شکست انیشتین توسط دانشمندان معاصر در اثبات درهم تندیگی کوانتومی
یکی از عجیب‌ترین پدیده‌های علمی ”درهم تنیدگی کوانتومی“ است؛ پدیده‌ای که در آن دو ذره به طریقی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند که به صورت بسیار عمقی به یکدیگر متصل شده و حتی اگر به فاصله‌ی چند سال نوری از یکدیگر دور باشند، در یک وجود ”به سهیم“ میشوند.
گویا آی تی – آن طور که مشهور است انیشتین نمی‌توانست چنین ایده‌ای را قبول کند و نهایتا این طور نتیجه گرفت که چنین احتمال عجیب و غریبی هرگز نمی‌تواند درست باشد. اما در یک آزمایش جدید برای اثبات این مساله، وجود درهم تنیدگی کوانتومی با تمام قدرت ثابت شد؛ ظاهرا جهان پیرامون همان طور که انتظار داشتیم، فوق‌العاده پیچیده است.
«دیوید کایزر»، فیزیکدان دانشگاه MIT ماساچوست و یکی از اعضای تیم پژوهشی در این رابطه می‌گوید: ”فضا برای شکاکان مکانیک کوانتومی بیش از هر زمان دیگری تنگ شده است. ما از این ایده خلاص نشده‌ایم اما از لحاظ مرتبه‌ی بزرگی آن را ۱۶ برابر کوچک‌تر کرده‌ایم.
درهم تنیدگی کوانتومی در قالب یک مفهوم، یکی از دشوارترین مسائل برای اثبات است زیرا اگر چه فیزیکدانان آن را به راحتی مشاهده می‌کنند (ذرات درهم تنیده شده اساس محاسبات کوانتومی‌اند) اما حصول اطمینان از این که متغیرهای پنهان نتایج مشاهده را طوری تغییر می‌دهند که تنها این طور به نظر می‌رسد که دو ذره با یکدیگر مرتبط‌اند، غیر ممکن است.
اگر با مفهوم درهم تنیدگی کوانتومی آشنا نیستید، دو ذره را تصور کنید، فاصله‌ی آنها می‌تواند چند متر یا چند سال نوری باشد اما صرفنظر از فاصله، با یکدیگر ارتباط تنگاتنگی دارند.
به این معنی که بنا به دلایلی نامشخص این ذرات دور از هم قادر به حفظ ارتباطی ویژه با یکدیگرند و اگر یک ذره اندازه‌گیری شود، فیزیکدانان از اندازه‌های دقیق ذره‌ی شریک آن مطلع خواهند شد.
این مساله به خودی خود عجیب است اما نکته‌ی دیگری که پدیده‌ی مذکور را بیش از پیش عجیب‌تر می‌کند این حقیقت است که هیچ کدام از این ذرات دارای ویژگی‌های ”غیرقابل انتقال“ نبوده و ویژگی‌های آنها تنها در زمان اندازه‌گیری تعریف میشوند. به عبارت دیگر در حالی که هنوز موفق به شناسایی دقیق ذرات مرتبط و رابطه‌ی آنها نشده‌ایم، چگونه ذره‌ی شریک دارای ویژگی‌های قابل تعریف و مشابه ذره‌ی اصلی، دانشمندان را سردرگم کرده است.
علی‌رغم آزمایشات متعددی که در قرن گذشته برای اثبات رفتار درهم تنیدگی کوانتومی انجام شده، هیچ کس قادر به توضیح دقیق آن نیست؛ حتی انیشتین هم تا اواخر عمر با دیده‌ی شک و تردید به آن نگاه می‌کرد و با به کار بردن تعبیر ” تاثیر شبح وار از راه دور“ آن را رد می‌کرد.
انیشتین مسالهی درهم تنیدگی کوانتومی ذرات را رد نمی‌کرد اما معتقد بود وجود یک سری متغیرهای مخفی در بروز این پدیده نقش مهمی دارند.
همه‌ی اینها باعث شد «جان بل» فیزیکدان ایرلندی در دهه‌ی ۶۰ میلادی به فکر آزمایش این پدیده بیفتد؛ وی به دنبال آزمایشی بود که در آن مشخص شود آیا درهم تنیدگی واقعی رخ می‌دهد یا این که متغیر دیگری باعث رخ دادن این پدیده می‌شود.
تست‌های وی (معروف به آزمایشات نامساوی بل) شامل انجام اندازه‌گیری‌های مستقل روی هر کدام از ذرات گرفتار شده بود که نتایج آنها درستی یکی از دو احتمال موجود در رخ دادن این پدیده را مشخص می‌کرد.
