گربه شرودینگر شهرت جهانی دارد، اما واقعا معنایش چیست؟

مکانیک کوانتومی، این نظریه‌ حاکم بر میکرو دنیای اتم‌ها و ذرات، قطعاً خاص است. بر خلاف بسیاری از زمینه های دیگر فیزیک، عجیب و غریب و غیرقابل تصور بودن این حوزه آن را خیره کننده و جذاب می کند. وقتی جایزه نوبل فیزیک 2022 به آلن اسپهAlain Aspect ، جان کلاسر John Clauser و آنتون زایلینگر Anton Zeilinger برای تحقیقاتی که مکانیک کوانتومی را واضح تر می‌کرد اعطا شد، هیجان و بحث ها بالا گرفت.

اما بحث‌های مربوط به مکانیک کوانتومی – چه در جمع های عمومی، چه در رسانه‌ها و چه در داستان‌های علمی تخیلی – اغلب به لطف تعدادی از افسانه‌ها و تصورات نادرست پابرجا می‌تواند آشفته شود. در اینجا چهار مورد را بیان می کنیم:

1-یک گربه می تواند مرده و زنده باشد

احتمالاً اروین شرودینگر هرگز نمی توانست پیش بینی کند که آزمایش فکری او، گربه شرودینگر، در قرن بیست و یکم به یک میم اینترنتی تبدیل شود.

این آزمایش یک گربه بدشانس را توصیف میکند که در جعبه‌ای با یک ماشه کشتن که توسط رویداد کوانتومی تصادفی فعال می‌شود - برای مثال، با واپاشی رادیواکتیو - گیر افتاده است. تا زمانی که جعبه را برای بررسی باز نکنیم، گربه می‌تواند همزمان زنده و مرده باشد.

مدت‌هاست که می‌دانیم ذرات کوانتومی همزمان می‌توانند در دو حالت - برای مثال در دو مکان- باشند که به آن برهم نهی می گوییم. دانشمندان توانسته‌اند این را در آزمایش معروف دو شکاف نشان دهند، که در آن یک ذره کوانتومی منفرد، مانند فوتون یا الکترون، می‌تواند به طور همزمان از دو شکاف مختلف در یک دیوار عبور کند. این را از کجا می دانیم؟

در فیزیک کوانتوم، حالت هر ذره، یک موج نیز هست. اما وقتی جریانی از فوتون‌ها را – یکی یکی – از میان شکاف‌ها می فرستیم، الگویی از دو موج ایجاد میشود که روی صفحه‌ای در پشت شکاف با یکدیگر تداخل کرده اند. از آنجایی که هر فوتون در هنگام عبور از شکاف ها هیچ فوتون دیگری برای تداخل نداشته است، این بدان معناست که باید همزمان از هر دو شکاف عبور کرده و با خودش تداخل کرده باشد (تصویر زیر).

الگوی تداخل نشان داده شده در آزمایش معروف دو شکاف، که در آن یک ذره کوانتومی منفرد، مانند فوتون یا الکترون، می‌تواند به طور همزمان از دو شکاف مختلف در یک دیوار عبور کند.

با این حال، برای این کار، حالات (امواج) در برهمنهی ذره ای که از هر دو شکاف میگذرد، باید "همدوس" باشند یعنی رابطه ای کاملاً مشخص با یکدیگر داشته باشند.

این آزمایشات برهمنهی را می توان با اشیائی با اندازه و پیچیدگی رو به افزایش انجام داد. یکی از آزمایش‌های معروف انجام شده توسط آنتون زایلینگر در سال 1999 برهمنهی کوانتومی با مولکول‌های بزرگ کربن 60 معروف به «باکی‌بال» را نشان داد.

پس این برای گربه بیچاره ما چه معنایی دارد؟ آیا واقعاً تا زمانی که جعبه را باز نکنیم، هم زنده است و هم مرده؟ بدیهی است که یک گربه در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده مانند یک فوتون منفرد نیست، بلکه بسیار بزرگتر و پیچیده تر است. هر گونه همدوسی که تریلیون ها تریلیون اتم های تشکیل دهنده گربه ممکن است با یکدیگر داشته باشند بسیار کوتاه مدت است.

