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

در قسمت پیشین در مورد قضیه بل و تحقیقات جدید برگرفته از آن صحبت کردیم و از دوستی محلی ویگنر کمک گرفتیم، اما همچنان چندین سوال اساسی بی‌پاسخ ماندند. قوانین مکانیک کوانتومی در آزمایش‌های جدید، چه نتیجه‌ای دارند؟ آیا این قوانین برای تمامی اجسام کوچک و بزرگ، قابل اعمال هستند؟ کدام یک از سه فرضیه عمومی را باید رها کرد؟ در قسمت دوم و پایانی، به کمک یک دوست محلی جدید برگرفته از آزمایش ویگنر، به این سوالات پاسخ خواهیم داد. با دیپ لوک همراه باشید…

در حقیقت، تیشلر و همکارانش در گریفیت، قبلاً یک نسخه‌ی اثبات اصل (proof-of-principle) آزمایش را انجام داده‌اند و با این کار در نهایت نابرابری‌ها را نقض کردند، اما نکته قابل توجهی در آزمایش آن‌ها وجود دارد: چیزها به اینکه چه چیزی در مکانیک کوانتومی به عنوان ناظر قلمداد می‌شود، بستگی دارند.

طیف مشاهده‌گر

قضیه جدید دوستی محلی، نیازمند تکرار تنظیمات آزمایش دوست ویگنر است. حال ما دو آزمایشگاه داریم. در آزمایشگاه اول، آلیس بیرون است، در حالی که دوستش چارلی داخل است. در آزمایشگاه دوم، باب خارج است و دوست او دبی، داخل است. در این حالت، ما یک جفت ذرات درهم تنیده را اضافه می‌کنیم. یک ذره به چارلی و دیگری به دبی فرستاده می‌شود. هر دو ناظر نتیجه را اندازه‌گیری و ثبت می‌کنند.

حالا نوبت الیس و باب است. هر کدام، یک حالت از سه نوع اندازه گیری را انجام می‌دهند. گزینه اول ساده است؛ فقط از دوست بپرسید نتیجه اندازه‌گیری چیست. دو حالت دیگر کمی عجیب است. نخست، آلیس و باب باید کنترل کوانتومی کامل بر دوستان و آزمایشگاه‌های مربوطه خود اعمال کنند تا حدی که تحول کوانتومی کل سیستم را معکوس کنند. آن‌ها اندازه‌گیری دوست را خنثی کرده و حافظه وی را پاک می‌کنند و ذره را به حالت اولیه برمی‌گردانند. واضح است که دوستان آن‌ها نمی‌توانند انسان باشند. در آن نقطه آلیس و باب به طور تصادفی بین یکی از دو حالت اندازه‌گیری، ذره را اندازه‌گیری کرده و نتیجه را یادداشت می‌کنند. آن‌ها این کار را برای ده‌ها هزار جفت ذرات درهم‌تنیده انجام می‌دهند.

آزمایش اثبات اصل، با یک فوتون در هر آزمایشگاه آغاز می‌شود. هر دوست با یک چیدمان ساده نمایش داده می‌شود و اندازه‌گیری فوتون را انجام می‌دهد. به این ترتیب که فوتون، بسته به حالت کوانتومی اولیه خود، یکی از دو مسیر را طی می کند و یا همزمان هر دو مسیر را طی می کند یعنی وارد یک برهم‌نهی می‌شود. دوست می‌تواند به عنوان یک بیت کوانتومی یا کیوبیت در نظر گرفته شود و می‌تواند ۰ (فوتون یک مسیر را طی کرده است) یا ۱ باشد (آن مسیر دیگر را طی کرده است) یا در برخی از برهم‌نهی‌ها هر دو مسیر باشد. نورا تیشلر(Nora Tischler) می‌گوید:

شما می توانید دو مسیر را به عنوان دو حالت حافظه مشاهده‌گر تصور کنید. از نظر ریاضی، این همانند یک مشاهده است.

آلیس و باب می‌توانند به سادگی بررسی کنند که فوتون در کدام مسیر گام برداشته است (شبیه به آنچه چارلی و دبی مشاهده کرده‌اند). همچنین آن‌ها می‌توانند با ایجاد تداخل در دو مسیر، خاطرات دوستانشان را پاک کنند. در این صورت اطلاعات مربوط به مسیری که فوتون طی کرده پاک شده و فوتون را به حالت اولیه خود باز می‌گرداند. درنهایت آلیس و باب می‌توانند اندازه‌گیری‌های خود را انجام دهند. این آزمایش پس از حدود ۹۰ هزار مرتبه اجرا، به وضوح نشان داد که نابرابری‌های قضیه دوستی محلی نقض شده‌اند. راه‌حل این مسئله بسیار روشن است. چارلی و دبی کیوبیت هستند. در واقع محققان نمی‌توانند بگویند که ما باید کدام یک از سه فرضیه را رها کنیم. وایزمن(Howard Wiseman) گفت:

ما ادعا نمی‌کنیم که کیوبیت، یک دوست واقعی است. اما این امر به ما این امکان را می‌دهد که تایید کنیم مکانیک کوانتومی این نابرابری‌ها را نقض می‌کند حتی اگر نقض آن‌ها از نابرابری‌های بل سخت‌تر باشد. بطور کلی، بحث قابل توجهی پیرامون این سوال وجود دارد که ناظران چقدر بزرگ و پیچیده هستند. برخی از فیزیکدانان استدلال می‌کنند که هر سیستمی می‌تواند اطلاعات مربوط به آنچه را که مشاهده می‌کند بدست آورد و اطلاعات را ذخیره کند. در سمت دیگر کسانی هستند که معتقدند تنها انسان‌ها آگاه هستند. در این آزمایش خاص، دامنه مشاهده‌گرهای احتمالی بسیار وسیع است. پیش‌تر این اتفاق برای کیوبیت‌ها رخ داده و همه موافق هستند که اگر چارلی و دبی انسان باشند، انجام این کار، غیرممکن است.

این گروه در نظر دارد در آینده‌ای نه چندان دور این آزمایش را به نحوی انجام دهد که ناظر بتواند یک هوش مصنوعی (AGI) درون یک کامپیوتر کوانتومی باشد. چنین سیستمی می‌تواند منجر به یک برهم نهی، حاصل از مشاهده دو نتیجه متفاوت شود. از آنجا که AGI در یک کامپیوتر کوانتومی کار می‌کند، می‌توان روند را معکوس کرد، حافظه مشاهده را پاک کرد و سیستم را به حالت اولیه خود بازگرداند. وایزمن گفت:

در طول مسیر، مکان‌های زیادی بین یک کیوبیت واحد و یک کامپیوتر کوانتومی بسیار عظیم که دارای یک هوش مصنوعی است، وجود دارد. در این مورد افراد مختلف، نظرات متفاوتی در مورد جایی که یک مشاهده رخ داده است دارند. این یک قضیه حیاتی و بسیار دشوار است. اما این سوال را ایجاد می‌کند که «یک واقعه مشاهده شده چیست» که به خودی خود یک مسئله مهم است.

حدود پنج دهه طول کشید تا فیزیکدان‌ها آزمون‌های آزمایشی کاملا شکست‌ناپذیری از نابرابری بل را اجرا کنند. شاید کاری که در کامپیوترهای کوانتومی انجام می‌شود، فراتر نرود. اجازه دهید فرض کنیم این فناوری روزی از راه خواهد رسید. سپس وقتی فیزیکدان‌ها این آزمایش را انجام ‌دهند، یکی از دو حالت را خواهند دید:

شاید این نامساوی‌ها، نقض نشوند، در این صورت دلالت بر آن دارد که مکانیک کوانتومی به طور جهانی معتبر نیست. یعنی حداکثر اندازه‌ای وجود دارد که بیش از آن قوانین نظریه کوانتومی به کار نمی روند. چنین نتیجه‌ای به محققان این امکان را می‌دهد تا دقیقا مرز بین دنیای کوانتومی و کلاسیکی را ترسیم کنند. یا همانطور که مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند نامساوی‌ها نقض خواهد شد. در این حالت یکی از سه فرضیه عمومی باید رها شود که منجر به این سوال می‌شود؛ کدام یک؟

نسبیت حدی

این قضیه ادعا نمی‌کند که کدام فرض اشتباه است. با این حال، اکثر فیزیکدان‌ها دو فرض را ارجح می‌دانند. اولین مورد که آزمایشگران می‌توانند انتخاب کنند کدام اندازه‌گیری‌های انجام شوند، بنظر نمی‌رسد قابل نقض باشد. فرض محلی بودن، که اطلاعات را از سفر سریع‌تر از نور منع می‌کند، مانع از هرگونه پوچ‌گرایی درباره‌ی علت و معلول می‌شود. با این وجود طرفداران مکانیک بوهمی، نظریه‌ای که یک واقعیت قطعی، پنهان و عمیق غیر محلی را مطرح می‌کند، این فرض دوم را کنار گذاشته‌اند.

تنها فرض سوم به جا می‌ماند: نتایج اندازه‌گیری‌ها، قطعی و عینی برای همه ناظران است. کاسلاو بروکنر(Časlav Brukner) یک نظریه‌پرداز کوانتومی در موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی در وین است که بر احتمال بالای فرض اشتباه مطلق بودن وقایع مشاهده شده تاکید دارد. رد فرضیه مطلق بودن وقایع مشاهده شده، تفسیر استاندارد کپنهاگی را که در آن نتایج اندازه‌گیری به عنوان واقعیت‌های عینی برای همه ناظران در نظر گرفته می‌شود را در هاله‌ای از ابهام قرار می‌دهد.

چه چیزهایی باقی ماند؟ دیگر تفسیرهای کپنهاگی‌مانند؛ تفسیرهایی که بیان می‌کنند نتایج اندازه‌گیری‌ها، حقایق  مطلق و عینی نیستند. این‌ها عبارت‌اند از کیوبیسم (QBism) که تفسیر برگرفته از مکانیک کوانتومی بیزی‌گرا (Bayesianism) و مکانیک کوانتومی رابطه‌ای (RQM) است و توسط فیزیکدان کارلو روولی (Carlo Rovelli) مورد حمایت قرار گرفته ‌است. کیوبیسم اصرار دارد که حالت کوانتومی برای هر ناظر، عینی است. RQM استدلال می‌کند متغیرهایی که جهان کوانتومی را توصیف می‌کنند، مانند موقعیت یک ذره، تنها زمانی که یک سیستم با  دیگری تعامل دارد، مقادیر واقعی را بدست می‌آورند. بعلاوه، مقدار یک سیستم همیشه نسبت به سیستم دیگری  که با آن تعامل دارد، مشخص می‌شود و یک واقعیت عینی نیست.

اما تمایز میان تفسیر استاندارد کپنهاگی و انواع آن سخت است. اکنون، قضیه دوستی محلی، راهی برای جداسازی آن‌ها حداقل به دو دسته فراهم کرده است؛ کپنهاگی استاندارد در یک طرف و کیوبیسم و RQM در طرف دیگر. لیفر می‌گوید:

در اینجا شما چیزی دارید که واقعا نکته قابل ‌توجهی را می‌گوید و از یک نظر، به نحوی از کیوبیست‌های روولی حمایت می‌کند. البته، طرفداران تفسیرهای دیگر ممکن است ادعا کنند که نقض نامساوی‌ها، یکی از دو فرض دیگر (آزادی انتخاب یا موضعیت) را باطل می‌کند.

جفری باب (Jeffrey Bub)، فیلسوف فیزیک در دانشگاه مریلند (University of Maryland) که بر روی مبانی کوانتومی کار می‌کند، می‌گوید:

این تلاش برای تبدیل مکانیک کوانتومی به یک قالب کلاسیکی درست نیست. منظورمان از تلاش، درک جهان کوانتومی از طریق یک لنز کلاسیکی است. ما باید سعی کنیم نحوه تفکر خود را درمورد آنچه که از یک نظریه می‌خواهیم با توجه به آنچه مکانیک کوانتوم در واقع می‌دهد، هماهنگ کنیم. بدون اینکه بخواهیم بگوییم بسیارخوب، این به نوعی ناکافی و معیوب است. شاید به این خاطر باشد که ما با نظریه‌های مکانیک کوانتومی سروکار داریم. در این صورت، شاید اینکه یک مشاهده فقط برای یک ناظر خاص، ذهنی و معتبر است (وچیزی شبیه به «دید از هیچ کجا»ی فیزیک کلاسیکی وجود ندارد) اولین قدم ضروری افراطی باشد.