«الیزابت گیبنی» گزارشگر مجله‌ی نیچر این طور توضیح می‌دهد: ”بل نشان داد که از نظر آماری روابط همبستگی میان نتایج، زمانی که بیشتر از یک محدوده‌ی خاص می‌شود، با استفاده از ذراتی که ویژگی‌های مخفی دارند، قابل توضیح نیست. در عوض به نظر می‌رسد خروجی‌های هماهنگ نتیجه‌ی اندازه‌گیری‌های یک ذره باشد که مرموزانه ویژگی‌های ذره‌ی بعدی (ذره‌ی شریک) را اصلاح کرده باشد.“
اما دانشمندان سریعا متوجه شدند که محدودیت آزمایش بل خود با محدودیتی دیگر مواجه است؛ وجود بعضی نواقص احتمال تفسیر پدیده با توضیحات غیرکوانتومی را امکان‌پذیر می‌ساخت.
یکی از این نواقص این بود که شاید ذرات در حال به اشتراک‌گذاری اطلاعات با سرعت نور بوده و ابزارهای ما برای اندازه‌گیری ارتباط آنها کُند باشند. شاید هم این مساله که استفاده از ذرات کوانتومی که احتمال مفقود شدن آنها وجود داشت، موجب تحریف نتایج نهایی آزمایش می‌شد.
این دو ایرادی که به آزمایش مذکور وارد بود بالاخره در سال ۲۰۱۵ برطرف شدند؛ در یک آزمایش تاریخی درهم تنیدگی کوانتومی از دشوارترین تست سربلند بیرون آمد و مشخص شد که هر دو فرضیه (بروز عملی درهم تنیدگی یا احتمال وجود متغیر برای رخ دادن این پدیده) در مقایسه با تاثیر شبه‌وار کوانتومی، احتمال بیشتری دارند.
اما یکی از ایرادات وارده یعنی آزادی انتخاب همچنان لاینحل باقی ماند.
هر بار که پژوهشگران آزمایش بل را انجام می‌دهند فرض بر این است که در زمینه‌ی نوع اندازه‌گیری‌هایی که روی هر جفت از ذرات فوتون (ذرات نور) گرفتار شده انجام می‌دهند، آزادی عمل دارند.
گیبنی: ”اما احتمالا یک اثر ناشناخته ذرات و نوع آزمایشات انجام شده را تحت تاثیر قرار داده و منجر به ایجاد هماهنگی در نتایج خروجی و نهایتا القای خطای حسی درهم تنیدگی می‌شود (یا از طریق اثرگذاری مستقیم روی انتخاب نوع اندازه‌گیری یا به احتمال زیاد از طریق محدودسازی گزینه‌های موجود).
به عبارت دیگر جهان را همانند رستورانی با یک منوی ۱۰ آیتمی تصور کنید.
«اندرو فریدمن» کیهان شناس و از استادان دانشگاه MIT و از مشارکت‌کنندگان پژوهش: ”شما تصور می‌کنید امکان سفارش هر کدام از ۱۰ گزینه منو را دارید اما به شما خبر می‌دهند که مثلا موجودی جوجه تمام شده است و تنها ۵ گزینه از کل آیتم‌ها را می‌توان سفارش داد. در این حالت شما همچنان آزادی انتخاب از ۵ گزینه‌ی باقیمانده را دارید اما تا قبل از این در مورد میزان آزادی انتخاب‌ها تصور نادرستی داشته‌اید.“
بنابراین زمانی که صحبت از آزمایش‌های درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌شود شاید عواملی ناشناخته، موانع، شرایط محدود کننده و قوانین طبیعی وجود داشته باشد که به هر طریق موجب محدود شدن گزینه‌های شما شوند. شاید وجود این فاکتورها باعث فریب شما شده و تصور کنیم که درهم تنیدگی کوانتومی واقعا یک پدیده است.
یکی از مقصران اصلی این سناریو جاذبه است؛ احتمالا تاثیر جاذبه تعداد اندازه‌گیری‌هایی که می‌توان روی ذرات درهم تنیده شده (گرفتار) در آزمایشات زمینی انجام می‌شود را محدود می‌کند.
چگونه می‌توان زمانی که به نظر می‌رسد خود جهان برای آزمایش این مساله علیه ماست، مشکل آزادی انتخاب را دور بزنیم؟
فریدمن: ”ما انتخاب گزینه را به خود جهان واگذار کردیم.“
در گذشته پژوهشگران با استفاده از یک ابزار تولید اعداد تصادفی به منظور انتخاب تصادفی ویژگی‌هایی که باید اندازه‌گیری شوند سعی در غلبه بر این نقیصه کرده‌‌اند؛ این کار از دخالت نظر شخصی پژوهشگران در آزمایش جلوگیری می‌کنند و آنها دیگر امکان انتخاب ویژگی‌هایی که باید اندازه‌گیری می‌شدند را نداشتند.
پژوهشگران یک جفت از ذرات کوانتومی را در جهت‌های معکوس به سمت دو ابزار ردیاب شلیک کردند و ابزار تولید اعداد تصادفی در آخرین لحظه و قبل از این که ذرات به ردیاب‌ها برسند، ویژگی‌هایی که باید اندازه‌گیری شوند را انتخاب می‌کرد.