این بدان معنا نیست که همدوسی کوانتومی در سیستم‌های بیولوژیکی غیرممکن است، بلکه فقط به طور کلی در مورد موجودات بزرگ مانند گربه‌ها یا انسان صدق نمی‌کند.

2- با شباهت های ساده می توان درهمتنیدگی را توضیح داد

درهمتنیدگی یک خاصیت کوانتومی است که دو ذره مختلف را به هم مرتبط می‌کند، به طوری که اگر یکی را اندازه‌گیری کنید، به‌طور خودکار و فوراً از وضعیت دیگری هم مطلع می شوید - مهم نیست چقدر از هم فاصله دارند.

ذرات کوانتومی به شکلی اسرارآمیز در ارتباط هستند که ما نمی توانیم آن را با منطق یا زبان روزمره توصیف کنیم.

توضیحات مرسوم برای آن معمولاً شامل اشیاء روزمره از دنیای ماکروسکوپی کلاسیک ما، مانند تاس، کارت یا حتی جفت جوراب با رنگ های عجیب و غریب است. به عنوان مثال، تصور کنید به دوست خود می گویید که یک کارت آبی در یک پاکت و یک کارت نارنجی در پاکت دیگر قرار داده اید. اگر دوستتان یکی از پاکت ها را بردارد و باز کند و کارت آبی را پیدا کند، متوجه می شود که شما کارت نارنجی را دارید.

اما برای درک مکانیک کوانتومی، باید تصور کنید که دو کارت درون پاکت ها در یک برهمنهی متصل قرار دارند، به این معنی که هر دو، همزمان هم نارنجی و هم آبی هستند (به طور دقیقتر، نارنجی/آبی و آبی/نارنجی). با باز کردن یک پاکت، یک رنگ به صورت تصادفی مشخص می شود. اما با باز کردن دومی همیشه رنگ مخالف دیده می شود، زیرا «شبح وار» به کارت اول مرتبط است.

می‌شد کارت‌ها را مجبور کرد که در مجموعه‌ای از رنگ‌های متفاوت ظاهر شوند، مثل اینکه نوع دیگری از اندازه گیری را انجام دهیم. می‌توانستیم پاکتی را باز کنیم و این سؤال را بپرسیم: "شما کارت سبز هستید یا قرمز؟" پاسخ دوباره تصادفی خواهد بود: سبز یا شاید قرمز. اما به طرز مهمی اگر کارت‌ها در همتنیده می‌بودند، وقتی همان سؤال پرسیده می‌شد، خروجی کارت دیگر همیشه برعکس بود.

آلبرت انیشتین سعی کرد این را با شهود کلاسیک توضیح دهد، و پیشنهاد کرد که کارت‌ها می‌توانند یک مجموعه دستورالعمل پنهان و درونی داشته باشند که به آنها می‌گوید با توجه به یک سوال خاص، در چه رنگی ظاهر شوند. او همچنین کنش «شبح وار» ظاهری بین کارت‌ها، که به نظر میرسد به آنها اجازه می‌دهد فوراً روی یکدیگر تأثیر بگذارند، را رد کرد زیرا به معنای ارتباط سریع‌تر از سرعت نور می باشد، چیزی که بر طبق نظریه‌های اینشتین ممنوع است.

با این حال، توضیح انیشتین متعاقباً توسط قضیه بل (آزمون نظری ایجاد شده توسط فیزیکدان جان استوارت بل) و آزمایش های برندگان جایزه نوبل 2022 رد شد. این ایده که اندازه گیری یک کارت درهمتنیده وضعیت دیگری را تغییر می دهد درست نیست. ذرات کوانتومی به شکلی اسرارآمیز همبستگی دارند که با منطق یا زبان روزمره ما نمی توان آن را توضیح داد- آنها همچنین آنطور که انیشتین فکر می کرد که حاوی یک کد پنهان هستند با هم ارتباط برقرار نمی کنند. بنابراین وقتی به موضوع درهمتنیدگی فکر می کنید، مثال زدن از اشیاء روزمره را فراموش کنید.

