شکست دوباره اینشتین دربرابر جهان کوانتومی؛ آزمایشی واقعی اصل مکملیت بور را تأیید کرد

خلاصه مقاله:

• مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد جهان در مقیاس بسیار کوچک رفتاری عجیب و غیرقابل‌پیش‌بینی دارد، چیزی که اینشتین با آن موافق نبود.
• در کنفرانس سلوی ۱۹۲۷، نیلز بور اصل «مکملیت» را مطرح کرد که می‌گوید بعضی ویژگی‌های ذرات را نمی‌توان هم‌زمان و دقیق با هم اندازه گرفت.
• نمونهٔ ساده این اصل آن است که نمی‌توان هم‌زمان مسیر دقیق یک ذره و رفتار موجی آن را به‌طور کامل دید.
• اینشتین با آزمایشی فکری تلاش کرد نشان دهد می‌توان هر دو را با هم مشاهده کرد، اما بور معتقد بود قوانین کوانتومی اجازه چنین چیزی را نمی‌دهند.
• اکنون آزمایشی واقعی و پیشرفته نشان داده است پیش‌بینی بور درست بوده و جهان کوانتومی همچنان غیرقطعی عمل می‌کند.

مکانیک کوانتومی از آن شاخه‌های علم است که هرچه بیشتر در آن پیش می‌روید، عجیب‌تر می‌شود. درست وقتی فکر می‌کنید به تهِ شگفتی‌هایش رسیده‌اید، ناگهان با لایه‌ای عمیق‌تر و گیج‌کننده‌تر روبه‌رو می‌شوید. شاید معروف‌ترین منتقد این «عجیب‌بودن»، آلبرت اینشتین بود؛ فیزیکدانی که باور داشت جهان باید پیش‌بینی‌پذیر و براساس قوانین قطعی اداره شود. جمله معروف او که می‌گفت «خدا تاس نمی‌اندازد»، خلاصه‌ای از همین دیدگاه است. با‌این‌حال، شواهد علمی بارها نشان داده‌اند که طبیعت در مقیاس کوانتومی دقیقاً آن‌طور که اینشتین می‌خواست رفتار نمی‌کند. آزمایش جدیدی، بار دیگر این موضوع را تأیید کرده است.

برای فهم ماجرا باید به حدود یک قرن پیش برگردیم. در سال ۱۹۲۷، پنجمین کنفرانس سلوی (مهمترین گردهمایی‌های دانشمندان حوزه فیزیک و شیمی) برگزار شد. در این کنفرانس، فیزیکدانان بزرگ درباره پایه‌های مکانیک کوانتومی بحث می‌کردند. یکی از مفاهیم کلیدی مطرح‌شده، «اصل مکمل‌بودن» بود.

طبق «اصل مکملیت» در دنیای کوانتومی، بعضی ویژگی‌های ذرات به‌صورت جفت‌هایی به هم وابسته‌اند که نمی‌شود آن‌ها را هم‌زمان و با دقت کامل اندازه گرفت. به زبان ساده‌تر، هرچه روی اندازه‌گیری یکی از این ویژگی‌ها تمرکز کنید، اطلاعاتتان درباره ویژگی دیگر کمتر و مبهم‌تر می‌شود.

نمونه شناخته‌شده دیگر، دوگانگی موج–ذره است: ذراتی مانند الکترون یا فوتون گاهی مثل ذره‌های نقطه‌ای رفتار می‌کنند و گاهی مثل موج‌هایی پخش‌شده در فضا. اما آزمایش‌ها نشان می‌دهند که نمی‌توان هر دو رفتار را به‌طور هم‌زمان و کامل دید؛ هر روشی که برای دیدن جنبه ذره‌ای به کار می‌برید، جنبهٔ موجی را کم‌رنگ می‌کند و برعکس.

نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، اصل مکمل‌بودن را قلب مکانیک کوانتومی می‌دانست. در مقابل، اینشتین با آن مشکل داشت و معتقد بود این اصل تصویر کاملی از واقعیت ارائه نمی‌دهد.

اینشتین برای به چالش کشیدن بور، «آزمایشی فکری» پیشنهاد داد؛ یعنی آزمونی که در ذهن طراحی می‌شود تا پیامدهای یک نظریه را بررسی کند. او و بور با هم نسخه‌ای تغییریافته از آزمایش مشهور «دوشکاف» را که نقش مهمی در درک رفتار موجی و ذره‌ای نور و ماده داشته است، تصور کردند.

