یافتن شاهدی بر نظریه کوانتومی علیت معکوس : آینده می‌تواند علت گذشته باشد!

نظریه‌ی کوانتوم، پر از چالش‌های ریز و درشتی است که هر یک می‌تواند موضوع ساعت‌ها بحث فیزیکدانان و فلاسفه باشد. تاثیر آینده بر گذشته، یک موضوع بسیار چالش‌برانگیز است، اما نه یک چالش عادی، بلکه بیشتر یک ایده‌ی جسورانه است که کمتر کسی جرات درگیرشدن با آن را پیدا می‌کند! اخیرا برخی فیزیکدانان به این ایده که علیت معکوس نامیده می‌شود، پرداخته‌اند، چرا که این ایده، پتانسیل حل برخی از معماهای مهم فیزیک کوانتومی را دارد. اگر علیت معکوس امکان‌پذیر باشد، آزمایش‌های مشهور بل، شاهدی برای علیت معکوس (retrocausality) و نه برای کنش شبح‌وار تفسیر خواهد شد. در مقاله‌ای که به تازگی در مجله The Royal Society A منتشر شده، فیزیکدانان نظری موسسه پریمیتر، شاهدی برای اثبات علیت معکوس مکانیک کوانتومی فراهم کرده‌اند. برای بررسی موشکافانه‌ی این پژوهش که ترجمه‌ای از سایت phys.org است، با دیپ لوک همراه باشید…

در جستجوی علیت معکوس

قبل از هر چیز، اجازه دهید مفهوم علیت معکوس را شفاف کنیم و ببینم علیت معکوس چه هست و چه نیست. علیت معکوس بدان معنا نیست که سیگنال‌ها می‌توانند از آینده به گذشته انتقال یابند. چنین انتقالی حتی در نظریه علیت معکوس هم به دلایل ترمودینامیکی، ممنوع خواهد بود. علیت معکوس به آن معناست که وقتی یک آزمایشگر، تصمیم می‌گیرد کدام ذره و چه اندازه‌گیری را انجام دهد، این تصمیم‌گیری او می‌تواند ویژگی‌های ذره را در گذشته و حتی قبل از اینکه آزمایشگر، تصمیم‌گیری کند تغییر دهد. به عبارت دیگر، تصمیم‌گیری در زمان حاضر می‌تواند چیزهایی در گذشته را تحت تاثیر قرار دهد.
در آزمایش‌های اصلی بل، فیزیکدانان فرض کردند امکان رخ دادن علیت معکوس وجود ندارد، در نتیجه، آنها برای توضیح مشاهداتشان فرض کردند که ذرات دور از هم، فورا از حالت یکدیگر اطلاع پیدا می‌کنند که اینشتین آن را کنش شبح‌وار نامید. این همان درهم تنیدگی کوانتومی است، یعنی ذراتی که حتی با وجود فاصله زیاد، از طریق مکانیسم‌های ناشناخته روی هم تاثیر می‌گذارند. حالا بیایید این پدیده را طور دیگری و با درنظر گرفتن علیت معکوس تصور کنیم. در این حالت، باز هم اندازه‌گیری یک ذره بر رفتار سایر ذرات، اثر می‌گذارد، اما دیگر نیازی به فرض درهم تنیدگی نبوده و علیت معکوس برای توضیح این پدیده، کافی است.

تعمیم علیت معکوس :  آیا یک حالت کوانتومی، واقعی است؟

یکی از طرفداران اصلی علیت معکوس در نظریه کوانتوم، استاد فلسفه دانشگاه کمبریج، هیو پرایس (Huw Price) است. در سال ۲۰۱۲، پرایس استدلال کرد که هر نظریه کوانتومی دارای دو فرض زیر، علیت معکوس را امکان‌پذیر می‌کند: ۱- حالت کوانتومی، واقعی است و ۲- جهان کوانتومی، از نظر زمانی متقارن است (یعنی فرآیندهای فیزیکی با جهت جلو و عقب در زمان، با قوانین فیزیکی یکسانی، توصیف می‌شوند).

