بیگ بنگ: حقایق جایگزین همانند ویروس در سراسر جامعه گسترش می‌یابند. حال، به نظر می‌رسد این حقایق علم را نیز آلوده کرده‌اند؛ دستکم این مورد در حوزه کوانتوم مشاهده می‌شود.

به گزارش بیگ بنگ، شاید این امر مغایر با درک شهودی باشد. “روش‌ علمی” بر پایه مفاهیم مشاهداتی قابل اطمینان، اندازه‌گیری و تکرارپذیری استوار است. واقعیت باید عینی باشد؛ به طوری که همۀ ناظران بتوانند با آن موافقت نمایند. اما در مقاله‌ای که بتازگی منتشر شده، محققان نشان دادند که در جهان ریزمقیاس اتم‌ها و ذراتی که قوانین عجیبِ مکانیک کوانتومی بر آن حاکم است، دو ناظر حقایق مخصوص به خود را دارند.

به عبارت دیگر، بر اساس نظریه اجزای سازنده خود طبیعت، حقایق می‌توانند ذهنی باشند. ناظران بازیگران قدرتمندی در جهان کوانتومی هستند. بر اساس این نظریه، ذرات می‌توانند به طور همزمان در مکان‌ها و جاهای مختلفی حضور داشته باشند. محققان از این پدیده با عنوان برهم‌نهی یاد می‌کنند. این تنها موردی است که آنها مشاهده نمی‌شوند. به محض اینکه یک سیستم کوانتومی را مشاهده می‌کنید، حالت یا موقعیت خاصی را برمی‌گزیند؛ لذا برهم‌نهی از هم می‌پاشد. این نوع رفتار طبیعت بارها و بارها در آزمایشگاه اثبات شده است.

در سال 1961، “یوجین واگنر” یک آزمایش فکری خلاقانه‌ پیشنهاد کرد. وی این سوال را مطرح کرد که اگر ماشین‌ کوانتومی را برای ناظری به کار بگیریم که خودش را مشاهده کند، چه اتفاقی می‌افتد؟ فرض کنید یکی از دوستان واگنر یک سکه کوانتومی پرتاب می‌کند؛ بر اساس اصل برهم‌نهی، در داخل آزمایشگاهی بسته، سکه هم شیر و هم خط ظاهر می‌شود. هر زمان که دوست واگنر سکه را پرتاب می‌کند، یک نتیجه قطعی مشاهده می‌کند. می‌توان گفت که دوست واگنر یک حقیقت را می‌بیند:‌ نتیجه پرتاب سکه قطعاً شیر یا خط است. واگنر از بیرون به این واقعیت دسترسی ندارد.

بر اساس مکانیک کوانتومی، او باید دوست و سکه را در حالت برهم‌نهی ِ همۀ پیشامدهای احتمالی آزمایش، توصیف کند. به همین خاطر است که آنها درهم‌تنیده‌اند و به گونه‌ای شبح‌وار به یکدیگر متصل هستند؛ طوری که اگر یکی را دستکاری کنید، دیگری هم دستکاری کرده‌اید. حال واگنر می‌تواند این حالت برهم‌نهی را با استفاده از آزمایش تداخل اثبات کند؛ نوعی اندازه‌گیری کوانتومی که زمینه را برای رونمایی از برهم‌نهیِ کل سیستم فراهم می‌کند. بنابراین، درهم‌تنیدگیِ دو جسم تایید می‌شود. وقتی واگنر و دوستش یادداشت‌ها را بعداً مقایسه کنند، دوستش اینطور نتیجه‌گیری خواهد کرد که پیشامدهای قطعی هر پرتاب سکه را دیده است. با این حال، واگنر با وی مخالفت خواهد کرد، زیرا دوستش و سکه را در حالت برهم‌نهی مشاهده کرده است.

خب اینجا یک معما پیش می‌آید. واقعیت ِ درک شده توسط دوستش با واقعیتی که در بیرون وجود دارد، سازگار نیست. واگنر این موضوع را متناقض نمی‌دانست و معتقد بود این پوچ و بی‌معنی است که ناظر هشیار به عنوان شیء کوانتومی در نظر گرفته شود. وی بعدها این دیدگاهش را کنار گذاشت. بر اساس کتاب‌های درسی رسمی در حوزه مکانیک کوانتومی، این توصیف کاملاً معتبر است.

آزمایش کوانتومی

این سناریو مدت‌هاست که به عنوان یک آزمایش فکری جالب شناخته می‌شود. اما آیا واقعیت را بازتاب می‌دهد؟ از دید علمی، اخیراً پیشرفت قابل توجهی به دست آمده است؛ “چاسلاو بروکنر” در دانشگاه وین نشان داد که ایدۀ واگنر می‌تواند تحت فرضیه‌های معینی برای اثبات رسمی این قضیه به کار گرفته شود که  “اندازه‌گیری در مکانیک کوانتومی برای ناظران جنبه ذهنی دارد.” بروکنر روشی را برای آزمایش این مفهوم پیشنهاد داد. وی در این راستا، سناریوی دوست واگنر را در قالب چارچوبی بررسی کرد که نخستین‌بار فیزیکدانی به نام جان بل در سال 1964 مطرح کرده بود.

