تولد دوباره: بازسازی نظریه کوانتوم از اصول ساده فیزیک (قسمت دوم)

در قسمت اول نوشتار دو قسمتی تولد دوباره کوانتوم، دیدیم دانشمندان برای درک مفهوم نظریه کوانتوم به دنبال بازسازی آن با استفاده از یک سری اصول ساده هستند. آن‌ها متوجه شدند یک رویکرد احتمالاتی برای بازسازی نظریه کوانتوم ، کافی است. در واقع نظریه کوانتوم را می‌توان به عنوان زیر مجموعه‌ای از یک نظریه احتمالاتی عمومی‌تر و تعمیم‌یافته در نظر گرفت. در این قسمت، جزییات اصول ساده‌ای که دانشمندان برای بازسازی نظریه کوانتوم پیشنهاد کرده‌اند، مرور خواهیم کرد. با دیپ لوک همراه باشید…

جزئیات بازسازی نظریه کوانتوم

برخی محققان معتقدند باید اصول موضوعه بازسازی نظریه کوانتوم را در نظریه اطلاعات جستجو کنیم. استخراج نظریه کوانتوم بر اساس اصول موضوعه اطلاعات در سال ۲۰۱۰ و توسط دانشمندی از دانشگاه هنگ کنگ به نام چیریبلا و همکارانش پیشنهاد شد. ‌‌آنها معتقدند اطلاعات باید در فضا و زمان متمرکز شوند تا سیستم‌ها بتوانند اطلاعات مربوط به یکدیگر را کدگذاری کنند. در اصل، برای حفظ اطلاعات، فرآیندها باید برگشت‌پذیر باشند (معمولا اطلاعات در فرآیندهای برگشت‌ناپذیر از بین می‌روند، مثل پاک شدن فایل از روی هارد دیسک کامپیوتر). چیریبلا و همکارانش نشان دادند سیستمی با این قوانین، رفتار کوانتومی از قبیل برهم‌نهی و درهم تنیدگی از خود نشان می‌دهد. سوال این است: اصول موضوعه چه باید باشند و فیزیکدانان از این اصول باید به چه چیزی برسند؟

یکی از اصولی که به طور طبیعی از روش بازسازی چیریبلا به دست می‌آید، یکی از یافته‌های عمیق نظریه کوانتوم مدرن است. این اصل می‌گوید ایجاد یک کپی از یک حالت کوانتومی نامعین و دلخواه، غیرممکن است (قضیه تکثیرناپذیری).

یکی دیگر از اصول بدست آمده، نتیجه سرراستی از نسبیت خاص است: با اندازه گیری یک سیستم، نمی‌توان اطلاعات را با سرعتی بیشتر از سرعت نور، بین دو سیستم دور از هم انتقال داد. این اصل در سال ۲۰۰۲ توسط دانشمندانی از دانشگاه مریلند در تلاش برای استخراج مکانیک کوانتومی از قوانین اطلاعات کوانتومی بدست آمد.

اما اصل سوم که بیانش سخت‌تر است، روی تکنولوژی اطلاعات کوانتومی و به طور جزیی‌تر روی اینکه چگونه یک بیت اطلاعات بدون دستکاری می‌تواند به طور امن مبادله شود، قید می‌گذارد. به نظر می‌رسد این اصول موضوعه، به قابل اجرا بودن مدیریت اطلاعات کوانتومی مربوط می‌شود. محققان نشان دادند اگر این اصول را بنیادی در نظر بگیریم و فرض کنیم که جبر حاکم بر نظریه کوانتوم، ویژگی ناجابجایی دارد به این معنا که مرتبه در محاسبات مهم خواهد بود (بر خلاف ضرب دو عدد که در هر مرتبه‌ای می‌تواند انجام شود)، به پدیده‌هایی مانند برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی، عدم قطعیت و موضعیت خواهیم رسید.

