اروین شرودینگر ( Erwin Schrödinger) فیزیکدان، در آزمایشی که به عنوان معروف‌ترین آزمایش دنیا (گربه شرودینگر) شناخته می‌شود؛ توضیح داد که چگونه یک گربه درون یک جعبه می‌تواند در وضعیت نامشخصی باشد. مطابق با قوانین عجیب و غریب تئوری کوانتومی، گربه در این حالت هم می‌تواند زنده و هم مرده باشد؛ تا زمانی که در جعبه باز شود و حالت گربه مشاهده شود. در حال حاضر دو تن از فیزیکدانان، نسخه‌ی پیشرفته‌ای از این پارادوکس را ارائه داده‌اند که در آن یک فیزیکدان در حال انجام آزمایش، به جای گربه قرار میگیرد. این آزمایش مفاهیم شگفت انگیزی در پی دارد.
تئوری کوانتوم دارای تاریخچه‌ی طولانی از آزمایش‌های فکری است و در اکثر موارد برای نقاط ضعف در تفسیرهای مختلف مکانیک کوانتومی به کار می‌رود. آخرین نسخه‌ی این آزمایش که شرکت کنندگان بسیاری را شامل می‌شود، کمی عجیب و غریب است. این آزمایش نشان می‌دهد که اگر تفسیر استاندارد از مکانیک کوانتومی درست باشد، اشخاص متعددی که در حال انجام آزمایش هستند می‌توانند به نتایج مختلفی در مورد چیزی که فیزیکدان داخل جعبه اندازه گرفته است، برسند. این یعنی نظریه‌ی کوانتومی خود را نقض می‌کند.
این آزمایش مفهومی به مدت بیش از دو سال در محافل مختلف فیزیکی مورد مباحثه و مناظره بوده است و اکثر محققان را گیج و سر در گم کرده است، حتی در حوزه‌ای که دانشمندان آن به مفاهیم عجیب و غریب عادت کرده‌اند. متیو لایفر (Matthew Leifer ) که در دانشگاه چپمن (Chapman University) واقع در اورنج (Orange) کالیفرنیا، فیزیکدان تئوری است، می‌گوید: ” من فکر می‌کنم این یک سطح کاملا جدید از مرموز بودن است.”
دنیلا فروچیگر (Daniela Frauchiger) و رناتو رنر (Renato Renner) که نویسندگانی از موسسه فن آوری فدرال (ETH) واقع در سوئیس هستند، اولین نسخه خود از این بحث را به صورت آنلاین در ماه آوریل ۲۰۱۶ منتشر کردند. مقاله نهایی در ۱۸ سپتامبر در انتشارات Nature نیز دیده می‌شد (فروچیگر در حال حاضر دانشگاه مربوطه را ترک کرده است).
جهان خارق العاده
مکانیک کوانتومی تقریبا تمام فیزیک مدرن را در بر میگیرد، همه چیز از ساختار اتم‌ها گرفته تا علت چسبیدن و جاذبه‌ی بین آهنربا‌ها را توضیح می‌دهد. اما پایه‌های مفهومی آن همچنان به محققان در رسیدن به پاسخ سوال‌هایشان کمک می‌کند. معادلات آن نمی‌توانند نتیجه‌ی دقیق اندازه گیری‌ها را پیش بینی کنند – مثلا موقعیت یک الکترون – تنها احتمالاتی است که می‌توانند مقادیر خاصی را اختیار کنند.
اشیاء کوانتومی مانند الکترون‌ها در یک فضای ابر مانند با عدم قطعیت زندگی می‌کنند، که به صورت ریاضیاتی به شکل “تابع موج” نوشته و کدگذاری شده است و تغییر شکل تابع را به صورت هموار و بسیار شبیه امواج عادی دریا نشان می‌دهد. اما هنگامی که یک خاصیت یا ویژگی مانند موقعیت الکترون اندازه گیری می‌شود، همیشه یک مقدار کاملا دقیق حاصل می‌شود (و حتی اگر بلافاصله پس از آن، بار دیگر اندازه گیری شود، همان مقدار حاصل می‌شود).
رایج‌ترین روش درک این موضوع، در دهه ۱۹۲۰ توسط پیشگامان تئوری کوانتومی یعنی نیلز بور ( Niels Bohr ) و ورنر هایزنبرگ (Werner Heisenberg ) فرمول بندی و به خاطر اسم شهری که نیلز بور در آن زندگی می‌کرد، تفسیر کپنهاگن ( Copenhagen interpretation ) نامیده شد. این تفسیر بیان می‌کند که عمل مشاهده یک سیستم کوانتومی باعث می شود که موج از یک منحنی پراکنده به یک نقطه داده واحد تبدیل شود.
تفسیر کپنهاگن این سوال را مطرح کرد که چرا باید قوانین مختلف به دنیای کوانتومی اتم‌ها و دنیای کلاسیکی اندازه گیری‌های آزمایشگاهی (و سایر تجربیات روزمره) اعمال شود. اما این مسئله که اگر چه اشیاء کوانتومی در حالت‌های نامعلوم و عدم قطعیت زندگی می‌کنند، مشاهدات تجربی در قلمرو کلاسیکی اتفاق می‌افتند و نتایج غیرمبهم به دست می دهد، موجب قوت قلب می‌شود.
