بازنگری در آزمایش گربه‌ شرودینگر: چالشی برای مکانیک کوانتومی

به ده‌ها سال پیش باز می‌گردیم، زمانی که اروین شرودینگر یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌های ذهنی جهان را طراحی کرد. آزمایش این فیزیکدان اتریشی که بعدها به نام گربه شرودینگر نیز شهرت یافت چنین بود:

گربه‌ای در جعبه‌ای دربسته زندانی است. در این جعبه یک شیشه گاز سیانور، یک چکش، یک حسگر پرتوزا و یک منبع پرتوزا نیز وجود دارد. ذرات پرتوزا به‌صورت نامنظم تابش می‌کنند و به‌همین دلیل برای آن‌ها نیمه عمر در نظر می‌گیریم. حال فرض می‌کنیم حسگر و چکش طوری تنظیم شده باشند، که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱، چکش شیشه حاوی گاز را شکسته و گربه بمیرد.

بدین ترتیب اگر از طریق فرمول نیمه عمر منبع، احتمال تابش میان این دو زمان را ۵۰ درصد در نظر بگیریم، شانس گربه برای زنده ماندن نیز ۵۰ درصد خواهد بود. یعنی گربه داخل جعبه در هنگام برداشتن در جعبه ۵۰ درصد زنده و ۵۰ درصد مرده است، اما هنگامی که در جعبه را بر می‌داریم، متوجه میشیم که تنها یکی از این دو حالت اتفاق افتاده است، به‌عبارتی دیگر در فاصله‌ی یک لحظه، احتمال به یقین تبدیل می‌شود.

که این امر با قوانین موجود در مکانیک کوانتوم، دچار تضاد است و به‌نوعی یک پارادوکس محسوب می‌شود.

اکنون، دو فیزیکدان گونه‌ی نوینی از این آزمایش ذهنی را طراحی کرده‌اند، که در آن به جای گربه یک فیزیکدان قرار می‌دهند و به نتایج عجیب و غریبی رسیده‌اند.

تاریخ فیزیک کوانتوم، مملو از آزمایش‌های ذهنی است، اکثر این آزمایش‌ها به‌منظور هدف گرفتن نقاط ضعف مکانیک کوانتوم طراحی شده و موجب اصلاح بسیاری از تفسیرهای مربوط به کوانتوم شده‌اند.

اما در آخرین آزمایش، که افراد متعددی نیز در آن حضور دارند به‌معنای واقعی کلمه غیرعادی است.

این بررسی نشان می‌دهد، که اگر تفسیر استاندار و معمول از فیزیک کوانتوم را صحیح در نظر بگیریم، آن‌گاه آزمایشگرهای متفاوت به نتایجی کاملا خلاف آن‌چه که فیزیکدان درون جعبه به دست آورده، دست پیدا می‌کنند. این بدین معناست که نظریه‌ی کوانتوم خودش را نقض می‌کند.

این آزمایش انتزاعی بیش از دو سال نقل تمامی محافل فیزیکدان‌ها بوده است و با وجود اینکه در دهه‌های اخیر، جهان فیزیک به رویارویی با اتفاقات و نتایج عجیب عادت کرده است، بیشتر پژوهشگران  این بحث را بدون حصول نتیجه‌ی مطلوبی رها کرده‌اند.

متیو لیفر، فیزیکدان نظری دانشگاه Chapman واقع در Orange, California درباره‌ی این آزمایش چنین می‌گوید:

از نظر من این آزمایش و نتایج مربوط به آن، سطح جدیدی از مفاهیم عجیب را به روی ما گشوده است.

پدیدآورندگان این اثر، دنیلا فراشیگر و رناتو رنر از انستیتو تکنولوژی فدرال زوریخ (ETH) اولین نسخه از این استدلال را در اردیبهشت سال ۱۳۹۵ به‌صورت آنلاین منتشر کردند. نسخه‌ی نهایی این مقاله در ۱۸ سپتامبر امسال در مجله‌ی معتبر Nature Communications  منتشر شد.

جهان جادویی

مکانیک کوانتوم تقریبا تمامی مطالب فیزیک نوین را در بر می‌گیرد و تمامی مباحث مهم فیزیک را از مباحثی بنیادی نظیر، ساختار اتم‌ها تا مفاهیمی قابل لمس‌تر نظیر، دلیل اینکه چرا آهن‌رباها یک‌دیگر را جذب می‌کنند، توضیح می‌دهد. اما مفاهیم ذهنی و انتزاعی آن همچنان پژوهشگران را از رسیدن به پاسخ‌هایی دقیق باز می‌دارد.

