فیزیک کوانتوم به زبان ساده؛ جهانی در هاله‌ احتمال_باماها

این ویژگی شگفت‌انگیز، که اینشتین آن را «کنش شبح‌وار از راه دور» نامید، نگرانی عمیقی در او تشکیل کرد. چرا که این تأثیر، به‌صورت آنی و بدون تأخیر رخ می‌داد، در حالی که نظریه نسبیت خاص اینشتین، شدت نور را به‌گفتن حد نهایی شدت انتقال اطلاعات معارفه می‌کند. به این علت، در نگاه اول، به نظر می‌رسید که درهم‌تنیدگی کوانتومی، قوانین نسبیت را نقض می‌کند.

با این حال، درهم‌تنیدگی کوانتومی از این تناقض ظاهری فرار می‌کند؛ به این علت که اطلاعات به‌دست‌آمده از درهم‌تنیدگی، ماهیتی اتفاقی دارد و نمی‌توان از آن برای ارسال مطلب‌های موثر منفعت گیری کرد. به عبارت دیگر، شما نمی‌توانید از درهم‌تنیدگی برای ارسال اطلاعات با سرعتی فراتر از شدت نور منفعت گیری کنید. تنها وقتی که نتایج دو اندازه‌گیری را با یکدیگر قیاس می‌کنید، فهمید همبستگی شگفت‌انگیز بین آن‌ها می‌شوید. این همبستگی، نشان‌دهنده وجود ارتباطی عمیق بین ذرات درهم‌تنیده است، اما به معنی انتقال اطلاعات با سرعتی فراتر از نور نیست.

بور و طرفداران تفسیر کپنهاگی معتقد بودند که مکانیک کوانتومی، یک عکس کاملاً تازه از حقیقت اراعه می‌دهد که نمی‌توان آن را با مفاهیم کلاسیکی توصیف کرد.

در سال ۱۹۲۸، فیزیکدان انگلیسی پل دیراک تصمیم گرفت معادله‌ای اراعه دهد که فیزیک کوانتوم را با نظریه‌ی نسبیت خاص ترکیب کند. در آن زمان، معادله‌ی شرودینگر مبنا مکانیک کوانتومی می بود، اما نمی‌توانست حرکت ذراتی را که با شدت‌های نزدیک به شدت نور حرکت می‌کردند، توضیح دهد. دیراک به جستوجو فهمیدن عمیق‌تری از دنیای زیراتمی می بود، به این علت تلاش کرد تا حرکت الکترون‌ها را در چارچوبِ نسبیتی توصیف کند.

Scienceabc

نتیجه‌ی کوششهای او، معادله‌‌ای می بود که به‌طور طبیعی ویژگی‌های کوانتومی همانند اسپین الکترون و گشتاور مغناطیسی را توضیح می‌داد. اما این معادله، نتیجه‌ای غیرمنتظره نیز به همراه داشت: انرژی منفی.

انرژی منفی ابتدا رد شد. اما دیراک نظریه‌ای جسورانه نقل کرد: انرژی منفی می‌تواند نشان‌دهنده‌ی یک حقیقت فیزیکی باشند. او نظر داد که هر ذره‌ باید یک پادذره داشته باشد؛ یعنی ذره‌ای با جرم برابر اما با بار الکتریکی ناموافق. براین‌مبنا، باید ذره‌ای همانند الکترون اما با بار مثبت وجود داشته باشد. دیراک باور داشت که دیر یا سریع، آزمایش‌های علمی وجود آن را تایید خواهند کرد.

Papillon

چهار سال سپس، در سال ۱۹۳۲، فیزیکدان آمریکایی، کارل اندرسون، زمان مطالعه‌ی پرتوهای کیهانی، ردی از ذره‌ای شبیه الکترون اما با بار مثبت مشاهده کرد. او این ذره را پوزیترون نامید و به این ترتیب، پیش‌بینی دیراک به‌طور تجربی تایید شد.

سال‌ها سپس، در سال ۱۹۶۴، جان بل، فیزیکدان ایرلندی، آزمایشی نظری را نظر داد که می‌توانست بین دیدگاه اینشتین و پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی اختلاف قائل بشود. او نابرابری‌هایی را فرمول‌بندی کرد که اگر متغیرهای نهان موضعی وجود داشته باشند، باید برقرار باشند. این نابرابری‌ها، که به «نابرابری‌های بل» معروف شدند، معیاری برای سنجش صحت دیدگاه اینشتین در رابطه حقیقت موضعی و متغیرهای نهان اراعه می‌دادند.

