ما در زندگی روزمره‌ی خود با وقایعی روبه‌رو می‌شویم که می‌توانیم با اطمینان از ویژگی‌های آن سخن بگوییم. این‌ها واقعیت‌های عینی جهان ما هستند. اما در جهان ذرات کوانتومی، تنها می‌توان از احتمال هر حالت یا بروز هر ویژگی سخن گفت. چرا ما جهان را به گونه‌ای متفاوت در مقیاس اتم‌ها و ذرات بنیادی تجربه می‌کنیم؟ چه چیزی باعث انتخاب یک نتیجه از میان حالت‌ها یموجود در فضای احتمالات کوانتومی می‌شود تا در جهان فیزیک کلاسیک، ظهور عینی پیدا کند؟ این دگرگونی کوانتوم-کلاسیکی طی چه فرآیندی انجام می‌شود؟ محققان با به‌کارگیری ایده‌ی انتخاب طبیعی داروین نظریه‌ای به نام داروینیسم کوانتومی را ابداع کردند تا به این سوال‌ها پاسخ دهند. نوشتار زیر ترجمه‌ی مقاله‌ای است که به تازگی به قلم فیلیپ بال و از وب‌سایت معتبر کوانتامگزین منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…
داروینیسم کوانتومی در میدان آزمایش
جای تعجب نیست که فیزیک کوانتومی، شهرت زیادی در عجیب بودن دارد، چرا که آن را زندگی روزمره‌ی خود احساس نمی‌کنیم. تا قرن بیستم، اکثر مردم تصور می‌کردند قوانین فیزیک کلاسیک ابداع شده توسط نیوتن و دیگران (که طبق آن، اشیا در همه‌ی زمان‌ها دارای موقعیت‌ها و خصوصیت‌های مشخصی هستند) در هر مقیاسی کار می‌کنند. اما ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، نیلز بور و معاصرانشان دریافتند که این خاصیت در دنیای اتم‌ها و ذرات زیر‌اتمی، در سوپی از احتمالات حل می‌شود. مثلا به یک اتم نمی‌توان یک موقعیت مشخص اختصاص داد. فقط می‌توان احتمال یافتن آن را در مکان‌های مختلف محاسبه کرد. حال سوال چالش‌برانگیزی پیش می‌آید: احتمالات کوانتومی چگونه با دنیای کلاسیک ادغام می‌شوند؟
فیزیکدانان گاهی درباره‌ی «گذار کوانتوم–کلاسیکی» صحبت می‌کنند، اما در واقع، هیچ دلیلی وجود ندارد که فکر کنیم سیستم‌ها در مقیاس بزرگ و کوچک، تفاوت اساسی دارند و یا یک گذار ناگهانی بین آن‌ها وجود دارد. در دهه‌های اخیر، محققان از طریق برهمکنش بین یک ذره یا سیستم میکروسکوپی با محیط اطرافش، درک بیشتری از چگونگی تبدیل مکانیک کوانتومی به مکانیک کلاسیک بدست آورده‌اند.
یکی از برجسته‌ترین ایده‌ها در این چارچوب نظری، این است که ویژگی‌های معین اشیا (مانند موقعیت و سرعت در فیزیک کلاسیک) از فهرستی حاوی احتمال‌های کوانتومی در فرآیندی که تقریبا شبیه انتخاب طبیعی در نظریه‌ی تکامل (evolution) است، انتخاب می‌شوند. یعنی این انتخاب، به گونه‌ای انجام می‌شود که خواص انتخاب شده، به نوعی، «سازگارترین» خواص هستند. همچنین درست مانند انتخاب طبیعی، بازماندگان، آن‌هایی هستند که بیشترین کپی‌ها را از خودشان می‌سازند. این بدان معناست که بسیاری از ناظران مستقل می‌توانند یک سیستم کوانتومی را اندازه‌گیری کنند و در مورد نتیجه به توافق برسند؛ یعنی همان ویژگی شاخصی که در رفتار کلاسیک ذرات و سیستم‌ها مشاهده می‌شود.
