آخرین اخبار
شگفتی‌‌های مکانیک کوانتومی‌ تمام‌شدنی نیست، ناموضعیت زمانی گواه این مدعاست!

شگفتی‌‌های مکانیک کوانتومی‌ تمام‌شدنی نیست، ناموضعیت زمانی گواه این مدعاست!

در هم تنیدگی کوانتومی یکی از عجیب‌ترین پدیده‌های مکانیک کوانتومی است که معمولا به صورت ناموضعیت فضایی فرض می‌شود، اما پدیده‌ای عجیب‌تر به نام ناموضعیت زمانی هم وجود دارد!

در تابستان 1935، آلبرت اینشتین و اروین شرودینگر درگیر مکاتباتی غنی، چند جانبه و گاهی نادانسته در مورد پیامدهای نظریه‌ی تازه متولد شده‌ی مکانیک کوانتومی ‌جدید شدند. تمرکز و نگرانی آنها چیزی بود که شرودینگر بعدها آن را درهم تنیدگی نامید، یعنی ناتوانی در توصیف مستقل دو سیستم ‌یا ذره‌ی کوانتومی که با یکدیگر برهمکنش دارند. اینشتین تا زمان مرگش، همچنان معتقد بود که درهم تنیدگی نشان می‌دهد که مکانیک کوانتومی ‌ناقص است. شرودینگر تصور می‌کرد درهم تنیدگی، مشخصه‌ی فیزیک مدرن است، اما این بدان معنا نبود که او آن را به سادگی قبول کرده است. او در 13 جولای 1935 به ‌اینشتین نوشت: «البته می‌دانم که سازوکار ریاضیاتی این تردستی چیست؛ اما من چنین نظریه‌ای را دوست ندارم». گربه مشهور شرودینگر که بین زندگی و مرگ معلق بود، برای اولین بار در این نامه‌ها سروکله‌اش پیدا شد.

مشکل اینجاست که درهم تنیدگی چگونگی کارایی جهان را نقض می‌کند. اطلاعات نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند، اما اینشتین و همکارانش در مقاله‌ی سال 1935نشان دادند درهم تنیدگی چگونه به آنچه که اکنون ناموضعیت کوانتومی ‌(quantum nonlocality) نامیده شده و به معنای ارتباط عجیب و غریب بین ذرات درهم تنیده است، منتهی می‌شود. اگر دو سیستم کوانتومی که با یکدیگر همزیستی دارند را درهم تنیده کرده و سپس از هم جدا کنید، حتی اگر هزاران سال نوری با هم فاصله داشته باشند، با اندازه‌گیری ویژگی‌های یک سیستم (مانند مکان، تکانه و قطبش)، فورا و بی‌درنگ سیستم دیگر نیز، حالت متناظر آن ویژگی را خواهد گرفت.

تا امروز، اغلب آزمایش‌ها، درهم تنیدگی را در فواصل فضایی آزموده‌اند. فرض بر این است که بخش ناموضعی ناموضعیت کوانتومی، ‌به درهم تنیدگی خصوصیات در فضا اشاره می‌کند؛ اما اگر درهم تنیدگی در زمان نیز رخ دهد چه؟ آیا چیزی به نام ناموضعیت زمانی وجود دارد؟ به نظر می‌رسد پاسخ، مثبت است. در سال 2013 و درست زمانی که فکر می‌کردیم مکانیک کوانتومی ‌نمی‌تواند بیش از این، عجیب شود، گروهی از فیزیکدانان گزارش دادند فوتون‌هایی را که هرگز با یکدیگر همزیستی نداشته‌اند، به طرز موفقیت‌آمیزی درهم تنیده کرده‌اند. آزمایش‌های قبلی با تکنیک جدیدی به نام مبادله‌ی درهم تنیدگی (entanglement swapping) و با به تاخیر انداختن اندازه گیری یکی از ذرات درهم تنیده‌ی همزیست، نشان داده بودند همبستگی کوانتومی ‌در طول زمان وجود دارد؛ اما الی مگیدیش (Eli Megidish)و همکارانش، اولین کسانی بودند که درهم تنیدگی میان فوتون‌هایی را که هیچگاه در طول عمرشان با یکدیگر همزیستی نداشتند، ثابت کردند.