در حال حاضر فروچیگر و رنر، به فیزیکدانان در مورد این موقعیت راحت و آرامش بخش هشدار می‌دهند. مطابق با استدلال نظری آن‌ها، تصویر پایه کپنهاگ و همچنین تفسیرهای دیگر که برخی از مفروضات اساسی آن را به اشتراک می گذارند، در حقیقت استوار یا سازگار نیستند.
چه چیزی درون جعبه قرار دارد؟
سناریوی آن‌ها به طور قابل ملاحظه‌ای پیچیده‌تر از گربه شرودینگر است که در سال ۱۹۳۵ پیشنهاد شده بود. که در آن یک گربه سان در یک جعبه با مکانیسمی زندگی می‌کرد که براساس یک رویداد تصادفی، مانند فروپاشی هسته یک اتم، سمی را آزاد می کرد. در چنین حالتی، تا زمانی که شخص آزمایش کننده در جعبه را باز کرده و آن را بررسی کند، وضعیت زنده یا مرده بودن گربه‌ی درون آن معلوم نیست.
در سال ۱۹۶۷ فیزیکدان مجارستانی یوجین وایگرن ( Eugene Wigner ) یک نسخه از پارادوکس را پیشنهاد داد که در آن گربه و سم را با یکی از دوستان فیزیکدان آزمایش کننده جایگزین کرد. به این صورت که این شخص در داخل جعبه‌ای با یک دستگاه سنجش زندگی می‌کرد و جعبه دستگاه اندازه‌گیری داشت که می‌توانست یکی از دو نتیجه‌ی ممکن، مانند نشان دادن شیر و خط سکهای را نشان دهد. آیا زمانی که دوست ویگنر از نتیجه آگاه می‌شد، تابع موج مربوطه دچار فروپاشی می‌شد؟ یک گروه فکری معتقدند که چنین اتفاقی می‌افتد و اظهار می‌کنند که آگاهی و هوشیاری در خارج از قلمرو کوانتومی است. اما اگر مکانیک کوانتومی به فیزیکدان ذکر شده اعمال شود، باید او را در یک وضعیت نامعلوم قرار دهد که ترکیبی از هر دو نتیجه ممکن است؛ البته تا زمانی که ویگنر در جعبه را باز کند.
با این حال، فروچیگر و رنر دارای یک نسخه پیچیده‌تر و مصنوعی‌تر نیز هستند (به مطلب گربه‌های جدید در شهر مراجعه کنید). در این نسخه از آزمایش، آن‌ها دو ویگنر دارند و هر کدام از آن‌ها یک آزمایش بر روی یک دوست فیزیکدان انجام می‌دهند که آن‌ها این دوست‌ها را در جعبه نگهداری می‌کنند. یکی از این دو دوست (که آلیس نام دارد) می‌تواند سکهای را پرتاب کند – با استفاده از دانش او در رابطه با فیزیک کوانتومی – یک پیام کوانتومی برای ارسال به دوست دیگر (که باب نام دارد) آماده می‌کند. باب با کمک گرفتن از دانش خود در زمینه‌ی نظریه‌ی فیزیک کوانتومی، می‌تواند پیام آلیس را شناسایی و نتیجه نهایی پرتاب سکه‌ی او را حدس بزند. مطابق با گفته‌های رنر، هنگامی که دو ویگنر جعبه‌های خود را باز می‌کنند، در بعضی از موقعیت‌ها می‌توانند با اطمینان نتیجه بگیرند که کدام سمت سکه به زمین می‌افتد، اما گاهی نتیجه گیری‌های آن‌ها درست نیست. رنر معتقد است که شخصی می‌گوید: “من مطمئن هستم که این خط است ( در این پرتاب ) ” در حالی که یکی دیگر می گوید: ” من مطمئن هستم که این شیر است.”
چنین آزمایشی را نمی‌توان به صورت عمل انجام داد، زیرا آزمایش به دو ویگنر برای اندازه گیری تمام خواص کوانتومی دوستان خود نیاز دارد که این اندازه گیری شامل خواندن ذهن آن‌ها نیز می‌شود. لیدیا دل ریو ( Lídia Del Rio )، یکی از همکاران رنر در موسسه‌ی ETH سوئیس به این نکته اشاره کرده است.
با این وجود ممکن است در حال حاضر بتوان از دو رایانه کوانتومی برای انجام بخشی از وظایف آلیس و باب استفاده کرد. منطق این استدلال تنها به دانستن قوانین فیزیک و تصمیم گیری بر اساس آن‌ها نیاز دارد و در اصل یک شخص می‌تواند حالت کوانتومی یک کامپیوتر کوانتومی را کاملا شناسایی کند. ( رنر اشاره می کند که رایانه‌های کوانتومی برای انجام این کار به اندازه کافی کامل نیستند )
تفسیر دوئل
هنوز هم فیزیکدانان به پیامد‌هایی ازاین نتایج می‌رسند. این‌‌ها به پاسخ‌های گرمی از طرف کارشناسان و خبرگان در زمینه‌ی بنیان‌های نظریه کوانتومی منجر شده اند، که بسیاری از آن‌ها تمایل به محافظت از تفسیر حیوانات خود دارند. رنر بیان می‌کند: “برخی از این اشخاص احساساتی می‌شوند.” و محققان مختلف تمایل به نتیجه گیری‌های متفاوتی دارند. “اکثر مردم ادعا دارند که آزمایش‌ها نشان داده است که تفسیر آن‌ها تنها مورد درست ممکن است.”
