پارادوكس‌هاي كوانتومي

بیگ بنگ: آزمايش ذهني شرودينگر با شيئي كوانتومي شروع مي‌شود كه در حالت برهم‌نهي قرار دارد. اينكه آن حالت از چه نوعي است، نيز اهميتي ندارد. مي‌تواند هر انتخاب دودويي باشد: مي‌تواند اتمي با اسپين بالا/اسپين پايين بوده يا فوتوني باشد كه در آن واحد قطبش‌هاي عمودي و افقي داشته باشد. خلاصه هر چيزي كه شيئي را به انتخاب يكي از دو مقدار صفر يا يك وادارد.

اما در مورد اين مثال بياييد فرض كنيم با الكتروني سر و كار داريم كه به يك شكافنده‌ي باريكه برخورد كرده و همزمان دو مسير را برمي‌گزيند. هر دو مسير به جعبه‌اي منتهي مي‌شوند (فرض كنيد درون جعبه يك گربه قرار دارد). مسير اول بن‌بست است. اگر الكترون از اين مسير عبور كند هيچ اتفاقي نمي‌افتد. يعني صفر. اما مسير دوم به يك آشكارساز الكتروني ختم مي‌شود. وقتي الكترون به آشكارساز برخورد مي‌كند، آشكارساز سيگنالي را به يك موتور الكتريكي مي‌فرستد كه چكشي را به حركت در مي‌آورد. چكش بطري كوچكي كه حاوي نوعي سم بوده و درون جعبه قرار داشته را مي‌شكند و اين سم گربه را مي‌كشد.

به بركت اصل برهم‌نهي، الكترون در يك زمان از هر دو مسير اول و دوم عبور خواهد كرد. بنابراين الكترون هم به آشكارساز برخورد كرده و هم برخورد نخواهد كرد. يعني چكش هم بطري حاوي سم را مي‌شكند و هم نمي‌شكند و همه اينها در يك زمان اتفاق مي‌افتد. قوانين مكانيك كوانتومي حاكي از آنند كه گربه در يك نوع حالت برهم‌نهي قرار دارد: به عبارتي در آن واحد هم زنده است و هم مرده. يك حالت گرگ و ميش از زندگي. اما اين حالت چطور ممكن است؟ اما صبر كنيد. اين حالت برهم‌نهي تا زماني مي‌تواند ادامه يابد كه كسي درب جعبه را باز نكرده باشد. به محض آنكه كسي راجع به گربه اطلاعاتي استخراج كرد، برهم نهي، يا به بيان شرودينگر، تابع موج گربه فرو مي‌افتد. يعني گربه يكي از دو حالت مرده يا زنده بودن را برمي‌گزيند و به ناگاه يكي از آن دو را به خود مي‌گيرد.

هنگامي كه شرودينگر آزمايشش را پيشنهاد كرد، مي‌دانست كه پيامد آن چيز احمقانه و فاقد كيفيت و جديت خواهد بود. اشياء ماكروسكوپي مثل گربه به مانند اشياء كوانتومي همچون الكترون رفتار نمي‌كنند. و خنده‌دار است كه بينديشيم كه موجودي مي‌تواند در آن واحد هم زنده باشد و هم مرده. اگر رياضيات مكانيك كوانتومي مي‌گويد كه چنين چيزي رخ مي‌دهد، پس چرا ما وقتي در خيابان راه مي‌رويم مانند آدمهايي نيستيم كه هم مرده‌ايم و هم زنده؟ آنچه ما را از مشاهده برهم‌نهي در اجسام بزرگ مانند توپ بيس‌بال و ماشين و گربه باز مي‌دارد، چيست؟

برخي فيزيك‌دانان پيشنهاد كرده‌اند كه چيز اساسا متفاوتي وجود دارد كه دنياي كوانتومي را از دنياي كلاسيكي جدا مي‌كند. برخي گمان مي‌كنند يك حد اندازه خاص وجود دارد كه در آن به دليلي قوانين مكانيك كوانتومي ديگر كار نمي‌كنند و قوانين كلاسيك جاي آن را مي‌گيرند. تا آنجا كه آزمون‌گران مي‌توانند اظهار نظر كنند، چنين مرز جداكننده‌اي وجود ندارد. دانشمندان مدتها است اشياء بزرگ و بزرگ‌تر را به حالت برهم‌نهي مي‌برند. براي مثال، فيزيكداني همچون آنتون زايلينگر در دانشگاه وين اتريش مدتي است مشغول معادل‌سازي آزمايش گربه‌ي شرودينگر با مولكول‌هاي بزرگي موسوم به فولرين‌هاست. اين فولرين‌ها مولكول‌هاي فقسي‌شكل و كروي هستند كه محتوي شصت يا كمي بيشتر اتم كربن مي‌باشند. بر حسب استاندارهاي كوانتومي، اين مولكول‌ها واقعا غول‌آسا محسوب مي‌شوند. با اين همه وقتي زايلينگر، فولرين‌ها را به ميان ساختار رنده‌اي شكل شليك مي‌كند، هركدام مسيري چندگانه را به سمت آشكارساز در پيش مي‌گيرند. هرچند اين مولكول‌ها بسيار از اتم‌ها و الكترون‌ها و فوتون‌ها بزرگترند، اما مي‌توان آنها را به برگزيدن همزمان دو مسير وا داشت: آنها مجبور به رفتن به حالت برهم‌نهي مي‌شوند. تا امروز دانشمندان نتوانسته‌اند حد اندازه‌اي را براي قوانين نظريه‌ي كوانتومي بيابند. هرچيزي در اين عالم بايد به نوعي در معرض آن قوانين قرار داشته باشد.

پس با اين حساب مي‌رسيم به يك پارادوكس. ظاهراً رياضيات نظريه‌ي كوانتومي حاكي از آن است كه دانشمندان بايد قادر باشند حتي اجسام بزرگي مانند توپ بيس‌بال و گربه‌ها را هم در حالت برهم‌نهي قرار دهند. اما به باور ما بي‌معني است كه بتوان توپ بيس‌بال را در آن واحد در دو مكان قرار داد.
اگر قوانين مكانيك كوانتومي براي اشياء ميكروسكوپي به كار مي‌روند، چرا اشياء ماكروسكوپي مانند ميكروسكوپي‌ها عمل نكنند؟ دست كم اين قدري معني مي‌دهد. چنين تخطي‌اي از عقل سليم بايد يك نظريه را زير مي‌كشاند، اما اين تنها پارادوكس از اين دست نبود. اينشتين از كميات ظاهراً متناقض مكانيك كوانتومي به طرز ناخوشايندي متنفر بود و بارها و بارها سعي كرد نظريه‌اي را كه خود به خلق آن كمك كرده‌ بود از بين ببرد. او تقريبا موفق شده بود …

ادامه دارد …

منبع: كتاب كشف رمز عالم، مقدمه‌اي بر نظريه‌ي اطلاعات كوانتومي، نوشته‌ي چارلز سيف، ترجمه‌ي دكتر ميثم تهراني

قسمت چهاردهم