درهم‌تنیدگی کوانتومی: بحثی فراتر و عجیب‌تر از مکانیک کوانتومی

در تابستان سال ۱۹۳۵ دو فیزیک‌دان مشهور یعنی آلبرت اینشتین و اروین شرودینگر درگیر مکاتبات علمی پیچیده و چندبعدی و حتی گاهی آتشین در مورد تبعات نظریه جدید مکانیک کوانتوم بودند. تمرکز نگرانی دو فیزیک‌دان چیزی بود که بعدها شرودینگر آن را درهم‌تنیدگی نام نهاد. درهم‌تنیدگی به معنای عدم توانایی توصیف مستقل دو سیستم کوانتومی یا دو ذره بعد از برهم‌کنش آن‌ها است.

اینشتین تا آخر عمر خود بر این عقیده بود که نظریه‌ی درهم‌تنیدگی نشان‌گر کامل نبودن مکانیک کوانتوم است. اما شرودینگر معتقد بود که درهم‌تنیدگی از ویژگی‌های اصلی فیزیک جدید است. البته این گفته بدین معنا نیست که شرودینگر این نظریه را به راحتی پذیرفت. او در ۱۳ جولای ۱۹۳۵ به اینشتین نوشت:

البته من می‌دانم که ریاضیات قضیه چگونه است؛ اما از این نوع نظریه خوشم نمی‌آید.

گربه‌ی مشهور شرودینگر که بین مرگ و زندگی معلق است، برای اولین بار در نامه‌های او به همکارش آشکار شد و یکی از تبعات تلاش برای توضیح آن چیزی بود که دو دانشمند را آزار می‌داد. اما چرا درهم‌تنیدگی این فیزیک‌دانان را آزار می‌داد؟ مشکل نظریه این است که قوانین جهان را به چالش می‌کشد. به‌عنوان نمونه داده‌ها نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند، اما درهم‌تنیدگی این موضوع پذیرفته‌شده را زیر سوال می‌برد.

به عبارت ساده، نامحلی مکانی یا کنش از راه دور به این معنی است که اگر دو سیستم کوانتومی با هم کنش داشته باشند، سپس از هم جدا شوند و در فواصل دور از یکدیگر، مانند چند هزار سال نوری، قرار گیرند، اندازه‌گیری ویژگی‌های یکی از سیستم‌ها (ویژگی‌هایی همچون مکان، ممان و قطبیت) بدون تأثیرگذاری مستقیم و آنی روی ویژگی‌های سیستم دیگری غیر ممکن خواهد بود.

تا به امروز آزمایش‌های زیادی درمورد درهم‌تنیدگی در بستر مکانی انجام گرفته است. چون فرض بر این است که قسمت دور بودن کوانتومی اشاره به درهم‌تنیدگی ویژگی‌های ذرات در فاصله‌ی مکانی دارد. اما آیا امکان دارد درهم‌تنیدگی در بستر زمان نیز رخ دهد؟ آیا چیزی به‌عنوان کنش از زمان دور نیز وجود دارد؟ جواب این پرسش آن گونه که به نظر می‌رسد، مثبت است.

شاید فکر کنید مکانیک کوانتوم ماهیت عجیبی دارد؛ اما موضوع عجیب‌تر هم می‌شود. در سال ۲۰۱۳ تیمی از فیزیک‌دانان دانشگاه هیبرو اورشلیم (Hebrew University of Jerusalem) گزارش دادند که با انجام آزمایشی، با موفقیت توانسته‌اند اثر درهم‌تنیدگی را در فوتون‌هایی مشاهده کنند که به‌صورت هم‌زمان وجود نداشته‌اند.

پیش از این فیزیک‌دانان در آزمایش‌های قبلی با استفاده‌ از تکنیکی با نام تبادل مکانیکی نشان داده بودند که درهم‌تنیدگی کوانتومی در زمان نیز وجود دارد. در این تکنیک دو ذره‌ی درهم‌تنیده به‌صورت همزمان وجود دارند و فیزیک‌دانان تلاش می‌کنند اندازه‌گیری یکی از ذرات درهم‌تنیده را با تأخیر انجام دهند. اما الی مگیدیش و همکارانش توانسته‌اند در هم‌تنیدگی ذراتی را نشان دهند که عمر آن‌ها با یکدیگر تلاقی نداشته است. پرسش این است که آن‌ها چگونه این کار را انجام دادند؟

این فیزیک‌دانان ابتدا یک جفت فوتون در‌هم‌تنیده (فوتون‌های ۱ و ۲، مرحله اول در نمودار زیر) را به‌وجود آوردند. سپس بلافاصله قطبیت فوتون ۱ را اندازه گرفتند و در نتیجه آن را از بین بردند (مرحله دوم) و فوتون ۲ به حال خود رها شد. قطبیت یکی از ویژگی‌های فوتون است که جهت نوسان آن را توصیف می‌کند. در مرحله‌ی سوم یک زوج فوتون درهم‌تنیده‌ی جدید (فوتون‌های ۳ و ۴) ایجاد شد. سپس ویژگی فوتون سرگردان ۲ به همراه فوتون ۳ به نحوی اندازه گرفته شد که ارتباط درهم‌تنیدگی بین زوج‌های قدیمی (یعنی زوج‌ ۱و۲ و زوج ۳و۴) به زوج جدید ۲ و ۳ منتقل شود.

بعد از مدتی (مرحله‌ی ۵) قطبیت تنها فوتون بازمانده، یعنی فوتون ۴ اندازه‌گیری می‌شود و نتایج با قطبیت فوتون شماره‌ی ۱ که در مرحله‌ی ۲ از بین رفته بود، مقایسه می‌شود.

اما نتیجه‌ی آزمایش چه بود؟ داده‌های به‌دست‌آمده، از ارتباط کوانتومی بین فوتون‌های ۱ و۴ پرده برداشت. نتیجه‌ی این آزمایش نشان می‌دهد که درهم‌تنیدگی می‌تواند بین دو سیستم کوانتومی اتفاق بیفتد؛ حتی اگر آن دو سیستم به‌طور همزمان وجود نداشته باشند. این گفته به چه معنا است؟ شاید یکی از برداشت‌های آزار‌دهنده که می‌توان از این نتیجه به دست آورد، این است که قطبیت یکی از فوتون‌های ایجادشده در ستاره‌ای در گذشته‌ای دور (مثلا قبل از به‌ وجود آمدن زمین) می‌تواند روی قطبیت فوتونی که امروز وارد تلسکوپ آماتوری شما می‌شود، تأثیر بگذارد.

حتی می‌توان برداشت عجیب‌تری نیز کرد: ممکن است مشاهده‌ی شما از فوتون واردشده به تلسکوپ توسط چشمان شما به‌نحوی روی قطبیت فوتون‌های ۹ میلیارد سال قبل تأثیر گذاشته باشد. چنین سناریو‌هایی در نظر ما بسیار عجیب و نامحتمل به نظر می‌رسد؛ اما مگیدیش و همکارانش در تلاشند تا به تمام توصیفات ممکن و عجیب دست یابند.

شاید اندازه‌گیری قطبیت فوتون ۱ در مرحله‌ی ۲ به نحوی در آینده بر قطبیت فوتون ۴ تأثیر می‌گذارد، یا اینکه اندازه‌گیری قطبیت فوتون ۴ در مرحله‌ی ۵ باعث می‌شود تا گذشته‌ی فوتون ۱ از نو نوشته شود. در هر دو حالت می‌توان گفت که ارتباطات کوانتومی در فاصله‌ی زمانی بین مرگ یک فوتون و تولد فوتون دیگری وجود دارد.

اما شاید با کمک نظریه‌ی نسبیت بتوان به درک بهتری از نتایج آزمایش فوق دست یافت.

اینشتین با توسعه‌ی نظریه‌ی نسبیت خاص خود به‌نوعی مفهوم همزمان بودن را که از مفاهیم پایه‌ای فیزیک نیوتونی است، از نو نوشت. در واقع در نتیجه‌ی کارهای اینشتین، امروزه همزمان بودن، نه یک ویژگی مطلق، بلکه یک ویژگی نسبی به‌شمار می‌رود. درواقع یک زمان‌سنج جهانی برای کل عالم وجود ندارد. بنابراین این که یک اتفاق دقیقا چه زمانی روی داده است، به موقعیت دقیق شما نسبت به آن چیزی که مشاهده می‌کنید، بستگی دارد و این همان مفهوم چارچوب مرجع است.

از همین رو کلید درک رفتارهای علت و معلولی عجیب در وقایعی که با فاصله‌ی زمانی اتفاق می‌افتند، همچون تأثیر بر آینده و بازنویسی گذشته، در پذیرش این نکته است که همزمان خواندن پدیده‌ها به خودی خود دارای بار متافیزیکی نیز خواهد بود. همزمانی یک ویژگی وابسته به مرجع اندازه‌گیری از بین مراجع مختلف است و انتخاب آن تنها بر مبنای قراداد و با هدف ثبت وقایع انجام می‌شود. این موضوع برای مکانیک کوانتوم و نامحلی زمانی و مکانی نیز صادق است. بنابراین پیچیدگی‌های مربوط به برچسب زمانی ذرات درهم‌تنیده‌ی کوانتومی را می‌توان با نظریه‌ی نسبیت توضیح داد.

