پارادوکس EPR برای اولین بار در یک سیستم بس‌ذره‌ای مشاهده شد!

تناقض اینشتین-پودولسکی-روزن یا به اختصار پارادوکس EPR یکی از چند آزمایش فکری بسیار مهمی است که با هدف به چالش کشیدن بنیان‌های فلسفی مکانیک کوانتومی در سال‌های اولیه‌ی عصر جدید مکانیک کوانتومی مطرح شد. دانشمندان با مطرح کردن این پارادوکس، پدیده‌ی ناموضعیت را ثابت کرده (تاثیر دو سیستم کوانتومی از فاصله‌ی دور بر یکدیگر) و بنابراین نتیجه می‌گیرند که مکانیک کوانتومی، نظریه‌ی ناکاملی است که برای توصیف کامل طبیعت به متغیرهای پنهان دیگری نیاز دارد. با این حال، بعدها ثابت شد که این نتیجه درست نیست و ناموضعیت، یکی از ویژگی‌های ذاتی مکانیک کوانتومی است. اکنون دانشمندان دانشگاه بازل سوییس موفق شده‌اند پارادوکس EPR را برای اولین بار در یک سیستم بس‌ذره‌ای مشاهده کنند که نتیجه‌ی آن دو روز پیش در مجله‌ی معتبر Science منتشر شده است. با دیپ‌لوک همراه باشید…

فیزیکدانان دانشگاه بازل برای اولین بار پارادوکس EPR را در سیستمی متشکل از صدها اتمی که با یکدیگر برهمکنش دارند، مشاهده کردند. این پدیده که به یک آزمایش فکری مشهور در سال ۱۹۳۵ بازمی‌گردد، پیش‌بینی دقیق نتایج اندازه‌گیری را ممکن می‌سازد و می‌تواند در حسگرها و روش‌های تصویربرداری برای میدان‌های مغناطیسی استفاده شود. چگونه می‌توانیم نتایج حاصل از اندازه‌گیری سیستم‌های فیزیکی را با دقت پیش‌بینی کنیم؟ در دنیای ذرات کوچک که توسط قوانین فیزیک کوانتوم کنترل می‌شود، محدودیتی بنیادی برای دقت چنین پیش‌بینی‌هایی وجود دارد که توسط اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان می‌شود: پیش‌بینی همزمان نتایج اندازه‌گیری مکان و تکانه‌ی ذره یا اندازه‌گیری دو مولفه‌ی یک اسپین، با دقت دلخواه غیرممکن است.

کاهش متناقض عدم قطعیت

با وجود اصل عدم قطعیت، اینشتین به همراه پودولسکی و روزن در سال ۱۹۳۵، یک مقاله مشهور منتشر کردند که در آن نشان داده بودند پیش‌بینی‌های دقیق، بصورت نظری و تحت شرایط معینی، امکان‌پذیر است. آنها برای اینکار، دو سیستم A و B را در نظر گرفتند که درهم‌تنیده بودند. حالت درهم‌تنیده به وضعیتی اطلاق می‌شود که ویژگی‌های دو سیستم به شدت به یکدیگر مربوط و همبسته می‌شوند. در این مورد، نتایج حاصل از اندازه‌گیری سیستم A می‌تواند برای پیش‌بینی نتایج اندازه‌گیری متناظر بر روی سیستم B با دقت دلخواه استفاده شود. با وجود اینکه دو سیستم بصورت مکانی از یکدیگر جدا هستند، ولی این کار امکان‌پذیر است. تناقض اینجاست که یک ناظر می‌تواند از نتایج اندازه‌گیری سیستم A برای توصیف سیستم B، با دقتی بیشتر از خود ناظر سیستم B که مستقیما به سیستم B دسترسی داشته ولی به سیستم A دسترسی ندارد، استفاده کند.

اولین مشاهده در یک سیستم بس ذره‌ای

محققان در آزمایش‌های گذشته،‌ از نور یا اتم‌های مجزا استفاده می‌کردند که این ایده، توسط مطرح‌کنندگان پارادوکس EPR پیشنهاد شده بود. اکنون فیزیکدانان دانشگاه بازل توانسته‌اند برای اولین بار، این پارادوکس را با استفاده از یک سیستم بس ذره‌ای، متشکل از چند صد اتم برهمکنش‌کننده مشاهده کنند. در این آزمایش از یک لیزر برای سرد کردن اتم‌ها تا دمایی که فقط چند میلیاردم درجه از صفر مطلق بالاتر بود، استفاده شد. در چنین دمایی، اتم‌ها کاملا بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی رفتار کرده و حالتی به نام چگالیده‌ بوز-اینشتین را به وجود می‌آورند که اینشتین در مقاله‌ای در سال ۱۹۲۵، آن را پیش‌بینی کرده بود. در این ابر بسیار سرد، اتم‌ها بطور مرتب به یکدیگر برخورد می‌کنند و این برخوردها باعث درهم تنیدگی اسپین آن‌ها می‌شود.

سپس دانشمندان، اسپین را در ناحیه‌هایی که بصورت فضایی جدا بودند، اندازه‌گیری کردند. آنها به لطف تصویربرداری با دقت بالا توانستند همبستگی اسپین بین ناحیه‌های جدا شده را بطور مستقیم اندازه‌گیری کرده و همچنین به طور همزمان، اتم‌ها را در مکان‌های به دقت تعریف شده قرار دهند. با این آزمایش، محققان موفق به استفاده از اندازه‌گیری در یک ناحیه برای پیش‌بینی نتایج حاصل از اندازه‌گیری متناظر در ناحیه‌ی دیگر شدند. آنها می‌گویند:

نتایج اندازه‌گیری در دو ناحیه، به شدت به یکدیگر همبسته بودند و این امکان را فراهم کردند تا پارادوکس EPR را نشان دهیم. بسیار حیرت‌آور است که چنین پدیده‌ی بنیادی فیزیک کوانتومی را در سیستم‌های بزرگ‌تر نیز مشاهده کنیم. در عین حال، آزمایش‌های ما توانست بین دو مقاله از مهم‌ترین کارهای اینشتین نیز ارتباط برقرار کند.

دانشمندان به کاربردهای احتمالی کشف خود فکر می‌کنند، مثلا همبستگی‌هایی که در قلب پارادوکس EPR قرار دارند، می‌توانند برای بهبود حسگر‌های اتمی و روش‌های تصویر برداری برای میدان‌های مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند.