آزمایشی جدید به مکانیک پنهانی و شگفت برهم‌نهی‌های کوانتومی (این مفهوم که اشیاء کوچک میتوانند به طور همزمان در چندین نقطه یا حالت وجود داشته باشند، سنگ بنای فیزیک کوانتومی است. یک آزمایش جدید به دنبال کشف این پدیده اسرار‌آمیز است) اشاره دارد.
این، مساله اصلی مکانیک کوانتومی است و کسی از پاسخ آن مطلع نیست: به راستی در برهم نهی چه اتفاقی رخ می‌دهد – شرایط عجیب و غریبی که در آن به نظر می رسد که ذرات به طور همزمان در دو یا چند مکان یا حالت قرار دارند. در حال حاضر، گروهی از محققان در اسرائیل و ژاپن در یک مقاله آماده ارائه، آزمایشی را توضیح داده‌اند که به کمک آن در نهایت می‌توان با اطمینان در مورد ماهیت این پدیده گیج کننده سخن گفت.
آزمایش آن‌ها که طبق نظر محققان می‌تواند در عرض چند ماه انجام شود، باید دانشمندان را قادر سازد تا زمانی که شی – در این مورد ذره‌ای از نور به نام فوتون – در یک برهم‌نهی است، نگاه سریعی به مکانی که عملا در آن است، بیندازد. پژوهشگران پیش بینی می کنند که این پاسخ حتی عجیب‌تر و تکان دهنده‌تر از “دو مکان به طور همزمان” خواهد بود.
مثال کلاسیکی از برهم‌نهی، شامل شلیک فوتون‌ها در دو شکاف موازی از یک مانع است. یکی از جنبه‌های اساسی مکانیک کوانتومی این است که ذرات ریز میتوانند مانند امواج رفتار کنند، بنابراین فوتون‌هایی که از طریق یک شکاف عبور می‌کنند، با آن‌هایی که از شکاف دیگر می‌گذرند، ” تداخل” می کنند. حرکت موجی هر کدام موجب تقویت یا خنثی کردن دیگری برای ایجاد یک الگوی مشخص در صفحه‌ی آشکارساز می‌شود. با این حال، عجیب است که این تداخل رخ می دهد حتی اگر یک ذره در یک زمان برانگیخته شود. به نظر می‌رسد که ذره به نحوی به صورت همزمان، از هر دو شکاف عبور کرده و با خودش تداخل می‌کند؛ که این همان برهم‌نهی است.
و این عجیب‌تر می‌شود: اندازه‌گیری و سنجش این که چنین ذره‌ای از کدام شکاف عبور می‌کند، همیشه نشان داده است که ذره فقط از یکی از شکاف‌ها می‌گذرد. اما پس از آن که ذره‌ی موج مانند تداخل (کوانتومی) کرد، ناپدید می‌شود. به نظر می‌رسد که اندازه‌گیری‌ها موجب بر هم خوردن بر هم نهی می‌شوند. Avshalom Elitzur فیزیکدان از موسسه تحقیقات پیشرفته اسرائیل می گوید:” می‌دانیم که اتفاق مشکوک و مورد تردیدی در پدیده برهم‌نهی در حال انجام است. اما شما مجاز به اندازه‌گیری آن نیستید و این چیزی است که مکانیک کوانتومی را بسیار شیطانی می‌کند.”
به مدت چندین دهه محققان در این تنگنا‌ی آشکار متوقف شده‌اند. آنان نمی‌توانند بدون نگاه کردن به برهم‌نهی دقیقا بیان کنند که آن چیست؛ اما اگر سعی در نگاه کردن به آن داشته باشند، ناپدید می‌شود. یکی از راه حل‌های بالقوه، ایجاد شده توسط مربی سابق Elitzur، فیزیکدان اسرائیلی به نام Yakir Aharonov – در حال حاضر در دانشگاه Chapman و همکارانش – راهی برای استنباط چیزی درباره ذرات کوانتومی قبل از اندازه گیری آن‌ها پیشنهاد می‌کند. رویکرد Aharonov ، روش بردار دو حالته (TSVF) از مکانیک کوانتومی نامیده می شود و فرض می‌کند که رخداد‌های کوانتومی نه تنها در گذشته، بلکه در آینده نیز در برخی از شرایط قرار دارند که به واسطه حالات کوانتومی تعیین می شود. به این معنا که TSVF فرض می‌کند که مکانیک کوانتومی هم به جلو و هم به عقب به یک شیوه عمل می‌کند. از این جنبه فکری، به نظر می‌رسد که علل می توانند در زمان به عقب برگردند، و پس از اثرات و معلول‌هایشان رخ دهند.
بیشتر بخوانید:
- نظریه بزرگ: ما از فیزیک کوانتوم خسته شده‌ایم
- “کنش شبح‌وار از راه دور” اینشتین در اجسامی که با چشم دیده می‌شوند، اثبات شد
- آزمایش بزرگ بل فرضیه اینشتین را در مورد در هم تنیدگی کوانتومی نقض نمود
- داستان‌های ناگفته: قمارباز رنسانس که دو تا از پایه‌ای‌ترین قوانین نظریه‌ی کوانتوم را بنیان نهاد
اما لازم نیست که این مفهوم عجیب را عینا و به معنای واقعی کلمه بپذیریم. در عوض، در TSVF می توان با انتخاب نتیجه، دانش مربوط به گذشته از آنچه در سیستم کوانتومی اتفاق افتاده است را به دست آورد: به جای اندازه‌گیری اینکه ذره دقیقا در کجا قرار دارد، محقق یک مکان خاص را انتخاب کرده و در آن به دنبال ذره می‌گردد. این کار پس-انتخاب نامیده می‌شود و می‌تواند اطلاعات بیشتری را نسبت به هرچیز قطعی و بدون هیچ قید و شرطی، با استفاده از نتایج، ارائه دهد. به این علت که حالت ذره در هر لحظه، با توجه به گذشته در کل پیشینه‌اش تا زمان اندازه‌گیری (شامل زمان اندازه‌گیری) مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. اتفاق عجیبی می‌افتد چون به نظر می‌رسد که پژوهشگر – به سادگی با انتخاب جستجو‌ی یک نتیجه خاص – باعث می شود که همان نتیجه اتفاق بیافتد. اما این کمی شبیه به نتیجه گیری‌ای است که اگر شما تلویزیون را هنگام پخش برنامه مورد علاقه‌تان که از قبل برنامه ریزی شده تا در آن زمان پخش شود، روشن کنید، اقدام شما موجب پخش آن برنامه در همان لحظات می‌شود. David Wallace ، یک فیلسوف علوم در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی که در تفسیر مکانیک کوانتومی تخصص یافته است، می‌گوید:” به طور کلی پذیرفته شده است که TSVF به لحاظ ریاضی معادل مکانیک کوانتومی استاندارد است ” او همچنین ادامه می‌دهد:” اما آن باعث می شود چیز‌هایی مشخصی را ببینید که در غیر این صورت نمی‌توان آن‌ها را مشاهده کرد.”
به عنوان مثال، یک نسخه از آزمایش دو شکاف که توسط Aharonov و همکارش Lev Vaidman در سال ۲۰۰۳ طراحی شده است را در نظر بگیرید که آن را با TSVF تفسیر کردند. این جفت یک سیستم نوری را توضیح می‌دهد(اما ساخته نشد) که در آن یک تک فوتون به عنوان یک حائل (shutter) عمل می‌کند که یک شکاف را بسته است و باعث می‌شود که فوتون در حال گردش (probe) دیگر که به شکاف نزدیک می‌شود به همان شیوه ای که می‌آمد، بازتاب کند. با اعمال پس-انتخاب بر اندازه‌گیری‌های فوتون پراب، Aharonov وVaidman نشان دادند که می توان با بستن همزمان هر دو (یا به طور دلخواهی بیشتر) شکاف، یک فوتون شاتر را در یک حالت فوق برهم‌نهی تشخیص داد. به عبارتی دیگر، این آزمایش فکری به طور نظری اجازه می‌دهد که با اطمینان بگوییم که در یک لحظه هم “اینجا” و هم “آنجا” است. اگرچه این وضعیت با تجربیات روزمره ما متناقض است، اما یکی از جنبه‌های به خوبی مطالعه شده از خواص به اصطلاح “غیر موضعی” ذرات کوانتومی است که در آن، کل مفهوم یک مکان خوش تعریف در فضا، حل می‌شود.