روش کار اینگونه بوده است: آنها ابتدا یک جفت فوتون درهم تنیده (1-2) ساختند(مرحله اول). پس از مدت کمی، ‌قطبش (خاصیتی که جهت نوسان نور را نشان می‌دهد) فوتون ۱ را اندازه گیری کرده و به ‌این ترتیب آن را کشتند (مرحله دوم). فوتون ۲ به حرکت بی‌هدف خود ادامه می‌داد، در حالی که یک جفت ذره‌ی درهم تنیده‌ی جدید (3-4) ساخته شد (مرحله سوم). سپس فوتون 3 همراه با فوتون در حال حرکتِ 2 اندازه گیری شد؛ به گونه‌ای که درهم تنیدگی بین دو جفت ذره‌ی قدیمی ‌(2-1 و 4-3) به جفت جدید (3-2) مبادله شد (مرحله چهارم). پس از مدتی قطبش ذره‌ی تنهای باقی‌مانده، ‌یعنی فوتون ۴ اندازه گیری شد (مرحله‌ی پنجم) و نتایجش با فوتون ۱ که خیلی وقت پیش از بین رفته بود (در مرحله دوم) مقایسه شد.

شکل 1: نمودار خط زمانی. مرحله اول: تولد فوتون‌های 1 و 2، مرحله دوم: آشکارسازی فوتون 1، مرحله سوم: تولد فوتون‌های3 و 4، مرحله چهارم:‌ تصویر بل از فوتون‌های 2 و 3، مرحله پنجم: آشکارسازی فوتون 4.

نتیجه؟ داده‌ها، وجود همبستگی‌های کوانتومی ‌بین فوتون‌های ناموضع زمانی 1 و 4 را نشان دادند. یعنی درهم تنیدگی می‌تواند در دو سیستم کوانتومی‌که هرگز با یکدیگر همزیستی نداشته‌اند، رخ دهد!

این موضوع روی زمین چطور معنا می‌یابد؟ این امر در نگاه اول به همان اندازه غامض است که بگوییم قطبیدگی نور ستاره‌ای در گذشته‌های دور (مثلا بیشتر از دو برابر طول عمر زمین)، بر قطبیدگی نور ستاره‌ای که این زمستان بر تلسکوپ آماتوری شما می‌تابد، تاثیر گذاشته است. حتی شگفت‌انگیزتر اینکه شاید بتوان استدلال کرد که اندازه‌گیری نور ستاره‌ای که در این زمستان به تلسکوپ شما تابیده شده و شما با چشمتان آن را دیده‌اید، به گونه‌ای بر قطبیدگی فوتون‌های 9 میلیارد سال پیش، تاثیر گذاشته است.
از این سناریو تعجب نکنید، مگیدیش و همکارانش نمی‌توانند در برابر اندیشیدن در مورد تفسیرهای ممکن و شبح‌وار نتایجشان مقاومت کنند: شاید اندازه‌گیری قطبش فوتون 1 در مرحله دوم به گونه‌ای منجر به قطبش آینده‌ی فوتون 4 می‌شود، یا اندازه‌گیری قطبش فوتون 4 در مرحله پنجم به نحوی، حالت گذشته‌ی قطبش فوتون 1 را بازنویسی می‌کند. همبستگی‌های کوانتومی در هر دو راستای رو به جلو و رو به عقب زمانی، ارتباط منطقی بین مرگ یک فوتون و تولد فوتون دیگر را برقرار می‌کنند.

دانستن تنها کمی از نسبیت، باعث از بین رفتن این حالت شبح‌وار می‌شود. اینشتین برای توسعه‌ی نظریه نسبیت خاص، مفهوم همزمانی را از فیزیک نیوتونی‌‌‌اش حذف کرد. در نتیجه، همزمانی از یک مفهوم مطلق به یک مفهوم نسبی تبدیل شد. زمان رخداد یک اتفاق، به مکان دقیق شما نسبت به آنچه در حال تماشای آن هستید، بستگی دارد که آن مکان، اصطلاحا چارچوب مرجع شماست. بنابراین کلید اجتناب از رفتار علّی عجیب (هدایت آینده یا بازنویسی گذشته) در مثال‌های جدایی زمانی، این است که بپذیریم فراخوانی رویدادها «به طور همزمان»، بار متافیزیکی کمی دارد. این، فقط یک ویژگی چارچوب-ویژه است، یعنی انتخابی میان تمام انتخاب‌های ممکن و به یک اندازه قابل اعتماد، یا در واقع نوعی قرارداد.

