آیا ذرات واقعاً می‌توانند هم‌زمان در دو مکان وجود داشته باشند؟
وقتی صحبت از مکانیک کوانتوم می‌شود، افراد اغلب بدون لحظه‌ای درنگ عبارتی را که زیاد در مورد کوانتوم شنیده‌اند، تکرار می‌کنند: این که ذرات در آنِ واحد می‌تواند در دو مکان حضور داشته باشند. توضیحات بیشتر در این خصوص را از قلم یک فیزیکدان به‌نام سابین هاسن‌فلدر در مقاله‌ی زیر می‌خوانیم.
مکانیک کوانتوم دنیایی عجیبی دارد. اگر به یک شی نگاه کنید دچار تغییر می‌شود. اگر از سرعت حرکت آن اطلاع داشته باشید نمی‌توانید مکان آن را مشخص کنید. همچنین این‌طور به‌نظر می‌رسد که اندازه‌گیری‌هایی را که در گذشته انجام شده، می‌توان بعداً حذف کرد. ذرات گاهی اوقات مانند موج رفتار می‌کنند و هم‌زمان می‌توانند در دو مکان حضور داشته باشند. گربه‌ها ممکن است هم زنده و هم مرده باشند. این‌ها چیزهایی است که هنگام صحبت در مورد مکانیک کوانتوم به ذهنمان خطور می‌کند. اما آیا واقعاً همه‌ی این موارد اتفاق می‌افتد؟
مکانیک کوانتوم درکل یک نظریه‌ی شگفت‌انگیز و معتبر است که تاکنون از پس تمام آزمون‌های طراحی‌شده برای سنجش اعتبار آن برآمده است. این نظریه اساس اغلب پیشرفت‌های تکنولوژیک قرن گذشته را بوده است چراکه تجهیزات الکترونیکی بدون داشتن سطوح انرژی مجزا، که به‌لطف مکانیک کوانتوم از آن‌باخبر شده‌ایم، چه عملکردی می‌توانستند داشته باشند؟ ما توانسته‌ایم به روش‌های ریاضی برای توضیح مکانیک کوانتوم دست پیدا کنیم، اما هنوز بعد از یک قرن بحث و مناظره به‌طور دقیق نمی‌دانیم که ریاضیات مکانیک کوانتوم چه معنی می‌توانند داشته باشند.
- از سیاه‌چاله می‌توان برای ساخت تله پورتر کوانتومی استفاده کرد؟
برای مثال این ایده را در نظر بگیرید: ذرات می‌توانند در آن واحد در دو مکان حضور داشته باشند. ما می‌دانیم که ذرات می‌توانند در یک لحظه در یک مکان حضور داشته باشند، برای مثال یک الکترون با برخورد به پرده یک نقطه‌ی مشخص از خود به‌جا می‌گذارد. همان‌طور که انتظار داریم می‌توان از این ذرات در مکانیک کوانتوم به‌عنوان بخشی از راه‌حل‌های احتمالی استفاده کرد.
اما مکانیک کوانتوم یک نظریه‌ی خطی است؛ به این معنا که اگر ذرات منفرد در مکان‌های مشخصی حضور داشته باشند در این‌صورت باید مجموع ذرات نیز همین رفتار را داشته باشند. ما به این مجموع ذرات، برهم‌نهی می‌گوییم. اکنون به یک ذره در یک مکان مشخص به‌اضافه‌ی همان ذره در یک مکان دیگر چه باید گفت؟ در این وضعیت دو ذره نداریم، چون در آن‌صورت آن‌ها را با حاصل‌ضرب توصیف می‌کردیم نه جمع. در این صورت اگر بگوییم در این وضعیت مجموع دو ذره وجود دارد آیا به‌معنی وجود هم‌زمان ذره در دو مکان است؟ این عبارتی است که زیاد به‌گوش می‌رسد پس شاید واقعاً این‌طور باشد.
اما برهم‌نهی واقعاً چیست؟ برهم‌نهی یک روش ریاضی برای توصیف پدیده‌ای است که مشاهده می‌کنیم. ما به برهم‌نهی نیاز داریم چون این پدیده می‌تواند ویژگی‌های موج‌مانند ذرات را توضیح دهد. تداخل موج‌ها در سطح آب مانند پدیده‌ی خنثی‌شوندگی هنگام تداخل نقطه‌ی اوج یک موج با پایین‌ترین نقطه‌ی موج دیگر یک پدیده‌ی کوانتومی نیست، بلکه فیزیک‌دان‌ها به‌آن پدیده‌ی کلاسیک می‌گویند. اما آن‌طور که به‌نظر می‌آید ذرات منفرد نیز می‌توانند با خود تداخل پیدا کنند. وقتی یک ذره‌ی منفرد از نور، به‌نام فوتون، از داخل دو شکاف باریک در یک صفحه یا شکاف دوبل، عبور داده می‌شود نتیجه همانی است که انتظار داریم: ظهور یک نقطه‌ی نورانی در پرده‌ی قرار داده‌شده در پشت صفحه. اما اگر همین کار را برای فوتون‌های بیشتری انجام دهیم با گذشت زمان یک الگوی تداخلی از نقاط نورانی به‌شکل شکاف دوبل روی پرده شکل می‌گیرد.