معادلات مربوط به مکانیک کوانتوم، نمی‌تواند نتیجه‌ی آزمایش را به‌صورت دقیق پیش‌بینی کند. به‌طور مثال، ما هیچ‌وقت نمی‌توانیم مکان دقیق یک الکترون را شناسایی کنیم و تنها می‌توانیم درباره‌ی احتمال حضور آن در مکان موردنظر حرف بزنیم.

اشیا کوانتومی نظیر، الکترون‌ها در هاله‌ای از عدم قطعیت زندگی می‌کنند و در ریاضیات آن‌ها را با تابع موج نشان می‌دهیم. تغییر شکلی که این امواج انجام می‌دهند، به آرامی و مانند موج‌های دریا است. اما هنگامی که یکی ویژگی یا خاصیت نظیر موقعیت الکترون اندازه‌گیری می‌شود، این تابع همواره یک مقدار دقیق را به ما می‌دهد و اگر بلافاصله بار دیگر اندازه‌گیری کنیم، دوباره همان مقدار قبلی را به ما می‌دهد.

در دهه‌ی ۱۹۲۰ میلادی، دو نفر از پیشگامان نظریه‌ی کوانتوم، یعنی نیلز بوهر و ورنر هایزنبرگ یکی از معروف‌‌ترین و مهم‌ترین فرمول‌بندی‌های مربوط به تابع موج را ارائه دادند و آن را تفسیر کپنهاگی (دانشگاهی که هر دو فیزیکدان در آن حضور داشتند) نامیدند. طبق این نظریه، ذره واقعا جایی نبوده است، سنجش باعث شده است که ذره در جایی باشد، به‌معنای دیگر مشاهدات ما تنها آن چیزی که را باید اندازه‌گیری شود، آشفته می‌سازند بلکه آن را ایجاد می‌کنند، در حقیقت ما ذره را وا می‌داریم، تا مکان مشخصی را اختیار کند.

تفسیر کپنهاگی این سوال بنیادی را که چرا قوانین موجود در فیزیک کلاسیک و اندازه‌گیری‌های آن متفاوت با جهان کوانتوم و دنیای اتم‌ها است، بی‌پاسخ می‌گذارد. اما در عین حال این اطمینان را می‌دهد، که گرچه اشیا کوانتومی در حالت‌های غیرقطعی وجود دارند؛ اما مشاهدات تجربی در قلمروی جهان کلاسیک اتفاق می‌افتد و نتایجی یکنواخت می‌دهد.

اکنون فراشیگر و رنر این موقعیت امن و راحت فیزیکدانان را به لرزه در آوره‌اند. استدلال نظری آن، بیان می‌کند، که تفسیر کپنهاگی به مانند بسیاری از تفسیرهای دیگر، که برخی مفروضات اولیه خود را به اشتراک می‌گذارند، دچار مشکل ناهمگونی و متنناقض است.

درون جعبه چیست؟

همان طور که در ابتدای مقاله نیز اشاره کردیم، آزمایش معروف گربه‌ی شرودینگر که در سال ۱۹۳۵ مطرح شد، مبتنی بر حضور یک گربه درون جعبه‌ای سر بسته(آغشته به سم) و بررسی احتمال زنده‌ ماندن گربه و در نهایت گشودن جعبه و مشاهده وضعیت گربه است. آزمایش شرودینگر این موضوع مهم را مطرح می‌کرد، که در کسری از ثانیه تمامی احتمالات زنده ماندن یا نماندن گربه به بقین تبدیل می‌شود و گربه یا زنده است یا مرده!

در سال ۱۹۶۱، یوجین ویگنر فیزیکدان مجارستانی نسخه‌ای جدید از این پارادوکس را طراحی کرد. شرح این آزمایش ذهنی چنین است؛ در این آزمایش ویگنر سَم و گربه را با یک شخص که آن را دوست فیزیکدانمی‌خوانیم، جایگزین کرده است. این فرد درون جعبه قرار دارد و در حال اندازه‌گیری سیستمی است، که خروجی آن به مانند بازی شیر یا خط، دو حالت دارد. حال پرسش اینجاست که اگر دوست فیزیکدان از نتیجه‌ی اندازه‌گیری آگاه شود، آیا تابع موج فرو می‌کاهد؟

یک مکتب فکری معتقد است، که چنین اتفاقی می‌افتد. چرا که هوشیاری و آگاهی خارج از قلمرو کوانتومی است!

