کوانتوم و اراده‌ی آزاد انسان!
مجله علمی ایلیاد - مکانیک کوانتومی، ذاتی آماری دارد؛ چرا که می‌تواند احتمال آزاد شدن یک ذره‌ی آلفا از هسته را در زمانی مشخص به شما بگويد؛ اما زمان و نحوه‌ی دقیق وقوع آن را نمی‌تواند پیش‌بینی کند. در روزهای نخستِ شکوفایی مکانیک کوانتومی، این مسئله حیرت بسیاری از دانشمندان مثل انیشتین را برانگیخته بود. انیشتین و سایر دانشمندان، نظریه‌ای موسوم به «نظریه‌ی متغیر پنهان» را پیشنهاد کردند تا تصادفات را بار دیگر وارد دنیای کوانتومی کنند.
در اصل، ساز و کارهایی درون هسته وجود دارد که به آزادسازی قطعی ذره‌ی آلفا منجر می‌شود، اما ما نمی‌توانیم آنها را ببینیم. به همین منظور، برای ما تصادفی به نظر می‌رسند. با این حال، فیزیک‌دانی به نام «جان بِل» در سال ۱۹۶۴ میلادی مقاله‌ی مشهوری را منتشر کرد که در آن مدعی شد هیچ نظریه‌ی متغیر پنهانی نمی‌تواند تمامی پدیده‌های کوانتومی مشاهده شده را باز تولید نماید.
یکی از جنبه‌های مشهور و جالب‌توجه پژوهش‌های بل، «نامساوی بِل» است. بل شرایطی را در نظر گرفت که در آن رویدادی مثل واپاشی هسته، زمینه‌ساز نشر همزمان دو ذره می‌شود که در جهات مختلف حرکت می‌کنند. یکی از ویژگی‌های کلیدی مکانیک کوانتومی این است که هر ذره‌ی آزاد شده تا زمانی در حالت برهم‌نهی کوانتومی وجود دارد که اندازه‌گیری صورت نگرفته باشد. در این حالت، ذرات در آن نقطه در یک حالت حقیقی جای می‌گیرند. بدین ترتیب، فرآیند حقیقی اندازه‌گیری به ایجاد واقعیت ختم می شود.
براساس قوانین پایستگی، اگر اسپین چنین ذره‌ی ساطع شده‌ای رو به سمت بالا باشد، اسپین ذره‌ی دوقلوی آن می‌بایست به سمت پایین باشد. اما تا زمانی که اندازه‌گیری صورت نگرفته باشد، هر ذره می‌تواند به چرخش خود به سمت بالا و پایین ادامه دهد. فیزیک‌دان‌ها این رویداد را «درهم تنیدگی کوانتومی» نام‌گذاری کرده‌اند. در واقع دو ذره، حالت‌هایشان به یکدیگر بستگی دارد، اما هر دو ذره تا زمانی‌که اندازه‌گیری نشده باشند، در تمامی حالاتِ ممکن وجود دارند.
در سناریوی نامساوی بل، اندازه‌گیری چنین ذره‌ی در هم تنیده‌ای، به هر دو حالت فوق منجر می‌شود و ذره‌ی دوقلوی آن از حالت درهم تنیده برخوردار می‌شود، حتی اگر دو ذره فاصله بسیار زیادی از هم داشته باشند. این مفهوم ناخشنودی شدید انیشتین را به همراه داشت که آن را «برهم‌کنش شبح‌وار در یک فاصله» می‌نامید. بنا‌بر مقاله‌ی «نامساوی بل»، هر نظریه‌ی «متغیر پنهان» مربوط به سیستم‌های کوانتومی که ناظران در آن آزادانه هر آنچه را که می‌خواستند اندازه‌گیری می‌کردند، اجباراً از این برهم‌کنش‌های شبح‌وار برخوردار هستند.
این مسئله که «آیا می‌توان از سناریوی نامساوی بل یا چیزی شبیه آن، برای ساخت فرایندی سریع‌تر از ارتباط با سرعت نور استفاده کرد یا خیر؟»، پرسشی بود که ذهن مردم را در ابتدا درگیر ساخته بود. ایده‌ی اصلی این است که یک جفت ذره‌ی درهم‌تنیده کوانتومی در جهات مختلف از محلی میان دو ناظر دور ارسال می‌شوند. اگر یکی از ذرات اندازه‌گیری شود (شاید توسط موجودات فرازمینی در کهکشانی دوردست) حالت ذره‌ی دوقلو در زمین تحت تاثیر قرار می‌گیرد. آیا این پدیده سریع‌تر از ارتباط نوری نیست؟
متاسفانه، جهان چنین عملکردی ندارد. مشکل اینجا است که اگر چه این اثر می‌تواند آنی باشد، اما نمی‌دانیم که آیا اندازه‌گیری موجودات فرازمینی به چنین عاملی منجر شد یا خیر و یا شاید اندازه‌گیری‌های انسانی باعث تک حالته شدن گردید؟ آن‌قدر پیچیدگی وجود دارد که نمی‌توان به یقین در این‌باره سخن گفت. برای رمزگشایی از این مسئله باید پیامی را به موجودات فرازمینی ارسال کرد و از آنها پرسید که چه کاری انجام دادند. البته این کار باید تقریباً با سرعت نور صورت پذیرد. بنابراین، این‌طور به نظر می‌رسد که امکان ارسال اطلاعات یا سیگنال نوری، سریع‌تر از نور وجود ندارد. اما این از جذابیت‌های سناریوی ِ «نامساوی بل» کم نمی‌کند.
