ماجراهای شگفتی های دنیای کوانتوم، در هم تنیدگی کوانتومی!

بيگ بنگ/ وقتي از درهم تنيدگي کوانتومي سخن مي گوييم، شايد شگفتي هاي دنياي فيزيک برايمان نمايان مي شود. بعنوان مثال منظور از درهم تنيدگي کوانتومي”دو ذره فوتوني ” است که هرگز در يک زمان وجود نداشته اند” اما امکان برقراري ارتباط با يکديگر را دارند. يعني “ارتباط دو ذره فوتون از وراي زمان” يعني مدتي پس از نابودي اولي، دومي به وجود آمده و هرگز همزمان در دنيا نبوده اند. اما داستان چيست؟ در هم تنيدگي کوانتومي يک پديده قديمي و رازآلود با اين معنا است که برخي ذرات، مثل ذرات فوتون ها و الکترون ها، مي توانند “يک بار” بر يکديگر اثر متقابل بگذارند ولي همچنان حتي پس از جدايي، کيفيت هايي نظير چرخش يا قطبي شدگي شان مشترک باشد و “با تغيير حالت يکي، ديگري نيز تغيير کند.”در مکانيک کوانتومي، درهم‌تنيدگي يکي از رفتارهاي عجيب ذرات است که در آن قوانين فيزيک کلاسيک شکسته مي‌شوند و رويدادهاي ناممکن به وقوع مي‌پيوندند. درهم‌تنيدگي که اينشتين از آن با عنوان “عمل شبح‌وار در يک فاصله” ياد مي‌کند، پديده‌يي است که در آن دو ذره به عنوان يک سيستم عمل مي‌کنند حتي هنگامي که توسط فواصل عظيم از هم جدا شده باشند. اما داستان درهم تنيدگي در سال ۱۹۳۵ ميلادي شروع شد، زماني که نکته فوق العاده عجيبي در مورد نظريه کوانتومي توجه آلبرت اينشتين را جلب کرد، نکته اي که چند سالي از فرمول بندي نوين نظريه کوانتومي مي گذشت همچنان از نگاه تيزبين فيزيکدان ها پوشيده مانده بود. اينشتين دريافت که براساس نظريه کوانتومي بايد مابين ذراتي که حداقل يکبار با يکديگر برهم کنش داشته اند، نوعي ارتباط اسرارآميز دروني برقرار شود، به گونه اي که اگر ويژگي هاي کوانتومي يکي از اين ذرات را تغيير دهيم، مابقي آنها صرف نظر از اينکه در چه فاصله اي از ذره اول قرار گرفته اند- و مثلا يک متر با ذره مزبور فاصله دارند يا يک ميليارد سال نوري- بلافاصله و بطور آني از اين تغيير ، تاثير مي پذيرد! اين پيش بيني نظريه کوانتومي به حدي عجيب و غريب بود که حتي خود اينشتين هم که بنيان گذاران فيزيک کوانتومي بود به هيچ وجه نتوانست بپذيرد و آن را ناشي از ناکامل بودن نظريه کوانتومي مي دانست چرا که او معتقد بود اساسا هيچ کنش و ارتباطي مابين ذرات جهان نمي توانست با سرعتي بيش از سرعت نور برقرار شود. به همين دليل هم اينشتين در همان سال مقاله مشترکي با دو فيزيکدان ديگر به نام هاي بوريس پودولسکي و ناتان روزن منتشر کرد و در آن مقاله ضمن اعلام نظر خود مبني بر وجود مشکل در نظريه کوانتومي، نظريه ديگري بنام « نظريه متغيرهاي نهاني موضعي» بعنوان جايگزين نظريه کوانتومي ارائه داد. اين نظريه به گونه اي تديون شده بود که تمامي پيش بيني هاي نظريه کوانتومي را عينا البته بدون در نظر گرفتن رابطه آني و لحظه اي بين ذرات ، نتيجه مي داد. اما براستي کداميک از اين دو نظريه قابل پذيرش بودند؟ نظريه مطرح شده در مقاله مشترک اينشتين- پودولسکي – روزن که بطور مخفف مقاله EPR ناميده مي شود يا نظريه کوانتومي- که اروين شرودينگر ، فيزيکدان برجسته اتريشي اصطلاحا آن را « در هم تنيدگي کوانتومي» ناميده بود- دلالت داشت؟ در اين مطالعه، پارادوکس EPR فرموله شد، آزمايشي فکري که در تلاش بود ناکامل بودن تئوري مکانيک کوانتومي را نشان دهد. در اين مقاله آمده بود:”بنابراين ما مجبوريم چنين نتيجه گيري کنيم که توصيف مکانيک کوانتومي از واقعيت فيزيکي توابع موج، غيرکامل مي باشد.” با اين حال نه تنها واژه درهم تنيدگي توسط اين سه دانشمند ساخته و پيشنهاد نشده بود بلکه ايشان خواص ويژه اين وضعيت را نيز تعميم نداده بودند. پس از انتشار مقاله EPR، اروين شرودينگر براي نخستين بار در نامه‌اي که براي اينشتين مي نويسد از واژه درهم‌تنيدگي براي توصيف بستگي دو ذره که موقتا با يکديگر در اندرکنش بوده و سپس جدا شده اند استفاده کرد. شرودينگر اهميت EPR را در آن ميديد که انحراف مکانيک کوانتومي از موازين ذهن کلاسيک نشان مي داد. وي همچون اينشتين با مفهوم درهم تنيدگي مخالف بود چرا که آشکارا نظريه نسبيت را که در آن سرعت نور، بيشينه سرعت انتقال اطلاعات بود را به چالش مي کشيد. اينشتين بعدها درهم تنيدگي را تاثير از فاصله شبح وار ناميد و به اين ترتيب آن را به سخره گرفت. کليد پاسخ اين سوال مهم را يک فيزيکدان ايرلندي به نام جان بل در سال ۱۹۶۴ ميلادي پيدا کرد. جان بل توانست رابطه اي رياضي را که بعدها به نام « نامساوي بل » شهرت يافت، پيدا کند. که مي توانست مابين پيش بيني هاي اين دو نظريه رقيب يعني نظريه کوانتومي و نظريه متغيرهاي نهاني موضعي را در آزمايشات خاصي نشان دهد. براين اساس اگر فيزيکدان ها موفق مي شدند در آزمايشات خود، نقض نامساوي بل را مشاهده کنند، اين به معناي صحت نظريه کوانتومي و وجود پديد اسرار آميز در هم تنيدگي کوانتومي بود و در غير اين صورت، حق با اينشتين بود و هيچ ارتباطي با سرعتي فراتر از سرعت نور مابين ذرات وجود نداشت. اسپکت با آزمايش تاريخي خود در سال ۱۹۸۲ وجود درهم تنيدگي کوانتومي و ارتباط اسرارآميز دروني مابين ذرات کوانتومي را بطور تجربي نشان داد. اين مناقشه طولاني سرانجام در سال ۱۹۷۲ با پيروزي نظريه کوانتومي به پايان رسيد. در اين سال، دو فيزيکدان به نامهاي استوارت فريدمن و جان کلاورز در دانشگاه برکلي آمريکا موفق شدند با اندازه گيري قطبش فوتون هايي که قبلا با يکديگر برهم کنش داشته اند، نقض نامساوي بل و در نتيجه وجود پديده اسرارآميز در هم تنيدگي کوانتومي براي اولين بار به طور تجربي مشاهده کنند. ده سال بعد از آزمايش فريدمن – کلاورز، در سال ۱۹۸۲ يک فيزيکدان فرانسوي بنام آلن اسپکت با افزايش دقت اين آزمايش، وجود پديده در هم تنيدگي کوانتومي را باز هم با قطعيت بالاتري تاييد کرد. در سال ۲۰۰۸ نيز فيزکدانان دانشگاه ژنو در سوئيس به رهبري نيکولاس گيسين با انجام آزمايشي توانستند صراحتا نشان دهند که ارتباط مابين ذرات در هم تنيده حداقل با سرعتي ده هزار برابر سريعتر از سرعت نور صورت مي گيرد! اما شگفتي هاي پديده در هم تنيدگي کوانتومي به همين جا ختم نمي شود چرا که برخي فيزيکدان ها معتقدند که اين ارتباط آني و دروني اسرارآميز نه تنها در فواصب مکاني بلکه در بعد مکان بلکه حتي مابين لحظات مختلف در بعد زمان هم مابين گذشته و آينده عمل مي کند و اين به معناي ارتباط آني دو لحظه مختلف زماني با همديگر است! علاوه بر اين، امروزه فيزکدان ها حتي کاربردهاي حيرت انگيز متعددي را نيز براي اين پديده اسرارآميز پيدا کرده اند، کاربردهاي نظير مخابرات کوانتومي، کامپيوترهاي فوق سريع کوانتومي ، رمز نگاري غير قابل نفوذ کوانتومي و غيره… کابردهايي که براساس پديده حيرت انگيز در هم تنيدگي کوانتومي، فناوري بشر را در قرن بيست و يکم دگرگون خواهد کرد.