گربه شرودینگر

در تعلیق میان بودن و نبودن
طبق قواعد مكانیك كوانتوم گربه تا زمانی كه كسی در جعبه را باز نكرده و مشاهده ای انجام نداده است در حال زنده و مرده قرار دارد.محققین گمان می برند به زودی می توانند راه حلی برای یكی از غامض ترین مسائل فیزیك جدید بیابند: یافتن راهی برای اعدام گربه شرودینگر. گربه خیالی شرودینگر از سال ۱۹۳۵ تاكنون با دانشمندان لجبازی كرد و آنان را سردرگم كرده است. هیچ كس تنفر گربه دوستان را در سال ۱۹۳۵ از یاد نمی برد چرا كه در آن سال از یك گربه برای انجام آزمایشی جهت بیان وضعیت های دشواری كه در تئوری كوانتوم به وجود می آید استفاده شد. اروین شرودینگر(Erwin Schrodinger)فیزیكدان اتریشی تئوری كوانتوم را ارائه كرد و در توسعه آن نقش بسیار موثری ایفا كرد. تئوری كوانتوم كه اغلب از آن به عنوان یكی از موفق ترین تئوری های علمی نام می برند ـ چرا كه بدون آن فاقد لیزر، سلاح های هسته ای و بسیاری از اختراعات دیگر بودیم ـ برای ما توضیح می دهد كه طبیعت در سطوح زیر اتمی چگونه رفتار می كند. در سطوح زیراتمی قواعد فیزیك كلاسیك كه هر روزه آن ها را تجربه می كنیم، اعتبار و كارآیی خود را از دست می دهند. برای مثال می توان گفت ذرات زیر اتمی در یك آن می توانند در دو مكان مختلف باشند، دیگر آنكه به نظر می رسد می توان اطلاعات را سریع تر از سرعت نور منتقل كرد.قواعد حاكم بر دنیای كوانتوم آنچنان عجیب است كه حتی آلبرت اینشتین هم دست هایش را به علامت تسلیم بالا برد و گفت: «اگر فیزیك كوانتوم، صحیح باشد، آن وقت باید اذعان كرد قوانین جهان بسیار عجیب است. » حتی خود شرودینگر هم از تفسیر یافته های خود ناخرسند بود و با تاسف بسیار به یكی از همكاران خود گفته است: «از این كه در مورد تئوری كوانتوم كار می كند چندان راضی نیست مسئله ای كه اینشتین، شرودینگر و فیزیكدانان پس از آن ها را تا این حد متحیر كرد تقابل این مشاهدات با واقعیت ها بود. مطابق تئوری كوانتوم، ذرات فقط وقتی وجود دارند كه بتوان آن ها را «مشاهده» كرد.هر چند كه تجربیات هر روزه ما چیزی خلاف این را بیان می كند. در ابتدای كار توصیف شرودینگر از تابع موج ـ مفهومی ریاضی كه موقعیت و حركت های ممكن ذرات را بیان می كند ـ بسیار عجیب به نظر می رسید. نه سال بعد وی آزمایش گربه را طراحی كرد تا بتواند توسط این آزمایش اختلاف بین واقعیت های ملموس توسط انسان و واقعیت های دنیای كوانتوم را كه خود خالق آن بود بیان كند. در این «آزمایش ذهنی» كه گاهی اوقات از آن به عنوان آزمایشی خیالی نیز نام می برند، شرودینگر گربه ای را درون یك جعبه در بسته قرار داد. در این جعبه اسلحه ای كشنده كه ماشه ای حساس دارد و یك اتم رادیواكتیو هم قرار دارند.احتمال آنكه اتم رادیواكتیو طی مدت یك ساعت از خود پرتوی ساطع كند ۵۰ درصد است. اگر اتم رادیواكتیو تجزیه شود، انرژی آزاد شده طی این فرآیند، ماشه اسلحه را خواهد كشید. می توان گفت بعد از گذشت یك ساعت با برداشتن در جعبه می توان دریافت آیا گربه زنده است یا مرده.