اینشتین نشان داد که به لحاظ متافیزیکی هیچ تسلسل حوادثی بر دیگری برتری ندارد و در واقع یک توالی از اتفاقات، بیش از دیگری واقعی نیست. تنها با پذیرش این مفهوم است که می‌توان از پازل مکانیک کوانتوم سر در آورد.

در آزمایش دانشگاه هیبرو چارچوب‌های مرجع مختلفی وجود دارد: چارچوب آزمایشگاه، چارچوب فوتون ۱، چارچوب فوتون‌های ۲ و ۳ و ۴. هر یک از این چارچوب‌ها نیز تاریخ‌نویسان مخصوص خود را دارند. این تاریخ‌نویسان درباره‌ی تسلسل حوادث با یکدیگر اختلاف نظر دارند و هیچ‌کدام نیز به‌طور کامل حقیقت را بیان نمی‌کنند. از نقطه نظر مکان‌زمانی مخصوص هر کدام از تاریخ‌نویسان، حوادث با ترتیب متفاوتی رخ می‌دهند.

پس واضح است که تلاش برای معرفی کردن یک چارچوب به‌عنوان چارچوب مطلق یا نسبت دادن ویژگی‌های مشاهده‌شده به آن چارچوب باعث بروز اختلاف بین تاریخ‌نویسان می‌شود.

اما در مورد یک نکته می‌توان مطمئن بود: وجود اختلاف را در مورد این که کدام ویژگی‌ها مربوط به کدام یک از ذرات است و این که اتفاقات به چه ترتیبی رخ داده است، می‌توان قبول کرد، اما در مورد وجود خود ذرات و ویژگی‌ها و همین‌طور حوادث رخ‌داده نباید اختلاف نظر وجود داشته باشد.

یافته‌های آزمایش فیزیک‌دانان دانشگاه هیبرو باعث آشکار شدن تضاد بیشتر بین مفاهیم مکانیک کلاسیک مورد علاقه‌ی فیزیک‌دانان و واقعیات تجربی مکانیک کوانتوم شده است. هدف از خلق ایده‌ی آزمایش گربه‌ی شرودینگر این بود که نشان دهد درهم‌تنیدگی کوانتومی چگونه می‌تواند منجر به پدیده‌ای ماکروسکوپیکی شود و درک ما از رابطه‌ی بین اشیا و صفات آن‌ها را به چالش بکشد؛ یعنی ارگانیسمی مانند گربه که یا زنده است یا مرده و حالتی بین این دو نمی‌تواند وجود داشته باشد.

برای توضیح پاراگراف فوق مثال پازل تصویری را می‌آوریم. برای کامل شدن یک پازل تصویری تمام قطعات آن باید در یک زمان در کنار یکدیگر قرار گیرند، برای این کار باید قطعات پازل و مرزهای مکانی بین آن‌ها از قبل به‌صورت دقیق تعریف شده باشد. با این حال نامحلی مکانی این نگرش را به چالش می‌کشد. نامحلی زمانی نیز موضوع را پیچیده‌تر می‌کند: چگونه می‌توان یک ماهیت را توصیف کرد؛ در حالی بخش‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها به‌صورت همزمان وجود ندارند. در واقع نامحلی زمانی می‌گوید که برای تکمیل شدن پازل لازم نیست قطعات آن به‌صورت همزمان در کنار یکدیگر قرار بگیرند.

گاهی اوقات درک طبیعت درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند کار سختی باشد. مشخص نیست که در آینده از پس آزمایش‌های پیچیده‌ی فیزیک‌دانانی همچون مگیدیش در مورد ماهیت مکانیک کوانتومی چه حقایق متافیزیکی گیج‌کننده‌ی دیگری ظاهر خواهد شد. شرودینگر در نامه‌ای به اینشتین به‌صورت کنا‌یه‌آمیز و با استفاده از یک استعاره‌ی غیرمنتظره می‌نویسد:

این گونه احساس می‌شود که این موضوع (در‌هم‌تنیدگی) دقیقا مهم‌ترین بخش از نظریه‌ی جدید است که می‌توان آن را داخل چکمه‌های اسپانیایی جا داد، ‌اما با سختی زیاد.

ما نمی‌توانیم از اهمیت نامحلی مکانی و زمانی در متافیزیک آینده چشم‌پوشی کنیم. اگر داخل چکمه‌ها جا شوند یا نشوند؛ در هر صورت مجبوریم آن‌ها را بپوشیم!