اصل کوانتومی نسبیت می‌تواند عامل تمام غرابت‌های مکانیک کوانتومی باشد!

فیزیکدانان دانشگاه‌های ورشو و آکسفورد پیشنهاد کردند ممکن است پدیده‌های عجیب و شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی در نظریه نسبیت خاص ریشه داشته باشند! چیزی که آن‌ را اصل کوانتومی نسبیت می‌نامند. با دیپ لوک همراه باشید…

مکانیک کوانتومی از زمان تولدش، دست از شگفت‌زده کردن ما با ویژگی‌هایش برنداشته است، بنابراین درک آن دشوار است. چرا به نظر می‌رسد یک ذره، همزمان از دو شکاف عبور می‌کند؟ چرا ما به جای پیش بینی‌های خاص، فقط می‌توانیم درباره تحول احتمالات صحبت کنیم؟ به گفته نظریه‌پردازان دانشگاه‌های ورشو و آکسفورد، مهمترین ویژگی‌های جهان کوانتومی ممکن است ناشی از نظریه نسبیت خاص باشد که تاکنون به نظر می‌رسید ارتباط چندانی با مکانیک کوانتومی ندارد.

فیزیکدانان از زمان ورود مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت، به خاطر ناسازگاری این سه مفهوم (سه مفهوم چون دو نظریه نسبیت وجود دارد: نسبیت خاص و عام) بی‌خواب شده‌اند. معمولا پذیرفته شده که توصیف مکانیک کوانتومی بنیادی‌تر است و این نظریه‌ی نسبیت است که باید با آن سازگار شود. دکتر آندرژ دراگن  (Andrzej Dragan) از دانشکده فیزیک دانشگاه ورشو و پروفسور آرتور اکرت (Artur Ekert) از دانشگاه آکسفورد به تازگی استدلال خود را ارائه کرده‌اند که منجر به نتیجه‌گیری متفاوتی می‌شود. آن‌ها در مقاله «اصل کوانتومی نسبیت» که در مجله  New Journal of Physics منتشر شده، اثبات می‌کنند که ویژگی‌های مکانیک کوانتومی که منحصر بفردبودن و غرابت غیر شهودی آن را تعیین می‌کنند، می‌توانند در چارچوب نظریه نسبیت خاص توضیح داده شوند.

آلبرت اینشتین نظریه نسبیت خاص را بر اساس دو اصل موضوعه بنا نهاد؛ اصل موضوعه‌ی اول به عنوان اصل گالیله‌ای نسبیت (دقت کنید که این یک مورد خاص از اصل کوپرنیکی است) شناخته می‌شود. این اصل موضوعه بیان می‌کند که فیزیک در هر دستگاه اینِرسی یا لَختی (یعنی یا در حالت سکون یا حرکت ثابت در یک خط مستقیم)، یکسان است. اصل موضوعه‌ی دوم که نتیجه آزمایش مشهور مایکلسون_مورلی است، الزام سرعت ثابت نور را در هر دستگاه مرجع تحمیل می‌کند. دکتر آندره دراگن می‌گوید:

اینشتین اصل موضوعه‌ی دوم را حیاتی می‌دانست. در واقع آنچه که حیاتی است، اصل نسبیت است. قبلا در سال ۱۹۱۰ ولادیمیر ایگناتوفسکی (Vladimir Ignatowski) نشان داد که فقط بر اساس اصل نسبیت می‌توان تمام پدیده‌های نسبیتی مربوط به نظریه نسبیت خاص را بازسازی کرد. این یک استدلال شگفت‌آور ساده بود که مستقیما از اصل نسبیت به نسبیت‌گرایی منتهی می‌شد و در سال ۱۹۹۲ نیز توسط استاد آندرژ سایماچا (Andrzej Szymacha) از دانشکده ما ارائه شد.

نظریه نسبیت خاص، ساختار منسجمی است که سه نوع راه حل صحیح ریاضی را امکان‌پذیر می‌سازد: دنیایی از ذرات که با سرعت پایین‌تر از سرعت نور (subluminal و از این به بعد آستانه‌پایین) در حال حرکت هستند، دنیایی از ذرات که با سرعت نور حرکت می‌کنند و دنیایی از ذرات که با سرعت بالاتر از سرعت نور (superluminal و از این به بعد آستانه‌بالا) در حال حرکت هستند. سومین انتخاب همیشه به دلیل بی‌ربط بودنش به واقعیت رد شده است. دراگن می‌گوید:

ما این سوال را مطرح کردیم: چه اتفاقی می‌افتد (فعلا وارد فیزیکی یا غیر فیزیکی بودن راه‌ حل‌ها نشویم) اگر نه بخشی از نظریه نسبیت خاص، بلکه کل آن را همراه سیستم آستانه‌بالا در نظر بگیریم؟ ما انتظار پارادوکس‌های علت و معلولی داشتیم. در همین حال، دقیقا اثراتی را دیدیم که عمیق‌ترین هسته مکانیک کوانتومی را تشکیل می‌دهند.

در ابتدا، هر دو نظریه‌پرداز یک مورد ساده را در نظر گرفتند: فضازمان با هر سه خانواده‌ی راه حل‌ها، اما فقط از یک بعد مکانی و یک بعد زمانی (۱ + ۱) تشکیل شده است. به نظر می‌رسد یک ذره‌ی در حالت سکون در یک سیستم از راه حل‌ها، به صورت آستانه‌بالا در دستگاه دیگر حرکت می‌کند، به این معنی که آستانه‌بالا بودن، خودش نسبی است.