دانشمندی که تفسیر مکانیک کوانتومی و بررسی امکان وقوع یا عدم وقوع رویدادها را تحت سناریوی نامساوی بل در اولویت کاری‌اش قرار داده، دکتر مایکل هال، پژوهشگر مهمان در دپارتمان فیزیک نظری ANU است. مایکل هال می‌گوید: «تحقیقات نشان می‌دهد که شما نمی‌توانید به‌طور همزمان دارای میل آزاد آزمایشی، جبر و بی سیگنالی در دنیای توصیف شده با مکانیک کوانتومی باشید. باید از برخی از آنها صرف نظر کنید. اما این‌که چه مقدار از هر کدام را باید فدا کرد، می‌تواند سوال جالبی باشد.»
دکتر هال در مقاله‌ی خود می‌نویسد: «اگر کمی از میل آزاد آزمایشی‌تان صرف نظر کنید، می‌توانید یک نامساوی بل را به‌طور دقیقی با نوعی فیزیک متغیر پنهان قطعی، مدل‌سازی نمایید. آن چیزی که شاید مورد پسند انیشتین بود. من نظریه‌ی نامساوی بل را به شیوه‌ی دیگری بررسی می‌کنم؛ یعنی نیاز به تمایل آزادی مطلق، قدری تقلیل می‌یابد. این کار را بکنید و بدون توسل به چیزی سریع‌تر از ارسال سیگنال نوری، شاهد تاثیرگذاری آن باشید.»
اگر جهان همان‌طور که هال می‌گوید عمل کند، این استنباط عجیب به ذهن می‌آید که خاصیت تصادفی بودن ظاهری در جهت اسپین ذراتِ درهم تنیده، ارتباط ضعیفی با تصادفی بودن ظاهری دارد. به عبارت دیگر، شاید آن‌قدر هم که تصور می‌کنید، آزادی عمل ندارید. دکتر هال با ارائه‌ی توضیحاتی خاطر نشان کرد: «مدل من از قضیه بل اجتناب می‌کند. در این مدل، متغیر مورد استفاده‌ی مشابهی که نتایج اندازه‌گیری را از پیش تعیین می‌کند، اثر آماری اندکی بر شیوه‌ی اندازه‌گیری هر ذره می‌گذارد. این اثر که «وابستگی اندازه‌گیری» نام‌گذاری شده، مستقيماً قابل مشاهده نیست؛ اما به روابط کوانتومی صحیحی منجر می‌شود.»
البته آن تغییر آماری اندک، در انتخاب‌های آزادنه‌ای که فردِ اندازه گیرنده انجام می‌دهد، به آزمایش‌کنندگان انسان محدود نمی‌شود. اگر از یک ابزار تولید عددهای تصادفی استفاده می‌شد، تغییری هم در انتخاب‌ها صورت می‌گرفت؛ اگرچه اعدادی که این ابزار ایجاد می‌کند به لحاظ آماری کاملاً تصادفی به‌نظر می‌رسند، این چطور می‌تواند همچنان تصادفی به نظر آید؟
خب، فرض کنید سکه‌ای چهار بار انداخته می‌شود. احتمال «شیر، شیر، خط، خط» یا «شیر، خط، شیر، خط» به لحاظ آماری معادل ۵۰ درصد است. شاید احتمال اول تحت تاثیر وابستگی اندازه‌گیری قرار گیرد و دومی نه! از کجا می‌فهمید؟
چنین اثری می‌تواند حاوی مفاهیمی برای رمزگذاری کوانتومی باشد که از عامل «درهم تنیدگی» برای ارسال امن سیگنال‌ها بهره می‌برد. اگر کسی سیستم را دستکاری کند، درهم‌تنیدگی از بین می‌رود. ولی پژوهش دکتر هال به این سوال پاسخ می‌دهد که در ارسال و دریافت داده‌های کوانتومی، آیا دستکاری و شیطنتی انجام شده یا نه؟
دکتر هال و انیشتین، وجوه اشتراک بیشتری از علاقه‌ی صرف به نظریات متغیر پنهان دارند. دکتر هال علاوه بر فعالیت به‌عنوان پژوهشگر مهمان در ANU، کارهای آزمایشی منحصر به‌فردی هم انجام می دهد. او می‌گوید که شاید به خوبی انیشتین نباشم، اما کاری که انجام می‌دهم باعث آرامش خاطر من می‌شود.
نوشته: ScienceWise Magazine
ترجمه: مجله علمی ایلیاد