اما شرودینگر نظر دیگری دارد. وی می گوید عجله نكنید. طبق قواعد مكانیك كوانتوم، گربه تا زمانی كه كسی در جعبه را باز نكرده و مشاهده ای انجام نداده است، در حال زنده و مرده قرار دارد.این مفهوم در مكانیك كوانتوم به عنوان اصل بر هم نهی كوانتومیquantum SuperPositionنامیده می شود.این امر با نحوه عملكرد جهان در مقیاسی كه برای بشر قابل درك است، مغایرت دارد. شاید احمقانه به نظر برسد اما شرودینگر خاطرنشان می سازد، وجود اصل بر هم نهی از لحاظ ریاضی ضروری است، تا تئوری كوانتوم بتواند پیش گویی های دقیق خود را از عملكرد جهان در سطح زیراتمی ارائه دهد و طی بیش از نیم قرن گربه مرده و زنده شرودینگر با فیزیكدان لجبازی می كرد و بنابراین لازم بود به طور دقیق دریابیم كه چگونه حوزه كوانتوم با جهان قابل درك توسط انسان مرتبط می شودشخص غیرمطلع و كم حوصله ممكن است در مورد سرنوشت نهایی گربه شرودینگر بگوید: «ساده است، در جعبه را بردارید و نگاهی به داخل آن بیاندازید تا دریابید گربه هنوز زنده است یا مرده. » اما فیزیكدانان معتقدند این كار هم نمی تواند جواب نهایی را در اختیار ما قرار دهد، چرا كه مطابق قواعد مكانیك كوانتوم خود عمل «مشاهده» باعث می شود كه گربه به یكی از حالت های «زنده» یا «مرده» تبدیل شود.در بهار سال ۱۹۹۶ تیمی از دانشمندان فرانسوی«ENS»در پاریس گام های بلندی را برای نزدیك كردن حوزه های بزرگ مقیاس كه برای بشر قابل درك است با سیستم های در مقیاس كوانتومی برداشتند. آنان روشی را پیشنهاد كردند كه توسط آن بتوان بدون برداشتن در جعبه از سرنوشت گربه مطلع شد. در طرح آنان ذره ای زیر اتمی كه نقش موش را بازی خواهد كرد از مقابل گربه عبور می كند و آنان می توانند نتیجه این عمل را مشاهده كنند.جعبه ای كه گربه در آن قرار دارد حفره كوچكی در خود دارد كه از جنس آینه ابررسانا است. در شروع آزمایش یك اتم از میان میدان انرژی با فركانس ریزموج عبور می كند. در نتیجه اتم ضربه ای به گربه داخل جعبه وارد می سازد. اتم دومی كه پس از آن وارد می شود، نقش موش را بازی می كند. اتم دوم بر اثر عبور از حفره حاوی گربه تغییر حالت پیدا می كند، كه نحوه تغییر حالت آن بیانگر حالت برهم نهی است. هنوز هم زود است كه درباره حوادث صورت گرفته در داخل جعبه اظهارنظر كنیم. یافته های اولیه گروه ENSبیانگر آن است كه حالت زنده و مرده كه لازمه تئوری كوانتوم است، فقط برای مدت كوتاهی دوام دارد. به گفته گروه ENSبه وسیله این آزمایش می توان شرح داد كه چرا اجسام بزرگ هیچ گاه در حالتی غیر از همین حالتی كه برای ما آشناست، وجود ندارند. بنابراین اكنون می توان گربه شرودینگر را مرخص كرد یا اگر بخواهید از شرش خلاص شوید، ابزاری را كه بتوان توسط آن حالت زنده و مرده گربه شرودینگر را تحقیق كرد بین حوزه های كوانتومی و مقیاس های قابل درك برای بشر ارتباط برقرار كرد، می توان نسل جدیدی از تجهیزات الكترونیك، كامپیوترها