آزمایش کوانتومی جدید، مفهوم “قبل” و “بَعد” را در هم میشکند!
تقریباً یک قرن است که تصور میشود ذرات بنیادی هیچ ویژگی معینی ندارند تا زمانی که آنها را از طریق اندازهگیری، مشاهده کنیم.
این ایده دیوانهوار، دنیایی از پارادوکسها را میگشاید. به عنوان مثال، یک ذره میتواند دو رویداد متوالی را در آن واحد تجربه کند و تشخیص اینکه کدام یک اول رخ داده است را غیرممکن سازد.
فیزیکدانان دانشگاه کوئینزلند، راهی برای نور طراحی کردند که ذرهای را مجبور به پیمودن همزمان دو مسیر میکند. که باعث میشود نتوان گفت با چه ترتیبی یک جفت عملیات را به اتمام میرساند.
در زندگی عادی و روزمره، شما میتوانید یک توپ داشته باشید و آن را بر روی یک سطح شیبدار قرار دهید و توپ در مسیر حرکتش ابتدا زنگ A و سپس زنگ B را به صدا دراورد؛ یا اینکه میتوانید توپ را روی سطح شیبدار دیگری قرار دهید که در این صورت ابتدا زنگ B و سپس زنگ A طی حرکت توپ به صدا در خواهند آمد.
هیچ کدام از اینها عجیب نیستند، زیرا ما به نظم خاص داشتن رویدادهای این جهان عادت کردهایم، هر کجا که اتفاقی قبل از اتفاق دیگری، به این شکل رخ دهد، ما علیت را برای آن فرض میکنیم.
اما ماجرا به همین سادگی نخواهد بود اگر بپذیریم که واقعیت، تا قبل از اینکه مورد اندازهگیری قرار گیرد، تصویر تار و مبهمی از احتمالات است.
برای نشان دادن این موضوع، فیزیکدانان معادل فیزیکی چیزی به نام “سوئیچ کوانتومی” را ساختهاند که در آن دو عملیات، هنگامی که ذرهای در برهمنهی (https://t.me/Cosmos_language/279) تمام مکانهای ممکنش وجود دارد، رخ میدهند.
این گروه از محققان مسیری را طراحی کردند که در جایی به دو شاخه تقسیم میشود و این دو شاخه در ادامه در یک تداخلسنج به هم میپیوندند؛ تداخل سنجی که به هر شاخه بسته به قطبش نور ورودی به آن، دسترسی دارد.
امواج نور پس از پیمودن هر شاخه از مسیر، با هم ادغام شده و تداخل میکنند تا یک الگوی خاص وابسته به ویژگیهایشان ایجاد کنند.
در این مورد، دو موج نور درواقع یک فوتون واحد بود که از هر دو شاخه مسیر به طور همزمان عبور کرده بود.
قبل از اندازهگیری شدن یک فوتون، قطبش آن میتواند عمودی یا افقی باشد؛ یا به بیان دقیقتر، قطبش فوتون همزمان هم عمودی و هم افقی است تا زمانی که در عمل اندازهگیری یکی از این دو حالت مشاهده شود.
از آنجا که قطبش نامشخص فوتون هر دو حالت عمودی و افقی همزمان است، در هنگام پیمودن مسیر، همزمان به هر دو شاخه وارد میشود؛ نسخهی دارای قطبش عمودی از فوتون، وارد یک شاخه و نسخهی دارای قطبش افقی همان فوتون، وارد شاخه دیگر میشود.
در ادامهی این دو مسیر، معادل کوانتومی همان زنگها (که در مثال توپ و سطح شیبدار ذکر کردیم) در قالب لنزهایی که فوتون از آنها عبور میکند وجود دارد.
فوتونی با قطبش عمودی، ابتدا ‘زنگ’ A و سپس B را به صدا در میآورد و فوتونی با قطبش افقی ابتدا ‘زنگ’ B و سپس A.
تجزیه و تحلیل الگوی تداخلی فوتونهای ادغام شده، ترکیبی از توالیهای ممکن را آشکار کرد.
تصور دو فوتون مستقل، یکی با قطبش عمودی و دیگری با قطبش افقی، که با ترتیب جداگانه از هر لنز میگذرند آسان است؛ اما این اتفاقی نبود که رخ داد! از ابتدا دو فوتون مستقل وجود نداشت، بلکه این تنها یک فوتون واحد با دو تاریخچه ممکن بود که هیچ یک از آن دو جزء واقعیت نبود تا اینکه فوتون اندازهگیری شد.
این موضوع ثابت میکند که سوئیچ کوانتومی ما هیچ گونه نظم علّی معینی ندارد و نمیتوان چیزی به نام “قبل” و “بَعد” برای آن در نظر گرفت!
مقالهای که گروه در ماه جولای در arXiv منتشر کرد¹، نشان میدهد چگونه یک سوئیچ کوانتومی اعمال شده در دو مسیر، میتواند برهمنهی را حفظ کند.
هر چند این مسئله بسیار پیچیده و عجیب است و هنوز به طور کامل موقق به درک آن نشدهایم، اما نتیجه این تحقیق به فیزیکدانان در ساخت تکنولوژیهای جدید کمک شایانی میکند.
منابع:
1- arXiv:1807.07383v2 (https://arxiv.org/abs/1807.07383)
2- Physical Review Letters (https://journals.aps.org/prl/accepted/c707aYdcD481706284939b075dfc347e2ff710b57)