فیزیک کوانتوم می تواند اسرار آمیز تر از حد تصورمان باشد

یک سوال اساسی در مکانیک کوانتومی وجود دارد و هیچکس پاسخ آن را نمی‌داند:

در ابر‌جایگزیدگی یا سوپر‌پوزیشن (شرایطی که در آن ذرات می‌توانند هم‌زمان در چند نقطه حضور داشته باشند) چه اتفاقی می‌افتد؟ به‌تازگی گروهی از پژوهشگران در مقاله‌ای اعلام کردند که قصد انجام آزمایشی را دارند که بالاخره یک جواب قطعی در این مورد به ما خواهد داد.

پژوهشگران بر این عقیده‌اند که انجام این آزمایش طی چند ماه امکان‌پذیر است. این آزمایش امکان مشخص کردن مکان یک ذره‌ی نورکه فوتون نام دارد را در شرایط سوپر‌پوزیشن به ما خواهد داد. پژوهشگران پیش بینی می‌کنند که این پاسخ عجیب‌تر و اسرار‌آمیز‌تر از دو مکان هم‌زمان باشد.

آزمایش کلاسیکی ابر‌جایگزیدگی به این شکل است که تعدادی فوتون را به یک مانع دو‌شکافی بتابانیم. یکی از اصول اساسی مکانیک کوانتومی این است که ذرات کوچک می‌توانند شبیه موج رفتار کنند. بنابر‌این ذرات گذرنده از یک شکاف با ذرات گذرنده از شکاف دیگر تداخل می‌کنند. امواج این ذرات در نقاطی یکدیگر را تقویت کرده و در نقاط دیگری یکدیگر را حذف می‌کنند و به این ترتیب یک الگو‌ی تداخلی را روی صفحه‌ی آشکارساز شکل می‌دهند. قسمت عجیب این ماجرا این است که اگر تنها یک ذره از یکی از شکاف‌ها بگذرد، باز هم الگو‌ی تداخلی را خواهیم دید. به‌نظر می‌رسد که این ذره در یک زمان از هر دو شکاف عبور کرده و با خودش تداخل کرده باشد. ابر‌جایگزیدگی همین است.

داستان آن‌‌جایی عجیب‌تر می‌شود که گذر ذره از هر‌کدام از شکاف‌ها را اندازه‌گیری کنید و دقیقا مشخص کنید که ذره از کدام یک از شکاف‌ها عبور کرده است. در این شرایط، با اندازه‌گیری شما مشخص می‌شود که ذره از کدام شکاف عبور کرده است اما طرح تداخلی نیز هم‌زمان با این اندازه‌گیری از بین می‌رود. به‌نظر می‌رسد که عمل اندازه‌گیری، ابر‌جایگزیدگی را از بین می‌برد.

وشلم الیتزر، فیزیکدان موسسه‌ی پژوهش‌ها‌ی پیشرفته‌ی اسراییل گفت:

میدانیم که نکته‌ی مشکوکی در ابر‌جایگزیدگی وجود دارد. اما اجازه‌ی فهمیدن و اندازه‌گیری آن را نداریم و این همان چیزی است که مکانیک کوانتومی را عجیب کرده است.

پژوهشگران دهه‌ها با این معما درگیر بوده‌اند. آن‌ها نمی‌توانند بدون نگاه کردن بگویند ابر‌جایگزیدگی چیست، اما زمانی که نگاه کنند هم ناپدید می‌شود. یکی از مشاوران سابق الیتزر به‌نام یاکیر آهارونو که در حال حاضر در دانشگاه چپمن مشغول کار است، و همکارانش یک راه حل احتمالی برای این موضوع پیشنهاد کردند: آن‌ها راهی برای نتیجه‌گیری از ذرات کوانتومی قبل از مشاهده‌ی آن‌ها پیشنهاد کردند. رهیافت آهارونوو، فرمالیزم برداری دو‌حالتی (TSVF) در مکانیک کوانتومی نام گرفته است و طبق آن، حوادث کوانتومی نه‌تنها با حالت‌ها‌ی کوانتومی گذشته، بلکه با هر دو حالات کوانتومی در گذشته و آینده مشخص می‌شوند. بنابراین، TSVF فرض می‌کند که مکانیک کوانتومی در هر دو حالت رو به جلو و رو به عقب در زمان عمل می‌کند. از این زاویه، علت‌ها می‌توانند به عقب برگردند و بعد از تاثیرشان اتفاق بیفتند.

