از این ذره ها در یک سوی جهان قرار داشته باشند.
“نیکلاس گیزین” در دانشگاه ژنو دریافت که فیزیکدانان ایتالیایی پیش از این با استفاده از پدیده همبستگی کوانتومی آزمایشهای جالبی انجام داده اند برای مثال با ایجاد همبستگی میان یک جفت فوتون، یکی از فوتونها را به اندازه ای تقویت کردند که آبشاری از ذرات را به وجود آورد که تمامی این فوتونها به فوتون اصلی جفت ارتباط داشتند.
گیزین دریافت در این آزمایش چشم غیر مسلح قدرت دیدن یک تک فوتون را ندارد اما می تواند هزاران فوتون را به راحتی مشاهده کند از این رو وی آزمایشی مشابه آزمایش ایتالیایی ها ترتیب داد اما به جای قرار دادن یک ردیاب فوتونی در برابر فوتونهای میکروسکوپی خود و همکارانش در مقابل فوتونها قرار گرفتند.
پرتوهای فوتونی تولید شده با کمک تقویت کننده در اتاق تاریکی که فیزیکدانان در آن قرار داشتند متناسب با حالت دو قطبی که به تک فوتونها داده شده بود، در برابر چشم افراد قابل مشاهده می شد. با هر بار آزمایش بر روی انسانها به عنوان ردیابی فوتونی، نتیجه آزمایش مثبت اعلام شد.
شاید این آزمایش به تجمع عده ای فیزیکدان در اتاقی تاریک شباهت داشته باشد که به درخشش نوری خیره شده اند، اما در واقع این اولین آزمایشی است که طی آن انسان توانسته با کمک چشم غیر مسلح همبستگی کوانتومی را به صورت مستقیم مشاهده کند.
محققان همچنین دریافتند آنچه به آن خیره شده اند لزوما همبستگی کوانتومی ماکرو-میکرو یا بزرگ و کوچک نیست، زیرا حتی وقتی ارتباط میان فوتونهای بزرگ و کوچک شکسته شد باز هم امکان مشاهده تاثیر همبستگی توسط چشمهای غیر مسلح انسانی وجود داشت.
آنچه محققان سوئیسی می‌دانستند این بود که با آغاز آزمایش دو جفت فوتون مرتبط به یکدیگر در مقابل دارند که حتی اگر در روند تقویت یکی از این فوتونها اختلالی به وجود می‌آمد، آنها همچنان می‌توانستند تاثیر همبستگی کوانتومی را ببینند.
بر اساس گزارش پاپ ساینس، محققان ایتالیایی برای تایید همبستگی کوانتومی ماکرو- میکرو آزمایش جدیدی را با استفاده از پرتوهای لیزری برنامه ریزی کرده اند که این بار نمی توان در آن از انسان برای ردیابی پرتوها استفاده کرد، زیرا در این صورت پرتوهای به شدت متمرکز لیزری در این آزمایش آخرین پدیده‌هایی خواهند بود که افراد حاضر در آزمایش خواهند دید.

توجه: نام‌های «بابک» و «آزیتا» به جای Alice و Bob به کار می‌روند. این نام‌ها را نخستین بار دکتر وحید کریمی‌پور در درسنامه‌هایش در محاسبات کوانتومی در دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف به کار برده است.

لينك قسمت دوم

لينك قسمت اول



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

3 دیدگاه‌ها