ذره‌ی کوانتومی جهان را چگونه می‌بیند؟

مطابق یکی از اصول بنیادی‌ علم فیزیک، دو مشاهده‌گر مختلف که یکی در قطار در‌حال‌حرکت حضور و دیگری در‌حال‌سکون روی زمین قرار دارد، برای توصیف حرکت توپ روی زمین از قوانین یکسانی استفاده می‌کنند؛ چراکه قوانین فیزیک از چهارچوب مرجع مستقل هستند و همواره برقرارند.

در فیزیک، چهارچوب مرجع یا دستگاه مرجع برای اشاره به دستگاه مختصاتی یا مجموعه‌ای از محورها به‌کار می‌رود که با آن مکان، سمت، زمان و دیگر ویژگی‌های پدیده سنجیده می‌شود.

چهارچوب‌های مرجع متفاوت، نظیر قطار یا زمین، دستگاه‌هایی فیزیکی هستند و قوانین مکانیک کوانتوم نیز کامل درباره‌ی آنان صدق می‌کند. این دستگاه‌ها می‌توانند به‌طور مثال در حالت خاص کوانتومی و برهم‌نهی میان چند موقعیت مختلف باشند.

حال اگر چنین اتفاقی رخ دهد، توصیف حرکت توپ برای مشاهده‌گری که در چهارچوب کوانتومی قرار دارد، چگونه خواهد بود؟

پژوهشگران دانشگاه وین (University of Vienna) و مرکز تحقیقاتی علوم اتریش (the Austrian Academy of Sciences) در پژوهشی مشترک ثابت کردند وقتی شیئی (به‌طور مثال توپ) ویژگی‌های کوانتومی وابسته به چهارچوب مرجع از خود نشان می‌دهد، قوانین فیزیکی همچنان مستقل از آن دستگاه مرجع برقرارند. نتایج این پژوهش در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.

سیستم‌های فیزیکی همواره در چهارچوب مرجع توصیف می‌شوند. برای نمونه، توپی که در راه‌آهن به زمین می‌خورد، می‌توان از دو چهارچوب مرجع مختلف مشاهده کرد: یکی همان چهارچوب خودش، یعنی راه‌آهن و دیگری قطار در‌حال‌حرکت.  

در فیزیک نظری، هموردایی عام به‌نام‌های هموردایی دیفئومورفیسم و ناوردایی عام نیز شناخته می‌شود. ناوردایی شکل قوانین فیزیکی در تبدیلات مختصات دیفرانسیل‌پذیر دلخواه است. ایده‌ی اساسی این است که مختصات به‌‌طور پیش‌فرض در طبیعت وجود ندارند؛ بلکه مصنوعاتی هستند که برای توصیف طبیعت به‌کار می‌روند؛ ازاین‌رو، نباید در فرمول‌بندی قوانین بنیادی فیزیک نقشی داشته باشند. قانون فیزیکی که به‌صورت هموردای عام تعریف می‌شود، در تمام دستگاه‌های مختصات شکل ریاضی آن ثابت می‌ماند و معمولا برحسب میدان‌های تانسوری بیان می‌شود.

از دیرباز، این اصل اهمیتی بسیار مهم در فیزیک داشته است و از زمان گالیله که مباحث جدید در حرکت تا زمان آلبرت اینشتین که نظریه‌ی نسبیت را بیان کرد و مباحث مربوط‌به حرکت را به اوج بلوغ و پختگی رساند، کابرد داشته است. این اصل حاوی اطلاعاتی است که موضوع تقارن در قوانین فیزیک نسبت‌به چهارچوب‌های مرجع متفاوت را شامل آن می‌شود. چهارچوب‌های مرجع دستگاه‌هایی فیزیکی هستند که قوانین مکانیک کوانتومی به‌طور کامل در آن‌ها صدق می‌کند.

آن‌ها موفق شدند ثابت کنند می‌توان هر سیستم کوانتومی را هم‌ارز چهارچوب مرجع کوانتومی درنظرگرفت. درحقیقت، وقتی مشاهده‌گر واقع در قطار در‌حال‌حرکت در لحظه‌ای چهارچوب را در‌حال‌برهم‌نهی میان موقعیت‌های مختلف می‌بیند، مشاهده‌گری که در داخل چهارچوب قرار دارد، قطار را درحال‌برهم‌نهی می‌بیند.

به‌عنوان نتیجه می‌توان گفت اینکه شیئی مانند توپ از خود ویژگی‌های کوانتومی یا کلاسیک نشان دهد، به‌طور کامل به چهارچوب مرجعی وابسته است که مشاهده‌گر از آن در‌حال‌تماشای جسم است.

پژوهشگران نشان دادند اصل هموردایی عام را به چهارچوب‌های کوانتومی نیز می‌توان تعمیم داد. این سخن بدان معنا است که قوانین فیزیک حالت اصلی خود را همچنان مستقل از چهارچوب مرجعی کوانتومی حفظ می‌کنند. فلامینا گیاکومینی، نویسنده‌ی اصلی این مقاله، چنین می‌گوید:

نتایج ما پیشنهاد می‌کند تقارن‌های موجود در جهان باید در سطحی بنیادی‌تر گسترش یابد.

این ایده ممکن است نقشی اساسی در فعل‌وانفعال حوزه‌های مکانیک کوانتومی و گرانش ایفا کند؛ چراکه این حوزه و حکومت همچنان تاحدزیادی کشف‌نشده باقی مانده است.

مانند تجربیاتی که در گذشته نیز از تقابل فیزیک کلاسیک و کوانتومی داشته‌ایم، پیش‌بینی می‌کنیم در این حکومت ناشناخته، ایده‌های کلاسیک چندان کارآمد و کافی نباشد و مجبور باشیم برای توصیف این بخش به‌طور بنیادی از ایده‌های کوانتومی پیروی کنیم.