رویکرد دیگر بازسازی نظریه کوانتوم ، باز هم مبتنی بر نظریه اطلاعات است که در سال ۲۰۰۹ توسط فیزیکدانان دانشگاه وین پیشنهاد شد. آنها سه اصل موضوعه منطقی پییشنهاد دادند:

• اکثر اجزای بنیادی همه سیستم‌ها نمی‌توانند بیشتر از یک بیت اطلاعات حمل کنند
• حالت سیستمی متشکل از زیرسیستم‌ها، با اندازه گیری زیر سیستم‌های آن، کاملا تعیین می‌شود
• می‌توان هر حالت خالص را به حالت خالص دیگر تبدیل کرده و دوباره آن را به حالت اول برگرداند (مانند تغییر حالت سکه بین شیر و خط)‌

دانشمندان نشان دادند این مفروضات ضرورتا به احتمالات کلاسیکی و کوانتومی منجر می‌شوند و نه به هیچ نوع دیگری. اگر اصل سوم اصلاح شده و گفته شود حالت‌ها مدام در حال تبدیل به یکدیگر هستند (به جای یک جهش ناگهانی، آرام آرام به یکدیگر تبدیل شوند)، فقط به نظریه کوانتوم می‌رسیم نه کلاسیک. برخلاف آنچه که از جهش کوانتومی انتظار می‌رود می‌توانید حالت‌‌های اسپین‌ کوانتومی را با چرخش یکنواخت جهت آن‌ها به هم تبدیل کنید، اما نمی‌توان طرف شیر سکه را به آرامی به طرف خط تبدیل کرد. اگر این پیوستگی را نداشتیم، نظریه کوانتوم هم وجود نداشت!

شیوه دیگر بازسازی نظریه کوانتوم ، کیوبیسم (QBism) نامیده‌‌ می‌شود. انگیزه این شیوه، آن است که ریاضیات مکانیک کوانتومی هیچ ارتباطی با جهان واقعی ندارد. این شیوه به روش بایاسی قرن ۱۸ برمی‌گردد که در آن احتمالات، به جای مشاهدات، از باورهای شخصی حاصل می‌شود. در کیوبیسم، احتمالات کوانتومی محاسبه شده با قانون بورن، چیزی در مورد اینکه چه چیزی را اندازه گیری خواهیم کرد نمی‌گوید. از این نظر، جهان با قوانین محدود نمی‌شود یا حداقل با قوانین کوانتومی محدود نمی‌شود. در واقع قوانین بنیادی که بر برهمکنش ذرات حاکم باشد وجود ندارد، در عوض قوانین در مقیاس مشاهدات ما پدیدار می‌شوند.

