چهار تصور و افسانه نادرست درباره فیزیک کوانتوم - گیگابلاگ

بحث های مرتبط با مکانیک کوانتوم به ویژه در انجمن های مصاحبه یا شبکه های اجتماعی و داستان های علمی تخیلی به دلیل افسانه ها و برداشت های نادرست گمراه نماینده می شوند. در این مقاله به چهار تصور نادرست درباره مکانیک کوانتوم اشاره می کنیم.

گربه شرودینگر در دنیا معروف است اما دقیقاً چه معنایی دارد؟

اروین شرودینگر هرگز پیش بینی نمی کرد آزمایش ذهنی او با عنوان گربه شرودینگر در قرن 21 به یک میم اینترنتی تبدیل گردد. براساس این نظریه، یک گربه بدشانس وارد جعبه ای می گردد که کلید کشتار آن با یک رویداد تصادفی کوانتومی مثل تجزیه رادیواکتیوی فعال می گردد. در صورتی که جعبه را باز نکنیم، گربه می تواند هم زمان مرده و زنده باشد.

می دانیم ذرات کوانتومی می توانند هم زمان در دو شرایط (برای مثال در دو موقعیت مکانی) قرار بگیرند. به این حالت، برهم نهی گفته می گردد. دانشمندان این فرضیه را در آزمایش مشهور شیار دوتایی نشان دادند در این آزمایش یک ذره کوانتومی مثل فوتون یا الکترون می تواند هم زمان وارد دو شیار متفاوت یک دیوار گردد؛ اما از کجا می دانیم این اتفاق رخ می دهد؟

در فیزیک کوانتوم، هر شرایط ذره یک موج است؛ اما وقتی جریانی از فوتون ها را یکی یکی وارد شیارها کنیم، الگویی از دو موج متداخل روی صفحه نمایش پشت شیار ظاهر می گردد. ازآنجاکه فوتون ها هنگام ورود به شیارها با فوتون های دیگر تداخل نداشتند می توان گفت هم زمان وارد هر دو شیار شده اند و با یکدیگر تداخل پیدا نموده اند.

بااین حال برای نتیجه بخش بودن این آنالیز، شرایط های (امواج) موجود در برهم نهی ذره ای که وارد شیار می گردد، باید منسجم و به هم پیوسته باشند. آزمایش های برهم نهی را می توان با اشیایی دارای ابعاد بزرگ تر و پیچیدگی بیشتر هم انجام داد. یکی از آزمایش ها، آزمایش مشهور آنتوون زلینگر در سال 1999 بود که برهم نهی کوانتومی با مولکول های بزرگ کربن 60 معروف به باکی بال را نشان داد.

این آزمایش چه معنایی برای گربه بخت برگشته ما دارد؟ آیا تا زمانی که جعبه را باز نکنیم گربه می تواند در هر دو شرایط زنده و مرده باشد؟ واضح است گربه مانند یک فوتون در محیط کنترل شده آزمایشگاه نیست بلکه بسیار بزرگ تر و پیچیده تر است. هر انسجامی که تریلیون ها تریلیون اتم تشکیل دهنده گربه با یکدیگر داشته باشند، عمر بسیار کوتاهی دارد. البته تمام این فرضیه ها به این معنی نیست که دستیابی به پیوستگی کوانتومی در محیط های زیستی امکان پذیر نیست اما به طورکلی نمی توان آن را بر موجودات بزرگی مثل گربه یا انسان اعمال کرد.

قیاس های ساده می توانند درهم تنیدگی را توصیف نمایند

درهم تنیدگی خاصیتی کوانتومی است که دو ذره متفاوت را به یکدیگر وصل می نماید به طوری که اگر یکی از ذره ها را میزان گیری کنید به صورت اتوماتیک شرایط دیگری را هم صرف نظر از فاصله دو ذره خواهید دانست.

تعریف های رایج برای درهم تنیدگی معمولاً اشیای روزمره دنیای ماکروسکوپی مثل یک تاس، کارت یا حتی یک جفت جوراب با رنگ عجیب را دربرمی گیرند. برای مثال فرض کنید به دوستتان می گویید یک کارت آبی را در یک پاکت و کارتی نارنجی را در پاکتی دیگر قرار دادید. اگر دوستتان یکی از پاکت ها را باز کند و کارت آبی را پیدا کند، می داند که شما کارت نارنجی را دارید.

برای درک مکانیک کوانتوم، باید فرض کنید که دو کارت داخل پاکت دارای برهم نهی مشترک هستند؛ یعنی هر دو هم زمان نارنجی و آبی هستند (به صورت ترکیب نارنجی/آبی و آبی/نارنجی). باز کردن یک پاکت، باعث می گردد یکی از رنگ ها را به صورت تصادفی ببینید؛ اما باز کردن پاکت دوم رنگ مخالف را نشان می دهد زیرا کارت دوم به صورت شبح وار به کارت اول وصل است.