تنها روش توضیح به‌وجود آمدن الگوی تداخلی این است که بگوییم هر ذره از مجموع، یا برهم‌نهی، دو مسیر تشکیل شده است که یکی از آن‌ها از شکاف سمت چپ و دیگری از شکاف سمت راست عبور می‌کند. بنابراین شاید راحت‌تر باشد این‌طور بگوییم که یک ذره از هر دو مسیر عبور می‌کند.
اما به دو دلیل من از این عبارت استفاده نمی‌کنم. دلیل اول این است که برهم‌نهی دو مسیر در فضای واقعی وجود ندارد. برهم‌نهی در یک ساختار ریاضی انتزاعی تعریف می‌شود که به آن فضای هیلبرت می‌گویند. این فضای ریاضی هیچ شباهتی به فضای فیزیکی ندارد. به‌همین دلیل نمی‌توانیم کلمات مناسبی برای توصیف آن پیدا کنیم. این فضای انتزاعی به این دنیا تعلق ندارد و کلا چیز دیگری است.
مشکل بعدی برهم‌نهی‌ها این است که با وجود وجود تعریف ریاضی نمی‌توان آن‌ها را مشاهده کرد. وقتی ما به یک ذره نگاه می‌کنیم آن را در یک مکان مشخص می‌بینیم. ذره می‌تواند در یک مکان خاص قرار داشته باشد یا نداشته باشد. اگر بخواهیم با استفاده از اندازه‌گیری بفهمیم که فوتون از کدام شکاف عبور کرده، الگوی تداخلی ناپدید می‌شود. بنابراین چرا باید بگوییم که یک ذره از هر دو مسیر عبور می‌کند در حالی‌که نمی‌توانیم ذره را هنگام انجام این کار مشاهده کنیم؟
پس به ناچار باید گفت حقیقت نسبتاً خسته‌کننده این است که برهم‌نهی‌ها تنها ساختارهای ریاضی با ویژگی‌های خاص هستند و ما در دنیای واقعی نمی‌توانیم آن‌ها را تجربه کنیم از این‌رو تشابه و استعاره‌های استفاده‌شده برای توصیف آن‌ها نادرست هستند. مکانیک کوانتومی برای ما عجیب و غیرقابل‌درک به‌نظر می‌رسد به این دلیل که سعی می‌کنیم با همان کلماتی آن را توصیف کنیم که برای تجربه‌های زندگی روزمره استفاده می‌کنیم. همین موضوع منشأ مقالات علمی محبوب در مورد ویژگی‌ها و آزمایش‌های عجیب مکانیک کوانتوم است، مانند مقالاتی که درمورد جداسازی ویژگی‌های یک شی از خود آن مانند جداکردن خنده از گربه‌ی کوانتومی چشر (گربه‌ی چشر نام یک شخصیت خیالی در داستان آلیس در سرزمین عجایب است) نوشته شده است یا آزمایش‌هایی که به‌ظاهر نشان می‌دهند چیزی به‌نام واقعیت وجود ندارد. این مقالات و نتیجه‌گیری‌ها نه‌تنها برای شما بلکه برای من نیز بی‌معنی به‌نظر می‌رسند. و دلیل آن نیز ساده است: این حرف‌ها واقعاً بی‌معنی هستند.
اینجا باید اعتراف کنم که من یک ابزارگرا هستم. فکر نمی‌کنم که ریاضیاتِ نظریه‌های ما به‌خودی‌خود واقعی باشند. برای من راحت‌تر است که بگویم ریاضیات ابزاری برای توصیف طبیعت هستند و نه بیشتر. من مشکلی با برهم‌نهی‌ها در فضای ریاضی انتزاعی ندارم، البته تا زمانی که پیش‌بینی‌های خوبی از مشاهدات ما ارائه دهند؛ کاری که تاکنون به‌خوبی انجام داده‌اند.
