مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت شانزدهم

بیگ بنگ: اینشتین ظاهرا از تناقضات مکانیک کوانتومی به طرز ناخوشایندی متنفر بود و بارها و بارها سعی کرد نظریه‌ای را که خود به خلق آن کمک کرده بود، از بین ببرد. او تقریباً موفق شد.

پارادوکس گربه‌ی شرودینگر به یکی از معماهای کلاسیک و دردسرساز نظریه‌ی کوانتومی مبدل شد. با این حال، به مانند اصل برهم‌نهی که عجیب و شگفت‌آور بود، این پارادوکس هم دردسرسازترین عنصر مکانیک کوانتومی نبود. دست کم در نگاه اینشتین. اینشتین متوجه تهدیدی از یک منظر دیگر شد. این پارادوکس ظاهرا تهدیدی برای قانون متعالی وی به شمار می‌رفت که می‌گوید هیچ اطلاعاتی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند و اینطور به نظر آمد که انگار به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا ماشین زمان را بسازند.

اینشتین و دو تن از همکارانش به نامهای بوریس پودولسکی و ناتان روزن، در سال ۱۹۳۵ به این مسئله پی بردند. آنها نیز مانند شرودینگر آزمایشی ذهنی را ترتیب دادند که پوچی و بی‌معنایی مکانیک کوانتومی را آشکار می‌ساخت، و اتفاقاً آزمون معرکه‌ای هم از آب درآمد. آنها در این آزمایش یک ویژگی مکانیک کوانتومی که امروزه به درهم‌تافتگی (Quantum entanglement)  موسوم است را مورد توجه قرار دادند که در کنار اصل برهم‌نهی (Superposition principle)، خبر از دگردیسی تمامیت چارچوب مکانیک کوانتومی تا حد مشتی تناقضات می‌داد.

آزمایش ذهنی اینشتین-پودولسکی-روزن یا به اختصار EPR با ذره‌ای آغاز می‌شود که به شکلی در فضا معلق است. به ناگاه، ذره‌ دارای واپاشی می‌شود که حاصل آن تولید دو ذره جدید کوچکتر است که در جهات مختلف از هم دور می‌شوند. اگر این دو ذره جرم یکسان داشته باشند، در آن صورت می‌بایست با تندی‌های برابر اما در جهات مخالف حرکت کنند. آنگونه که قوانین نیوتون می‌گویند. اگر یکی از این ذرات سنگین‌تر از دیگری باشد، ذره‌ی سنگین‌تر باید آهسته‌تر از آن دیگری جابجا شود و ذره‌ی سبک‌تر باید سرعت بیشتری داشته باشد. این امر پیامد قانون پایستگی تکانه است.

برای ارائه‌ی یک اثبات هم که شده، بیایید اینطور بگوییم که ذره‌ی اصلی‌مان به یک ذره‌ی سبک و یک ذره‌ی سنگین وامی‌پاشد که به سمت‌های راست و چپ شلیک می‌شوند. تا شما نوعی اندازه‌گیری و سنجش را بر روی یکی از این جفت حاصل از واپاشی انجام می‌دهید، خود را با یک سوال دودویی مواجه می‌بینید. ذره‌ی سبک و سریع یا به سمت راست می‌رود یا به سمت چپ. یا، اگر از یک منظر دیگر نگاه کنیم، ذره‌ای که به سمت چپ می‌رود یا آن ذره‌ای است که سبک‌تر است یا آن دیگری که سنگین‌تر. یا صفر است یا یک. این سیستم خاص از ذرات را به یادبود اینشتین، پودولسکی و روزن، ««جفت EPR»» می‌نامند.

حال فرض کنید که می‌خواهید سرعت آن ذره‌ از جفت EPR که به سمت چپ حرکت می‌کند را اندازه‌ بگیرید: یا سرعتش زیاد است یا نیست. یا ذره سنگین است یا سبک. یا صفر است یا یک. به محض آنکه سرعت ذره‌ی سبک را اندازه‌ بگیرید، در می‌یابید آن ذره‌ای که در سمت چپ حرکت می‌کند کدام است. دیگر خواهید دانست که سرعتش زیاد است یا کم. اما با انجام اندازه‌گیری‌ روی ذره‌ی سمت چپی، اطلاعات مربوط به ذره‌ی سمت راستی هم به دست می‌آید. اگر ذره‌ی سمت چپی را مورد اندازه‌گیری قرار داده و دریابید که با سرعت زیادی در حال جابجا شدن است (یک ۰ است) به طور خودکار می‌دانید که ذره‌ی دیگر با سرعت کمتری حرکت می‌کند (یک ۱ است). و همینطور برعکس. یک تک اندازه‌گیری که به حصول یک بیت اطلاعات نزد شما می‌انجامد، یک ۰ یا یک ۱، اطلاعاتی از هر دو ذره را در اختیارتان می‌گذارد. این دو ذره از نظر اطلاعاتی با هم در ارتباط هستند. این وضع را درهم‌تنیدگی می‌نامند. به بیان نظریه‌ی اطلاعات و البته مکانیک کوانتومی، این دو جسم طوری رفتار می‌کنند که انگار یک ذره هستند. اگر روی یکی اندازه‌گیری انجام دهید، به واقع روی هر دو اینکار را انجام داده‌اید.

شما می‌توانید یک جفت EPR که ذراتش در هم‌تنیده هستند را به روش دیگری هم ایجاد کنید. مثلاً، می‌توانید مجموعه‌ای از ذرات درست کنید که اسپین‌شان معادل و در خلاف جهت همدیگر باشد. درست همانگونه که می‌توانید ذراتی درست کنید که سرعت‌هایشان برابر اما در حهت‌های گوناگون باشند. اگر یکی از چنین ذرات درهم‌تنیده‌ای را اندازه‌گیری کرده و دریابید که اسپینش بالا است، آنگاه بلافاصله می‌دانید که اسپین دیگری رو به پایین است. می‌توانید یک جفت فوتونی، یک جفت ذره‌ی نورانی درست کنید که قطبیتشان با هم برابر اما در خلاف جهت یکدیگر باشند. اگر بدانید فوتونی که در سمت چپ حرکت می‌کند در صفحه‌ی افقی قطبی شدهف خواهید فهمید که ذره‌ای که در سمت راست حرکت می‌کند، حتما در صفحه‌ی عمودی قطبی شده است.

تا اینجا موضوع مورد بحث پیچیدگی وحشتناکی نداشته است. این قبیل چیزها در دنیای ماکروسکپی هم مدام اتفاق می‌افتد. مثلاً، می‌توانیم بگوییم که در یک جعبه سکه‌ای یک پنی و در یک جعبه دیگر سکه‌ای پنج سنتی دارم. وقتی درب یکی از جعبه‌ها را باز می‌کنیم و داخل آن را می‌بینیم، بلافاصله می‌فهمیم که در جعبه‌ی دیگر چه چیز وجود دارد. با این حال، بر خلاف داستان سکه‌ها، می‌توانید برهم‌نهی را ترکیبی کنید. آن هنگام که ذرات کوانتومی برهم‌نهیده را با هم در هم‌تنیده می‌کنید، ماجرا بدجوری هراس‌انگیز می‌شود. در واقع حتی بدون برهم‌نهی نیز، درهم‌تافتگی به حتم مشکلات مشابهی را به بار می‌آورد. مقاله اصلی EPR نشان از وجود مشکل بالقوه‌ای داشت چرا که دانستن همزمان تکانه و مکان یک ذره بر خلاف اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. دیوید بوهم بعدها صورت‌بندی برهم‌نهی به اضافه‌ی درهم‌تنیدگی که اینشتین برهان آن را بعدها اصلاح کرد، ارائه نمود.

قسمت پانزدهم

لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=9704

(۱۳ نفر , میانگین : ۴,۹۲ از ۵)