مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ - قسمت پانزدهم

پارادوکس‌های کوانتومی

آزمایش ذهنی شرودینگر با شیئی کوانتومی شروع می‌شود که در حالت برهم‌نهی قرار دارد. اینکه آن حالت از چه نوعی است، نیز اهمیتی ندارد. می‌تواند هر انتخاب دودویی باشد: می‌تواند اتمی با اسپین بالا/اسپین پایین بوده یا فوتونی باشد که در آن واحد قطبش‌های عمودی و افقی داشته باشد. خلاصه هر چیزی که شیئی را به انتخاب یکی از دو مقدار صفر یا یک وادارد.

اما در مورد این مثال بیایید فرض کنیم با الکترونی سر و کار داریم که به یک شکافنده‌ی باریکه برخورد کرده و همزمان دو مسیر را برمی‌گزیند. هر دو مسیر به جعبه‌ای منتهی می‌شوند (فرض کنید درون جعبه یک گربه قرار دارد). مسیر اول بن‌بست است. اگر الکترون از این مسیر عبور کند هیچ اتفاقی نمی‌افتد. یعنی صفر. اما مسیر دوم به یک آشکارساز الکترونی ختم می‌شود. وقتی الکترون به آشکارساز برخورد می‌کند، آشکارساز سیگنالی را به یک موتور الکتریکی می‌فرستد که چکشی را به حرکت در می‌آورد. چکش بطری کوچکی که حاوی نوعی سم بوده و درون جعبه قرار داشته را می‌شکند و این سم گربه را می‌کشد.

به برکت اصل برهم‌نهی، الکترون در یک زمان از هر دو مسیر اول و دوم عبور خواهد کرد. بنابراین الکترون هم به آشکارساز برخورد کرده و هم برخورد نخواهد کرد. یعنی چکش هم بطری حاوی سم را می‌شکند و هم نمی‌شکند و همه اینها در یک زمان اتفاق می‌افتد. قوانین مکانیک کوانتومی حاکی از آنند که گربه در یک نوع حالت برهم‌نهی قرار دارد: به عبارتی در آن واحد هم زنده است و هم مرده. یک حالت گرگ و میش از زندگی. اما این حالت چطور ممکن است؟ اما صبر کنید. این حالت برهم‌نهی تا زمانی می‌تواند ادامه یابد که کسی درب جعبه را باز نکرده باشد. به محض آنکه کسی راجع به گربه اطلاعاتی استخراج کرد، برهم نهی، یا به بیان شرودینگر، تابع موج گربه فرو می‌افتد. یعنی گربه یکی از دو حالت مرده یا زنده بودن را برمی‌گزیند و به ناگاه یکی از آن دو را به خود می‌گیرد.

هنگامی که شرودینگر آزمایشش را پیشنهاد کرد، می‌دانست که پیامد آن چیز احمقانه و فاقد کیفیت و جدیت خواهد بود. اشیاء ماکروسکوپی مثل گربه به مانند اشیاء کوانتومی همچون الکترون رفتار نمی‌کنند. و خنده‌دار است که بیندیشیم که موجودی می‌تواند در آن واحد هم زنده باشد و هم مرده. اگر ریاضیات مکانیک کوانتومی می‌گوید که چنین چیزی رخ می‌دهد، پس چرا ما وقتی در خیابان راه می‌رویم مانند آدمهایی نیستیم که هم مرده‌ایم و هم زنده؟ آنچه ما را از مشاهده برهم‌نهی در اجسام بزرگ مانند توپ بیس‌بال و ماشین و گربه باز می‌دارد، چیست؟

برخی فیزیک‌دانان پیشنهاد کرده‌اند که چیز اساسا متفاوتی وجود دارد که دنیای کوانتومی را از دنیای کلاسیکی جدا می‌کند. برخی گمان می‌کنند یک حد اندازه خاص وجود دارد که در آن به دلیلی قوانین مکانیک کوانتومی دیگر کار نمی‌کنند و قوانین کلاسیک جای آن را می‌گیرند. تا آنجا که آزمون‌گران می‌توانند اظهار نظر کنند، چنین مرز جداکننده‌ای وجود ندارد. دانشمندان مدتها است اشیاء بزرگ و بزرگ‌تر را به حالت برهم‌نهی می‌برند. برای مثال، فیزیکدانی همچون آنتون زایلینگر در دانشگاه وین اتریش مدتی است مشغول معادل‌سازی آزمایش گربه‌ی شرودینگر با مولکول‌های بزرگی موسوم به فولرین‌هاست. این فولرین‌ها مولکول‌های فقسی‌شکل و کروی هستند که محتوی شصت یا کمی بیشتر اتم کربن می‌باشند. بر حسب استاندارهای کوانتومی، این مولکول‌ها واقعا غول‌آسا محسوب می‌شوند. با این همه وقتی زایلینگر، فولرین‌ها را به میان ساختار رنده‌ای شکل شلیک می‌کند، هرکدام مسیری چندگانه را به سمت آشکارساز در پیش می‌گیرند. هرچند این مولکول‌ها بسیار از اتم‌ها و الکترون‌ها و فوتون‌ها بزرگترند، اما می‌توان آنها را به برگزیدن همزمان دو مسیر وا داشت: آنها مجبور به رفتن به حالت برهم‌نهی می‌شوند. تا امروز دانشمندان نتوانسته‌اند حد اندازه‌ای را برای قوانین نظریه‌ی کوانتومی بیابند. هرچیزی در این عالم باید به نوعی در معرض آن قوانین قرار داشته باشد.

پس با این حساب می‌رسیم به یک پارادوکس. ظاهراً ریاضیات نظریه‌ی کوانتومی حاکی از آن است که دانشمندان باید قادر باشند حتی اجسام بزرگی مانند توپ بیس‌بال و گربه‌ها را هم در حالت برهم‌نهی قرار دهند. اما به باور ما بی‌معنی است که بتوان توپ بیس‌بال را در آن واحد در دو مکان قرار داد.
اگر قوانین مکانیک کوانتومی برای اشیاء میکروسکوپی به کار می‌روند، چرا اشیاء ماکروسکوپی مانند میکروسکوپی‌ها عمل نکنند؟ دست کم این قدری معنی می‌دهد. چنین تخطی‌ای از عقل سلیم باید یک نظریه را زیر می‌کشاند، اما این تنها پارادوکس از این دست نبود. اینشتین از کمیات ظاهراً متناقض مکانیک کوانتومی به طرز ناخوشایندی متنفر بود و بارها و بارها سعی کرد نظریه‌ای را که خود به خلق آن کمک کرده‌ بود از بین ببرد. او تقریبا موفق شده بود …

ادامه دارد …

منبع: کتاب کشف رمز عالم، مقدمه‌ای بر نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی، نوشته‌ی چارلز سیف، ترجمه‌ی دکتر میثم تهرانی

نقل از بیگ بنگ

مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ:

 بخش 1 - بخش 2- بخش 3 - بخش 4 - بخش 5 - بخش 6 - بخش 7 - بخش 8 -

 بخش 9 - بخش 10 - بخش 11 - بخش 12 - بخش 13 - بخش 14 - بخش 15

بخش 16

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات