آزمایش ذهنی انیشتین برای حل پارادوکس کوانتومی!

يگ بنگ/ اينشتين ظاهرا از تناقضات مکانيک کوانتومي به طرز ناخوشايندي متنفر بود و بارها و بارها سعي کرد نظريه‌اي را که خود به خلق آن کمک کرده بود، از بين ببرد. او تقريباً موفق شد. پارادوکس گربه‌ي شرودينگر به يکي از معماهاي کلاسيک و دردسرساز نظريه‌ي کوانتومي مبدل شد. با اين حال، به مانند اصل برهم‌نهي که عجيب و شگفت‌آور بود، اين پارادوکس هم دردسرسازترين عنصر مکانيک کوانتومي نبود. دست کم در نگاه اينشتين. اينشتين متوجه تهديدي از يک منظر ديگر شد. اين پارادوکس ظاهرا تهديدي براي قانون متعالي وي به شمار مي‌رفت که مي‌گويد هيچ اطلاعاتي نمي‌تواند سريع‌تر از سرعت نور حرکت کند و اينطور به نظر آمد که انگار به دانشمندان اين امکان را مي‌دهد تا ماشين زمان را بسازند. اينشتين و دو تن از همکارانش به نامهاي بوريس پودولسکي و ناتان روزن، در سال ۱۹۳۵ به اين مسئله پي بردند. آنها نيز مانند شرودينگر آزمايشي ذهني را ترتيب دادند که پوچي و بي‌معنايي مکانيک کوانتومي را آشکار مي‌ساخت، و اتفاقاً آزمون معرکه‌اي هم از آب درآمد. آنها در اين آزمايش يک ويژگي مکانيک کوانتومي که امروزه به درهم‌تافتگي (Quantum entanglement) موسوم است را مورد توجه قرار دادند که در کنار اصل برهم‌نهي (Superposition principle)، خبر از دگرديسي تماميت چارچوب مکانيک کوانتومي تا حد مشتي تناقضات مي‌داد. آزمايش ذهني اينشتين-پودولسکي-روزن يا به اختصار EPR با ذره‌اي آغاز مي‌شود که به شکلي در فضا معلق است. به ناگاه، ذره‌ داراي واپاشي مي‌شود که حاصل آن توليد دو ذره جديد کوچکتر است که در جهات مختلف از هم دور مي‌شوند. اگر اين دو ذره جرم يکسان داشته باشند، در آن صورت مي‌بايست با تندي‌هاي برابر اما در جهات مخالف حرکت کنند. آنگونه که قوانين نيوتون مي‌گويند. اگر يکي از اين ذرات سنگين‌تر از ديگري باشد، ذره‌ي سنگين‌تر بايد آهسته‌تر از آن ديگري جابجا شود و ذره‌ي سبک‌تر بايد سرعت بيشتري داشته باشد. اين امر پيامد قانون پايستگي تکانه است. براي ارائه‌ي يک اثبات هم که شده، بياييد اينطور بگوييم که ذره‌ي اصلي‌مان به يک ذره‌ي سبک و يک ذره‌ي سنگين وامي‌پاشد که به سمت‌هاي راست و چپ شليک مي‌شوند. تا شما نوعي اندازه‌گيري و سنجش را بر روي يکي از اين جفت حاصل از واپاشي انجام مي‌دهيد، خود را با يک سوال دودويي مواجه مي‌بينيد. ذره‌ي سبک و سريع يا به سمت راست مي‌رود يا به سمت چپ. يا، اگر از يک منظر ديگر نگاه کنيم، ذره‌اي که به سمت چپ مي‌رود يا آن ذره‌اي است که سبک‌تر است يا آن ديگري که سنگين‌تر. يا صفر است يا يک. اين سيستم خاص از ذرات را به يادبود اينشتين، پودولسکي و روزن، ««جفت EPR»» مي‌نامند. حال فرض کنيد که مي‌خواهيد سرعت آن ذره‌ از جفت EPR که به سمت چپ حرکت مي‌کند را اندازه‌ بگيريد: يا سرعتش زياد است يا نيست. يا ذره سنگين است يا سبک. يا صفر است يا يک. به محض آنکه سرعت ذره‌ي سبک را اندازه‌ بگيريد، در مي‌يابيد آن ذره‌اي که در سمت چپ حرکت مي‌کند کدام است. ديگر خواهيد دانست که سرعتش زياد است يا کم. اما با انجام اندازه‌گيري‌ روي ذره‌ي سمت چپي، اطلاعات مربوط به ذره‌ي سمت راستي هم به دست مي‌آيد. اگر ذره‌ي سمت چپي را مورد اندازه‌گيري قرار داده و دريابيد که با سرعت زيادي در حال جابجا شدن است (يک ۰ است) به طور خودکار مي‌دانيد که ذره‌ي ديگر با سرعت کمتري حرکت مي‌کند (يک ۱ است). و همينطور برعکس. يک تک اندازه‌گيري که به حصول يک بيت اطلاعات نزد شما مي‌انجامد، يک ۰ يا يک ۱، اطلاعاتي از هر دو ذره را در اختيارتان مي‌گذارد. اين دو ذره از نظر اطلاعاتي با هم در ارتباط هستند. اين وضع را درهم‌تنيدگي مي‌نامند. به بيان نظريه‌ي اطلاعات و البته مکانيک کوانتومي، اين دو جسم طوري رفتار مي‌کنند که انگار يک ذره هستند. اگر روي يکي اندازه‌گيري انجام دهيد، به واقع روي هر دو اينکار را انجام داده‌ايد. شما مي‌توانيد يک جفت EPR که ذراتش در هم‌تنيده هستند را به روش ديگري هم ايجاد کنيد. مثلاً، مي‌توانيد مجموعه‌اي از ذرات درست کنيد که اسپين‌شان معادل و در خلاف جهت همديگر باشد. درست همانگونه که مي‌توانيد ذراتي درست کنيد که سرعت‌هايشان برابر اما در حهت‌هاي گوناگون باشند. اگر يکي از چنين ذرات درهم‌تنيده‌اي را اندازه‌گيري کرده و دريابيد که اسپينش بالا است، آنگاه بلافاصله مي‌دانيد که اسپين ديگري رو به پايين است. مي‌توانيد يک جفت فوتوني، يک جفت ذره‌ي نوراني درست کنيد که قطبيتشان با هم برابر اما در خلاف جهت يکديگر باشند. اگر بدانيد فوتوني که در سمت چپ حرکت مي‌کند در صفحه‌ي افقي قطبي شدهف خواهيد فهميد که ذره‌اي که در سمت راست حرکت مي‌کند، حتما در صفحه‌ي عمودي قطبي شده است. تا اينجا موضوع مورد بحث پيچيدگي وحشتناکي نداشته است. اين قبيل چيزها در دنياي ماکروسکپي هم مدام اتفاق مي‌افتد. مثلاً، مي‌توانيم بگوييم که در يک جعبه سکه‌اي يک پني و در يک جعبه ديگر سکه‌اي پنج سنتي دارم. وقتي درب يکي از جعبه‌ها را باز مي‌کنيم و داخل آن را مي‌بينيم، بلافاصله مي‌فهميم که در جعبه‌ي ديگر چه چيز وجود دارد. با اين حال، بر خلاف داستان سکه‌ها، مي‌توانيد برهم‌نهي را ترکيبي کنيد. آن هنگام که ذرات کوانتومي برهم‌نهيده را با هم در هم‌تنيده مي‌کنيد، ماجرا بدجوري هراس‌انگيز مي‌شود. در واقع حتي بدون برهم‌نهي نيز، درهم‌تافتگي به حتم مشکلات مشابهي را به بار مي‌آورد. مقاله اصلي EPR نشان از وجود مشکل بالقوه‌اي داشت چرا که دانستن همزمان تکانه و مکان يک ذره بر خلاف اصل عدم قطعيت هايزنبرگ است. ديويد بوهم بعدها صورت‌بندي برهم‌نهي به اضافه‌ي درهم‌تنيدگي که اينشتين برهان آن را بعدها اصلاح کرد، ارائه نمود.