در یک پیوستار فضازمانی ساخته شده از این طریق، رویدادهای غیر قطعی به طور طبیعی اتفاق می‌افتند. اگر در یک سیستم در نقطه‌ی A، نسلی از یک ذره آستانه‌بالا وجود داشته باشد، حتی کاملا قابل پیش بینی، که به سمت نقطه B نشر شود، جایی که هیچگونه اطلاعاتی درباره دلایل این نشر وجود ندارد، پس از دیدگاه ناظر در سیستم دوم، رویدادها از نقطه B به نقطه A جریان می‌یابند، بنابراین از یک رویداد کاملا غیرقابل پیش بینی شروع می‌شوند. به نظر می‌رسد که اثرات مشابهی در انتشار ذره آستانه‌‌پایین نیز ظاهر ‌شود.

هر دو نظریه‌پرداز نیز نشان داده‌اند که پس از در نظر گرفتن راه حل‌های آستانه‌بالا، حرکت یک ذره در چندین مسیر به طور همزمان، طبیعی به نظر می‌رسد و یک توصیف از این دوره اتفاقات مستلزم وارد کردن جمع دامنه‌های ترکیبی احتمال است که نشانگر وجود برهم نهی حالات است، پدیده‌ای که تا کنون فقط به مکانیک کوانتومی‌ ارتباط داشته است.

در مورد فضازمان با سه بعد فضایی و یک بعد زمانی (۳ + ۱)، یعنی مطابق واقعیت فیزیکی ما، این وضعیت پیچیده‌تر است. اصل نسبیت به شکل اصلی آن حفظ نمی‌شود؛ سیستم‌های آستانه‌بالا و آستانه‌پایین، قابل تشخیص هستند. با این حال، محققان متوجه شدند که وقتی اصل نسبیت به این شکل اصلاح می‌شود: «توانایی توصیف یک رویداد به طور موضعی و قطعی، نباید به انتخاب یک سیستم مرجع اینرسی (لخت) وابسته باشد»، راه حل‌ها را به آن‌‌هایی محدود می‌کند که تمام نتیجه‌گیری‌های بدست‌آمده از ملاحظه‌‌ی فضازمان (۱ + ۱)، معتبر باقی می‌مانند. دکتر دراگن می‌گوید:

ما به طور اتفاقی متوجه شدیم که امکان یک تفسیر جالب در مورد نقش ابعاد جداگانه وجود دارد. در سیستمی که از دیدگاه ناظر، آستانه‌بالا به نظر می‌رسد، انگار برخی ابعاد فضازمانی، نقش‌های فیزیکی خود را تغییر می‌دهند. فقط یک بعد از نور آستانه‌بالا دارای ویژگی فضایی است، یکی که ذره در راستای آن حرکت می‌کند. به نظر می‌رسد آن سه بعد دیگر، ابعاد زمانی باشند.

ویژگی بارز ابعاد فضایی این است که یک ذره می‌تواند در هر جهتی حرکت کند یا در حالت سکون باقی بماند، در حالی که در یک بعد زمانی، ذره همیشه در یک جهت منتشر می‌شود (آنچه ما به زبان روزمره پیری می‌نامیم). بنابراین، سه بعد زمانی از سیستم آستانه‌بالا با یک بعد فضایی (۳ + ۱) بدین معنی است که ذرات به ناچار به طور همزمان در سه زمان پیر می‌شوند. روند پیری یک ذره در یک سیستم آستانه‌بالا (۳ + ۱)، مشاهده‌شده از یک دستگاه آستانه‌پایین (۱ + ۳)، به گونه‌ای به نظر می‌رسد که گویی ذره مانند یک موج کروی در حال حرکت باشد که به اصل هویگنس (Huygens principle)  (هر نقطه در جبهه‌ موج می‌تواند به عنوان یک منبع یک موج جدید کروی درنظر گرفته شود) و دوگانگی موج-ذره منتهی می‌شود. دراگن می‌گوید:

معلوم می‌شود تمام این موارد عجیب و غریب به وجود آمده از در نظر گرفتن راه حل‌های مربوط به سیستمی که آستانه‌بالا به نظر می‌رسد، از آنچه که معمولا به وسیله نظریه کوانتومی که مدت‌هاست بیان شده و مورد قبول و آزمایش قرار گرفته است عجیب‌تر نیست. برعکس، با در نظر گرفتن یک سیستم آستانه‌بالا، استخراج برخی از اصول موضوعه‌ی مکانیک کوانتومی از نظریه نسبیت خاص، حداقل به لحاظ نظری ممکن است.

تقریبا صد سال است که مکانیک کوانتومی در انتظار یک نظریه عمیق‌تر برای توضیح ماهیت پدیده‌های اسرارآمیزش است. اگر استدلال ارائه شده توسط فیزیکدانان ورشو و آکسفورد، با گذشت زمان، درست باشد، تاریخ همه فیزیکدانان را ظالمانه مسخره خواهد کرد. این نظریه  ناشناخته که دهه‌هاست به دنبال توضیح ویژگی‌های منحصر بفرد مکانیک کوانتومی است، می‌توانست چیزی باشد که از همان ابتدای کار در نظریه کوانتومی شناخته شود.