|

جيم ويلسون - ترجمه سليمان فرهاديان: محققين گمان می برند به زودی می توانند راه حلی برای يكی از غامض ترين مسائل فيزيك جديد بيابند: يافتن راهی برای اعدام گربه شرودينگر. گربه خيالی شرودينگر از سال 1935 تاكنون با دانشمندان لجبازی كرد و آنان را سردرگم كرده است. هيچ كس تنفر گربه دوستان را در سال 1935 از ياد نمی برد چرا كه در آن سال از يك گربه برای انجام آزمايشی جهت بيان وضعيت های دشواری كه در تئوری كوانتوم به وجود می آيد استفاده شد. اروين شرودينگر (Erwin Schrodinger) فيزيكدان اتريشی تئوری كوانتوم را ارائه كرد و در توسعه آن نقش بسيار موثری ايفا كرد. تئوری كوانتوم كه اغلب از آن به عنوان يكی از موفق ترين تئوری های علمی نام می برند ـ چرا كه بدون آن فاقد ليزر، سلاح های هسته ای و بسياری از اختراعات ديگر بوديم ـ برای ما توضيح می دهد كه طبيعت در سطوح زير اتمی چگونه رفتار می كند. در سطوح زيراتمی قواعد فيزيك كلاسيك كه هر روزه آن ها را تجربه می كنيم، اعتبار و كارآيی خود را از دست می دهند. برای مثال می توان گفت ذرات زير اتمی در يك آن می توانند در دو مكان مختلف باشند، ديگر آنكه به نظر می رسد می توان اطلاعات را سريع تر از سرعت نور منتقل كرد. قواعد حاكم بر دنيای كوانتوم آنچنان عجيب است كه حتی آلبرت اينشتين هم دست هايش را به علامت تسليم بالا برد و گفت: «اگر فيزيك كوانتوم، صحيح باشد، آن وقت بايد اذعان كرد قوانين جهان بسيار عجيب است. » حتی خود شرودينگر هم از تفسير يافته های خود ناخرسند بود و با تاسف بسيار به يكی از همكاران خود گفته است: «از اين كه در مورد تئوری كوانتوم كار می كند چندان راضی نيست. »
مسئله ای كه اينشتين، شرودينگر و فيزيكدانان پس از آن ها را تا اين حد متحير كرد تقابل اين مشاهدات با واقعيت ها بود. مطابق تئوری كوانتوم، ذرات فقط وقتی وجود دارند كه بتوان آن ها را «مشاهده» كرد. هر چند كه تجربيات هر روزه ما چيزی خلاف اين را بيان می كند. در ابتدای كار توصيف شرودينگر از تابع موج ـ مفهومی رياضی كه موقعيت و حركت های ممكن ذرات را بيان می كند ـ بسيار عجيب به نظر می رسيد. نه سال بعد وی آزمايش گربه را طراحی كرد تا بتواند توسط اين آزمايش اختلاف بين واقعيت های ملموس توسط انسان و واقعيت های دنيای كوانتوم را كه خود خالق آن بود بيان كند. در اين «آزمايش ذهنی» كه گاهی اوقات از آن به عنوان آزمايشی خيالی نيز نام می برند، شرودينگر گربه ای را درون يك جعبه در بسته قرار داد. در اين جعبه اسلحه ای كشنده كه ماشه ای حساس دارد و يك اتم راديواكتيو هم قرار دارند. احتمال آنكه اتم راديواكتيو طی مدت يك ساعت از خود پرتوی ساطع كند 50 درصد است. اگر اتم راديواكتيو تجزيه شود، انرژی آزاد شده طی اين فرآيند، ماشه اسلحه را خواهد كشيد. می توان گفت بعد از گذشت يك ساعت با برداشتن در جعبه می توان دريافت آيا گربه زنده است يا مرده. اما شرودينگر نظر ديگری دارد. وی می گويد عجله نكنيد. طبق قواعد مكانيك كوانتوم، گربه تا زمانی كه كسی در جعبه را باز نكرده و مشاهده ای انجام نداده است، در حال زنده و مرده قرار دارد. اين مفهوم در مكانيك كوانتوم به عنوان اصل بر هم نهی كوانتومی quantum) (SuperPosition ناميده می شود.
اين امر با نحوه عملكرد جهان در مقياسی كه برای بشر قابل درك است، مغايرت دارد. شايد احمقانه به نظر برسد اما شرودينگر خاطرنشان می سازد، وجود اصل بر هم نهی از لحاظ رياضی ضروری است، تا تئوری كوانتوم بتواند پيش گويی های دقيق خود را از عملكرد جهان در سطح زيراتمی ارائه دهد و طی بيش از نيم قرن گربه مرده و زنده شرودينگر با فيزيكدان لجبازی می كرد و بنابراين لازم بود به طور دقيق دريابيم كه چگونه حوزه كوانتوم با جهان قابل درك توسط انسان مرتبط می شود. شخص غيرمطلع و كم حوصله ممكن است در مورد سرنوشت نهايی گربه شرودينگر بگويد: «ساده است، در جعبه را برداريد و نگاهی به داخل آن بياندازيد تا دريابيد گربه هنوز زنده است يا مرده. » اما فيزيكدانان معتقدند اين كار هم نمی تواند جواب نهايی را در اختيار ما قرار دهد، چرا كه مطابق قواعد مكانيك كوانتوم خود عمل «مشاهده» باعث می شود كه گربه به يكی از حالت های «زنده» يا «مرده» تبديل شود. در بهار سال 1997 تيمی از دانشمندان فرانسوی «ENS» در پاريس گام های بلندی را برای نزديك كردن حوزه های بزرگ مقياس كه برای بشر قابل درك است با سيستم های در مقياس كوانتومی برداشتند. آنان روشی را پيشنهاد كردند كه توسط آن بتوان بدون برداشتن در جعبه از سرنوشت گربه مطلع شد. در طرح آنان ذره ای زير اتمی كه نقش موش را بازی خواهد كرد از مقابل گربه عبور می كند و آنان می توانند نتيجه اين عمل را مشاهده كنند.
جعبه ای كه گربه در آن قرار دارد حفره كوچكی در خود دارد كه از جنس آينه ابررسانا است. در شروع آزمايش يك اتم از ميان ميدان انرژی با فركانس ريزموج عبور می كند. در نتيجه 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 تغيير حالت پيدا می كند، كه نحوه تغيير حالت آن بيانگر حالت برهم نهی است. هنوز هم زود است كه درباره حوادث صورت گرفته در داخل جعبه اظهارنظر كنيم. يافته های اوليه گروه ENS بيانگر آن است كه حالت زنده و مرده كه لازمه تئوری كوانتوم است، فقط برای مدت كوتاهی دوام دارد. به گفته گروه ENS به وسيله اين آزمايش می توان شرح داد كه چرا اجسام بزرگ هيچ گاه در حالتی غير از همين حالتی كه برای ما آشناست، وجود ندارند. بنابراين اكنون می توان گربه شرودينگر را مرخص كرد يا اگر بخواهيد از شرش خلاص شويد، ابزاری را كه بتوان توسط آن حالت زنده و مرده گربه شرودينگر را تحقيق كرد بين حوزه های كوانتومی و مقياس های قابل درك برای بشر ارتباط برقرار كرد، می توان نسل جديدی از تجهيزات الكترونيك، كامپيوترها و ابزارهای امنيت ارتباطات را ساخت. پيش از اين نيز فيزيكدانان ژنو آزمايشاتی را انجام دادند كه توسط آن مشخص شد اين امكان وجود دارد كه بتوان از مفاهيم كوانتوم استفاده كرد و مشكل ترين مسائل عصر جديد ـ همانند حفاظت از اطلاعات مالی طی عبور از شبكه ارتباطات راه دور ـ را حل كرد. مبانی نظری استفاده از كوانتوم برای ساخت تجهيزات ايمنی مدت ها پيش از آنكه كسی از تجارت الكترونيك صحبتی به ميان آورد، مطرح شد. در دهه ،1920 شرودينگر اظهار كرد در تئوری كوانتوم امكان ساخت يك زوج فوتون ـ بسته های تفكيك ناپذير انرژی ـ «درهم تنيده» وجود دارد. اين فوتون ها چنان درهم تنيده اند كه با دانستن حالت يكی از فوتون ها می توان حالت فوتون ديگر را به طور آنی دريافت.
عبارت «آنی» اينشتين را با دردسر مواجه ساخت، چرا كه اين عبارت به طور تلويحی بيان می كرد، می توان سيگنال ها را سريع تر از سرعت انتقال داد. اينشتين اين مفهوم نامتعارف را با عبارت «كنش شبح وار از راه دور» توصيف كرد. از آنجايی كه تجهيزات دقيقی برای آزمايش وجود نداشت، اين ايده ها تا سال 1982 در بن بست گرفتار بود. آلن اسپكت از اعضای ENS توانست تغييرات در يك زوج فوتون درهم تنيده را كه به اندازه يك زمين فوتبال فاصله داشتند اندازه بگيرد. هنگامی كه محققين كارهای وی را مورد بررسی قرار دادند، حدس زدند احتمالا وی شاهد يك «اثر جايگزيده» (Localized effect) بود كه به علت فاصله زياد از مقدار آن كاسته شده بود. برای تشريح اين مطلب كه «كنش شبح وار از راه دور» اينشتين چگونه عمل می كند دكتر نيكولاس گيسين و همكارانش در دانشگاه ژنو طرحی را اجرا كردند، كه طی آن تماس تلفنی را در شبكه های فيبر نوری تله كام سوئيس به انجام رساندند. آنان در آزمايشگاه ژنو يك زوج فوتون درهم تنيده را به وجود آوردند. بعد اين دو فوتون را از هم جدا ساخته يكی را به شمال و ديگری را به جنوب فرستادند، به طوری كه فاصله نهايی آن دو حدود 12 كيلومتر بود. گروه ENS يك تحليلگر سيگنال را در هر انتهای اين مسير قرار دادند. هر وقت كه فوتونی به تحليلگر سيگنال می رسيد احتمالی برای شمارش آن وجود داشت. هنگامی كه داده های حاصل از اين دو تحليلگر را با يكديگر مقايسه كردند، با شواهد قانع كننده ای مواجه شدند كه بيان می داشت هر فوتونی «می داند» آيا فوتون ديگر همزاد وی شمارش شده است يا خير. البته هنوز هم محققين بر اين باورند كه نمی توان از كوانتوم به عنوان يك واسطه برای ارتباطات سريع تر از سرعت نور استفاده كرد. اما بعضی ها حدس می زنند با استفاده از نتايج اين آزمايش می توان دريافت كه آيا يكسری از اطلاعات مشخص توسط افراد غيرمسئول مورد بازبينی قرار گرفته است يا خير. اگر چنين سيستم هايی به واقعيت بپيوندد، گربه شرودينگر می تواند زندگی دوباره ای را از سر بگيرد و رد موش هايی را كه در شبكه ها به اين طرف و آن طرف سرك می كشند پيدا كند.
Popular mechanics |