این ایده که داروینیسم کوانتومی (Quantum Darwinism یا QD)، نام دارد، در مورد این سوال توضیح می‌دهد: چرا ما جهان را به گونه‌ای متفاوت در مقیاس اتم‌ها و ذرات بنیادی تجربه می‌کنیم؟ اگرچه جنبه‌های مهمی از این معما همچنان حل نشده است، اما داروینیسم کوانتومی به پر شدن شکاف بین فیزیک کوانتومی و واقعیت کلاسیک کمک می‌کند.
در سال‌های اخیر، داروینیسم کوانتومی در آزمایشگاه مورد آزمون قرار گرفته است: سه گروه تحقیقاتی که به طور مستقل در ایتالیا، چین و آلمان مشغول به کار و به دنبال نشانه‌ای برای تایید فرایند انتخاب طبیعی هستند؛ فرایندی که در آن، اطلاعات مربوط به یک سیستم کوانتومی در محیط‌های مختلف کنترل شده، بارها مشاهده شده است. این آزمایش‌ها کاملا ابتدایی هستند. محققان می‌گویند قبل از اطمینان از اینکه آیا QD تصویر درستی از چگونگی بدست آمدن واقعیت از گزینه‌های متنوع مکانیک کوانتومی به دست می‌دهد، کارهای بسیاری باید انجام شود. با این حال، این نظریه هنوز در حال بررسی است.
بقای اصلح
نکته‌ی مهمی که در قلب نظریه‌ی داروینیسم کوانتومی قرار دارد، ناپایداری اندازه‌گیری یا همان روند انجام یک مشاهده است. در فیزیک کلاسیک، هر چیز به همان سادگی اتفاق می‌افتد که می‌بینید. وقتی یک توپ تنیس را مشاهده می‌کنید که با سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت می کند، در واقع، سرعت آن همان مقدار است.
اما در فیزیک کوانتومی این گزاره درست نیست. روند ریاضیات مکانیک کوانتومی در مورد چگونگی وضعیت یک شی کوانتومی روشن نیست. آن‌ها فقط نسخه‌ای برای بیان یک موضوع هستند: اگر اندازه‌گیری کنیم، ممکن است چه ببینیم؟ مثلا وضعیتی که ذره کوانتومی می‌تواند طیف وسیعی از حالت‌های ممکن را داشته باشد، به عنوان برهم نهی شناخته می‌شود. این به معنای داشتن چندین حالت به طور همزمان نیست. بلکه بیان می‌دارد که اگر اندازه گیری کنیم یکی از آن نتایج را مشاهده خواهیم کرد. قبل از اندازه‌گیری، حالت‌های برهم‌نهش مختلف با حالت‌های دیگر به شکلی موجی تداخل می‌کنند و نتایج محتمل‌تر یا نامحتمل‌تر تولید می‌شوند.
اما چرا نمی‌توانیم یک برهم‌نهی کوانتومی را ببینیم؟ چرا همه‌ی حالت‌های امکان‌پذیر ذره، مانند واقعیت، در مقیاس زندگی ما باقی نمی‌ماند؟
پاسخی کلی این است که برهم نهی ها، ناپایدارند و یک سیستم کوانتومی ظریف در محیط نویزی به راحتی دچار اختلال می‌شود. اما این پاسخ به طورکامل، درست نیست. وقتی دو جسم کوانتومی با هم برهمکنش می‌کنند، درهم تنیده می‌شوند. در نتیجه وارد یک حالت کوانتومی مشترک، با احتمال بروز خصوصیات وابسته به یکدیگر می‌گردند. پس می‌توان گفت یک اتم برای خاصیت کوانتومی اسپین دو حالت محتمل دارد: «اسپین بالا» و «اسپین پایین».
