فراسوی قضیه بل : ترسیم جدیدی از محدودیت‌های کوانتومی (قسمت اول)

یک مشاهده‌گر در مکانیک کوانتومی چگونه تعریف می‌شود؟ آیا یک اتم، ویروس یا هوش مصنوعی می‌تواند یک مشاهده‌گر باشد؟ فیزیکدان‌ها در حال بررسی قضیه جدیدی هستند که نشان می‌دهد یا قوانین مکانیک کوانتومی همیشه اعمال نمی‌شوند، یا یک فرض اساسی در مورد واقعیت اشتباه است! نوشتار دو قسمتی زیر، ترجمه مقاله‌ای به قلم آنیل آنانتاسوامی معاون سردبیر مجله New Scientist، برنده جایزه روزنامه نگاری فیزیک موسسه فیزیک انگلیس است که از وب‌سایت معتبر کوانتامگزین منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…

بنیانگذاران مکانیک کوانتومی متوجه شدند که این نظریه، بسیار عجیب است. حتی آلبرت اینشتین معتقد بود که باید نظریه‌ای وجود داشته باشد که توصیف کامل تری از طبیعت بوده و بتواند ناهنجاری‌های کوانتومی را از بین ببرد. در سال ۱۹۶۴، جان استوارت بل (John Stewart Bell) قضیه‌ای را اثبات کرد که پاسخی برای این سوال بود؛ آیا نظریه کوانتومی همانطور که اینشتین ادعا کرد توصیف کامل واقعیت را مبهم می‌کند؟ محققان از آن پس، قضیه بل را برای رد این احتمال که در بطن همه پدیده‌های عجیب کوانتومی (تصادفی بودن و کنش شبح‌وار از راه دور) یک واقعیت قطعی پنهان است که از قوانین نسبیت پیروی می‌کند، استفاده کردند. حالا یک قضیه جدید، کار بل را یک قدم جلوتر برده است. این قضیه موجب ایجاد فرض‌های منطقی درباره واقعیت فیزیکی می‌شود. سپس نشان می‌دهد اگر آزمایش خاصی انجام شود، نتایج مورد انتظار از قوانین کوانتومی، ما را مجبور به رد یکی از این فرض‌ها می‌کند. به گفته متیو لیفر(Matthew Leifer)، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه چپمن (Chapman):

این کار توجه‌ها را به سوی دسته‌ای از تفسیرهای مکانیک کوانتومی معطوف کرده است که تاکنون موفق به فرار از بررسی‌های جدی شده‌اند.

این تفاسیر استدلال می‌کنند که حالت‌های کوانتومی، منعکس کننده دانش ما از واقعیت فیزیکی هستند و نه بازنمایی صادقانه از چیزی که واقعا در جهان وجود دارد. نمونه این گروه از ایده‌ها، تفسیر کپنهاگی (Copenhagen) یا همان نسخه کتاب درسی نظریه کوانتومی است و از آن اینطور می‌توان برداشت کرد: ذرات تا زمانی که اندازه‌گیری نشوند، خصوصیات مشخصی ندارند. سایر تفسیرهای کوانتومی کپنهاگی‌مانند، حتی فراتر می‌روند و حالت‌های کوانتومی را به صورت ذهنی برای هر مشاهده‌گر توصیف می‌کنند. لیفر(Leifer) می‌گوید:

اگر چند سال پیش به من گفته می‌شد که می‌توان قضیه‌ای را مقابل برخی از تفسیرهای قبلی کپنهاگی که بعضی از مردم واقعا به آن‌ها اعتقاد دارند، مطرح کرد من آن را غیرممکن می‌دانستم! از نظر من، نظریه اخیر یک حمله واقعی است!

قضیه بل درسال ۱۹۶۴ مطرح شد و دقت ریاضیاتی را برای بحث‌هایی که با اینشتین و نیلز بور(یکی از حامیان اصلی تفسیر کپنهاگی) آغاز شده بود به ارمغان آورد. اینشتین تصور می‌کرد یک واقعیت قطعی پنهان وجود دارد که توسط ریاضیات مکانیک کوانتومی، مدل سازی نشده است. بور نیز استدلال کرد که نظریه کوانتومی کامل است و دنیای کوانتومی، احتمالاتی است.

قضیه بل دو فرض صریح دارد:

1. تأثیرات فیزیکی، محلی هستند؛ یعنی آن‌ها نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند.
2. یک واقعیت قطعی پنهان وجود دارد که توسط ریاضیات مکانیک کوانتومی مدل‌سازی نشده است.

فرض سومی نیز وجود دارد که تنها به صورت ضمنی، بیان شده است: آزمایشگران در انتخاب تنظیمات اندازه گیری خود، آزاد هستند. با توجه به این فرضیات، آزمایش بل شامل دو طرف است. آلیس و باب؛ که اندازه‌گیری‌ها را بر روی جفت ذرات زیادی  و هر بار روی یکی از آن‌ها انجام می‌دهند. هر جفت، درهم‌تنیده است، به طوری که خواص آن‌ها از نظر مکانیک کوانتومی به هم پیوسته است. اگر آلیس وضعیت ذرات خود را اندازه‌گیری کند، ظاهرا بلافاصله بر وضعیت ذرات باب تأثیر می‌گذارد، حتی اگر این دو ذره، کیلومترها از هم فاصله داشته باشند.