و ابزارهای امنیت ارتباطات را ساخت. پیش از این نیز فیزیكدانان ژنو آزمایشاتی را انجام دادند كه توسط آن مشخص شد این امكان وجود دارد كه بتوان از مفاهیم كوانتوم استفاده كرد و مشكل ترین مسائل عصر جدید ـ همانند حفاظت از اطلاعات مالی طی عبور از شبكه ارتباطات راه دور ـ را حل كرد. مبانی نظری استفاده از كوانتوم برای ساخت تجهیزات ایمنی مدت ها پیش از آنكه كسی از تجارت الكترونیك صحبتی به میان آورد، مطرح شد. در دهه ،۱۹۲۰ شرودینگر اظهار كرد در تئوری كوانتوم امكان ساخت یك زوج فوتون ـ بسته های تفكیك ناپذیر انرژی ـ «درهم تنیده» وجود دارد. این فوتون ها چنان درهم تنیده اند كه با دانستن حالت یكی از فوتون ها می توان حالت فوتون دیگر را به طور آنی دریافت.عبارت «آنی» اینشتین را با دردسر مواجه ساخت، چرا كه این عبارت به طور تلویحی بیان می كرد، می توان سیگنال ها را سریع تر از سرعت انتقال داد. اینشتین این مفهوم نامتعارف را با عبارت «كنش شبح وار از راه دور» توصیف كرد. از آنجایی كه تجهیزات دقیقی برای آزمایش وجود نداشت، این ایده ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود. آلن اسپكت از اعضایENSتوانست تغییرات در یك زوج فوتون درهم تنیده را كه به اندازه یك زمین فوتبال فاصله داشتند اندازه بگیرد. هنگامی كه محققین كارهای وی را مورد بررسی قرار دادند، حدس زدند احتمالاً وی شاهد یك «اثر جایگزیده» (Localized effect) بود كه به علت فاصله زیاد از مقدار آن كاسته شده بود.برای تشریح این مطلب كه «كنش شبح وار از راه دور» اینشتین چگونه عمل می كند دكتر نیكولاس گیسین و همكارانش در دانشگاه ژنو طرحی را اجرا كردند، كه طی آن تماس تلفنی را در شبكه های فیبر نوری تله كام سوئیس به انجام رساندند. آنان در آزمایشگاه ژنو یك زوج فوتون درهم تنیده را به وجود آوردند. بعد این دو فوتون را از هم جدا ساخته یكی را به شمال و دیگری را به جنوب فرستادند، به طوری كه فاصله نهایی آن دو حدود ۱۲ كیلومتر بود. گروه ENS یك تحلیلگر سیگنال را در هر انتهای این مسیر قرار دادند.هر وقت كه فوتونی به تحلیلگر سیگنال می رسید احتمالی برای شمارش آن وجود داشت. هنگامی كه داده های حاصل از این دو تحلیلگر را با یكدیگر مقایسه كردند، با شواهد قانع كننده ای مواجه شدند كه بیان می داشت هر فوتونی «می داند» آیا فوتون دیگر همزاد وی شمارش شده است یا خیر. البته هنوز هم محققین بر این باورند كه نمی توان از كوانتوم به عنوان یك واسطه برای ارتباطات سریع تر از سرعت نور استفاده كرد. اما بعضی ها حدس می زنند با استفاده از نتایج این آزمایش می توان دریافت كه آیا یكسری از اطلاعات مشخص توسط افراد غیرمسئول مورد بازبینی قرار گرفته است یا خیر.
اگر چنین سیستم هایی به واقعیت بپیوندد، گربه شرودینگر می تواند زندگی دوباره ای را از سر بگیرد و رد موش هایی را كه در شبكه ها به این طرف و آن طرف سرك می كشند پیدا كند.

جیم ویلسون
ترجمه: سلیمان فرهادیان
منبع: همشهری