3- طبیعت غیر واقعی و "غیر موضعی" است

اغلب گفته می‌شود که قضیه بل ثابت می‌کند که طبیعت «موضعی» نیست، و یک شی فقط تحت تأثیر مستقیم محیط نزدیکش قرار ندارد. یکی دیگر از تفسیرهای رایج آن است که این یعنی، ویژگی‌های اجسام کوانتومی «واقعی» نیستند زیرا آنها تا قبل از اندازه‌گیری وجود ندارند.

اما قضیه بل فقط به ما اجازه می‌دهد بگوییم که طبق فیزیک کوانتوم، اگر همزمان چند چیز دیگر را فرض کنیم، طبیعت هم واقعی و هم موضعی نخواهد بود. این فرضیات شامل این ایده است که اندازه‌گیری‌ها فقط یک نتیجه دارند (و نه چندگانه شاید در جهان‌های موازی)، رابطه علت و معلولی در زمان به جلو جریان می‌یابد و ما در «جهانی مانند ساعت» زندگی نمی‌کنیم که در آن همه چیز از آغاز تعیین شده باشد.

علیرغم قضیه بل، طبیعت ممکن است کاملا واقعی و موضعی باشد، اگر اجازه داشته باشید برخی چیزهای دیگر مانند زمان حرکت رو به جلو، که حواس معمولمان اقتضا می کند، را بشکنید. امید می رود که تحقیقات بعدی، تعداد زیاد تفسیرهای بالقوه از مکانیک کوانتومی را محدود کند. با این حال، اکثر گزینه‌های روی میز - برای مثال، زمان رو به عقب یا فقدان اراده آزاد - حداقل به اندازه کنار گذاشتن مفهوم واقعیت موضعی نامعقول هستند.

4- . هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد

یک نقل قول کلاسیک (منسوب به فیزیکدان ریچارد فاینمن، اما در این شکل با بازنویسی نیلز بور) چنین فرض می‌کند: «اگر فکر می‌کنید مکانیک کوانتومی را درک کرده اید، پس آن را نمی‌فهمید».

این دیدگاه به طور گسترده ای در بین مردم وجود دارد. فرض رایج از جمله در میان فیزیکدانان، این است که درک فیزیک کوانتومی غیرممکن است. اما از چشم انداز قرن بیست و یکم، فیزیک کوانتومی نه از نظر ریاضی و نه از نظر مفهومی برای دانشمندان به طور ویژه ای دشوار نیست. ما آن را تا حدی خوب درک می کنیم که می توانیم پدیده های کوانتومی را با دقت بالا پیش بینی کنیم، سیستم های کوانتومی بسیار پیچیده را شبیه سازی کنیم و حتی شروع به ساخت کامپیوترهای کوانتومی کنیم.

برهمنهی و درهمتنیدگی، وقتی به زبان اطلاعات کوانتومی توضیح داده شود، به چیزی بیش از ریاضیات دبیرستان نیاز نیست. قضیه بل اصلاً نیازی به فیزیک کوانتومی ندارد. با استفاده از نظریه احتمال و جبر خطی می توان آن را در چند خط استخراج کرد.

شاید مشکل واقعی در این است که چگونه فیزیک کوانتومی را با واقعیت شهودی خود آشتی دهیم. نداشتن همه پاسخ ها ما را از پیشرفت بیشتر در فناوری کوانتومی باز نمی دارد. ما به سادگی می توانیم سکوت کرده و فقط حساب کنیم.

در کمال خوشبختی برای بشریت، برندگان نوبل اسپه، کلاسر و زایلینگر از سکوت خودداری کردند و مدام به دنبال چرایی ها بودند. افراد دیگری مانند آنها ممکن است روزی به آشتی دادن عجایب کوانتوم با تجربه ما از واقعیت کمک کنند.

منبع:

4Quantum Physics Misconceptions, Busted

ترجمه خبر: شهره کرمی