قضیه بل راهی خلاقانه برای راه اندازی آزمایش پیشنهاد داد. اگر همبستگی بین اندازه‌گیری آلیس و باب برابر یا کمتر از یک مقدار مشخص باشد، اینشتین درست گفته است و یک واقعیت پنهان محلی وجود دارد. اگر همبستگی‌ها بالاتر از این مقدار باشد پیش‌بینی نظریه کوانتومی درست است و یکی از فرضیات بل باید اشتباه باشد. در این صورت رویای یک واقعیت پنهان محلی باید برای همیشه به خاک سپرده شود. فیزیکدانان حدود ۵۰ سال را با دقت بالایی صرف انجام آزمایشات بل کردند. تا سال ۲۰۱۵، این آزمایش‌ها بطور اساسی این بحث را خاتمه دادند. همبستگی اندازه‌گیری شده بالاتر از سطح معروف به نابرابری بل بود و آزمایش‌های بل با پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی سازگار بود. در نتیجه، ایده یک واقعیت پنهان محلی برای همیشه به خاک سپرده شد.

فرضیات ضعیف، نظریه قوی

کار جدید، برگرفته از سنتی است که توسط بل آغاز شد، اما به یک آزمایش کمی متفاوت متکی است. آزمایشی که در اصل توسط یوجین ویگنر (Eugene Wigner) فیزیکدان طراحی شد. در آزمایش فکری ویگنر، شخصی که او را دوست ویگنر می‌نامیم، داخل آزمایشگاه است. دوست ویگنر حالت یک ذره را که در یک برهم‌نهی کوانتومی ( ترکیبی از دو حالت ۰ و ۱) است، اندازه‌گیری می‌کند. اندازه‌گیری، حالت کوانتومی ذره را به هر دو حالت  ۰ یا ۱ تقلیل می‌دهد و نتیجه توسط دوست ویگنر ثبت می‌شود. خود ویگنر خارج از آزمایشگاه است.

از دیدگاه او، آزمایشگاه و دوستش ( با فرض اینکه همه آن‌ها کاملا از اختلالات محیط جدا شده باشند) با یکدیگر، به تحول تدریجی کوانتومی ادامه می‌دهند. به هر حال مکانیک کوانتومی هیچ ادعایی در مورد اندازه سیستمی که نظریه به آن اعمال می‌شود، ندارد. در اصل این نظریه به ذرات بنیادی، خورشید، ماه و انسان اعمال می‌شود. ویگنر استدلال کرد که اگر مکانیک کوانتومی به طور جهانی قابل استفاده باشد، پس هم ذره و هم دوست ویگنر در هم‌تنیده شده و در یک برهم‌نهی کوانتومی قرار دارند؛ حتی اگر اندازه‌گیری دوست ویگنر به ظاهر، اثر برهم‌نهی ذره را از بین ببرد. تناقضاتی که با آزمایش ویگنر ایجاد شد، سوالات اساسی و بسیار جالبی را مطرح نمود: چه چیزی را که منجر به یک اندازه‌ گیری می‌شود، باید یک «فروپاشی» نام نهاد؟ آیا فروپاشی برگشت‌ناپذیر است؟

همانند قضیه بل، محققان کار جدید، فرضیاتی به ظاهر واضح اما در عین حال دقیق دارند:

1. آزمایشگران در انتخاب نوع اندازه‌گیری‌هایی که می‌خواهند انجام دهند، آزاد هستند.
2. شما نمی‌توانید سریع‌تر از سرعت نور، سیگنال ارسال کنید.
3. نتایج اندازه‌گیری‌ها، واقعیت‌های مطلق و عینی برای همه ناظران هستند.

توجه داشته باشید که این فرضیات «دوستی محلی» ویگنر، ضعیف تر از فرضیات بل هستند. محققان تصور نمی‌کنند که نوعی واقعیت قطعی در جهان کوانتومی وجود داشته باشد. هوارد وایزمن (Howard Wiseman)، مدیر مرکز دینامیک کوانتومی در دانشگاه گریفیث استرالیا و یکی از رهبران این پروژه جدید گفت: 

اگر این آزمایش انجام شود و به نتیجه برسد، بدان معناست که ما واقعا مفهومی عمیق‌تر از قضیه بل در مورد واقعیت یافته ایم.

ممکن است نابرابری‌های بل نقض شود، اما نابرابری‌های ما نقض نمی‌شود.

بنابراین همانند بل می‌توانیم سوال کنیم که اگر قوانین شناخته شده مکانیک کوانتومی را به این مجموعه آزمایشی جدید اعمال کنیم، چه نتیجه‌ای حاصل خواهد شد؟ اگر قوانین مکانیک کوانتومی، جهانی باشند، به این معنی که هم برای اجسام بسیار کوچک و هم برای اجسام بزرگتر اعمال شوند؛ پس آزمایش‌ها باید نابرابری‌ها را نقض کنند. اگر آزمایش‌های آینده این موضوع را تایید کنند، پس یکی از سه فرض باید اشتباه باشد و نظریه کوانتومی حتی عجیب‌تر از آزمایش‌های قضیه بل است.

ادامه دارد…