نیازی نیست بسیار ظریف و ریز‌بینانه به این اندیشه‌ی مبهم وارد شویم. برداشت کلی از TSVF نشان می‌دهد که می‌توانیم از اطلاعاتی که در مورد حالت نهایی یک سیستم داریم استفاده کرده و اطلاعاتی در مورد حالت اولیه‌ی آن به‌دست آوریم: به‌جای اینکه ذره را تا مسیر نهایی آن دنبال کنیم، یک پژوهشگر، محلی را برای گشتن به‌دنبال ذره در آن نقطه انتخاب می‌کند. به این فرایند، پیش انتخاب گفته می‌شود و اطلاعات بیش‌تری نسبت به زیر نظر گرفتن ذره در بر دارد.

و این به دلیل توانایی در نگاه به گذشته‌ی ذره و اندازه‌گیری حالات آن در تمام تاریخ ذره است. نکته‌ی بسیار عجیب این است که به‌نظر می‌رسد اگر پژوهشگر انتظار مشاهده‌ی رفتار خاصی از ذره داشته باشد، همین انتظار او منجر به همان رفتار از ذره می‌شود. به‌عنوان مثالی از این موضوع، اگر شما هم‌زمان با ساعت پخش برنامه‌ی مورد علاقه‌‌ی خود تلویزیون خانه را روشن کنید، همان برنامه‌‌ی مورد نظر شما در این زمان پخش می‌شود.

دیوید والاس، پروفسور فلسفه‌ی علم در دانشگاه کالیفرنیا‌ی جنوبی که به‌طور خاص در زمینه‌ی تفسیر مکانیک کوانتومی فعالیت دارد، گفت:

به‌صورت عام پذیرفته شده است که TSVF از نظر ریاضی با مکانیک کوانتومی استاندارد معادل است اما منجر به جمع آوری اطلاعاتی می‌شود که قبل از این قابل دسترسی نبوده‌اند.

برای مثال به سراغ نوعی از آزمایش دو‌شکافی می‌رویم که آهارونو و همکارش، لو وایدمن در سال ۲۰۰۳ طراحی کردند و سعی در تفسیر آن با TSVF داشتند. این دو نفر آزمایشی را شرح دادند که در آن از یک سیستم اپتیکی استفاده می‌شود. در این سیستم، یک فوتون به‌عنوان شاتر شکاف عمل می‌کند و باعث می‌شود که فوتون دیگر تابیده شده به شکاف، بازتاب پیدا کرده و از همان راهی که آمده است، برگردد. آهارانو و وایدمن با اعمال پیش‌گزینش به اندازه‌گیری‌ها‌ی مربوط به فوتون تابیده شده، می‌توان فوتون شاتر را در یک ابر‌جایگزیدگی یافت به‌طوری که فوتون شاتر هم‌زمان هر دو شکاف (یا به‌صورت دلخواه، شکاف‌ها‌ی بیش‌تر) را می‌بندد.

به‌عبارت دیگر این آزمایش فرضی این اجازه را به ما می‌دهد که با اطمینان بگوییم: فوتون شاتر هم‌زمان “این‌جا” و “آن‌جا” وجود داشته است. با این که چنین رفتاری به‌عنوان یک پارادوکس با زندگی روزمره‌ی ما تلقی می‌شود، اما یکی از اصول مطالعه‌شده‌ی مکانیک کوانتومی است که به ویژگی‌ها‌ی “nonlocal” ذرات کوانتومی مربوط می‌شود و نمی‌توان مکان دقیق ذره در فضا را مشخص کرد.

در سال ۲۰۱۶، فیزیکدان‌ها‌یی  به نام‌ها‌ی ریو اوکاموتو و شیگکی تاکیوچی از دانشگاه کیوتو، آزمایش فرضی آهارونو و وایدمن را عملا انجام دادند. آن‌ها از یک مدار چرخنده ی نوری استفاده کردند که فوتون ساتر را به وسیله‌ی یک روتور کوانتومی تولید کند. در واقع این دستگاهی است که در آن مسیر یک فوتون توسط دیگری کنترل می‌شود.

الیاهو کوهن از دانشگاه اوتاوا در اونتاریو و همکار الیتزر گفت:

این یک آزمایش جدید بود که به ما اجازه داد وجود هم‌زمان فوتون در دو نقطه را از آن نتیجه بگیریم.

