وقتی مکانیک کوانتومی خیلی عجیب می‌شود!

MacTavish · 19/10/19

بیگ بنگ: در تابستان ۱۹۳۵، دو فیزیکدان به نام‌های آلبرت اینشتین و اروین شرودینگر مکاتبات چندجانبه و مفیدی دربارۀ پیامدهای نظریه جدید «مکانیک کوانتومی» انجام دادند. آنها عمدتا از مسئله‌ای ابراز نگرانی میکردند که بعدها شرودینگر آن را “درهم تنیدگی” نامید: یعنی ناتوانی در توصیف دو سیستم کوانتومی یا ذرات مستقل، که برهمکنش میان آنها ایجاد می شود.

به گزارش بیگ بنگ، اینیشتین تا زمان مرگش نسبت به این موضوع متقاعد بود که درهم تنیدگی میتواند نشان دهد که مکانیک کوانتومی ناقص است. شرودینگر این فکر را در سر داشت که درهم تنیدگی یکی از ویژگی‌های مهم فیزیک نوین است، اما بدان معنا نیست که آن را به سادگی پذیرفت. شرودینگر در روز سیزدهم جولای ۱۹۳۵ در نامه‌ای به اینشتین نوشت: «من میدانم که چطور میتوان شعبده بازی را با اصول ریاضی انجام داد.»

گربۀ معروف شرودینگر که در حالتی بین مرگ و زندگی قرار دارد، برای نخستین‌بار در همین نامه‌ها مطرح شد. مشکل اینجاست که “درهم تنیدگی” قوانین مربوط چگونگی کارکرد جهان را نقض می کند. اطلاعات نمی تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. اما در مقالۀ سال ۱۹۳۵، اینشتین و همکارانش نشان دادند که “درهم تنیدگی” چگونه منجر به «غیرمحلی بودن کوانتوم» می‌شود. این ارتباط نامتعارف ظاهرا در میان ذرات درهم‌تنیده وجود دارد.

اینشتین دریافت که براساس نظریه کوانتومی باید مابین ذراتی که حداقل یکبار با یکدیگر برهمکنش داشته‌اند، نوعی ارتباط درونی برقرار شود، به گونه‌ای که اگر ویژگی‌های کوانتومی یکی از این ذرات را تغییر دهیم، مابقی آنها صرف نظر از اینکه در چه فاصله‌ای از ذرۀ اول قرار گرفته‌اند- و مثلا یک متر با ذره مزبور فاصله دارند یا یک میلیارد سال نوری- بلافاصله و بطور آنی از این تغییر، تاثیر می پذیرد! تا به امروز، اکثر آزمایش‌ها “درهم‌تنیدگی” را بررسی کرده‌اند. فرض این است که بخش غیرمحلی(Non-local) از مفهوم «غیرمحلی بودن کوانتوم» به درهم تنیدگی ویژگی‌ها در فضا اشاره دارد. اما چه می‌شود اگر درهم تنیدگی در زمان روی دهد؟ آیا چیزی به نام «غیرمحلی بودن زمان» هم وجود دارد؟

خب جواب این سوال، «بله» است. درست زمانیکه فکر می‌کردید “مکانیک کوانتومی” نمیتواند عجیب‌تر از حالت ممکن نشود، تیمی از فیزیکدانان در دانشگاه اورشلیم در سال ۲۰۱۳ اعلام کردند که توانسته‌اند بطور موفقیت‌آمیز فوتون‌هایی را که هرگز با یکدیگر همزیستی نداشتند، را با درهم تنیدگی به هم مرتبط کنند. آزمایش‌های قبلی که شامل روشی به نام «تعویض درهم تنیدگی» (entanglement swapping) بود، توانست همبستگی کوانتومی را در پهنه زمان نشان دهد؛ این عمل با تاخیر اندازه‌گیری یکی از ذرات درهم‌تنیده که همزیستی داشت، صورت گرفت. با این حال، اِلی مگیدیش و همکارانش جزو اولین کسانی بودند که درهم تنیدگی کوانتومی را میان فوتون‌هایی که طول عمرشان همپوشانی نداشت، نشان دهند.

خب در اینجا میخواهیم توضیح دهیم محققان چگونه چنین کاری انجام دادند. آنان در ابتدا جفت فوتون درهم تنیده‌ را ایجاد کردند. بعد، خیلی زود به اندازه‌گیری پولاریزاسیون(قطبش) فوتون ۱ پرداختند. در همین میان، فوتون ۲ گویی آب در هاون کوبیده باشد، کارایی‌اش را از دست داد. سپس جفت فوتون جدیدی (۳ و ۴) ایجاد شد. فوتون ۳ به همراه فوتون ۲ به گونه‌ای اندازه‌گیری شد که رابطۀ درهم‌تنیدگی از جفت‌های قدیمی (۱ و ۲) به ۲ و ۳ تغییر پیدا کرد.

مدتی بعد، قطبش فوتون ۴ مورد اندازه‌گیری قرار گرفت. در نهایت، نتایج ِ بدست آمده با نتایج مربوط به نتایج ِ فوتون ۱ که مدت‌ها پیش کارآیی خود را از دست داده و کنار گذاشته شده بود، مقایسه شد. داده‌ها از وجود همبستگی‌های کوانتومی میان فوتون‌های ۱ و ۴ حکایت داشت. لذا درهم تنیدگی میتواند در دو سیستم کوانتومی که هرگز همزیستی نداشتند، به وقوع بپیوندد.

این نتایج چه معنایی دارد؟

به همین اندازه مشکل‌ساز است که بگوییم قطبیت(polarity) نور خورشید در گذشته‌ای دور بر قطبیت نوری که به تلسکوپ شما در زمستان امسال برخورد می کند، تاثیر گذاشته است. حتی نکتۀ عجیب‌ این است که بگوییم شاید اندازه‌گیری‌های انجام شده با چشم دربارۀ نور ِ خورشیدی که زمستان ِ امسال به تلسکوپ‌تان برخورد می کند، تا حدودی قطبیت فوتون‌هایی با بیش از ۹ میلیارد سال پیش را نشان می دهد.

خب این مسائل قدری پیچیده به نظر می رسند. اینشتین در زمان ِ ارائه نظریه نسبیت خاص، مفهوم همزمانی را از جنبه نیوتنی ِ آن رد کرد. متعاقبا، مفهوم همزمانی به یک امر نسبی تبدیل شد. وقتی چیزی در حال اتفاق افتادن است، این مسئله به موقعیت دقیق ِ شما نسبت به آن چیزی که مشاهده می کنید، بستگی دارد. پس کلید ِ اجتناب از رفتار عجیب عِلّی در مورد تفکیک زمانی، پذیرش ِ این امر است که وقتی مفهوم «همزمان» را برای رویدادها به کار می‌بریم، بار ریاضی ناچیزی دارد.