در سال ۲۰۱۶، Okamoto و Shigeki Takeuchi فیزیکدانانی از دانشگاه کیوتو (Kyoto )، پیش بینی‌های Aharonov و Vaidman را به صورت تجربی و با استفاده از یک مدار نورپردازی که در آن با استفاده از یک روتر کوانتومی، فوتون شاتر ایجاد شده بود، مطالعه و بررسی کردند. روتر کوانتومی دستگاهی است که به یک فوتون اجازه می‌دهد که مسیر دیگری را کنترل کند. Elitauh Cohen از دانشگاه اتاوا (Ottawa) در انتاریو(Ontario) که همکار Elitzur است، می‌گوید:” این یک آزمایش پیشگامانه بود که اجازه داد به موقعیت همزمان یک ذره در دو مکان پی ببریم.”
در حال حاضر Elitzur وCohen با Okamoto و Takeuchi برای طراحی آزمایشی با درگیری فکری بیشتر، همکاری کرده‌اند. آن‌ها بر این اعتقادند که این آزمایش محققان را قادر می سازد تا با اطمینان در مورد مکان یک ذره در یک بر هم‌نهی در نقاط مختلف یک سری زمانی، قبل از انجام هر گونه اندازه‌گیری حقیقی، سخن بگویند.
این بار مسیر فوتون پروب را با آینه های جزئی به سه قسمت تقسیم می‌کنیم. در طول هر یک از این مسیرها، این فوتون ممکن است با یک فوتون شاتر در برهم‌نهی، برهم کنش کند. می‌توان در نظر گرفت که این برهمکنش‌ها در جعبه‌هایی که با حروف A، B و C بر چسب دار شده‌اند و هر یک از آن‌ها در امتداد هر کدام از سه مسیر ممکن فوتون هستند، اتفاق می‌افتند. با نگاه به تداخل با خود فوتون پروب، می توان با اطمینان نتیجه گرفت که ذره شاتر در زمان مشخص، در جعبه‌ی معین بوده است.
این آزمایش به گونه‌ای طراحی شد که فوتون پروب تنها زمانی می‌تواند تداخلی نشان دهد که با فوتون شاتر در یک توالی خاصی از مکان‌ها و زمان‌ها، برهم‌کنش داشته باشد: یعنی اگر فوتون شاتر در یک زمان (t1)، در هر دو جعبه A و C باشد، در زمان بعدی (t2) فقط در C و در زمان دورتر (t3) در هر دو جعبه B و C خواهد بود. بنابراین تداخل در فوتون پراب، یک نشانه قطعی است که فوتون شاتر دنباله ای از الگویی غیرمنتظره و عجیب و ظاهری بی ربط به هم، بین جعبه‌ها در زمان‌های مختلف ساخته است. – Elitzur، Cohen و Aharonov سال گذشته ایده‌ای را برای احتمال انتشار یک ذره در سه جعبه مطرح کردند. Ken Wharton فیزیکدانی از دانشگاه ایالت سن خوزه (San Jose)، کسی که در پروژه جدید دخیل نیست، می گوید:” من روش این مقاله در بیان سوالات در مورد کل پیشینه ذره به جای حالات لحظه‌ای آن را دوست دارم.” او همچنین می‌افزاید:” سخن گفتن در مورد حالت‌ها یک تعصب فراگیر قدیمی است، در حالی که سابقه کامل، به طور کلی بسیار غنی تر و جالب است”.