همه‌ی اینها به این معنی است که ذرات به ندرت فرصت به اشتراک‌گذاری اطلاعات با یکدیگر را پیدا کرده و همان طور که انیشتین پیش‌بینی می‌کرد تنها این طور به نظر می‌رسید که گرفتار شده باشند.
اگر چه این آزمایش قابل اطمینان است اما تنها اثر متغیرهای پنهان در چند ثانیه قبل از شلیک ذرات پنهان را رد می‌کند.
اما اگر اتفاقات از پیش تعیین شده باشند چه؟
تیمی از پژوهشگران دانشگاه MIT، دانشگاه وین اتریش و موسساتی در چین و آلمان تصمیم به استفاده از نور ستاره به عنوان راهی برای بازگشت به گذشته (یعنی فضایی که در آن تاثیرات مخفی وجود نداشت) گرفتند.
این آزمایش شامل اختصاص دادن رنگ قرمز یا آبی به ویژگی‌هایی خاص بود که امکان اندازه‌گیری آنها در ذرات درهم تنیده شده (گرفتار) وجود داشت. دو تلسکوپ برای تشخیص نور ستاره در قالب رنگ آبی و قرمز تدارک دیده شد و هر رنگی که تشخیص داده می‌شد، ویژگی‌هایی که باید در ذرات در هم تنیده شده اندازه‌گیری شوند را مشخص می‌کرد.
اما در اینجا چه اتفاق جالبی می‌افتد؟ از آن جایی که رنگ نور ستاره در زمان عبور تغییر نخواهد کرد اگر هر گونه متغیر پنهان غیر کوانتومی در کار ذرات دخالت کرده و ویژگی‌های آن را تعیین کند، باید این کار را قبل از انتشار نور ستاره انجام دهد.
با توجه به این مساله که در آزمایش مذکور نزدیک‌ترین ستاره به زمین (به غیر از خورشید) که فاصله‌ای معادل ۵۷۵ سال نوری با ما دارد انتخاب شد، از پیش تعیین کردن (ویژگی‌ها) باید حدود ۶۰۰ سال قبل شروع می‌شده است.
کایزر: ”اگر هر گونه مکانیزم فیزیکی به هر نحوی قصد دستکاری ذرات را داشته باشد، باید در زمان انتشار نوری که ما اندازه‌گیری کردیم، روی ستاره‌ی مذکور قرار داشته باشد.“
البته این آزمایش مسالهی آزادی انتخاب را به طور کامل حل نمی‌کند اما برای اولین بار در طول تاریخ ثابت می‌کند که تاثیر شبح وار از راه دور، حداقل از ۶۰۰ سال پیش وجود داشته و حال پژوهشگران باید به دنبال راهی برای به عقب راندن بیشتر این محدودیت باشند.
فریدمن معتقد است با استفاده از نور اخترنماهایی که فاصله‌ی بسیار زیادی از زمین دارند می‌توان با اعمال تکنیکی مشابه این کار را روی ذرات در هم تنیده شده هم انجام داد. احتمالا این کار موجب خواهد شد محدودیت فعلی به میلیاردها سال عقب‌تر رانده شود.
اما بازی نهایی چه خواهد بود؟ آغاز پیدایش جهان، یعنی نظریه‌ی انفجار بزرگ یا همان بیگ‌بنگ؟
البته این دقیقا موضوعی نیست که فیزیکدانان به دنبال اثبات آن باشند.
شاید جهان از همان ابتدا آزادی انتخاب را محدود کرده باشد و هر اندازه‌گیری توسط همبستگی‌هایی که در زمان بیگ‌بنگ برقرار شدهاند، از پیش تعیین شدهاند.
«جن-اگه لارسون» یکی از فیزیکدانان دانشگاه لینکوپینگ سوئد در این رابطه می‌گوید: ابرجبرگرایی، غیرقابل ادراک است. اعضای تیم آزمایش بل هرگز قادر به کشف ارتباطاتی که قبل از پدیدار شدن ستاره‌ها، اخترستاره‌ها یا هر نور دیگری که در آسمان وجود داشته، نخواهند بود. همه‌ی اینها به این معنی است که مشکل آزادی انتخاب هرگز به طور کامل حل نخواهد شد.“
هر چند احتمالات این قضیه آن چنان زیاد و جالب‌اند که فریدمن حاضر به رها کردن پروژه نیست و همچنان آن را دنبال خواهد کرد.
فریدمن: ”ما به این مساله به دید یک معامله‌ی برد-برد نگاه می‌کنیم. یا رفته‌رفته زوایای پنهان مشکل آزادی انتخاب را روشن می‌کنیم و اطمینان بیشتری نسبت به نظریه‌ی کوانتوم کسب خواهیم کرد و یا این که درها را به روی عصر جدیدی از علم فیزیک باز خواهیم کرد.“
این پژوهش در ژونال Physical Review Letters در این آدرس منتشر شده است.