در این پژوهش جدید، لایفر و پوسی تلاش می‌کنند استدلال پرایس را تعمیم دهند. آنها کار خود را با حذف فرضیه‌ی اول پرایس (آیا حالت کوانتومی، واقعی است یا نه)، شروع کردند. واقعی بودن یک حالت کوانتومی، خود موضوعی است که هنوز بحث زیادی در مورد آن وجود دارد. یک حالت کوانتومی که واقعی نباشد، به جای یک ویژگی واقعی فیزیکی سیستم، فقط دانش فیزیکدان در مورد سیستم را توصیف می‌کند. اگرچه اکثر تحقیقات، واقعی بودن حالت کوانتومی را نشان‌ داده‌اند، اما تایید یک راه یا راه دیگر، دشوار است. این در حالی‌ است که علیت معکوس می‌تواند بینش جدیدی برای این سوال به ما دهد. لایفر می‌گوید امکان ایجاد چنین بینشی با توجه به واقعی‌بودن حالت کوانتومی، یکی از انگیزه‌های اصلی پژوهش در مورد علیت معکوس است. او می‌گوید:

دلیلی که من فکر می‌کنم علیت معکوس، ارزش بررسی کردن دارد، این است که ما حالا نتایج قطعی در مورد تفسیرهای واقع‌گرایانه نظریه کوانتوم مانند قضیه بل و کوچن-اسپکر (Kochen-Specker) و شواهدی در مورد واقعی بودن حالت کوانتومی داریم. این نتایج می‌گویند هر تفسیری که با چارچوب‌های استاندارد تفاسیر واقعی، سازگار باشد، باید ویژگی‌هایی داشته باشد که من به صورت نامطلوب درنظر می‌گیرم. پس یا باید واقع‌‌گرایی را رها کنیم یا چارچوب‌ استاندارد را بشکنیم.
کنار گذاشتن واقع‌گرایی، بسیار رایج است، اما من فکر می‌کنم این کار، قدرت توضیحی علم را از بین می‌برد و بنابراین بهتر است تا جایی که می‌توانیم احتمال‌های واقع‌گرایانه‌ی عجیب‌تر مانند علیت معکوس ، رابطه‌گرایی و چند جهانی را پیدا کنیم. غیر از چندجهانی، موارد دیگر، خیلی بررسی نشده‌اند، بنابراین فکر می‌کنم تمام آنها، ارزش پژوهش دارند، اما من ترجیح دادم که علیت معکوس را بررسی کنم، چون به نظر می‌رسد فرمول‌بندی آن به طور دقیق، امکان‌پذیر است.

 عدم علیت معکوس و تقارن زمانی، با هم امکان‌پذیر نیستند

لایفر و پوسی ایده‌ی معمولی تقارن زمان در فیزیک که مبتنی بر معکوس کردن یک فرآیند فیزیکی با جایگزینی t با t- در معادلات حرکت است را دوباره فرمول‌بندی کردند. آنها مفهوم قدرتمندتری از تقارن زمانی را توسعه دادند که نه تنها معکوس کردن یک فرآیند فیزیکی، محتمل است، بلکه احتمال رخداد آن در جهت‌های جلو یا عقب در زمان نیز یکسان است. نتیجه‌ی مهم فیزیکدانان این است: نظریه‌‌ی کوانتومی که هم دارای تقارن زمانی و هم فاقد علیت معکوس باشد، دچار تناقض می‌شود. آنها آزمایشی مطرح کردند که این تناقض را نشان می‌دهد، به گونه‌ای که فرض تقارن زمانی، الزام می‌دارد تا فرآیندهای جلو و عقب در زمان، احتمال‌های یکسانی داشته باشند، اما فرض عدم علیت معکوس ، الزام می‌کند که این احتمال‌ها متفاوت باشند. بنابراین در نهایت همه چیز بستگی دارد که ما تقارن زمانی را نگه داریم یا عدم علیت معکوس را برگزینیم، چرا که استدلال دانشمندان نشان می‌دهد که هر دوی آنها با هم،‌ ممکن نیست. به نظر می‌رسد تقارن زمانی، یک تقارن فیزیکی بنیادی باشد، در نتیجه علیت معکوس ، محتمل‌تر است. با این انتخاب، نیاز به کنش شبح‌وار در آزمایش ‌های بل، حذف می‌شود. لایفر می‌گوید:

به نظر من، علیت معکوس، به دلایل زیر محتمل‌تر است: ۱- علیت معکوس به ما اجازه می‌دهد مسائل حاصل از سایر قضایای قطعی را حل کنیم، یعنی همبستگی‌های بل را بدون کنش شبح‌وار ممکن می‌کند، بنابراین اگرچه هنوز مجبوریم عدم امکان ارسال سیگنال‌ به گذشته را توضیح دهیم، اما می‌توانیم چند معما را به یک معما، کاهش دهیم؛ اما اگر تقارن زمانی را کنار بگذاریم، چنین شرایطی رخ نخواهد داد. ۲- ترمودینامیک ما را ملزم به وجود یک پیکان زمانی می‌کند که ویژگی شرایط مرزی جهان است و نه یک قانون فیزیک. از آنجایی که توانایی فرستادن سیگنال‌ها فقط به آینده و نه به گذشته، بخشی از تعریف پیکان زمانی است، به نظر می‌رسد ناتوانایی در ارسال سیگنال به گذشته در یک جهان با علیت معکوس هم، مربوط به شرایط مرزی است و نیازی نیست یک قانون فیزیکی باشد. پس در این شیوه، تقارن زمانی، احتمال کمتری دارد.

فیزیکدانان معتقدند اجماع کلی بر سر ایده‌ی علیت معکوس، بسیار دشوار است، زیرا تاکنون آن را هیچ‌جای دیگری ندیده‌ایم. همین وضعیت در مورد کنش شبح‌وار هم وجود دارد، اما این بدان معنا نیست که علیت معکوس و کنش شبح‌وار، حقیقت طبیعت نیستند.

پیامدها و به چالش‌کشیدن فرضیات

اگر علیت معکوس ، یکی از ویژگی‌های بنیادی دنیای کوانتوم باشد، پیامدهای گسترده‌ای بر درک فیزیکدانان از بنیان‌های نظریه‌ی کوانتوم خواهد داشت. شاید بزرگترین پیامد آن، آزمایش های بل باشد که نشان‌ می‌دهد ذرات دور از هم واقعا نمی‌توانند بر یکدیگر اثر بگذارند، بلکه همانطور که اینشتین معتقد بود، این امر ناشی از ناکامل بودن نظریه کوانتوم است. اگر نتایج جدید، درست باشند، شاید علیت معکوس همان قطعه‌ی گمشده‌ای باشد که نظریه‌ کوانتوم را کامل می‌کند!

فیزیکدانان هیچ آزمایشی برای آزمودن علیت معکوس ندارند، البته این ایده‌، تفسیر مشاهدات به حساب می‌آید نه یک مشاهده‌ی جدید، بنابراین بیشتر از یک آزمایش تجربی، به تاییدهای نظری بیشتر نیاز دارد. لافر می‌گوید:

 ما هیچگاه نتوانسته‌ایم یک فرضیه را در یک سیستم کاملا منزوی، آزمایش کنیم و مجبور بوده‌ایم تصمیم بگیریم کدام عامل را بر دیگری، ترجیح دهیم. مثلا ممکن است فکر کنید آزمایش های بل نشان می‌دهند که طبیعت، ناموضعی است، اما این نتیجه فقط وقتی حاصل می‌شود که سایر فرضیات (مانند واقع‌گرایی و عدم علیت معکوس) را بپذیرید. بنابراین اگر موضعیت یا واقع‌گرایی را قبول کنید، می‌توانید بگویید که آزمایش‌های بل، شاهدی برای علیت معکوس است. به طور مشابه، آزمایش‌هایی که ما در مقاله‌مان توصیف کردیم، شواهدی برای علیت معکوس فراهم می‌کند، به شرطی که سایر فرضیات را بپذیرید. در تمام آزمایش‌های علمی، وضع به همین صورت است. فرضیاتی در مورد کارکرد دستگاه‌های آزمایشگاهی وجود دارد که برای مشاهده نتیجه‌ اثر موردنظرتان، باید آنها را بپذیرید. این وضعیت در مورد بنیان‌های کوانتوم، بسیار بحث‌برانگیز است، چرا که این فرضیات، همیشه وجود داشته و می‌توان آنها را به چالش کشید.

مقاله‌ی اصلی را در زیر مشاهده کنید:

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/07/1607.07871.pdf”]