گربه های شرودینگر همواره در دنیای کوانتومی مورد بحث بوده‌اند، اما بچه گربه های شرودینگر حتی از آنها هم عجیب‌تر و چالش‌برانگیزترند. آنها به مرز دنیای کوانتومی و دنیای کلاسیکی تعلق دارند، جاییکه هنوز برایمان ناشناخته است. آزمایش‌های اخیر نشان داده‌اند علم کوانتوم فقط مختص ذراتی با مقیاس اتمی نیست. با دیپ لوک همراه باشید…
بچه گربه‌های شرودینگر هیچ‌گاه جذاب نبوده‌اند و آخرین آنها نیز از این قاعده مستثنی نیست. تصاویری از ابرهای کدر اتم‌های منجمد یا نوارهای میکروسکوپی سیلیکونی آنقدر جذاب نیستند که در اینترنت پخش شوند، اما این اجسام عجیب، ارزش توجه را دارند، زیرا با شفافیت بی‌سابقه‌ای نشان می‌دهند که مکانیک کوانتومی تنها فیزیک ذرات بسیار ریز نیست.
بچه گربه های شرودینگر (Schrödinger’s kittens)، اشیایی هستند که از نظر اندازه بین مقیاس اتمی (که مکانیک کوانتوم اساسا برای شرح آن توسعه یافته) و گربه‌ای که اروین شرودینگر برای اشتباه بودن این نظریه استفاده کرد ،قرار دارند. این سیستم‌ها شاید در حدود اندازه یک ویروس یا باکتری و متشکل از هزاران یا حتی میلیاردها اتم بوده و بنابراین بسیار بزرگتر از مقیاس‌های متداول کوانتومی هستند و ویژگی‌های مکانیکی مزوکوپیک (mesocopic) را نشان می‌دهند. آنها برای جواب به این سوال که یک سیستم تا چه بزرگی و اندازه‌ای هنوز خواص کوانتومی از خود نشان می‌دهد، طراحی شده‌اند.
براساس آخرین نتایج جواب اینگونه است: بسیار بزرگ. دونوع آزمایش متفاوت که هر یک توسط چندین گروه به صورت مستقل انجام شده‌اند، نشان داده‌اند که تعداد زیادی از اتم‌ها می‌توانند در حالت های کوانتومی به گونه‌ای تجمعی قرار گیرند، به طوری که نمی توانیم به راحتی بگوییم که سیستم دارای این نوع خواص است یا نوعی دیگر. در یک نوع از آزمایش‌ها، این به معنی درهم تنیدگی دو ناحیه از ابر اتم های سرد است که منجر به وابستگی خواص آنها به یکدیگر (بدون توجه به جدایی فضایی آنها) می‌شود. دانشمندان در آزمایش دیگر روی اجسام مرتعش میکروسکوپی یا به اصطلاح برهم‌نهی حالت‌های ارتعاشی مانور داده‌اند. هر دو نتیجه برای گربه بدنام شرودینگر یکسان‌اند: در حالی که در جعبه خود مخفی شده، در برهم‌نهی حالت‌های مرده و زنده قرار دارد.
از اوایل قرن بیستم تا کنون که نظریه‌ی کوانتومی گسترش یافته، این سوال که چگونه قوانین مکانیک کوانتومی به قوانین کاملا متفاوت مکانیک کلاسیک (که در آن اجسام، خوش‌تعریف بوده و خواص ،موقعیت‌ها و مسیرها کاملا مشخص‌اند) تبدیل می‌شوند، دانشمندان را گیج کرده است.
آیا تفاوت‌های اساسی بین اجسام کلاسیکی بزرگ و اجسام کوانتومی کوچک وجود دارد؟ این معمای به اصطلاح تبدیل کوانتوم-کلاسیک در یک مدل نمادین با آزمایش فکری شرودینگر مشخص شد. آن طور که نشان داده می‌شود گربه‌ی بیچاره، بیشتر با یک غول اشتباه گرفته شده است. دیدگاه شرودینگر، برخلاف آنچه اغلب به نظر می‌رسد، بی ارتباط بودن مکانیک کوانتومی با مقیاس‌های روزمره نبوده است. گربه، نتیجه مکاتبات بین شرودینگر و اینشتین بود، درست بعد از آنکه اینشتین به تفسیرهای مکانیک کوانتومی که توسط نیلز بور و همکارانش ارائه می‌شد، انتقاد کرد.
بور بیان کرد که مکانیک کوانتومی ما را مجبور به پذیرش این نتیجه می‌کند که تنها با اندازه‌گیری است که خواص اجسام کوانتومی مانند الکترون‌ها خوب تعیین می‌شوند، اما برای اینشتین این منطقی نبود که عناصر واقعیت برای هست شدن به مداخله آگاهانه ما وابسته باشند. او در سال ۱۹۳۵ با دو همکار جوان خود، پودولسکی و روزن، یک آزمایش فکری پیشنهاد داد که روشن می‌کرد که این تفسیر، غیرممکن است. هر سه آنها (EPR) بیان کردند ذرات می‌توانند در حالت‌هایی الزاما وابسته به هم ایجاد شوند، به بیان دیگر اگر یکی از آنها مقدار ویژه‌ای برای یک خاصیت داشته باشد، دیگری باید مقدار ویژه دیگر را بگیرد. در مورد دو الکترونی که خاصیتی به نام اسپین دارند، اگر یک الکترون اسپین بالا داشته باشد، الکترون دیگر اسپین پایین را دارد.