اکنون فرض می‌کنیم اتم در هوا آزاد می‌شود، با یک مولکول هوا برخورد می‌کند و با آن درهم تنیده می‌شود. حال، این دو در یک برهم نهی مشترک قرار دارند. اگر اتم در حالت اسپین بالا باشد، ممکن است مولکول هوا به یک جهت بخصوص تحت فشار قرار گیرد، در حالی که اگر اتم در حالت اسپین پایین باشد، مولکول هوا به سمت دیگری متمایل می‌شود. هر دو احتمال همزمان وجود دارند. هرچه ذرات با سایر مولکول‌های هوا برخورد کنند، درهم تنیدگی گسترش می‌یابد و برهم نهی، بیشتر نفوذ می‌کند. حالت‌های برهم نهی اتم، دیگر به طور همدوس با یکدیگر تداخل نمی‌کنند، زیرا اکنون در محیط خود، با دیگر حالت‌ها (مثلا برخی از ابزارهای اندازه‌گیری بزرگ) درهم‌تنیده شده‌اند. در مورد آن دستگاه اندازه‌گیری، به نظر می‌رسد برهم نهی اتم از بین رفته و با فهرستی از نتایج کلاسیک‌گونه که هیچ تداخلی با یکدیگر ندارند، جایگزین شده است.
این فرایند را که در آن، کوانتومی بودن در محیط ناپدید می‌شود، ناهمدوسی کوانتومی می‌نامند. این بخش مهمی از گذار فیزیک کوانتومی به فیزیک کلاسیک است. ناهمدوسی توضیح می‌دهد که چرا دیدن رفتار کوانتومی در سیستم‌های بزرگ با برهمکنش متعدد ذرات، سخت می‌شود. این فرآیند، بسیار سریع اتفاق می‌افتد. برخورد یک دانه‌ی غبار معمولی شناور در هوا را با مولکول‌های آن در نظر بگیرید. فرض می‌کنیم این برهمکنش کوانتومی در دو موقعیت مختلف فیزیکی، فاصله‌ی جدایی در حدود پهنای خود ذره داشته باشد. این برهمکنش باعث یک ناهمدوسی غیرآشکار می‌شود. زیرا فرایند این برهم نهی در حدود ۱۰-۳۱ ثانیه طول می‌کشد. حتی در محیط خلاء، فوتون‌های سریع نور که موجب این نوع ناهمدوسی شده‌اند، بدون از بین بردن برهم نهی ذره، قابل مشاهده نیستند.
با اینکه ناهمدوسی نتیجه مستقیم مکانیک کوانتومی است، اما این پدیده با تاخیر بسیار، در دهه‌ی ۱۹۷۰ توسط فیزیکدان آلمانی، هاینز- دیتر زه (Heinz-Dieter Zeh) شناسایی شد. فیزیکدان لهستانی-آمریکایی، ووجیچ زورک (Wojciech Zurek) در اوایل دهه‌ی ۱۹۸۰ این ایده را توسعه و بهبود بخشید. در حال حاضر تایید‌های آزمایشگاهی خوبی برای آن وجود دارد.
برای توضیح ظهور عینی (emergence of objective) یا همان واقعیت کلاسیکی، اینکه بگوییم ناهمدوسی، رفتار کوانتومی را از بین می‌برد و سیستم را برای یک ناظر کلاسیک مشاهده‌پذیر می‌گرداند، کافی نیست. به نوعی، این امکان وجود دارد که چندین ناظر درباره خواص سیستم‌های کوانتومی اتفاق نظر داشته باشند. زورک (zurek) معتقد است در این مورد، دو گزاره باید درست باشد:
اول، سیستم‌های کوانتومی باید حالت‌هایی داشته باشند که به ویژه در برابر ناهمدوسی مختل کننده‌ی محیط، مقاوم باشند. زورک این حالت‌ها را «حالت‌های نشانگر» (pointer states) نامید، زیرا می‌توانند در حالت‌های محتمل یک نشانگر روی صفحه‌ی شماره‌گیری یک ابزار اندازه‌گیری، رمزگذاری شوند. مثلا یک مکان خاص از یک ذره، سرعت، مقدار اسپین کوانتومی یا جهت قطبش آن می‌تواند به عنوان موقعیت یک نشانگر روی یک دستگاه اندازه‌گیری ثبت شود. این محقق معتقد است که رفتار کلاسیکی (یعنی وجود ویژگی های خوش تعریف، پایدار و خصوصیات عینی) فقط به دلیل وجود حالت‌های نشانگر اجسام کوانتومی ممکن می‌شود.