آزمایش دوشکاف در اصل نشان داد نور می‌تواند مانند موج رفتار کند، زیرا پس از عبور از دو شکاف باریک، الگوهای پراش ایجاد می‌کند. بعدها مشخص شد الکترون‌ها و حتی اتم‌ها هم چنین رفتاری دارند. از سوی دیگر، خود اینشتین با توضیح اثر فوتوالکتریک نشان داد نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. همه این‌ها در کنار هم به مفهوم «دوگانگی موج–ذره» انجامید.

در نسخه پیشنهادی اینشتین و بور، پیش از رسیدن ذره به دو شکاف اصلی، یک شکاف منفرد دیگر قرار داشت؛ شکافی که به تکانه ذره حساس بود. ایده این بود که عبور ذره از این شکاف، اطلاعاتی درباره مسیر یا تکانه آن بدهد. اینشتین استدلال می‌کرد اگر بتوان این اطلاعات را به دست آورد و در عین حال هنوز الگوی پراش دوشکاف را دید، آن‌وقت اصل مکمل‌بودن نقض می‌شود؛ زیرا هم رفتار ذره‌ای (مسیر مشخص) و هم رفتار موجی (الگوی پراش) هم‌زمان مشاهده شده است.

اما بور نظر دیگری داشت. او می‌گفت به‌دلیل اصل عدم قطعیت، همین تلاشی که برای دانستن تکانه یا مسیر ذره انجام می‌شود، باعث می‌شود الگوی پراش به‌هم بریزد و نوارهای روشن و تاریک محو شوند. به بیان ساده‌تر، طبیعت اجازه نمی‌دهد هر دو نوع اطلاعات را هم‌زمان و با دقت بالا داشته باشیم.

برای مدت طولانی، اختلاف نظر اینشتین و بور فقط روی کاغذ و در قالب بحث‌های نظری و «آزمایش‌های فکری» باقی مانده بود؛ زیرا فناوری لازم برای اجرای عملی چنین آزمایشی وجود نداشت. اما اکنون به‌گزارش آی‌اف‌ال‌ساینس، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی جیان-وی پان در دانشگاه علم و فناوری چین موفق شده‌اند این ایده قدیمی را به آزمایشی واقعی تبدیل کنند.

دانشمندان از روشی بسیار پیشرفته به نام «پنس نوری» استفاده کردند. پنس نوری در واقع پرتوهای لیزری بسیار متمرکز و دقیقی است که می‌تواند اتم‌ها را بدون تماس فیزیکی، درست مثل یک انبر نامرئی، در هوا نگه دارد و جابه‌جا کند. با کمک این فناوری، پژوهشگران یک اتم روبیدیوم را در فضا معلق نگه داشتند و آن را کاملاً تحت کنترل خود گرفتند.

در گام بعد، اتم مهارشده را با یک فوتون درهم‌تنیده کردند؛ یعنی وضعیت اتم و فوتون به شکلی به هم پیوند خورد که دیگر نمی‌شد آن‌ها را مستقل از هم در نظر گرفت. در چنین حالتی، هر اطلاعاتی که درباره تکانه یا وضعیت یکی از آن‌ها به دست آید، به‌طور مستقیم به دیگری هم مربوط می‌شود. این وابستگی عمیق، ابزار کلیدی آزمایش بود و به پژوهشگران امکان داد دقیقاً همان پرسشی را بررسی کنند که نزدیک به یک قرن پیش، اینشتین و بور درباره‌اش با هم اختلاف نظر داشتند.

البته اصل مکمل‌بودن و حتی این نوع تداخل‌سنج‌ها قبلاً هم آزمایش شده بودند، اما آزمایش جدید یک مزیت مهم دارد: سامانه‌ی طراحی‌شده کاملاً تنظیم‌شدنی است. پژوهشگران می‌توانند میزان محوشدن نوارهای پراش را به‌صورت کنترل‌شده کم یا زیاد کنند و دقیقاً ببینند نظریه چگونه در عمل تحقق پیدا می‌کند. همچنین این روش برای بررسی مسائل پیچیده‌تر مثل درهم‌تنیدگی کوانتومی و از بین‌رفتن آن، که به «ناهمدوسی» معروف است، کاربرد دارد. (ناهمدوسی کوانتومی یعنی اینکه سامانه کوانتومی به‌تدریج رفتار کوانتومیِ خاص خودش را از دست می‌دهد و شبیه دنیای معمولی و کلاسیک می‌شود.)

در نهایت، آزمایش تازه‌ی پژوهشگران در چین نه‌تنها یکی از قدیمی‌ترین بحث‌های تاریخ فیزیک را دوباره زنده کرده، بلکه یک‌بار دیگر نشان داده است که جهان کوانتومی، برخلاف انتظار اینشتین، ذاتاً غیرقطعی و شگفت‌انگیز است.

پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.