در این مورد بر اساس بیان اینشتین و همکارانش، اگر حق با بور باشد و جهت واقعی اسپین‌ها با اندازه‌گیری مشخص شود، وابستگی بین دو اسپین بدین معنی است که اندازه‌گیری یکی از اسپین‌ها سریعا جهت‌گیری دیگری را مشخص می‌کند (میزان دوری ذرات از هم مهم نیست). اینشتین این ارتباط را کنش شبح‌وار در فاصله‌ی دور نامید. ولی چنین پدیده‌ای غیرممکن است زیرا نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین نشان می‌دهد که هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از نور حرکت کند.
شرودینگر این وابستگی بین ذرات را درهم‌تنیدگی نامید. آزمایش‌های سال ۱۹۷۰ نشان دادند که این یک پدیده ی کوانتومی حقیقی است. ولی این بدین معنا نیست که ذرات کوانتومی می‌توانند به هر نحوی در یکدیگر مستقیما نفوذ کنند. در واقع خواص یک تک ذره‌ی کوانتومی در یک مکان ثابت در فضا، لزوما معلوم نیستند، بلکه احتمالا غیر مستقرند: کاملا مشخص است که با ذرات دیگری در هر جایی از فضا ذر ارتباط‌اند. به نظر می‌رسد این پدیده، درک شهودی ما از فضا و فاصله را تضعیف می‌کند.
گربه‌ی شرودینگر از تفکر عمیق شرودینگر بر روی تنوع درهم تنیدگی EPR شکل گرفت. او می‌خواست نشان دهد چگونه ایده بور (هیچ چیز تا وقتی که اندازه‌گیری شود، معلوم نیست)، اگر بخواهیم درهم تنیدگی را تا مقیاس روزمره پیش ببریم، می‌تواند منجر به یک اشتباه منطقی شود. آزمایش فکری او یک گربه‌ی بیچاره را در جعبه‌ی بسته قرار می‌دهد با شیشه‌ای کوچک از سمی کشنده که با یک ذره کوانتومی درهم تنیده شده است. اگر اسپین الکترون، بالا باشد، می‌تواند شیشه را بشکند، ولی اگر اسپین پایین داشته باشد شیشه نمی‌شکند. پس شما می‌توانید الکترون را در برهم‌نهی حالت‌هایی داشته باشید که در آن احتمال اینکه اسپین بالا و پایین از یک اندازه‌گیری به دست بیاید، وجود دارد. ولی اگر اسپین قبل از اندازه‌گیری، نامعلوم است، هیچ راهی وجود ندارد که شما به طور معناداری بگویید او زنده است یا مرده.
دیدگاه شرودینگر فقط این نبود که قوانین کوانتومی وقتی در ابعاد روزمره به کار می‌روند، منجر به نتایج مهمل می‌شوند (شما برای این موضوع اصلا نیاز به یک گربه ندارید)، بلکه او می‌خواست یک اثبات محکم پیدا کند که چگونه به تعویق انداختن تعیین یک حالت قطعی (زنده یا مرده) تا زمانی که اندازه‌گیری انجام شود (با بازکردن جعبه و نگاه کردن) منجر به پیامدهایی می‌شود که به نظر می‌رسد، از نظر منطقی درست نیست.
برای بور به نظر می‌رسید که سناریوی رد شده اندازه‌گیری، مانند باز کردن جعبه و نگاه کردن به گربه، همیشه فرآیندی ماکروسکوپی و کلاسیک است، بنابراین قوانین کوانتومی دیگر کاربرد ندارد، اما چگونه اندازه‌گیری، تبدیل جادویی از مکانیک کوانتوم به کلاسیک را تایید می‌کند؟
به جای این همه بحث چرا این آزمایش انجام ندهیم؟ مشکل اینجاست در حالی که شرودینگر خیلی راحت می‌توانست با درهم تنیده کردن گربه با مقیاس‌های اتمی، یک گربه‌ی کوانتومی بسازد، به هیچ وجه واضح نیست که چگونه می‌توانیم چنین کاری را در عمل انجام دهیم. اصلا برهم نهی زنده و مرده در دنیای کوانتومی، چگونه ترجمه می‌شود؟ اما با تکنیک‌های مدرن می‌توانیم برهم‌نهی کوانتومی اجسام نسبتا بزرگ را به خوبی تعریف کرده (نه به بزرگی یک گربه ولی بزرگتر از اتم‌های تک) و خواص آنها را مشخص کنیم. این همان چیزی است که بچه گربه‌های شرودینگر به خاطرش متولد می‌شوند!
ادامه دارد…
