آیا از نظر کوانتوم، واقعیت وجود دارد؟ - مسافرت رو

خبرنگاران| از زمانی که نظریه جنجالی کوانتوم در اوایل سال 1900 اختراع شد، در مورد شگفتی های آن صحبت های بسیاری شده است. در این مقاله در مورد یکی از چالش های مهم، یعنی ماهیت واقعیت، بحث خواهیم کرد.

چگونه کوانتوم به ذرات و اتم ها اجازه می دهد تا در آن واحد در راستا های مختلف حرکت نمایند، مثلاً به طور همزمان هم در جهت عقربه های ساعت بچرخند و هم در خلاف جهت عقربه های ساعت؟

حقایق جایگزین همانند ویروس در سراسر جامعه توسعه می یابند. حال، به نظر می رسد این حقایق علم را هم آلوده کرده اند؛ دستکم این مورد در حوزه کوانتوم مشاهده می شود.

به گزارش خبرنگاران؛ شاید این امر مغایر با درک شهودی باشد. روش علمی بر پایه مفاهیم مشاهداتی قابل اطمینان، اندازه گیری و تکرارپذیری پایدار است. واقعیت باید عینی باشد؛ به طوری که همۀ ناظران بتوانند با آن موافقت نمایند. اما در مقاله ای که به تازگی منتشر شده، محققان نشان دادند که در جهان ریزمقیاس اتم ها و ذراتی که قوانین عجیبِ مکانیک کوانتومی بر آن حاکم است، دو ناظر حقایق مخصوص به خود را دارند.

به عبارت دیگر، بر اساس نظریه اجزای سازنده خود طبیعت، حقایق می توانند ذهنی باشند. ناظران بازیگران قدرتمندی در جهان کوانتومی هستند. بر اساس این نظریه، ذرات می توانند به طور همزمان در مکان ها و جا های مختلفی حضور داشته باشند. محققان از این پدیده با نام برهم نهی یاد می نمایند. این تنها موردی است که آن ها مشاهده نمی شوند. به محض اینکه یک سیستم کوانتومی را مشاهده می کنید، حالت یا موقعیت خاصی را برمی گزیند؛ لذا برهم نهی از هم می پاشد. این نوع رفتار طبیعت بار ها و بار ها در آزمایشگاه اثبات شده است.

در سال 1961، یوجین واگنر یک آزمایش فکری خلاقانه ای پیشنهاد کرد. وی این سوال را اسم نمود که اگر ماشین های کوانتومی را برای ناظری به کار بگیریم که خودش را مشاهده می نمایند، چه اتفاقی می افتد؟ فرض کنید یکی از دوستان واگنر یک سکه کوانتومی پرتاب می کند؛ بر اساس حالت برهم نهی، در داخل آزمایشگاهی بسته، سکه هم شیر و هم خط ظاهر می شود. هر زمان که دوست واگنر سکه را پرتاب می کند، یک نتیجه قطعی مشاهده می نمایند. می توان گفت که دوست واگنر یک حقیقت را مورد تاکید قرار می دهد: نتیجه پرتاب سکه قطعاً شیر یا خط است. واگنر از بیرون به این واقعیت دسترسی ندارد.

بر اساس مکانیک کوانتومی، او باید دوست و سکه در حالت برهم نهیِ همه پیشامد های احتمالی آزمایش توصیف کند. به همین علت است که آن ها درهم تنیده اند و به گونه ای شبح وار به یکدیگر متصل هستند؛ به طوری اگر یکی را دستکاری کنید، دیگری را هم دستکاری کرده اید. حال واگنر می تواند این حالت برهم نهی را با استفاده از آزمایش تداخل اثبات کند؛ نوعی اندازه گیری کوانتومی که زمینه را برای رونمایی از برهم نهیِ کل سیستم فراهم می کند. بنابراین، درهم تنیدگیِ دو جسم تایید می شود. وقتی واگنر و دوستش یادداشت ها را بعداً مقایسه نمایند، دوستش بر این نکته اصرار خواهد کرد که پیشامد های قطعی هر پرتاب سکه را دیده است. با این حال، واگنر با وی مخالفت خواهد کرد، زیرا دوستش و سکه را در حالت برهم نهی مشاهده کرده است.

خب اینجا یک معما پیش می آید. واقعیت ِ درک شده از طریق دوستش با واقعیتی که در بیرون وجود دارد، سازگار نیست. واگنر این موضوع را متناقض نمی دانست و معتقد بود این پوچ و بی معنی است که ناظر هشیار به نام شیء کوانتومی در نظر گرفته شود. وی بعد ها این دیدگاهش را کنار گذاشت. بر اساس کتاب های درسی رسمی در حوزه مکانیک کوانتومی، این توصیف کاملاً معتبر است.