درس مهمی هم در ناموضعیت زمانی و هم فضایی وجود دارد. رازهای مربوط به جفت‌های درهم تنیده، اختلاف‌نظرهایی درباره‌ی برچسب چسباندن، به وجود می‌آورد. اینشتین نشان داد هیچ توالی از رویدادها نمی‌تواند به طور متافیزیکی ممتاز باشد یا واقعی‌تر از سایرین درنظر گرفته شود. تنها با پذیرش این بینش، می‌توان در این معماهای کوانتومی، پیش رفت.

چارچوب‌های مرجع گوناگون در آزمایش ذکر شده (چارچوب آزمایشگاه، چارچوب فوتون 1، چارچوب فوتون 4 و غیره)، مورخان خودشان را دارند. در حالیکه ‌این مورخان در مورد چگونگی انجام کارها اختلاف نظر خواهند داشت، اما هیچ کدام نمی‌توانند ادعا کنند که بیان کننده‌ی حقیقت هستند. هر توالی متفاوت رویدادها، راز درونی آ‌ن‌ها را طبق دیدگاه فضایی-زمانی فاش می‌کند. پس بدیهی است که هر گونه تلاشی برای اختصاص دادن خصوصیات چارچوب-ویژه به طور کلی، یا نسبت دادن خصوصیات عمومی به یک چارچوب خاص، موجب اختلافاتی در میان مورخان خواهد شد. اما نکته‌ای وجود دارد: در حالیکه ممکن است اختلاف به حق و درستی درباره‌ی اینکه کدام خواص باید به کدام ذرات و کدام زمان اختصاص داده شوند، وجود داشته باشد، اما نباید هیچ اختلافی در مورد وجود این خواص، ذرات و رویدادها پدید آید.

این یافته‌ها، شکاف دیگری را بین شهود کلاسیکی محبوبمان و واقعیت‌های تجربی مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد. پیشرفت علمی، در گروی بررسی محدودیت‌های دیدگاه‌های متافیزیکی است، همانطور که‌ برای شرودینگر و دانشمندان معاصرش نیز همین اتفاق رخ داد. گربه‌ی نیمه زنده و نیمه مرده شرودینگر برای تجسم این نکته بود که چگونه درهم تنیدگی سیستم‌ها منجر به پدیده‌هایی ماکروسکوپی می‌شود که درک معمول ما از روابط بین اشیاء و خواص آنها را به چالش می‌کشد: موجود زنده‌ای مانند یک گربه که ‌یا مرده ‌یا زنده است، حالت میانی وجود ندارد.

اکثر دیدگاه‌های فلسفی در مورد رابطه‌ی بین اشیاء و خواصشان، درهم تنیدگی را صرفا از دیدگاه ناموضعیت فضایی می‌پذیرند. با این حال، هنوز باید پژوهش‌های قابل توجهی در مورد ناموضعیت زمانی صورت گیرد؛ نه فقط در بحث خواص اشیاء، بلکه در مورد ترکیب مواد (مانند رابطه‌ی بین خاک رس و تندیسی که به کمک آن ساخته می‌شود) و روابط کل -جزء (مانند ارتباط میان یک دست با یک اندام، یا یک اندام با یک انسان). مثلا ناموضعیت فضایی در برابر معمای جای گرفتن اجزا درون یک کلِ دارای مرزهای مشخص، قرار می‌گیرد. ناموضعیت زمانی، این معما را پیچیده‌تر می‌کند: چطور می‌توان موجودیتی را توصیف کرد که اجزای تشکیل دهنده‌‌اش حتی با یکدیگر همزیستی ندارند؟!

قضاوت کردن درباره‌ی ماهیت درهم تنیدگی کار راحتی نیست. معلوم نیست از دل پژوهش‌های جدید چه متافیزیکی بیرون آید. شرودینگر در نامه‌ای به ‌اینشتین (و در کنایه به یک ضرب‌المثل قدیمی) می‌گوید: «احساس می‌کنم درهم تنیدگی دقیقا مهم‌ترین بیانات نظریه‌ی جدید است که می‌تواند واقعا درون چکمه‌های اسپانیایی جا شود، اما به سختی». ما نمی‌توانیم ناموضعیت فضایی یا زمانی را در متافیزیک آینده نادیده بگیریم: چه چکمه‌ها اندازه‌ی ما باشند و چه نه، مجبوریم آنها را بپوشیم!
 


منبع: aeon
كلمات كليدي :
ناموضعیت زمانی , درهم تنیدگی کوانتومی , ناموضعیت کوانتومی
 
امتیاز دهی