در دهه ۱۹۸۰، آلن اسپه و تیمش در فرانسه، آزمایش‌های دقیقی را برای بازدید نابرابری‌های بل انجام دادند. نتایج این آزمایش‌ها، نشان داد که نابرابری‌های بل نقض خواهد شد، به این معنی که همبستگی‌های مشاهده‌شده بین ذرات درهم‌تنیده، نیرومندتر از آن چیزی است که با متغیرهای نهان موضعی قابل توضیح است. این نتایج، تاییدی قاطع بر پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی می بود و نشان داد که اینشتین در رابطه وجود متغیرهای نهان نادرست می‌کرد.

نتایج آزمایش‌های اسپه، پیامدهای عمیقی برای فهمیدن ما از حقیقت داشتند:

• عدم قطعیت ذاتی: ذرات کوانتومی، قبل از اندازه‌گیری، حالت مشخصی ندارند. حالت آن‌ها، تا زمان اندازه‌گیری، در حالت برهم‌نهی قرار دارد و تنها بعد از اندازه‌گیری، یک حالت اشکار را اختیار می‌کنند.
• کنش شبح‌وار از راه دور: تاثیرات درهم‌تنیدگی، واقعاً آنی می باشند و هیچ متغیر پنهانی که از قبل حالت ذرات را اشکار کرده باشد، وجود ندارد. این بدان معناست که ربط بین ذرات درهم‌تنیده، فراتر از محدودیت‌های شدت نور است، اما این ربط، برای انتقال اطلاعات سریع تر از نور قابل منفعت گیری نیست.

آزمایش‌های اسپه، نه تنها صحت مکانیک کوانتومی را به اثبات رساند، بلکه پنجره‌ای تازه به سوی فهمیدن عمیق‌تر حقیقت کوانتومی گشود.

فیزیک کوانتوم ما را با جهانی شگفت و غیرقابل فکر در مقیاس زیراتمی آشنا کرد؛ جهانی که در آن، ذرات می‌توانند به‌طور هم‌زمان در چند حالت گوناگون باشند و حقیقت، پیش از مشاهده، نامعین است. این نظریه مشخص می کند که طبیعت بر پایه احتمالات و عدم‌قطعیت عمل می‌کند. اما پرسشی اساسی نقل است: آیا مکانیک کوانتومی نهایت دانش ما از جهان است؟

برخی دانشمندان، همانند راجر پنروز، از توصیف احتمالاتی مکانیک کوانتومی رضایت ندارند. پنروز معتقد است که این نظریه نباید تنها ابزاری برای پیش‌بینی باشد، بلکه باید به چارچوبی تبدیل بشود که قوانین بنیادین جهان را آشکار کند.

آیا فروپاشی تابع موج، به‌خاطر مشاهده رخ می‌دهد، یا قانونی ناشناخته در ساختار بنیادین جهان آن را هدایت می‌کند؟

– پنروز

یکی از ایده‌های انقلابی، ترکیب فیزیک کوانتوم و گرانش برای دستیابی به نظریه‌ای جامع به نام گرانش کوانتومی است. با ترکیب این دو شاخه، نه‌تنها ذرات را بهتر فهمیدن می کنیم، بلکه احتمالا بتوانیم لحظات اولیه بیگ‌‌بنگ و اسرار سیاه‌ چاله‌ را نیز توضیح دهیم.

ما در نقطه‌ای حساس از تاریخ علم ایستاده‌ایم. آیا مکانیک کوانتومی، با همه شگفتی‌ها و ابهاماتش، آخر مسیر جستجو برای فهمیدن نهایی جهان است، یا فقطً ایستگاهی در سفری طویل‌تر؟ تعداد بسیاری از دانشمندان بر این باورند که تا این مدت قوانین بنیادین‌تری در انتظار کشف می باشند. احتمالا روزی بتوانیم به نظریه‌ای واحد دست یابیم که همه اتفاق‌های جهان را در چارچوبی منسجم توضیح دهد.

فیزیک کوانتوم، در این سفر پرماجرا، ما را با اتفاق‌هایی شگفت‌انگیز و غیرمنتظره روبرو کرده است. از دوگانگی موج-ذره گرفته تا درهم‌تنیدگی کوانتومی، هر کشف تازه، لایه‌ای از رازهای هستی را کنار زده و افق‌های تازه‌ای را پیش روی ما گشوده است. اما آیا این سفر در نهایت به جواب نهایی منجر خواهد شد، یا ما را به اعماق رازهای پیچیده‌تر و عمیق‌تری رهنمون خواهد کرد؟ تنها زمان قادر به پاسخگویی به این سوال‌ها است.