آزمایش کوانتومی

این سناریو مدت هاست که به نام یک آزمایش فکری جالب شناخته می شود. اما آیا واقعیت را بازتاب می دهد؟ از دید علمی، اخیراً پیشرفت قابل توجهی به دست آمده است؛ چاسلاو بروکنر در دانشگاه وین نشان داد که ایدۀ واگنر می تواند تحت فرضیه های معینی برای اثبات رسمی این قضیه به کار گرفته شود که اندازه گیری در مکانیک کوانتومی برای ناظران جنبه ذهنی دارند. بروکنر روشی برای آزمایش این مفهوم پیشنهاد داد. وی در این راستا، سناریوی دوست واگنر را در قالب چارچوبی بررسی کرد که نخستین بار فیزیکدانی به نام جان بل در سال 1964 مطرح کرده بود.

بروکنر واگنر و دوستانش را در جعبه های جداگانه ای فرض کرد و اندازه گیری های مربوط را در حالت مشترک انجام داد (درون و بیرون جعبه). از نتایج این آزمایش می توان برای ارزیابی مفهوم نامساوی بل استفاده کرد. اگر این نامساوی نقض شود، ناظران به حقایق جایگزین تبدیل می شوند. ما اکنون پیروز شده ایم این آزمایش را به صورت تجربی در دانشگاه هریوت-وات ادینبورگ و در رایانه کوانتومی کوچک مقیاسی انجام دهیم. این رایانه از سه جفت فوتون درهم تنیده ساخته شده است. جفت فوتون اول به سکه ها اشاره دارد و دو جفت دیگر برای پرتاب سکه استفاده می شوند؛ قطبیت فوتون ها اندازه گرفته شد. در بیرون دو جعبه، دو فوتون کنار یکدیگر قرار دارند که امکان اندازه گیری شان وجود دارد.

علی رغم استفاده از فناوری کوانتومی نوین، جمع آوری داده از 6 فوتون دو هفته به طول انجامید. اما پایان پیروز به اثبات این مسئله شدیم که مکانیک کوانتومی ممکن است با فرضیه حقایق عینی ناسازگار باشد؛ ما نابرابری را نقض کردیم. با این حال، این نظریه روی چند فرضیه پایدار است.

برای مثال، نتایج اندازه گیری تحت تاثیر سیگنال هایی که سریع تر از نور حرکت می نمایند، قرار نمی گیرد و ناظران در انتخاب نوع اندازه گیری از آزادی عمل برخوردارند. این دو فرضیه هنوز اثبات نشده است. سوال مهم دیگر این است که آیا می توان تک تک فوتون ها را ناظر در نظر گرفت یا خیر.

بر اساس پیشنهاد نظریه بروکنر، نیازی نیست ناظران هشیار باشند؛ فقط کافی است حقایق را در قالب یک نتیجه اندازه گیری ارائه نمایند. در واقع، آشکارساز بی جان هم می تواند ناظری معتبر باشد. ممکن است مکانیک کوانتومی استاندارد در مقیاس های بزرگ قابل کاربرد نباشد، اما آزمودنِ آن هم مسئله ای مجزا است.

در نهایت، این آزمایش نشان می دهد که دستکم در مدل های محلیِ مکانیک کوانتومی، باید دربارۀ مفهوم واقعیت عینی تنو نظر کنیم. حقایقی که در جهانی ماکروسکوپی مان تجربه می کنیم، در ظاهر امن و بی دردسر به نظر می رسند؛ اما این سوال بزرگ مطرح است که تفاسیر موجود از مکانیک کوانتومی چگونه می تواند حقایق ذهنی را در دل خود بگنجاند؟ به باور برخی از فیزیکدان ها، این پیشرفت های نو به تفسیر های خوبی منجر خواهد شد.

بنابراین، شاید بیش از یک نتیجه برای یک مشاهده ایجاد شود؛ برای مثال، وجود جهان های موازی که همۀ پیشامد ها در آن می تواند قابل رخ دادن باشد. بحث جهان های موازی یکی از جنجالی ترین تئوری های مطرح شده در جهانی فیزیک است که وجود چندین حالت هم زمان و مجزا از واقعیت را مطرح می کند.

برخی دیگر، اما، آن را شواهد خوبی برای نظریه های وابسته به ناظر می دانند؛ مثل Quantum Bayesianism که در آن، کار ها و تجارب ناظر به نام مسائل کانونیِ نظریه برشمرده می شوند. عدۀ دیگری هم روی این ایده پافشاری می نمایند که مکانیک کوانتومی تا یک جای مشخصی می تواند جوابگو باشد و اگر پای فراتر از مقیاس پیچیدگی معینی بگذارد، دچار فروپاشی خواهد شد. بی شک، این ها همگی پرسش های فلسفی عمیقی دربارۀ ماهیت اساسیِ واقعیت هستند. جواب هر چه باشد، آینده ای جالب و نویدبخش در پیش روست! جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Science Advances منتشر شده است.