اما اگر مکانیک کوانتومی به دوست فیزیکدان اعمال شود، یعنی آن شخص نیز یک شئ کوانتومی محسوب شود، آن گاه تا زمانی که ویگنر (فیزیکدان) در جعبه‌ای را که دوست خود در آن قرار دارد، را باز نکند، دوست فیزیکدان در یک حالت عدم قطعیت قرار دارد و ترکیبی احتمالی از هر دو خروجی ممکن است.

پس از آزمایش ویگنر، ديويد دويچ از دانشگاه آكسفورد در سال ۱۹۸۶ آن را تکمیل کرد و شکلی جدید از این پارادوکس ارائه داد.

فرض كنيد يك فيزيكدان بسيار توانا، به نام آلیس، همكارش باب را همراه با يک گربه، يک اتم پرتوزا و يك شيشه حاوي سم گربه (كه اگر اتم واپاشيده شود سم آزاد مي شود) درون يك اتاق قرار می‌دهد. داشتن يک انسان در آنجا به اين دليل است، كه ما می‌توانيم با او ارتباط برقرار كنيم. (دريافت پاسخ از گربه‌ها به اين آسانی نيست!)

از نظر آليس، اتم وارد حالتي (ترازی) می‌شود، كه هم واپاشيده است و هم واپاشيده نيست. لذا گربه هم مرده است و هم زنده. اما باب، می‌تواند گربه را مستقيماً مشاهده كند و او را در يكي از اين دو حالت ببيند. آليس قطعه كاغذی را از زير در سُر داده و از باب می‌پرسد كه آيا گربه در يك حالت معين است. او پاسخ مي دهد: بلی.

توجه كنيد كه آليس نمی‌پرسد آيا گربه مرده است يا زنده، چون در اين صورت نتيجه برايش مسلم می‌شود؛ يا به زبان فیزیک، تابع موج فرو می‌پاشد. او به مشاهده اين كه دوستش گربه را يا زنده می‌بيند و يا مرده، اكتفا می‌كند و نمی‌پرسد كه وضعیت گربه چگونه است.

چون آليس از فروپاشی حالت اجتناب كرده است. نظريه كوانتومی ايجاب می‌كند، كه سُردادن كاغذ از زير در، يک رفتار برگشت پذير باشد. او می‌تواند تمام مراحلی را كه طی كرده بازگرداند. اگر گربه مرده باشد، هم اكنون زنده خواهد شد، سَم به بطري باز می‌گردد و ذره واپاشيده نمی‌شود و باب هيچ خاطره‌ای از ديدن يک گربه مرده ندارد.

اما يک ردپا باقي می‌ماند و آن قطعه كاغذ است! آليس می‌تواند به گونه‌ای مشاهده را بازگرداند، كه نوشتن روی كاغذ بازنگردد. كاغذ، به‌عنوان مدركی باقی می‌ماند كه باب گربه را قطعاً زنده يا قطعاً مرده مشاهده كرده است!

اين موضوع، نتيجه‌ی خارق العاده‌ای را به بار می‌آورد. آليس می‌توانست مشاهده را بازگرداند، زيرا او به اعتقاد خود از فروپاشی حالت اجتناب می‌كند. براي او باب دقيقاً در همان وضعيت نامعلومی كه گربه قرار دارد واقع است. اما همكارش كه درون اتاق قرار دارد، می‌پندارد كه حالت فروپاشيده است. اين شخص، برآمد معينی را ديده است، كه كاغذ مدرك آن است. بدين شكل، این آزمایش دو اصل به ظاهر متضاد را ثابت می‌كند. آليس گمان می‌كند كه مكانيک كوانتومی برای اجسام بزرگ به كار می‌رود، نه‌تنها گربه‌ها بلكه انسان‌ها نيز می‌توانند در وضعيت معلق كوانتومی قرار بگيرند و باب فكر می‌كند كه گربه يا فقط مرده است يا فقط زنده!