می توان کاری کرد که کارت ها در مجموعه متفاوتی از رنگ ها ظاهر شوند. برای مثال می توان یک پاکت را با پرسیدن این سؤال باز کرد: کارت سبز یا قرمز هستی؟. پاسخ می تواند تصادفی باشد: سبز یا قرمز؛ اما اگر کارت ها درهم تنیده باشند، هنگام پرسیدن پرسش فوق، کارت دیگر همواره خروجی متضادی را نشان خواهد داد.

آلبرت اینشتین کوشش کرد این فرضیه را با مثالی کلاسیک توضیح دهد که نشان می دهد کارت ها می توانند دارای یک مجموعه دستورالعمل داخلی و مخفی باشند که به آن ها می گوید متناسب با یک پرسش خاص با چه رنگی ظاهر شوند. او بعلاوه عمل شبح وار ظاهری بین کارت ها را رد کرد. براساس این فرض کارت ها می توانند به صورت آنی بر یکدیگر تأثیر بگذارند که به معنی برقراری ارتباط با سرعتی بیشتر از سرعت نور است و منطبق با نظریه های اینشتین نیست.

بااین حال تعریف اینشتین با قضیه بل (آزمایشی نظری از فیزیکدانی به نام جان استوارت بل) و آزمایش های برندگان نوبل 2022 رد می گردد. این ایده که میزان گیری یک کارت درهم تنیده شرایط دیگری را تغییر می دهد، صحیح نیست. ذرات کوانتومی به شیوه ای اسرارآمیز دارای همبستگی هستند که نمی توانیم با منطق یا زبان روزمره آن ها را توصیف کنیم. این ذرات طبق فرضیه اینشتین با حفظ کد مخفی ارتباط برقرار نمی نمایند؛ بنابراین بهتر است در بحث درهم تنیدگی اشیای روزمره را نادیده بگیرید.

طبیعت غیرواقعی غیرمحلی است

براساس تفسیری از قضیه بل، طبیعت محلی نیست و یک شیء به صورت مستقیم تحت تأثیر محیط اطرافش قرار ندارد. تفسیر دیگر این است که ویژگی های اشیای کوانتومی واقعی نیستند و قبل از میزان گیری وجود ندارند.

اما براساس قضیه بل تنها می توان گفت، طبیعت نمی تواند هم زمان واقعی و محلی باشد. این فرضیه ها نشان می دهند میزان گیری ها صرفاً دارای یک خروجی واحد هستند (نه خروجی چندگانه که احتمالاً در دنیاهای موازی وجود دارد). بعلاوه جریان دلیل و معلولی در زمان پیش می رود و در دنیای منظمی زندگی نمی کنیم که در آن همه چیز از زمان شروع زمان، از پیش مشخص شده است.

بیشتر بخوانید:

• عکس | هواپیمای مرموز آمریکا که چین و روسیه را نگران نموده است

• عکس | ترکیب خوفناک موشک مشهور به مرگ سوپرسونیک با جنگنده فزونی هوایی

با وجود قضیه بل، اگر بتوانیم درک های مشترکی مثل گذر زمان را نقض کنیم، طبیعت می تواند واقعی و محلی باشد. بعلاوه پژوهش های بیشتر تفسیرهای بالقوه تری را از مکانیک کوانتوم ارائه می دهند. بااین حال، اغلب گزینه های روی میز مثل عقب رفتن زمان یا نبود اختیار ارادی به میزان عدم باور به واقعیت محلی، عجیب نیستند.

هیچ کس مکانیک کوانتوم را درک نمی نماید

براساس نقل قولی منسوب به ریچارد فاینمن فیزیک دان: اگر تصور می کنید مکانیک کوانتوم را درک می کنید، پس آن را درک نمی کنید. این تفکر در میان عموم رایج شده است که درک فیزیک کوانتوم حتی برای فیزیکدان ها غیرممکن است؛ اما از دیدگاه قرن بیست و یکی، فیزیک کوانتوم نه از جنبه ریاضی نه از جنبه مفهومی برای دانشمندان سخت نیست. ما آن را به خوبی درک می کنیم به طوری که می توانیم پدیده های کوانتومی را با دقت بالایی پیش بینی کنیم، سیستم های کوانتومی به شدت پیچیده را شبیه سازی کنیم و حتی کامپیوترهای کوانتومی را بسازیم.

برهم نهی و درهم تنیدگی وقتی به زبان اطلاعات کوانتومی توضیح داده شوند نیازی به ریاضیاتی بیش از ریاضیات دبیرستان ندارند. قضیه بل نیازی به فیزیک کوانتوم هم ندارد. می توان آن را با استفاده از نظریه احتمال و جبر خطی توصیف کرد. مشکل اصلی این است که چگونه فیزیک کوانتوم را با واقعیت شهودی خود تطبیق دهیم. نداشتن تمام جواب ها ما را از پیشرفت در زمینه فناوری کوانتومی بازنمی دارد. می توانیم در سکوت به محاسبات خود ادامه دهیم.

خوشبختانه اسپکت، کلاوسر و زلینگر، برندگان جایزه نوبل از بستن دهان و نپرسیدن سرباز زدند. افرادی مثل آن ها یاری می نمایند ویژگی های عجیب کوانتومی را با تجربه های واقعی تطبیق دهیم.

5858