چهار تصور نادرست درباره فیزیک کوانتوم

مکانیک کوانتوم، نظریه‌ی حاکم بر دنیای کوچک اتم‌ها و ذرات، ماهیتی ویژه دارد. این حوزه برخلاف بسیاری از زمینه‌های فیزیک، عجیب و غیرمنتظره است و همین ویژگی‌ها آن‌ را به زمینه‌ای خیره‌کننده و جذاب تبدیل می‌کنند. با اهدای جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۲۲ به آلن اسپکت، جان کلاوسر و آنتون زلینگر در زمینه‌ی مکانیک کوانتوم، این موضوع به یکی از عنوان‌های داغ بحث تبدیل شد.

بحث‌های مرتبط با مکانیک کوانتوم به‌ویژه در انجمن‌های گفتگو یا شبکه‌های اجتماعی و داستان‌های علمی تخیلی به دلیل افسانه‌ها و برداشت‌های نادرست گمراه‌کننده می‌شوند. در این مقاله به چهار تصور نادرست درباره‌ی مکانیک کوانتوم اشاره می‌کنیم.

گربه‌ی شرودینگر در جهان معروف است اما دقیقاً چه معنایی دارد؟

یک گربه می‌تواند هم‌زمان مرده و زنده باشد

اروین شرودینگر هرگز پیش‌بینی نمی‌کرد آزمایش ذهنی او با عنوان گربه‌ی شرودینگر در قرن ۲۱ به یک میم اینترنتی تبدیل شود. براساس این نظریه، یک گربه‌ی بدشانس وارد جعبه‌ای می‌شود که کلید کشتار آن با یک رویداد تصادفی کوانتومی مثل تجزیه‌ی رادیواکتیوی فعال می‌شود. در صورتی که جعبه را باز نکنیم، گربه می‌تواند هم‌زمان مرده و زنده باشد.

می‌دانیم ذرات کوانتومی می‌توانند هم‌زمان در دو وضعیت (برای مثال در دو موقعیت مکانی) قرار بگیرند. به این حالت، برهم‌نهی گفته می‌شود. دانشمندان این فرضیه را در آزمایش مشهور شیار دوتایی نشان دادند در این آزمایش یک ذره‌ی کوانتومی مثل فوتون یا الکترون می‌تواند هم‌زمان وارد دو شیار متفاوت یک دیوار شود؛ اما از کجا می‌دانیم این اتفاق رخ می‌دهد؟

در فیزیک کوانتوم، هر وضعیت ذره یک موج است؛ اما وقتی جریانی از فوتون‌ها را یکی یکی وارد شیارها کنیم، الگویی از دو موج متداخل روی صفحه‌ی نمایش پشت شیار ظاهر می‌شود. ازآنجاکه فوتون‌ها هنگام ورود به شیارها با فوتون‌های دیگر تداخل نداشتند می‌توان گفت هم‌زمان وارد هر دو شیار شده‌اند و با یکدیگر تداخل پیدا کرده‌اند.

با‌این‌حال برای نتیجه‌بخش بودن این بررسی، وضعیت‌های (امواج) موجود در برهم‌نهی ذره‌ای که وارد شیار می‌شود، باید منسجم و به‌هم پیوسته باشند. آزمایش‌های برهم نهی را می‌توان با اشیایی دارای ابعاد بزرگ‌تر و پیچیدگی بیشتر هم انجام داد. یکی از آزمایش‌ها، آزمایش مشهور آنتوون زلینگر در سال ۱۹۹۹ بود که برهم‌نهی کوانتومی با مولکول‌های بزرگ کربن ۶۰ معروف به باکی‌بال را نشان داد.

