چهار تصور غلط در مورد فیزیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی، نظریه ای که بر دنیای کوچک اتم ها و ذرات حاکم است، ماهیت خاصی دارد. برخلاف بسیاری از رشته های فیزیک، این رشته عجیب و غیرمنتظره است و همین ویژگی ها آن را به یک رشته خیره کننده و جذاب تبدیل می کند. با اعطای جایزه نوبل فیزیک 2022 به آلن اسپچت، جان کلاسر و آنتون زلینگر در زمینه مکانیک کوانتومی، این موضوع به یکی از موضوعات داغ بحث تبدیل شد.

بحث‌های مربوط به مکانیک کوانتومی، به‌ویژه در انجمن‌ها یا شبکه‌های اجتماعی و داستان‌های علمی تخیلی، به دلیل افسانه‌ها و باورهای غلط، معمولاً گمراه‌کننده هستند. در این مقاله به چهار باور غلط در مورد مکانیک کوانتومی اشاره می کنیم.

گربه شرودینگر شهرت جهانی دارد، اما دقیقا به چه معناست؟

یک گربه می تواند همزمان مرده و زنده باشد

اروین شرودینگر هرگز پیش بینی نکرد که آزمایش فکری او با عنوان گربه شرودینگر در قرن بیست و یکم به یک میم اینترنتی تبدیل شود. طبق این نظریه، یک گربه بخت برگشته وارد جعبه ای می شود که سوئیچ کشتن آن با یک رویداد کوانتومی تصادفی مانند واپاشی رادیواکتیو فعال می شود. اگر جعبه را باز نکنیم، گربه می تواند مرده و زنده باشد.

می دانیم که ذرات کوانتومی می توانند همزمان در دو حالت (مثلاً در دو مکان) باشند. به این حالت برهم نهی می گویند. دانشمندان این فرضیه را در آزمایش معروف دو شیار نشان دادند. در این آزمایش، یک ذره کوانتومی مانند یک فوتون یا یک الکترون می تواند به طور همزمان وارد دو شیار مختلف یک دیوار شود. اما چگونه بفهمیم که این اتفاق می افتد؟

در فیزیک کوانتوم، هر حالت یک ذره یک موج است. اما وقتی جریانی از فوتون ها را یکی یکی وارد شیارها می کنیم، الگویی از دو موج روی هم روی صفحه پشت شیار ظاهر می شود. از آنجایی که فوتون ها در هنگام ورود به شیارها با فوتون های دیگر تداخل نداشتند، می توان گفت که همزمان وارد هر دو شیار شده و با یکدیگر تداخل داشتند.

با این حال، برای اینکه این بررسی مثمر ثمر باشد، حالات (امواج) در برهم نهی ذره وارد شیار باید منسجم و متصل باشد. آزمایش‌های روی هم قرار گرفتن را می‌توان با اجسامی با ابعاد بزرگتر و پیچیدگی بیشتر انجام داد. یکی از این آزمایش‌ها، آزمایش معروف آنتون زلینگر در سال 1999 بود که برهم نهی کوانتومی را با مولکول‌های بزرگ کربن 60 به نام باکی‌بال نشان داد.

این آزمایش برای گربه خوش شانس ما چه معنایی دارد؟ آیا گربه تا زمانی که جعبه را باز نکنیم می تواند هم زنده و هم مرده باشد؟ واضح است که یک گربه مانند یک فوتون در محیط کنترل شده یک آزمایشگاه نیست، بلکه بسیار بزرگتر و پیچیده تر است. هر چه تریلیون ها تریلیون اتم تشکیل دهنده گربه با یکدیگر انسجام داشته باشند بسیار کوتاه مدت است. البته همه این فرضیه ها به این معنا نیست که دستیابی به انسجام کوانتومی در محیط های بیولوژیکی امکان پذیر نیست، اما به طور کلی نمی توان آن را برای موجودات بزرگی مانند گربه یا انسان اعمال کرد.

الگوی تداخل

قیاس های ساده می توانند درهم تنیدگی را توصیف کنند

درهم تنیدگی یک ویژگی کوانتومی است که دو ذره مختلف را به یکدیگر متصل می کند به طوری که اگر یکی از ذرات را اندازه گیری کنید، بدون در نظر گرفتن فاصله بین دو ذره، به طور خودکار از وضعیت دیگری مطلع خواهید شد.

تعاریف رایج درهم تنیدگی معمولاً شامل اشیاء روزمره دنیای ماکروسکوپی مانند یک تاس، یک کارت یا حتی یک جفت جوراب با رنگ های عجیب می شود. به عنوان مثال، فرض کنید به دوست خود می گویید که در یک پاکت یک کارت آبی و در پاکت دیگر یک کارت نارنجی قرار داده اید. اگر دوست شما یکی از پاکت ها را باز کند و کارت آبی را پیدا کند، می داند که شما کارت نارنجی را دارید.

برای درک مکانیک کوانتومی، باید فرض کنید که دو کارت در بسته دارای یک برهم نهی مشترک هستند. یعنی هر دو به طور همزمان نارنجی و آبی هستند (به عنوان ترکیبی از نارنجی/آبی و آبی/نارنجی). باز کردن یک پاکت باعث می شود یکی از رنگ ها را به طور تصادفی ببینید. اما باز کردن پاکت دوم رنگ مخالف را نشان می دهد زیرا کارت دوم به شکل شبح به کارت اول متصل است.