هم اکنون الیتزر و کوهن برای طراحی و انجام یک آزمایش شگفت‌آور دیگر، یک تیم تشکیل داده‌اند. آن‌ها معتقدند که این آزمایش به پژوهشگران این امکان را می‌دهد که در مورد جایگاه ذره در فضا در یک ابر‌جایگزیدگی، چیزی با قطعیت بگویند. این جواب به‌صورت یک سری از نقاط فضا و قبل از انجام هر‌گونه اندازه‌گیری داده می‌شود.

در این آزمایش، مسیر فوتون پرتاب شونده با چند آینه به سه جهت تقسیم می‌شود. در هر کدام از این مسیر‌ها، احتمال بر‌هم‌کنش این فوتون با فوتون شاتر در یک ابر‌جایگزیدگی وجود دارد. این بر‌هم‌کنش‌ها را می‌توان با جعبه‌ها‌ی A, B,C  برچسب گذاری کرد که هر‌کدام از این جعبه‌ها در یکی از سه مسیر ممکن فوتون قرار دارند. با نگاه کردن به خود ـ تداخلی فوتون پرتاب شده، می‌توان در مورد وجود فوتون شاتر در یک زمان خاص در هر‌کدام از جعبه‌ها اظهار نظر کرد.

پرتاب کننده و شاتر

فوتون پرتاب‌شونده (زرد، چپ) در یک ابر‌جایگزیدگی به‌سمت سه جعبه‌ی C, B, A به‌صورت هم‌زمان پرتاب می‌شود تا معلوم شود که فوتون شاتر (قرمز) در هر‌کدام از جعبه‌ها قرار دارد یا نه. اگر فوتون شاتر در هر‌کدام از جعبه‌ها وجود داشته‌باشد، فوتون پرتابی بازتاب پیدا می‌کند: این یعنی فوتون پرتاب‌شونده به ما اجازه می‌دهد بدون اندازه‌گیری مستقیم مکان فوتون شاتر، محل آن را تعیین کنیم. فوتون شاتر در یک ابر‌جایگزیدگی وجود دارد و باعث می‌شود که جایگاه ذره در جعبه‌ها با گذر زمان تغییر کند: در زمان t1 (لحظه‌ی اول) ذره در A و C وجود دارد اما در B وجود ندارد. در زمان t2 (لحظه‌ی دوم) فقط در C وجود دارد و قطعا در B و A وجود ندارد و در زمان t3 در B و C وجود دارد اما در A وجود ندارد. نتیجه: با اینکه ذره در همه‌ی لحظات در C وجود دارد، در لحظه‌ی اول به‌نظر می‌رسد که در A وجود دارد اما در B نیست، سپس از A ناپدید می‌شود، سپس در B ظاهر می‌شود. پس این ابر‌جایگزیدگی در یک لحظه در همه‌جا وجود ندارد بلکه در بعضی مکان ها وجود دارد.

آزمایش طوری طراحی‌شده است که فوتون پرتاب‌شده تنها در صورت بر‌هم‌کنش با فوتون شاتر به‌صورت و ترتیب خاصی از زمان و مکان می‌تواند تداخل نشان دهد: به‌عبارت دیگر، اگر فوتون شاتر در زمان خاصی مثلا t1 در هر دو جعبه‌ی A و C‌ وجود داشته‌باشد، در زمان بعدی مثلا t2 تنها در C وجود دارد و در زمان بعدی t3 در B و C وجود دارد. بنابر‌این ایده‌ای که الیتزر، کوهن و آهارونو در سال گذشته به‌عنوان یک احتمال برای ذره‌ای که به سمت سه جعبه پرتاب می‌شود پیشنهاد کردند، این است که تداخل فوتون پرتاب‌شونده، یک نشانه‌ی قطعی از این است که فوتون شاتر مسبب این زنجیره‌ی نمود‌ها‌ی متفاوت میان این سه جعبه است.

کن وارتون، فیزیکدان دانشگاه سن جوز و یکی از اعضا‌ی پروژه گفت:

من سوالاتی را که در این مقاله در مورد نحوه‌ی شکل گرفتن این اتفاقات از ابتدا تا انتها مطرح می‌شود را دوست دارم. به‌جا‌ی در نظر گرفتن حالات لحظه‌ای، تاریخچه‌ی کل فرایند در نظر گرفته می‌شود. صحبت در مورد حالت‌ها، یک پایه‌ی فراگیر قدیمی است در حالی که تاریخچه‌ها‌ی کلی، غنی‌تر و جذاب‌تر هستند.

