بر اساس نظریه کوانتوم، نتایج اندازه گیری توسط تغییرات در رابطه ی بین گذشته و آینده یک سیستم به علت برهمکنشِ اندازه گیری شکل می گیرد.

هرگاه دقت یک اندازه گیری به حد عدم قطعیت تعریف شده توسط مکانیک کوانتومی نزدیک شود، نتایج اندازه گیری به دینامیک برهمکنش ها با سنجه (متر اندازه گیری) مورد استفاده در تعیین مشخصه فیزیکی سیستم بستگی پیدا می کند. این یافته احتمالا توضیح میدهد که چرا آزمایشهای کوانتومی اغلب نتایج متناقض تولید می کنند و ممکن است با فرض های بنیادی مربوط به واقعیت فیزیکی مغایرت داشته باشند.

دو فیزیکدان کوانتوم از دانشگاه هیروشیما اخیرا دینامیک (پویایی) یک برهمکنش اندازه گیری را تحلیل کردند، که در آن مقدار یک مشخصه فیزیکی با تغییر کمّی در حالت سنجه تشخیص داده میشود. این مساله ای دشوار است، زیرا نظریه کوانتوم مقدار یک مشخصه فیزیکی را تشخیص نمی دهد مگر اینکه سیستم در به اصطلاح "ویژه حالت" آن مشخصه فیزیکی باشد؛ مجموعه بسیار کوچکی از حالتهای کوانتومی خاص که مشخصه فیزیکی برای آنها مقدار ثابتی دارد.

پژوهشگران این مساله بنیادی را با ترکیب کردن اطلاعات درباره گذشته سیستم با اطلاعات درباره آینده آن در یک توصیف از دینامیک سیستم، طی برهمکنش اندازه گیری حل کردند که نشان میدهد مقادیر مشاهده پذیر از یک سیستم فیزیکی به دینامیک برهمکنش اندازه گیری که آنها توسط آن مشاهده میشوند بستگی دارند.

گروه، نتایج پژوهش خود را 31 جولای در مجله Physical Review Research منتشر کرده اند.

هُلگِر هافمن Holger Hofmann، پروفسور در دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم و مهندسی پیشرفته در دانشگاه هیروشیمای ژاپن می گوید: "مغایرت زیادی در مورد تفسیر مکانیک کوانتوم وجود دارد زیرا نمی توان نتایج تجربی مختلف را با همان واقعیت فیزیکی تطبیق داد."

هافمن می گوید: "در این مقاله، ما مطالعه می کنیم که چه طور برهمنهی های کوانتومی در دینامیک برهمکنش اندازه گیری، واقعیت مشاهده پذیرِ سیستم که در پاسخ به یک سنجه دیده می شود را شکل می دهند. این قدمی بزرگ به سوی روشن کردن مفهوم برهم نهی در مکانیک کوانتومی است."

در مکانیک کوانتوم، برهمنهی وضعیتی را توصیف می کند که در آن دو واقعیت محتمل ظاهرا هم زیستی دارند، هر چند که با یک اندازه گیری مناسب میتوانند به وضوح از هم تمیز داده شوند. تحلیل پژوهش گروه حاکی از آن است که وقتی اندازه گیری های مختلف انجام می شود، برهمنهی ها انواع مختلفی از واقعیت را توصیف می کنند. واقعیت یک جسم به برهمکنش های جسم با محیط اطرافش بستگی دارد.

هافمن می گوید: "نتایج ما نشان می دهد که واقعیت فیزیکی یک جسم نمیتواند از زمینه ی همه برهمکنش های آن با محیط، گذشته، حال و آینده تفکیک شود و شاهدی قوی بر ضد این باور رایج که جهان ما میتواند به یک پیکربندی محض از اجزا سازنده ی ماده کاهش یابد، فراهم می کند."

بر اساس نظریه کوانتوم، تغییرِ سنجه ای که مقدار مشخصه فیزیکی مشاهده شده در یک اندازه گیری را نشان میدهد، به دینامیک سیستم ناشی از نوسانات پس-واکنش (back-action) که سنجه با آن حالت سیستم را مختل می کند، بستگی دارد. برهمنهی های کوانتومی بین دینامیک های مختلف ممکن برای سیستم، پاسخ سنجه را شکل میدهد و مقادیر خاص آن را تعیین می کند.

نویسندگان بیشتر توضیح دادند که نوسانات در دینامیک های سیستم به قدرت برهمکنش اندازه گیری بستگی دارد. در محدوده بر همکنش های ضعیف، نوسانات دینامیک های سیستم تا حد صرفنظر کردن کوچک هستند و تغییر سنجه میتواند از معادله هامیلتون-ژاکوبی تعیین شود که یک معادله دیفرانسیل کلاسیک است و رابطه بین ویژگی فیزیکی و دینامیک مربوط به آن را توصیف می کند.

وقتی بر همکنش اندازه گیری قوی تر باشد، اثرات تداخل کوانتومی پیچیده بین دینامیک های مختلف سیستم مشاهده میشود. اندازه گیری های کاملا تفکیک شده نیازمند یک تصادفی سازی کامل از دینامیک های سیستم است. این معادل با یک برهمنهی از همه دینامیک های ممکن برای سیستم است که اثرات تداخلی کوانتومی فقط آن مولفه هایی از فرآیند کوانتومی را انتخاب می کند که با ویژه مقادیر مشخصه فیزیکی مطابقت داشته باشند.

ویژه مقادیر، مقادیری هستند که کتاب های مکانیک کوانتومی رایج به نتایج اندازه گیری مانند اعداد فوتونی دقیق، اسپین بالا یا پایین و مانند اینها اختصاص میدهند. آنطور که نتایج جدید نشان می دهد این مقادیر ناشی از تصادفی سازی کامل دینامیک ها هستند. وقتی که دینامیک سیستم توسط اندازه گیری کاملا تصادفی سازی نشده باشد، مقادیر متفاوتی باید در نظر گرفته شود.

به طرز جالبی، این مشاهده چشم اندازی جدید در استفاده از نتایج اندازه گیری برای توصیف واقعیت فراهم می کند. به طور معمول فرض می کنیم که ذرات جایگزیده یا مقادیر اسپینی صحیح، عناصر واقعیتِ مستقل از اندازه گیری هستند. اما این نتایج پژوهشی حکایت از آن دارند که این مقادیر فقط توسط تداخل های کوانتومی در اندازه گیری های به اندازه کافی قوی ایجاد می شوند. درک ما از مفهوم داده تجربی شاید نیازمند یک بازنگری اساسی باشد.

هافمن و گروه او به دنبال شفاف سازی بیشتر نتایج متناقض مشاهده شده در بسیاری از آزمایشهای کوانتومی هستند. هافمن می گوید: "واقعیتهای وابسته به زمینه می توانند بازه گسترده ای از اثرات کوانتومی ظاهرا متناقض را توضیح دهند. ما اکنون روی توضیحِ بهترِ این پدیده ها کار می کنیم. در نهایت، هدف توسعه یک درک شهودی تر از مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی است که از سوء برداشت های ناشی از یک باور عام در واقعیت اشیای میکروسکوپیک جلوگیری می کند."

منبع:

Do measurements produce the reality they show us?