آیا مکانیک کوانتوم باید پیچیده‌تر از این شود؟

فیزیک‌دانان آزمایش جالبی طراحی کرده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد قوانین مکانیک کوانتوم استاندارد را ارزیابی کنند. دانشمندان در آخرین تحقیقات خود در مورد مکانیک کوانتوم، از یک تداخل‌سنج برای راستی آزمایی قوانین مکانیک کوانتوم استاندارد استفاده کرده‌اند. آن‌ها در پی یافتن پاسخی برای این پرسش هستند که آیا به نسخه‌ی پیچیده‌تری از قوانین کوانتوم برای توصیف جهان کوانتومی نیاز است یا نه. فیزیک‌دانان در دو آزمایش متفاوت، فوتون‌های نور را در دو جهت به حرکت درآوردند و با بررسی رفتار آن‌ها در کنش با اشیاء داخل سیکل سعی کردند تا دریابند آیا آن‌طور که نسخه‌ی جدیدی از قوانین مکانیک کوانتوم پیش‌بینی کرده است، جهت حرکت نور بر برهم‌کنش‌ها تأثیر می‌گذارد یا نه.

مکانیک کوانتوم مجموعه‌ای از قوانین ریاضی است که چگونگی کارکرد دنیای کوانتومی را توصیف می‌کند. برای مثال این قوانین پیش‌بینی می‌کنند که یک الکترون چگونه در یک مدار به دور هسته‌ی اتم می‌چرخد، یا یک اتم چگونه فوتون‌ها، یا همان ذرات نور را جذب می‌کند. قوانین حال حاضر کوانتوم به‌خوبی نیازهای ما را برطرف می‌کنند؛ اما از آنجایی که هنوز سؤالات بیشتری در مورد نحوه‌ی توصیف مکانیک کوانتوم وجود دارد، دانشمندان مطمئن نیستند که قوانین فعلی حد نهایت کوانتوم باشند. همین موضوع دانشمندان را تشویق کرده است تا به دنبال توسعه‌ی نسخه‌های جایگزین برای قوانین ریاضی باشند؛ راه‌حل‌هایی که هم نتایج مشاهدات گذشته را به‌خوبی توضیح دهند و هم درک ما از ساختار اساسی مکانیک کوانتوم را گسترش دهند. علاوه بر آن، برخی از قوانین ریاضی جایگزین، رفتارهای جدیدی نیز پیش‌بینی می‌کنند که برای راستی آزمایی آن‌ها به آزمایشات تجربی جدیدی نیاز است.

در زندگی روزمره ممکن است ما به دور یک پارک قدم بزنیم و دوباره‌ به محل اول خود بازگردیم؛ صرف نظر از این‌که در چه جهتی، ساعت‌گرد یا پادساعت‌گرد به دور پارک قدم زده باشیم. فیزیک‌دانان در این صورت می‌گویند این دو عمل تعویض‌پذیر هستند. البته مسلما گاهی ممکن است این‌طور نباشد. مثلا فرض کنید که شما به‌صورت ساعت‌گرد به دور پارک قدم می‌زنید و پولی روی زمین پیدا می‌کنید، سپس جلوتر می‌روید و از یک بستنی‌فروشی بستنی می‌خرید؛ در نهایت وقتی از پارک خارج می‌شوید احساس بهتری خواهید داشت، چون در دستتان یک بستنی دارید. اما اگر به‌صورت پادساعت‌گرد در پارک قدم بزنید، ابتدا با بستنی‌فروشی روبه‌رو می‌شوید و بعد از گذشتن از آن، پول لازم برای خریدن بستنی را پیدا می‌کنید. در این صورت هنگام خروج از پارک احساس یأس می‌کنید؛ چرا که فرصت خریدن بستنی را از دست داده‌اید. فیزیک‌دانان برای این‌که متوجه شوند کدام رفتارها قابلیت جابه‌جایی دارند و کدام‌یک این‌گونه نیستند، سعی می‌کنند یک توصیف ریاضی از دنیای فیزیکی ارائه دهند.

در مکانیک کوانتوم استاندارد، از اعداد مختلط در قوانین ریاضی استفاده می‌شود. با این حال نسخه‌ی جایگزین جدیدی که فیزیک‌دانان برای مکانیک کوانتوم پیشنهاد داده‌اند، از اعدادی پیچیده‌تر یا به تعبیری، اعداد فرامختلط استفاده می‌کند. این اعداد در واقع نوع تعمیم‌یافته‌ی اعداد مختلط هستند. با استفاده از قوانین جدید، دانشمندان می‌توانند بیشتر پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتوم استاندارد را باز‌آفرینی کنند. با این حال قوانین جدید می‌گویند رفتارهایی که پیش از این در کوانتوم استاندارد تعویض‌پذیر تلقی می‌شدند، در دنیای واقعی این ویژگی را ندارند.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی فیلیپ والتر به دنبال انحرافاتی در مکانیک کوانتوم استاندارد می‌گردند که توسط نظریه‌ی مکانیک کوانتوم فرامختلط پیش‌بینی شده‌اند. فیزیک‌دانان در آزمایش خود تداخل‌سنج را جایگزین پارکی که در مثال آورده شده بود، کردند. تداخل‌سنج وسیله‌ای است که به یک تک فوتون اجازه می‌دهد در دو مسیر به‌صورت هم‌زمان حرکت کند. آن‌ها همچنین پول و بستنی را با ماده‌ی اپتیکال معمولی و یک متاماده‌ی مخصوص طراحی‌شده برای این آزمایش جایگزین کردند. ماده‌ی اپتیکال معمولی باعث کندی عبور نور می‌شود، درحالی‌که متاماده باعث افزایش سرعت نور می‌شود.

طبق قوانین مکانیک کوانتوم استاندارد، این‌که نور ابتدا از متاماده و سپس از ماده‌ی اپتیکال معمولی عبور کند یا برعکس، هیچ فرقی ندارد. این دو نوع ماده در آزمایش تعویض‌پذیر هستند. اما در مکانیک کوانتومی فرامختلط ممکن است این‌گونه نباشد. فیزیک‌دانان با مشاهده و اندازه‌گیری دقیق رفتار فوتون به این نتیجه رسیدند که در واقع برای توصیف این آزمایش به قوانین کوانتوم فراپیچیده نیازی نیست. لورنزو پروکاپیو، نویسنده‌ی اصلی مقاله‌ی مربوط به این تحقیق می‌گوید:

ما در آزمایش به‌دقت توانستیم نیاز به استفاده از کوانتوم فرامختلط برای توصیف آزمایش را تعریف کنیم. ما علاقه‌مندیم آزمایش‌های بیشتر تحت شرایط متنوع و با دقت بیشتری انجام دهیم تا داده‌ها و شواهد لازم برای پشتیبانی از مکانیک کوانتوم استاندارد را جمع‌آوری کنیم.

محققان می‌گویند به‌طور قطع نمی‌توان احتمالات مختلف را کنار گذاشت. تحقیق آن‌ها تا به اینجا نشان می‌دهد که نیاز به استفاده از مکانیک کوانتوم فرامختلط برای توصیف جهان کوانتومی بسیار اندک است؛ اما هنوز جایگزین‌های زیادی وجود دارد که باید در بوته‌ی آزمایش قرار گیرند و تجهیزات پیشرفته‌ی امروزی بیش از هر زمان دیگری دانشمندان را در این امر یاری می‌کنند.