تکنولوژی

چندین دهه، از طراحی آزمایش ذهنی معروف گربه‌ی شرودینگر در سال ۱۹۳۵ می‌گذرد. اکنون دو فیزیکدان با بازنگری در آن و طراحی یک آزمایش جدید، بار دیگر مکانیک کوانتومی را با چالش مواجه کرده‌اند.

به ده‌ها سال پیش باز می‌گردیم، زمانی که اروین شرودینگر یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌های ذهنی جهان را طراحی کرد. آزمایش این فیزیکدان اتریشی که بعدها به نام گربه شرودینگر نیز شهرت یافت چنین بود:

گربه‌ای در جعبه‌ای دربسته زندانی است. در این جعبه یک شیشه گاز سیانور، یک چکش، یک حسگر پرتوزا و یک منبع پرتوزا نیز وجود دارد. ذرات پرتوزا به‌صورت نامنظم تابش می‌کنند و به‌همین دلیل برای آن‌ها نیمه عمر در نظر می‌گیریم. حال فرض می‌کنیم حسگر و چکش طوری تنظیم شده باشند، که در صورت تابش موج پرتوزا بین ساعت ۱۲ و ۱۲:۰۱، چکش شیشه حاوی گاز را شکسته و گربه بمیرد.

بدین ترتیب اگر از طریق فرمول نیمه عمر منبع، احتمال تابش میان این دو زمان را ۵۰ درصد در نظر بگیریم، شانس گربه برای زنده ماندن نیز ۵۰ درصد خواهد بود. یعنی گربه داخل جعبه در هنگام برداشتن در جعبه ۵۰ درصد زنده و ۵۰ درصد مرده است، اما هنگامی که در جعبه را بر می‌داریم، متوجه میشیم که تنها یکی از این دو حالت اتفاق افتاده است، به‌عبارتی دیگر در فاصله‌ی یک لحظه، احتمال به یقین تبدیل می‌شود.

که این امر با قوانین موجود در مکانیک کوانتوم، دچار تضاد است و به‌نوعی یک پارادوکس محسوب می‌شود.

اکنون، دو فیزیکدان گونه‌ی نوینی از این آزمایش ذهنی را طراحی کرده‌اند، که در آن به جای گربه یک فیزیکدان قرار می‌دهند و به نتایج عجیب و غریبی رسیده‌اند.

تاریخ فیزیک کوانتوم، مملو از آزمایش‌های ذهنی است، اکثر این آزمایش‌ها به‌منظور هدف گرفتن نقاط ضعف مکانیک کوانتوم طراحی شده و موجب اصلاح بسیاری از تفسیرهای مربوط به کوانتوم شده‌اند.

اما در آخرین آزمایش، که افراد متعددی نیز در آن حضور دارند به‌معنای واقعی کلمه غیرعادی است.

این بررسی نشان می‌دهد، که اگر تفسیر استاندار و معمول از فیزیک کوانتوم را صحیح در نظر بگیریم، آن‌گاه آزمایشگرهای متفاوت به نتایجی کاملا خلاف آن‌چه که فیزیکدان درون جعبه به دست آورده، دست پیدا می‌کنند. این بدین معناست که نظریه‌ی کوانتوم خودش را نقض می‌کند.

مکانیک کوانتوم

این آزمایش انتزاعی بیش از دو سال نقل تمامی محافل فیزیکدان‌ها بوده است و با وجود اینکه در دهه‌های اخیر، جهان فیزیک به رویارویی با اتفاقات و نتایج عجیب عادت کرده است، بیشتر پژوهشگران  این بحث را بدون حصول نتیجه‌ی مطلوبی رها کرده‌اند.

متیو لیفر، فیزیکدان نظری دانشگاه Chapman واقع در Orange, California درباره‌ی این آزمایش چنین می‌گوید:

از نظر من این آزمایش و نتایج مربوط به آن، سطح جدیدی از مفاهیم عجیب را به روی ما گشوده است.

پدیدآورندگان این اثر، دنیلا فراشیگر و رناتو رنر از انستیتو تکنولوژی فدرال زوریخ (ETH) اولین نسخه از این استدلال را در اردیبهشت سال ۱۳۹۵ به‌صورت آنلاین منتشر کردند. نسخه‌ی نهایی این مقاله در ۱۸ سپتامبر امسال در مجله‌ی معتبر Nature Communications  منتشر شد.

