مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت دوازدهم و سیزدهم

پارادوکس‌های کوانتومی

یک گروه از فیزیک‌دانان آزمایشگاه‌های انستیتوی ملی استاندارد و تکنولوژی در بولدر کلرادو که کریس مونرو و دیوید واینلند هدایت آن‌ها را بر عهده داشتند، تک اتمی از بریلیوم را به طور همزمان در دو مکان نشاندند،  نخست، سامانه‌ی لیزی هوشمندی را ترتیب دادند که اشیائی با اسپین مختلف را از هم جدا می‌کرد. وقتی لیزرها به اتمی با اسپین بالا ضربه‌ می‌زدند، آنها را در یک جهت مثلاً به سمت چپ کمی هل می‌دادند. وقتی به اتمی با اسپین رو به پایین ضربه‌ می‌زدند، در جهت مخالف کمی به سمت راست هل می‌دادند. سپس این فیزیک‌دان‌ها تک اتمی را گرفتند، آن‌را به دقت از محیط اطرافش ایزوله کردند و آن را با لیزرها و امواج رادیویی بمباران کردند تا به یک حالت برهم‌نهی برود. اتم نهایتاً همزمان هم در حالت اسپین بالا و هم اسپین پایین، یعنی هم صفر و هم یک قرار داشت. آنها سپس سیستم تفکیک‌کننده‌ی لیزری را روشن کردند. با اطمینان کامل از اینکه روی همان اتم که در یک لحظه در هر دو حالت اسپینی بالا و پایین قرار دارد، کار می‌کنند. اتم به طور همزمان به سمت‌های راست و چپ حرکت کرد!!!

حالت اسپین بالای اتم به سمت چپ و حالت اتم با اسپین پایین به سمت راست رفت:

تک اتم برلیوم در آن واحد در دو مکان قرار داشت. یک اتم کلاسیک نامرئی هرگز نمی‌تواند همزمان هم صفر و هم یک باشد. اما داده‌های گروه کلرادو حاکی از آن بود که اتم آنها به طور همزمان در دو مکان که ۸۰ نانومتر کامل یعنی حدود ۱۰ واحد اتمی از هم فاصله داشتند، قرار گرفتند. اتم در یک حالت (شگرف) برهم‌نهی قرار گرفت.

جالب است بدانید این وضع حتی هنگامی‌که فقط یکی از دو مسیر را به این سامانه مجهز می‌کنید هم رخ می‌دهد. اگر الکترونی را به سمت تداخل‌سنج بفرستید و الکترون مسیر B که مجهز به مسیرخوان است را انتخاب کند، لیزر مسیر الکترون را آشکار می‌سازد و به این ترتیب یک بیت اطلاعات راجع به آنکه کدام مسیر را انتخاب کرده به دست می‌آورید. اگر الکترون مسیر A را انتخاب کند که هیچ ابزاری برای تشخیص در آن قرار نداده‌اید. باز هم عدم کلیک‌کردن آشکارساز به شما می‌گوید که الکترون از مسیر B عبور نکرده است. بلکه مسیر A را برگزیده. پس هرچند چیزی از مقابل باریکه‌ی لیزری عبور نکرده، اما باز هم یک بیت اطلاعات دریافت کرده‌اید. مسیرخوان تعبیه‌شده در مسیر B برهم‌نهی را از بین برد هرچند لیزر هرگز دستش به الکترن نرسید. هرچه باشد مسیر A را انتخاب کرده نه B‌ را.

برهم‌نهی توضیح می‌دهد که چگونه یک تک الکترون می‌تواند الگوی تداخل به وجود آورد. هرچند یک شی‌ء کلاسیک هرگز چنین قابلیتی ندارد. الکترون با خودش تداخل می‌کند. وقتی الکترونی به شکافنده‌ی باریکه برخورد کند، وارد حالت برهم‌نهی می‌شود:  دو مسیر A و B را انتخاب برمی‌گزیند. یعنی دو مقدار صفر و یک را با هم انتخاب می‌کند. مثل این می‌ماند که الکترون‌های شبح‌گون در دو جهت تداخل‌سنج حرکت می‌کنند، یکی از سمت چپ و دیگری از سمت راست. وقتی دو مسیر مجدداً به هم می‌رسند، این الکترون‌های شبح‌گون با یکدیگر تداخل کرده و همدیگر را حذف می‌کنند. الکترون وارد شکافنده‌ی باریکه‌ می‌شود اما هرگز از آن خارج نمی‌شود یعنی هرگز به آشکارساز برخورد نمی‌کند زیرا الکترون همزمان از دو مسیر رفته و خودش را حذف کرده است.

برهم‌نهی، وضعیتی زودآسیب و بی‌ثبات است. به محض آنکه به یک شی‌ء برهم‌نهیده‌، نگاه کوتاهی بیندازید، یعنی بلافاصله که سعی کنید اطلاعاتی از درون آن درآورید، که مثلاً الکترون آیا واقعاً در حالت یک است یا صفر،‌ اسپینش بالاست یا پایین و اینکه از مسیر A می‌رود یا B،  الکترون بلافاصله‌ و ظاهراً به طور تصادفی یک مسیر یا حالت دیگر را انتخاب می‌کند. در اینجا است که برهم‌نهی از بین می‌رود.

به عنوان مثال، اگر دو مسیر یک تداخل‌سنج را مجهز به یک مسیرخوان کنید (چیزی مثل مثلاً باریکه‌ای لیزری که مسیر B را نمایان ساخته و هنگامی که الکترون آن را قطع می‌کند، یک بیت ۱ را به کامپیوتر می‌فرستد) دیگر الکترون نمی‌تواند در حالت برهم‌نهی وجود داشته باشد. در چنین وضعیتی الکترون انتخاب می‌کند که از مسیر A برود یا B، به جای اینکه همزمان از دو جا بگذرد، یا انتخاب می‌کند که صفر باشد یا یک به جای اینکه همزمان هر دو باشد و به این ترتیب الگوی تداخل از بین می‌رود.

در واقع وقتی اطلاعاتی را از آن بیرون می‌کشید که مثلاً مسیرش را تعیین کنید، یعنی تلاش می‌کنید نوعی اندازه‌گیری روی آن انجام دهید،‌حالت برهم‌نهی ناپدید می‌شود. اصطلاحاً می‌گوییم برهم‌نهی فرو می‌افتد. درست مثل آنکه خداوند سکه‌ای کیهانی را به هوا می‌اندازد تا ترتیب کار را بدهد.

جالب است بدانید این وضع حتی هنگامی‌که فقط یکی از دو مسیر را به این سامانه مجهز کنید هم رخ می‌دهد. اگر الکترونی را به سمت تداخل‌سنج بفرستید و الکترون مسیر B را که مجهز به مسیرخوان است، انتخاب کند، لیزر مسیر الکترون را آشکار می‌سازد و به این ترتیب یک بیت اطلاعات راجع به آنکه کدام مسیر را انتخاب کرده به دست می‌آورید. اگر الکترون مسیر A را انتخاب کند که هیچ ابزاری برای تشخیص در آن قرار نداده‌اید، باز هم عدم کلیک کردن آشکارساز به شما می‌گوید که الکترون از مسیر B عبور نکرده است. پس هرچند چیزی از مقابل باریکه‌ی لیزری عبور نکرده اما باز هم یک بیت اطلاعات دریافت کرده‌اید. مسیرخوان تعبیه شده در مسیر B برهم‌نهی را از بین می‌برد. هرچند لیزر هرگز دستش به الکترون نرسید، اما هرچه باشد، مسیر A را انتخاب کرده نه B را.

اصل برهم‌نهی آنچنان شگفت‌آور است که تعداد بسیاری از فیزیک‌دانان با قبول آن مشکل دارند، هرچند مشاهداتی را توضیح می‌دهد که نمی‌توان به هیچ طریق دیگری برایشان توضیح یافت.

چطور ممکن است یک تک الکترون همزمان از دو مسیر عبور کند؟

یک فوتون چگونه می‌تواند در یک زمان هم در حالت اسپین بالا و هم اسپین پایین باشد؟

چطور می‌شود شیئی، دو حالت انتخاب متقابلاً متضاد را با هم برگزیند؟

پاسخ بایستی با اطلاعات ارتباط می‌داشت. عمل جمع‌آوری و انتقال اطلاعات نقطه‌ای است که دانشمندان، کلید درک این آشفتگی و ایده مغایر با شهود برهم‌نهی را در آنجا یافتند. با این حال، در دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ دانشمندان هنوز مجهز به ریاضیات نظریه‌ی اطلاعات نشده‌ بودند و هیچ کمکی برای این منظور نداشتند. زمانی‌که با ایده‌ی پارادوکسی برهم‌نهی مواجه گشتند، به سرعت حربه‌ای مطلوب برای خود دست و پا کردند (یک آزمایش فکری) تا تلاش کنند این مفهوم را از میان بردارند. معروف‌ترین آنها را اینشتین ارائه داد اما از جانب فیزیک‌دان اتریشی معروف  اروین شرودینگر.

لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=6682

(۱۹ نفر , میانگین : ۴,۵۳ از ۵)