فرصتی برای گرانش

از نظر هاردی، بازسازی نظریه کوانتوم تقریبا بیش از حد موفقیت آمیز بوده، به این معنا که مجموعه اصول موضوعه گوناگون، همگی به ساختار اصلی مکانیک کوانتومی منجر می‌شوند. همه این مجموعه‌ها معادل هم بوده و نظریه کوانتوم را نتیجه می‌دهند؛ اما چگونه می‌توان بین این مجموعه‌ها یکی را برگزید؟ به عقیده هاردی برای درک مکانیک کوانتوم هنوز باید فراتر رفت. او امیدوار است این مسیر به نظریه گرانش کوانتومی منتهی شود. در حال حاضر دانشمندانی که در زمینه بازسازی نظریه کوانتوم تحقیق می‌کنند، امیدوارند رویکرد مبتنی بر اصول موضوعه کمک کند تا نظریه کوانتوم را به گونه‌ای مطرح کنند که ارتباط درست با نظریه گرانشی مدرن نسبیت عام اینشتین را بدست دهد. در معادله شرودینگر، نمی‌توان سرنخی برای چگونگی انجام این کار یافت، اما در بازسازی نظریه کوانتوم با استفاده از نظریه اطلاعات، چگونگی تاثیر سیستم‌های حامل اطلاعات بر یکدیگر روشن می‌شود: یک چارچوب علّی که به تصویر فضازمانی نسبیت عام اشاره دارد. علیت عامل ترتیب زمانی وقوع پدیده‌هاست: هیچ معلولی نمی‌تواند از علت خود پیشی بگیرد، اما هاردی معتقد است اصول موضوعه‌ای که ما برای ساخت نظریه کوانتوم نیاز داریم، آن‌هایی هستند که فاقد ساختار علّی معین باشند (ترتیب زمانی رویدادها در آن‌ها منحصربفرد نباشد). او می‌گوید این نتیجه‌ای است که ما از ترکیب شدن نظریه کوانتوم با نسبیت عام انتظار داریم. هاردی ترجیح می‌دهد اصول موضوعه‌ای را درنظر بگیرد که علیت در آن‌ها بی اثر باشد، زیرا آنها می‌توانند گزینه‌های بهتری برای گرانش کوانتومی باشند. او در سال ۲۰۰۷ پیشنهاد داد سیستم‌های گرانش کوانتومی می‌توانند از خود، ساختار علّی نامعین نشان دهند و در واقع فقط مکانیک کوانتومی می‌تواند ساختار علّی داشته باشد. پس از آن، چیریبلا در روند بازسازی نظریه کوانتوم آزمایشی برای ایجاد برهم‌نهی‌های علّی سیستم‌های کوانتومی پیشنهاد کرد که در آن هیچ مجموعه معینی از رویدادهای علت و معلولی وجود ندارد. این آزمایش اکنون در دانشگاه وین انجام شده و ممکن است منجر به روش کارآمدتری برای انجام محاسبات کوانتومی شود. به نظر چیریبلا این از فواید برجسته بازسازی نظریه کوانتوم است. او می‌گوید:

بازسازی نظریه کوانتوم با اصول موضوعه فقط یک تمرین ذهنی نیست. ما می‌خواهیم این اصول، در عمل برای ما مفید باشد و به ما در استدلال درباره نظریه کوانتوم کمک کند. ما می‌خواهیم این اصول ما را در اختراع الگوریتم های جدید برای رایانه های کوانتومی و نیز برای فرمول بندی فیزیک جدید راهنمایی کند.

اما آیا بازسازی نظریه کوانتوم می‌تواند به ما در درک معنای مکانیک کوانتوم کمک کند؟ هاردی شک دارد این تلاش‌ها بتواند بحث‌های مربوط به تفسیرهای مکانیک کوانتومی را حل کند (مثلا بحث هایی مانند اینکه یک جهان وجود دارد یا چندین جهان). به نظر او این چالش‌ها احتمالا ناشی از این واقعیت است که بنیادی ترین توصیف واقعیت، ریشه در نظریه هنوز کشف نشده گرانش کوانتومی دارد. در حال حاضر بازسازی نظریه کوانتوم طرفداران کمی دارد، اما اگر به گرانش کوانتومی منجر شود، حتما شرایط فرق خواهد کرد. بیشتر فیزیکدانان معتقدند بازسازی نظریه کوانتوم به نظریه‌ای جدیدتر و فراتر از آن منجر خواهد شد. برخی دیگر بر این باورند که ساخت کل نظریه کوانتوم از ابتدا و با یک سری اصول موضوعه، ناموفق خواهد بود. پیشنهاد آن‌ها این است که برخی جنبه های خاص کوانتومی مانند غیر موضعی بودن یا علیت بازسازی شود: ابتدا این قطعه‌ها به صورت جداگانه، بازسازی شوند که ممکن است در نهایت برخی از آن‌ها حذف شده و نظریه جدیدی ظاهر شود. کسی نمی‌داند اما شاید با بازسازی نظریه کوانتوم برخی مسائل مبهم در این نظریه مانند فرایند اندازه‌گیری و نقش ناظر از بین برود!