- یگانگی کوانتومی؛ نظریه‌ای برای نجات فیزیک نوین از بحران
اما من نویسنده‌ی علمی نیز هستم و به همین دلیل می‌توانم اشکال کار را تشخیص دهم: پرت کردن تعاریف ریاضی پیچیده به‌سمت خوانندگانِ از همه‌جا بی‌خبر روش خوبی برای جمع کردن مخاطب نیست. هدف ما توضیح پدیده‌های فیزیکی ازطریق ابزار ریاضیات است و شاید انجام این کار خسته‌کننده به‌قیمت از دست دادن خوانندگان تمام شود. ازهمین رو برخی تلاش می‌کنند تا با فاصله گرفتن از نوشتار علمی و خودداری از استفاده‌ی دقیق از عباراتی مانند برهم‌نهی و فضای هیلبرت، به‌جای آن در تیتر مقالات خود از گربه‌های کوانتومی چشر و عبارات پوچ دیگر استفاده کنند. این یک دوراهی گیج‌کننده است: از یک سو استفاده از عبارات علمی و دقیق اما خسته‌کننده برای مخاطبان عادی و ازسوی دیگر استفاده از تیترهای اغواکننده به‌قیمت سردرگمی آن‌ها و دور شدن از نگارش علمی. اما باید اعتراف کنم که من هم گاهی از عبارت‌هایی مانند «هم‌زمان در دو مکان» استفاده می‌کنم و در آینده نیز استفاده خواهم کرد چراکه حداقل خواننده‌های من با این عبارات آشنا هستند.
بااین‌حال باید هرازچندگاهی از عبارت‌های علمی در مقالات استفاده شود تا خوانندگان در بلندمدت با این عبارات نیز آشنا شوند. این اتفاق پیش از این نیز روی داده است؛ اکنون عباراتی مانند میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و حتی امواج الکترومغناطیس برای ما نامأنوس نیستند. این عبارات نیز ماهیت‌های ریاضی انتزاعی دارند که در دایره‌ی تجربیات فیزیکی مستقیم ما نمی‌گنجد. اما الکترومغناطیس به یکی از بخش‌های اصلی آموزش دبیرستانی تبدیل شده است از این‌رو حرف زدن در مورد آن برای ما راحت و قابل‌فهم است.
دلیل دیگری نیز وجود دارد که چرا نباید وانمود کرد عدم توانایی در پیدا کردن توضیح کلامی مناسب برای توصیف ساختارهای ریاضی یک معمای اسرارآمیز است، چراکه این کار توجه ما را از مشکل واقعی مکانیک کوانتوم منحرف می‌کند. شاید با خود فکر کنید که من از آن دسته افرادی هستم که علاقه‌ی زیادی به استفاده از کلمات ندارد و اغلب اوقات سر خود را پایین انداخته و مشغول محاسبه است. اما دقیقاً به‌همین دلیل است که من مشکل دیگری با مکانیک کوانتوم دارم. مکانیک کوانتوم به ما می‌گوید که هنگام اندازه‌گیری چه اتفاقی می‌افتد؛ اما توضیح نمی‌دهد که اندازه‌گیری چیست. ما نمی‌توانیم آن را محاسبه کنیم بااین‌حال می‌دانیم که با اقدام به اندازه‌گیری اثرات کوانتومی محو می‌شوند.
عدم توانایی ما در درک چگونگی ناپدید شدن پدیده‌های کوانتومی به‌خوبی توسط اروین شرودینگر و گربه‌ی مشهور او به‌تصویر کشیده شده است. شرودینگر پیشنهاد طرح آزمایشی را داد که در آن یک اتم که احتمال تجزیه شدن آن پنجاه درصد است می‌تواند باعث آزادسازی یک داروی سمی شده و درنهایت باعث مرگ گربه شود یا نشود. این ایده نشان می‌دهد که برهم‌نهی‌ها در غیاب عمل اندازه‌گیری می‌توانند تا حد ماکروسکوپیک برجسته شوند. اما هیچ‌گاه نمی‌توانید گربه‌‌ای را که هم‌زمان زنده و مرده است، درون جعبه پیدا کنید. پس قضیه از چه قرار است؟
- پارادوکس نور در جعبه؛ معمای کوانتومی عجیبی که یکی از قوانین فیزیک را نقض می‌کند
پاسخ استاندارد برای این معما این است که وضعیت گربه به‌شکل مداوم در حال اندازه‌گیری است. این اندازه‌گیری توسط ما انجام نمی‌شود؛ بلکه توسط مولکول‌های هوا یا حتی تشعشعات ساطع‌شده در پس‌زمینه‌ی ریزموج‌های کیهانی انجام می‌شود. طبق این پاسخ اندازه‌گیری‌ها باعث ناپدیدشدن سریع پدیده‌ی کوانتومی می‌شوند. درواقع این پاسخ بیشتر شبیه به داستان‌سرایی است چراکه از راه‌حل‌های ریاضی نشئت نگرفته است. برای شخص کم‌حرف و محاسبه‌گری مثل من این یک مشکل واقعی است.
درنهایت به‌نظر من ترویج داستان‌های اسرارآمیز در مورد کوانتوم در رسانه‌ها ما را از مشکل واقعی که در قلب مکانیک کوانتوم وجود دارد منحرف می‌کند: این که ما نمی‌دانیم اندازه‌گیری چیست. بله، مکانیک کوانتوم عجیب است؛ اما وانمود نکنیم که کوانتوم عجیب‌تر از آن چیزی است که واقعاً هست.