کارت ها را می توان طوری ساخت که در مجموعه ای از رنگ های متفاوت ظاهر شوند. به عنوان مثال، می توانید با پرسیدن این سوال پاکت نامه را باز کنید: “گرین کارت هستید یا کارت قرمز؟” پاسخ می تواند تصادفی باشد: سبز یا قرمز. اما اگر کارت ها در هم تنیده باشند، هنگام پرسیدن سوال بالا، کارت دیگر همیشه خروجی مخالف را نشان می دهد.

آلبرت انیشتین سعی کرد این فرضیه را با این مثال کلاسیک توضیح دهد که کارت ها می توانند مجموعه ای از دستورالعمل های داخلی و پنهان داشته باشند که به آنها می گوید برای یک سوال خاص چه رنگی را نشان دهند. او همچنین عمل شبح‌آمیز ظاهری بین کارت‌ها را رد کرد. بر اساس این فرض، کارت ها می توانند فوراً روی یکدیگر تأثیر بگذارند، یعنی با سرعتی بیشتر از سرعت نور ارتباط برقرار می کنند و با نظریه های اینشتین مطابقت ندارد.

با این حال، تعریف انیشتین توسط قضیه بل (آزمایش نظری فیزیکدانی به نام جان استوارت بل) و آزمایش های برندگان جایزه نوبل 2022 رد می شود. این ایده که اندازه گیری یک کارت درهم تنیده وضعیت دیگری را تغییر می دهد صحیح نیست. ذرات کوانتومی به روشی مرموز با هم مرتبط هستند که ما نمی توانیم آن را با منطق یا زبان روزمره توصیف کنیم. طبق فرضیه انیشتین، این ذرات با حفظ یک رمز مخفی ارتباط برقرار نمی کنند. بنابراین بهتر است از درهم تنیدگی اشیاء روزمره چشم پوشی کنیم.

مفهوم درهم تنیدگی

ماهیت غیر واقعی غیر محلی است

بر اساس تفسیری از قضیه بل، طبیعت «محلی» نیست و یک شی به طور مستقیم تحت تأثیر محیط اطراف خود قرار نمی گیرد. تفسیر دیگر این است که خواص اجسام کوانتومی “واقعی” نیستند و قبل از اندازه گیری وجود ندارند.

اما بر اساس قضیه بل فقط می توان گفت که طبیعت نمی تواند همزمان واقعی و محلی باشد. این فرضیه ها نشان می دهد که اندازه گیری ها تنها یک خروجی دارند (نه خروجی های متعددی که ممکن است در جهان های موازی وجود داشته باشند). همچنین، جریان علت و معلول در طول زمان حرکت می کند و ما در «دنیای منظم» زندگی نمی کنیم که همه چیز از آغاز زمان از پیش تعیین شده باشد.

علیرغم قضیه بل، طبیعت می تواند واقعی و محلی باشد اگر بتوانیم درک های رایج مانند گذشت زمان را زیر پا بگذاریم. تحقیقات بیشتر همچنین تفسیرهای بالقوه بیشتری از مکانیک کوانتومی ارائه می دهد. با این حال، اکثر گزینه های روی میز، مانند عقب رفتن در زمان یا عدم اراده آزاد، به اندازه ناباوری به واقعیت محلی عجیب و غریب نیستند.

هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد

بر اساس نقل قولی که به فیزیکدان ریچارد فاینمن نسبت داده شده است: “اگر فکر می کنید مکانیک کوانتومی را درک می کنید، نمی دانید.” باور عمومی بر این است که فیزیک کوانتومی حتی برای فیزیکدانان نیز غیرممکن است. اما از دیدگاه قرن بیست و یکم، فیزیک کوانتومی نه از جنبه ریاضی و نه از جنبه مفهومی برای دانشمندان دشوار نیست. ما آن را به خوبی درک می کنیم که می توانیم پدیده های کوانتومی را با دقت بالا پیش بینی کنیم، سیستم های کوانتومی بسیار پیچیده را شبیه سازی کنیم و حتی کامپیوترهای کوانتومی بسازیم.

برهم نهی و درهم تنیدگی، وقتی به زبان اطلاعات کوانتومی توصیف شود، به ریاضیات بیشتر از ریاضیات دبیرستانی نیاز ندارد. قضیه بل به فیزیک کوانتومی نیاز ندارد. می توان آن را با استفاده از نظریه احتمال و جبر خطی توصیف کرد. مشکل اصلی این است که چگونه فیزیک کوانتومی را با واقعیت شهودی خود تطبیق دهیم. نداشتن همه پاسخ ها ما را از پیشرفت در زمینه فناوری کوانتومی باز نمی دارد. ما می توانیم محاسبات خود را در سکوت ادامه دهیم.

خوشبختانه، اسپچت، کلاوزر و زلینگر، برندگان جایزه نوبل، از بستن و نپرسیدن خودداری کردند. افرادی مانند آنها کمک می کنند تا ویژگی های عجیب کوانتوم را به واقعیت تبدیل کنند.