الیتزر و همکارانش مدعی هستند که TSVF این دستاورد غنی را برای ما فراهم می‌کند. موضوع آشکار ناپدید شدن ذرات از یک مکان و لحظه و آشکار‌شدن دوباره‌ی آن‌ها در مکان و لحظه‌ی دیگر،‌ تصور دیگری از نا‌‌جایگزیدگی ذرات کوانتومی به ما داده می‌شود. به‌گفته‌ی الیتزر، از دید TSVF، این تغییرات آشفته‌ی حضور ذرات را می‌توان با یک سلسله حوادث فهمید که در آن‌ها، حضور ذره در یک مکان به‌وسیله‌ی همتا‌ی آن از بین می‌رود.

الیتزر این موضوع را با اندیشه‌ی پاول دیراک در دهه‌ی ۱۹۲۰ مقایسه کرد. دیراک ادعا کرد که هر ذره یک پاد‌ذره نیز دارد و این دو می‌توانند با هم بر‌هم‌کنش کرده و یکدیگر را از بین ببرند. در ابتدا این حرف رد حد یک ایده بود ولی به‌زودی به کشف پاد‌ماده منجر شد. از بین رفتن ذرات کوانتومی به معنی دقیق از بین رفتن نیست اما تا حدودی شبیه است. الیتزر فرض می‌کند که این ذرات باید دارای انرژی و جرم منفی باشند تا بتوانند یکدیگر را از بین ببرند. بنابر‌این با اینکه حضور دو‌جا در یک لحظه در یک ابر‌جایگزیدگی به‌اندازه‌ی کافی عجیب به‌نظر می‌رسد، الیتزر گفت:

این احتمال وجود دارد که ابر‌جایگزیدگی، مجموعه‌ای از حالت‌ها‌ی حتی غیر‌معمول‌تر از این باشد و مکانیک کوانتومی، تنها در مورد میانگین این حالت‌ها به ما اطلاعات می‌دهد. پیش‌گزینش، تنها امکان بررسی دقیق‌تر بعضی از این حالت‌ها را برای ما فراهم می‌کند. این تفسیر مکانیک کوانتومی می‌تواند یک انقلاب بر‌پا کند چرا که باغ وحشی از حالات ناملموس و واقعی از پدیده‌ها‌ی کوانتومی را به‌همراه دارد.

به گفته‌ی پژوهشگران، انجام این آزمایش به‌صورت عملی، مستلزم به‌روز کردن روتور‌ها‌ی کوانتومی است. اما آن‌ها امیدوارند که بتوانند ابزار و وسایلشان را برای سه تا پنج ماه آینده آماده کنند. هم اکنون تعدادی از مشاهده‌گران، بی‌صبرانه منتظر انجام این آزمایش هستند.

تصویری از گربه‌ی شرودینگر که نماد غیر‌قزعی بودن مکانیک کوانتومی است

وارتون گفت:‌

این آزمایش باید جواب بدهد ولی از آن‌جایی که نتایج طبق مکانیک کوانتومی استاندارد پیش‌بینی می‌شوند، هیچ اطمینانی در هیچ موردی به کسی داده نمی‌شود.

به عبارت دیگر، مانند تمام روش‌ها‌ی دیگری که پژوهشگران به‌وسیله‌ی آن‌ها رفتار‌ها‌ی کوانتومی را تفسیر می‌کنند، هیچ راه دقیقی برای پیش‌بینی نتایج حتی با TSVF نیز وجود ندارد.

الیتزر موافق این است که اگر از نگاه قدیمی چند دهه‌ی قبل مکانیک کوانتومی استفاده می‌کردند، آزمایش آن‌ها می‌توانست به‌بار بنشیند. اما اینگونه نبود. او پرسید:

آیا این دلیلی بر صحت  TSVF نیست؟ و اگر کسی فکر می‌کند که می‌تواند با استفاده از مکانیک کوانتومی استاندارد تصویر دیگری از آنچه در این آزمایش اتفاق می‌افتد را فرمول‌بندی کند، خب اجازه دهید این کار را انجام دهند.