بروکنر واگنر و دوستانش را در جعبه‌های جداگانه‌ای فرض کرد و اندازه‌گیری‌های مربوط را در حالت مشترک انجام داد (درون و بیرون جعبه). از نتایج این آزمایش می‌توان برای ارزیابی مفهوم «نامساوی بل» استفاده کرد. اگر این نامساوی نقض شود، ناظران به حقایق جایگزین تبدیل می‌شوند. ما اکنون موفق شده‌ایم این آزمایش را به صورت تجربی در دانشگاه هریوت-وات ادینبورگ و در رایانه کوانتومی کوچک‌مقیاسی انجام دهیم. این رایانه از سه جفت فوتون درهم‌تنیده ساخته شده است. جفت فوتون اول به سکه‌ها اشاره دارد و دو جفت دیگر برای پرتاب سکه استفاده می‌شوند؛ قطبیت فوتون‌ها اندازه گرفته شد. در بیرون دو جعبه، دو فوتون کنار یکدیگر قرار دارند که امکان اندازه‌گیری‌شان وجود دارد.

علی‌رغم استفاده از فناوری کوانتومی نوین، جمع‌آوری داده از 6 فوتون دو هفته به طول انجامید. اما سرانجام موفق به اثبات این مسئله شدیم که مکانیک کوانتومی ممکن است با فرضیه‌ی حقایق عینی ناسازگار باشد؛ ما نابرابری را نقض کردیم. با این حال، این نظریه روی چند فرضیه استوار است. برای مثال، نتایج اندازه‌گیری تحت تاثیر سیگنال‌هایی که سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند، قرار نمی‌گیرد و ناظران در انتخاب نوع اندازه‌گیری از آزادی عمل برخوردارند. این دو فرضیه هنوز اثبات نشده است. سوال مهم دیگر این است که آیا می‌توان تک‌تک فوتون‌ها را ناظر در نظر گرفت یا خیر.

بر اساس پیشنهاد نظریه بروکنر، نیازی نیست ناظران هشیار باشند؛ فقط کافی است حقایق را در قالب یک نتیجه اندازه‌گیری ارائه نمایند. در واقع، آشکارساز بی‌جان هم می‌تواند ناظری معتبر باشد. ممکن است “مکانیک کوانتومی استاندارد” در مقیاس‌های بزرگ قابل کاربرد نباشد، اما آزمودنِ آن هم مسئله‌ای مجزا است.

در نهایت، این آزمایش نشان می‌دهد که دستکم در مدل‌های محلیِ مکانیک کوانتومی، باید دربارۀ مفهوم واقعیت عینی تجدید نظر کنیم. حقایقی که در دنیای ماکروسکوپی‌مان تجربه می‌کنیم، در ظاهر امن و بی‌دردسر به نظر می‌رسند؛ اما این سوال بزرگ مطرح است که تفسیر موجود از مکانیک کوانتومی چگونه می‌تواند حقایق ذهنی را در دل خود بگنجاند؟ به باور برخی از فیزیکدان‌ها، این پیشرفت‌های جدید به تفسیرهای خوبی منجر خواهد شد.

بنابراین، شاید بیش از یک نتیجه برای یک مشاهده ایجاد شود؛ برای مثال، وجود جهان‌های موازی که همۀ پیشامدها در آن می‌تواند قابل رخ دادن باشد. بحث جهان‌های موازی یکی از جنجالی‌ترین تئوری‌های مطرح شده در دنیای فیزیک است که وجود چندین حالت هم‌زمان و مجزا از واقعیت را مطرح می‌کند.

برخی دیگر، اما، آن را شواهد خوبی برای نظریه‌های وابسته به ناظر می‌دانند؛ مثل Quantum Bayesianism که در آن، کارها و تجارب ناظر به عنوان مسائل کانونیِ نظریه برشمرده می‌شوند. عدۀ دیگری هم روی این ایده پافشاری می‌کنند که مکانیک کوانتومی تا یک جای مشخصی می‌تواند جوابگو باشد و اگر پای فراتر از مقیاس پیچیدگی معینی بگذارد، دچار فروپاشی خواهد شد. بی‌شک، اینها همگی پرسش‌های فلسفی عمیقی دربارۀ ماهیت اساسیِ واقعیت هستند. جواب هر چه باشد، آینده‌ای جالب و نویدبخش در پیش روست! جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Science Advances منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی‌لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: livescience.com