این غنایی که Elitzur و همکاران در مورد آن بحث می‌کنند، همان چیزی است که TSVF به آن امکان دسترسی می‌دهد. ناپدید شدن مسلم ذرات در یک مکان و در یک زمان و ظهور دوباره آن‌ها در زمان‌ها و مکان‌هایی دیگر، نسخه‌ی جدید و خارق العاده ای از فرآیندهای اساسی موجود در ماهیت غیر موضعی ذرات کوانتومی ارائه می‌دهد. از طریق لنز TSVF ، Elitzur می‌گوید: این موجودیت همیشه در حال تغییر می‌تواند به عنوان یک سری از رویدادهایی فهمیده شود که در آن حضور یک ذره در یک محل به نحوی با متقارنش در همان مکان خنثی می‌شود. او این را با مفهومی که توسط پل دیراک(Paul Dirac)، فیزیکدان بریتانیایی در دهه ۱۹۲۰ معرفی شده است، مقایسه کرد. دیراک کسی که استدلال کرد که ذرات دارای پاد ذره هستند، و در صورت جمع شدن، یک ذره و یک پاد ذره میتوانند یکدیگر را نابود کنند. این تصویر در ابتدا فقط یک شیوه صحبت کردن به نظر می‌رسید، اما طولی نکشید که منجر به کشف پاد ماده شد. ناپدید شدن ذرات کوانتومی به صورت مشابه به معنی نابودی نیست، اما تا حدودی مشابه آن است. Elitzur ثابت کرد که این عناصر متضاد پیش بینی شده، باید دارای انرژی منفی و جرم منفی باشند، به این ترتیب آن‌ها می توانند نقاط مقابل خود را خنثی کنند.
Elitzur می‌گوید:” اگرچه دیدگاه مرسوم ” دو مکان هم زمان” از برهم‌نهی ممکن است به اندازه کافی عجیب و غریب به نظر برسد، یک برهم‌نهی از مجموعه‌ای از حالات، ممکن است وجود داشته باشد که حتی شگفت انگیز‌تراست.” او می گوید: “مکانیک کوانتومی تنها در مورد میانگین آن‌ها سخن می‌گوید.” او اظهار می‌کند پس-انتخاب، اجازه مجزا کردن و بررسی تنها برخی از این حالات را با بالاترین دقت می‌دهد. طبق نظر Elitzur ، چنین تفسیری از رفتار کوانتومی، «انقلابی» است.
محققان بیان می‌کنند که انجام آزمایش واقعی نیاز به تنظیم دقیق عملکرد روترهای کوانتومیشان دارد، اما آنان امیدوارند تا سیستم خود را طی سه تا پنج ماه آماده کنند. در حال حاضر برخی از ناظران بیرونی، خیلی منتظر نیستند. Wharton می‌گوید:” این آزمایش مقید به کار است”، اما می افزاید:” هیچ چیز، کسی را متقاعد نخواهد کرد، زیرا نتایج به وسیله مکانیک کوانتومی استاندارد پیش بینی می‌شوند.” به عبارت دیگر، دلیل قانع کننده‌ای برای تفسیر نتایج از نظر TSVF به جای یکی از بسیاری از روش های دیگر که پژوهشگران به کمک آن‌ها رفتار کوانتومی را تفسیر می کنند، وجود ندارد.
Elitzur موافق است که آزمایش آن‌ها می‌تواند با استفاده از دیدگاه مرسوم مکانیک کوانتومی که دهه‌ها پیش از آن به وقوع پیوسته است، تصور شود – اما هرگز این گونه نبوده است. او می‌پرسد:” آیا این نشانه خوبی از ثبات TSVF نیست؟” و همچنین می افزاید که اگر کسی فکر می‌کند که می‌تواند با استفاده از مکانیک کوانتومی استاندارد، تصویر متفاوتی از “آنچه که واقعا در حال وقوع است” تنظیم کند، “بسیار خب، بگذارید پیش برود!”