برای لایفر، حصول نتایج متضاد نباید لزوما نقض حد و اندازه تلقی شود. برخی از تفسیرهای مکانیک کوانتومی در حال حاضر اجازه وجود دیدگاه‌هایی از واقعیت را می‌دهند که به جنبه‌ی فکری و تجسم اشیا بستگی دارند. او اظهار می‌کند که این امر می‌تواند نسبت به این که مجبور شود اعتراف کند نظریه کوانتوم به چیزهای پیچیده‌ای مانند مردم نمی‌پردازد، کمتر ناراحت کننده است.
رابرت اسپیکنز ( Robert Spekkens )، فیزیکدان تئوری در موسسه فیزیک نظری در واترلو کانادا، می گوید که راه خروج از این پارادوکس می‌تواند در بعضی از فرضیات ظریف در استدلال‌های مذکور، مخصوصا در ارتباط بین آلیس و باب، پنهان باشد.
او می گوید: “به نظر من، موقعیت های زیادی وجود دارد که در آن نوشتن اطلاعات کسی بر روی تخته شامل برخی از ترجمه‌ها و تفسیرهای دانش آن‌ها می‌شود.” او معتقد است که ممکن است این ناسازگاری و تناقض به علت این باشد که باب، پیام آلیس را به درستی ترجمه نکرده باشد. اما او اذعان می‌کند که هنوز راه حلی پیدا نکرده است.
در زمان حال نیز دانشمندان و فیزیکدانان مختلف مایل به مطرح کردن این موضوع و بحث در رابطه با آن هستند. لایفر می‌گوید : ” من فکر نمی‌کنم که ما تاکنون این موضوع را فهمیده باشیم. “
این مقاله با اجازه تکثیر شده و برای اولین بار در تاریخ ۱۸ سپتامبر ۲۰۱۸ منتشر شده است.
*** توضیح آزمایش گربه‌ی شرودینگر: شرودینگر در آزمایش خیالی – ذهنی، گربه ای را در درون جعبه ای دربسته قرار می دهد که درآن یک اسلحه کشنده قرار داده شده که ماشه ای حساس دارد و یک اتم رادیواکتیو هم در آن جعبه قرار دارد. احتمال این که اتم رادیواکتیو، طی مدت یک ساعت از خود پرتوی ساطع کند، ۵۰% است. اگر اتم رادیواکتیو تجزیه شود، انرژی آزاد می شود و این انرژی آزاد شده، طی فرآیندی ماشه را می چکاند و گربه کشته می شود و اگر اتم رادیواکتیو تجزیه نشود، طبیعتاً انرژی آزاد نمی شود و ماشه نیز کشیده نمی شود و گربه نیز زنده می ماند. در این صورت، پرسش این است که گربه مرده است یا زنده؟
می توان گفت: پس از یک ساعت در جعبه را باز می کنیم و مشاهده می کنیم که گربه زنده است یا مرده و به تعبیر دیگر، تا زمانی که در جعبه بازنشده است، گربه به احتمال۵۰-۵۰ یا زنده است یا مرده؛ اما پاسخ داده شده، صحیح نیست؛ زیرا بر اساس قواعد مکانیک کوانتوم، از آن جا که ذرات زیراتمی غیر قابل پیش بینی هستند، گربه تا زمانی که در جعبه باز نشده است، حالتی غیرقطعی و نامعین دارد و هم مرده است و هم زنده یا نه زنده است و نه مرده. اصل «برهم نهی کوانتومی» یا «اصل ترکیب» که این آزمایش آن را تبیین می کند، با درک بشر از واقعیات جهان مغایرت دارد و این جاست که بر اساس نظریه کوانتوم، معمایی لاینحل بر سر راه فیزیک دان پیش می آید. بنابراین، اصل مذکور در نظام های ماکروسکوپی کارآیی ندارد. ممکن است گفته شود که راه حل، مشاهده است؛ اما پارادوکس این جاست که در جعبه را نمی توان باز کرد تا با نگاه به درون آن، از زنده یا مرده بودن گربه اطمینان حاصل کرد؛ زیرا طبق قواعد کوانتوم، خود عمل مشاهده، گربه را خواهد کشت و به تعبیر دیگر، طبق مکانیک کوانتوم، خود عمل اندازه گیری بر روی سیستم، برای سیستم، محدودیت به وجود می آورد و در واقع، اندازه گیری یک سیستم، موجب می شود که واقعیت سیستم از بین برود (توضیح اضافی برگرفته سایت بیگ بنگ).