آنچه که از نظر ریاضی می‌توان در این مورد بیان کرد، این است که حالت‌های نشانگر، کاری در جهت برهمکنش‌های محرک ناهمدوس با یک محیط، انجام نمی‌دهند: یا حالت نشانگر حفظ می‌شود، یا آن را به حالتی تبدیل می‌کند که تقریبا یکسان به نظر می‌رسد. این بدان معناست که محیط، کوانتومی بودن را به راحتی محو نمی‌کند، اما برخی از حالت‌ها را به عنوان جایگزین حالت‌های دیگر انتخاب می‌کند. به عنوان مثال، موقعیت یک ذره در برابر ناهمدوسی انعطاف دارد. با این حال، برهم نهی موقعیت‌های مختلف، حالت نشانگر نیست: برهمکنش با محیط، آن‌ها را به حالت‌های نشانگر موضعی تجزیه می‌کند، به طوری که فقط یک مورد مشاهده می‌شود. زورک در دهه ۱۹۸۰، این برهم‌نهی را «انتخاب برتر توسط محیط» مربوط به حالت‌های نشانگر توصیف می‌کند.
اما شرط دومی را باید ملاحظه کرد تا یک ویژگی کوانتومی مشاهده شود. اگرچه مصونیت از برهمکنش با محیط، ثبات وضعیت یک نشانگر را تضمین می‌کند، اما هنوز باید به نوعی در مورد آن اطلاعات کسب کنیم. ما فقط در صورتی می‌توانیم این کار را انجام دهیم که محیط به عنوان هدف مورد استفاده قرار نگیرد. به عنوان مثال وقتی یک شی را مشاهده می‌کنید، این اطلاعات توسط فوتون‌هایی که از آن جدا می‌شوند به شبکیه‌ی چشم شما تحویل داده می‌شوند. آن‌ها اطلاعات را در قالب تصویر جزیی از جنبه‌های خاصی از جسم به شما منتقل می‌کنند و در مورد موقعیت، شکل و رنگ آن، اطلاعاتی در اختیارتان می‌گذارند. به شرط توافق تعدادی ناظر، در مورد یک مقدار اندازه گیری شده (مشخصه‌ی کلاسیک) تعداد زیادی از این تصاویر جزیی لازم است. بنابراین، همانطور که زورک در دهه‌ی ۲۰۰۰ اظهار داشت، توانایی ما برای مشاهده‌ی برخی از ویژگی‌ها نه تنها به انتخاب آن به عنوان یک نشانگر بستگی دارد، بلکه به میزان قابل توجهی به تاثیر آن در محیط وابسته است. مناسب‌ترین حالت‌ها برای ایجاد تصویر کامل در محیط، فقط موارد قابل دسترسی برای اندازه‌گیری هستند. به همین دلیل است که زورک این ایده را داروینیسم کوانتومی می‌نامد.
معلوم می‌شود که همان خاصیت پایداری که موجب انتخاب برتر حالت نشانگر توسط محیط می‌شود، تناسب کوانتومی داروینی یا ظرفیت تولید همسان را نیز ارتقا می‌بخشد. زورک می‌گوید:
محیط، طی نظارت خود، سیستم‌هایی را از بین می‌برد و فرآیندهای مشابه زیادی، ناهمدوسی را قادر به ضبط چندین نسخه از اطلاعات موجود در محیط می‌کند.
ادامه دارد…
گفتگو۱ دیدگاه
با سلام یه سوال راجع به اصل عدم قطعیت داشتم .ایا عدم قطعیت انرژی و زمان درست و قطعی است .اخه در ویکی پدیا درباره خلا کوانتومی از اصل عدم قطعیت انرژی و زمان ایراد گرفته و اون رو زیر سؤال برده .لطفا توضیح دهید .با سپاس