جهان جادویی

مکانیک کوانتوم تقریبا تمامی مطالب فیزیک نوین را در بر می‌گیرد و تمامی مباحث مهم فیزیک را از مباحثی بنیادی نظیر، ساختار اتم‌ها تا مفاهیمی قابل لمس‌تر نظیر، دلیل اینکه چرا آهن‌رباها یک‌دیگر را جذب می‌کنند، توضیح می‌دهد. اما مفاهیم ذهنی و انتزاعی آن همچنان پژوهشگران را از رسیدن به پاسخ‌هایی دقیق باز می‌دارد.

معادلات مربوط به مکانیک کوانتوم، نمی‌تواند نتیجه‌ی آزمایش را به‌صورت دقیق پیش‌بینی کند. به‌طور مثال، ما هیچ‌وقت نمی‌توانیم مکان دقیق یک الکترون را شناسایی کنیم و تنها می‌توانیم درباره‌ی احتمال حضور آن در مکان موردنظر حرف بزنیم.

اشیا کوانتومی نظیر، الکترون‌ها در هاله‌ای از عدم قطعیت زندگی می‌کنند و در ریاضیات آن‌ها را با تابع موج نشان می‌دهیم. تغییر شکلی که این امواج انجام می‌دهند، به آرامی و مانند موج‌های دریا است. اما هنگامی که یکی ویژگی یا خاصیت نظیر موقعیت الکترون اندازه‌گیری می‌شود، این تابع همواره یک مقدار دقیق را به ما می‌دهد و اگر بلافاصله بار دیگر اندازه‌گیری کنیم، دوباره همان مقدار قبلی را به ما می‌دهد.

در دهه‌ی ۱۹۲۰ میلادی، دو نفر از پیشگامان نظریه‌ی کوانتوم، یعنی نیلز بوهر و ورنر هایزنبرگ یکی از معروف‌‌ترین و مهم‌ترین فرمول‌بندی‌های مربوط به تابع موج را ارائه دادند و آن را تفسیر کپنهاگی (دانشگاهی که هر دو فیزیکدان در آن حضور داشتند) نامیدند. طبق این نظریه، ذره واقعا جایی نبوده است، سنجش باعث شده است که ذره در جایی باشد، به‌معنای دیگر مشاهدات ما تنها آن چیزی که را باید اندازه‌گیری شود، آشفته می‌سازند بلکه آن را ایجاد می‌کنند، در حقیقت ما ذره را وا می‌داریم، تا مکان مشخصی را اختیار کند.

تفسیر کپنهاگی این سوال بنیادی را که چرا قوانین موجود در فیزیک کلاسیک و اندازه‌گیری‌های آن متفاوت با جهان کوانتوم و دنیای اتم‌ها است، بی‌پاسخ می‌گذارد. اما در عین حال این اطمینان را می‌دهد، که گرچه اشیا کوانتومی در حالت‌های غیرقطعی وجود دارند؛ اما مشاهدات تجربی در قلمروی جهان کلاسیک اتفاق می‌افتد و نتایجی یکنواخت می‌دهد.

اکنون فراشیگر و رنر این موقعیت امن و راحت فیزیکدانان را به لرزه در آوره‌اند. استدلال نظری آن، بیان می‌کند، که تفسیر کپنهاگی به مانند بسیاری از تفسیرهای دیگر، که برخی مفروضات اولیه خود را به اشتراک می‌گذارند، دچار مشکل ناهمگونی و متنناقض است.

درون جعبه چیست؟

همان طور که در ابتدای مقاله نیز اشاره کردیم، آزمایش معروف گربه‌ی شرودینگر که در سال ۱۹۳۵ مطرح شد، مبتنی بر حضور یک گربه درون جعبه‌ای سر بسته(آغشته به سم) و بررسی احتمال زنده‌ ماندن گربه و در نهایت گشودن جعبه و مشاهده وضعیت گربه است. آزمایش شرودینگر این موضوع مهم را مطرح می‌کرد، که در کسری از ثانیه تمامی احتمالات زنده ماندن یا نماندن گربه به بقین تبدیل می‌شود و گربه یا زنده است یا مرده!

منبع: zoomit