این آزمایش چه معنایی برای گربه‌ی بخت‌برگشته‌ی ما دارد؟ آیا تا زمانی که جعبه را باز نکنیم گربه می‌تواند در هر دو وضعیت زنده و مرده باشد؟ واضح است گربه مانند یک فوتون در محیط کنترل‌شده‌ی آزمایشگاه نیست بلکه بسیار بزرگ‌تر و پیچیده‌تر است. هر انسجامی که تریلیون‌ها تریلیون اتم تشکیل‌دهنده‌ی گربه با یکدیگر داشته باشند، عمر بسیار کوتاهی دارد. البته تمام این فرضیه‌ها به این معنی نیست که دستیابی به پیوستگی کوانتومی در محیط‌های زیستی امکان‌پذیر نیست اما به‌طورکلی نمی‌توان آن را بر موجودات بزرگی مثل گربه یا انسان اعمال کرد.

الگوی تداخلی

قیاس‌های ساده می‌توانند درهم‌تنیدگی را توصیف کنند

درهم‌تنیدگی خاصیتی کوانتومی است که دو ذره‌ی متفاوت را به یکدیگر وصل می‌کند به‌طوری‌که اگر یکی از ذره‌ها را اندازه‌گیری کنید به‌صورت خودکار وضعیت دیگری را هم صرف‌نظر از فاصله‌ی دو ذره خواهید دانست.

تعریف‌های رایج برای درهم‌تنیدگی معمولاً اشیای روزمره‌‌ی دنیای ماکروسکوپی مثل یک تاس، کارت یا حتی یک جفت جوراب با رنگ عجیب را دربرمی‌گیرند. برای مثال فرض کنید به دوستتان می‌گویید یک کارت آبی را در یک پاکت و کارتی نارنجی را در پاکتی دیگر قرار دادید. اگر دوستتان یکی از پاکت‌ها را باز کند و کارت آبی را پیدا کند، می‌داند که شما کارت نارنجی را دارید.

برای درک مکانیک کوانتوم، باید فرض کنید که دو کارت داخل پاکت دارای برهم‌نهی مشترک هستند؛ یعنی هر دو هم‌زمان نارنجی و آبی هستند (به صورت ترکیب نارنجی/آبی و آبی/نارنجی). باز کردن یک پاکت، باعث می‌شود یکی از رنگ‌ها را به صورت تصادفی ببینید؛ اما باز کردن پاکت دوم رنگ مخالف را نشان می‌دهد زیرا کارت دوم به صورت شبح‌وار به کارت اول وصل است.

می‌توان کاری کرد که کارت‌ها در مجموعه‌ی متفاوتی از رنگ‌ها ظاهر شوند. برای مثال می‌توان یک پاکت را با پرسیدن این سؤال باز کرد: «کارت سبز یا قرمز هستی؟.» پاسخ می‌تواند تصادفی باشد: سبز یا قرمز؛ اما اگر کارت‌ها درهم‌تنیده باشند، هنگام پرسیدن پرسش فوق، کارت دیگر همیشه خروجی متضادی را نشان خواهد داد.

آلبرت اینشتین تلاش کرد این فرضیه را با مثالی کلاسیک توضیح دهد که نشان می‌دهد کارت‌ها می‌توانند دارای یک مجموعه دستورالعمل داخلی و مخفی باشند که به آن‌ها می‌گوید متناسب با یک پرسش خاص با چه رنگی ظاهر شوند. او همچنین عمل شبح‌وار ظاهری بین کارت‌ها را رد کرد. براساس این فرض کارت‌ها می‌توانند به صورت آنی بر یکدیگر تأثیر بگذارند که به معنی برقراری ارتباط با سرعتی بیشتر از سرعت نور است و منطبق با نظریه‌های اینشتین نیست.

بااین‌حال تعریف اینشتین با قضیه‌ی بل (آزمایشی نظری از فیزیکدانی به نام جان استوارت بل) و آزمایش‌های برندگان نوبل ۲۰۲۲ رد می‌شود. این ایده که اندازه‌گیری یک کارت درهم‌تنیده وضعیت دیگری را تغییر می‌دهد، صحیح نیست. ذرات کوانتومی به شیوه‌ای اسرارآمیز دارای همبستگی هستند که نمی‌توانیم با منطق یا زبان روزمره آن‌ها را توصیف کنیم. این ذرات طبق فرضیه‌ی اینشتین با حفظ کد مخفی ارتباط برقرار نمی‌کنند؛ بنابراین بهتر است در بحث درهم‌تنیدگی اشیای روزمره را نادیده بگیرید.

مفهوم درهم‌تنیدگی

طبیعت غیرواقعی غیرمحلی است

براساس تفسیری از قضیه‌ی بل، طبیعت «محلی» نیست و یک شیء به صورت مستقیم تحت تأثیر محیط اطرافش قرار ندارد. تفسیر دیگر این است که ویژگی‌های اشیای کوانتومی «واقعی» نیستند و قبل از اندازه‌گیری وجود ندارند.

اما براساس قضیه‌ی بل تنها می‌توان گفت، طبیعت نمی‌تواند هم‌زمان واقعی و محلی باشد. این فرضیه‌ها نشان می‌دهند اندازه‌گیری‌ها صرفاً دارای یک خروجی واحد هستند (نه خروجی چندگانه که احتمالاً در دنیاهای موازی وجود دارد). همچنین جریان علت و معلولی در زمان پیش می‌رود و در «دنیای منظمی» زندگی نمی‌کنیم که در آن همه‌چیز از زمان آغاز زمان، از پیش تعیین شده است.

با وجود قضیه‌ی بل، اگر بتوانیم درک‌های مشترکی مثل گذر زمان را نقض کنیم، طبیعت می‌تواند واقعی و محلی باشد. همچنین پژوهش‌های بیشتر تفسیرهای بالقوه‌تری را از مکانیک کوانتوم ارائه می‌دهند. بااین‌حال، اغلب گزینه‌های روی میز مثل عقب رفتن زمان یا نبود اختیار ارادی به اندازه‌ی عدم باور به واقعیت محلی، عجیب نیستند.

هیچ‌کس مکانیک کوانتوم را درک نمی‌کند

براساس نقل قولی منسوب به ریچارد فاینمن فیزیک‌دان: «اگر تصور می‌کنید مکانیک کوانتوم را درک می‌کنید، پس آن را درک نمی‌کنید». این تفکر در میان عموم رایج شده است که درک فیزیک کوانتوم حتی برای فیزیکدان‌ها غیرممکن است؛ اما از دیدگاه قرن بیست و یکی، فیزیک ‌کوانتوم نه از جنبه‌ی ریاضی نه از جنبه‌ی مفهومی برای دانشمندان دشوار نیست. ما آن را به خوبی درک می‌کنیم به طوری‌که می‌توانیم پدیده‌های کوانتومی را با دقت بالایی پیش‌بینی کنیم، سیستم‌های کوانتومی به‌شدت پیچیده را شبیه‌سازی کنیم و حتی کامپیوترهای کوانتومی را بسازیم.

برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی وقتی به زبان اطلاعات کوانتومی شرح داده شوند نیازی به ریاضیاتی بیش از ریاضیات دبیرستان ندارند. قضیه‌ی بل نیازی به فیزیک کوانتوم هم ندارد. می‌توان آن را با استفاده از نظریه‌ی احتمال و جبر خطی توصیف کرد. مشکل اصلی این است که چگونه فیزیک کوانتوم را با واقعیت شهودی خود تطبیق دهیم. نداشتن تمام جواب‌ها ما را از پیشرفت در زمینه‌ی فناوری کوانتومی بازنمی‌دارد. می‌توانیم در سکوت به محاسبات خود ادامه دهیم.

خوشبختانه اسپکت، کلاوسر و زلینگر، برندگان جایزه‌ی نوبل از بستن دهان و نپرسیدن سرباز زدند. افرادی مثل آن‌ها کمک می‌کنند ویژگی‌های عجیب کوانتومی را با تجربه‌های واقعی تطبیق دهیم.