حال به پارادوکس فراشیگر و رنر می‌پردازیم. شکل جدید آزمایش آنان چنین است که، این بار دو ویگنر (فیزیکدان) داریم که هر کدام از این دو بر روی یک دوست فیزیکدان که در جعبه قرار دارد، آزمایشی را انجام می‌دهند. یکی از این دو دوست فیزیکدان، نامش آلیس است، که سکه‌ای را پرتاب می‌کند و با استفاده از دانش فیزیک کوانتومی خود، یک پیام کوانتومی برای دوست دیگر فیزیکدان، که باب نام دارد ارسال می‌کند. باب نیز با استفاده از دانش کوانتومی خود، پیام آلیس را می‌خواند و نتیجه‌ی پرتاب سکه او را حدس می‌زند. مطابق گفته‌ی رنر؛ هنگامی که هر دو ویگنر (فیزیکدان) جعبه را باز می‌کنند، در بعضی حالات آن‌ها با قطعیت می‌گویند، که سکه به کدام وجه افتاده است. اما در حالاتی دیگر نتایج به‌دست‌آمده، متناقض است و یکی از ویگنرها (فیزیکدان) با یقین می‌گوید که نتیجه‌ی پرتاب، شیر بوده است و دیگر فیزیکدان نیز با اطمینان می‌گوید که نتیجه خط بوده است!

لیدا دل ریو، یکی از همکاران رنر در انستیتو تکنولوژی فدرال زوریخ (ETH) درباره‌ی این آزمایش چنین نظری دارد:

انجام این آزمایش قابل عملی نیست، چرا که ویگنر (فیزیکدان) نیاز به اندازه‌گیری تمامی جزییات کوانتومی دوستان خود (باب و آلیس) نظیر؛ خواندن مغز آن‌ها نیاز دارد!

اما شاید با ساخت دو کامپوتر کوانتومی که نقش باب و الیس را ایفا کنند، این کار شدنی باشد. چرا که مبنای منطقی این آزمایش چنین است، که این دو فرد، قوانین فیزیک را بدانند و بر مبنای آن تصمیم گیری کنند و به طور کلی، یک نفر حالت کوانتومی این کامپیوتر کوانتومی را تشخیص دهد. اما رنر اشاره می‌کند که تاکنون، کامپیوتر کوانتومی که چنین قابلیتی را دارا باشد، ساخته نشده است!

دوئل میان تفاسیر مختلف

فیزیکدانان همچنان در گیر و دار بررسی مفاهیم نتیجه‌ی آزمایش طراحی شده هستند. بسیاری از متخصصان حوزه‌ی نظریه کوانتومی، به گرمی از این آزمایش استقبال کرده‌اند و بسیاری از آنان این تفسیر جدید از مبانی کوانتومی باور دارند و از آن دفاع می‌کنند، گرچه همچنان پژوهشگران مختلف به نتایج و تفسیرهای شخصی گوناگونی دست پیدا می‌کنند.

رنر می‌گوید:

بسیاری از آنان(پژوهشگران) احساساتی شدند و بیشتر آنان باور دارند، که استدلال مبتنی بر این آزمایش ذهنی، تنها تفسیر صحیح است.

برای متیو لایفر، که خود یک فیزیکدان نظری است، تولید نتایج متناقض، لزوما یک پدیده‌ی شوکه کننده نیست. او چنین می‌گوید:

 بسیاری از تفسیرهای مکانیک کوانتوم در دنیای حقیقی قابلیت این را دارند که از چند دید مختلف به آن نگاه شود و طبیعتا نتایج متفاوتی را در پی داشته باشند. از نظر من باور داشتن به چنین استدلالی، بهتر از این است که به‌سادگی بپذیریم، نظریه‌ی کوانتومی هیچ کاربرد و قابلیتی در مواردی پیچیده، نظیر انسان را ندارد.

رابرت اسپیکنز، فیزیکدان نظری درموسسه فیزیک نظری در واترلو کانادا احتمال می‌دهد، که شاید راه خارج شدن از این پارادوکس در بعضی فرض‌های ظریف اولیه بحث نهفته باشد. به‌خصوص در نحوه‌ی ارتباط‌گیری باب و آلیس!

رابرت اسپیکنز بیان می‌کند:

از نظر من، موقعیت‌های بسیاری وجود دارد، که تنها نوشتن مطلبی روی کاغذ یا تخته لزوما منظور نویسنده را نمی‌رساند. به‌عنوان مثال، بسیار اتفاق می‌افتد که در سر کلاس درس، دانش‌آموزان به برداشت‌های گوناگونی از آنچه دبیر نوشته است، دست پیدا می‌کنند. ممکن است تناقض از جایی شروع شود، که باب نتواند به‌درستی مفهوم آلیس را ترجمه و درک کند.

گرچه اسپیکنز، معترف است، که هنوز راه‌حلی برای این مشکل نیافته است!

در پایان لیفر باور دارد، که این بحث میان فیزیکدانان همچنان ادامه خواهد داشت؛ چرا که هیچکس درک و شهود صد درصد صحیحی از مطالب ندارد.