پدیده گره خوردگی یا بر هم نهی کوانتومی چیست؟

[Interstellar]

برخی ذرات مثل ذرات فوتون ها و الکتورونها میتوانند یک بار با هم تقابل کنند و روی هم اثر متقابل بگذارند ولی همچنان حتی پس از جدایی ...کیفیت و ویژگی هایی مثل چرخش و اسپین و قطبیدگی و ....مشترکی دارند حتی اگر هزاران سال نوری از هم فاصله بگیرند . جالب است بدانید با تغییر یکی دیگری نیز دچار تغییراتی میشود.

اینجاست مرزهای کلاسیک شکسته میشود .

انیشتین به این پدیده کوانتومی "عمل شبح وار" میگفت که نظر انیشتین را حوالی سالهای 1935 جلب کرد ...البته با این که انیشتین بزرگ یکی از بنیانگذاران کوانتومی بود ولی هرگز کنش های بین ذرات کوانتومی را نمیتوانست قبول کند . به خاطر همین مقاله ای مشترک با دو همکار دیگرش به نام روزن و پودولسکی داد که با نام هر سه آنها این نظریه مشهور شد .

در این مقاله ضمن اینکه گفتند در نظریات کوانتومی مشکلاتی وجود دارد این ایده را مطرح کردند که متغیر های پنهانی حلال مشکلات است . یکی از مهمترین علل مخالفت انیشتین با پدیده در همتنیدگی کوانتومی این بود که نسبیت خاص را زیر سوال میبرد {البته ظاهرا }

چون طبق نسبیت اعتقاد بر این بود اطلاعات بیش از سرعت نور نمیتوانند منتقل بشوند

در سال 1964 جان بل در ازمایشگاه خود رابطه ریاضی را کشف کرد که به نامساوی بل مشهور شد و میتوانست نظریات متغیرهای پنهانی انیشتین و همچنین نظریه کوانتومی را ازمایش کند . اگر

نقض نامساوی بل در ازمایشاتش دیده میشد یعنی نظریه کوانتومی پیروز بود .

اما این مساله تا دهه هفتاد هشتاد میلادی طول کشید .

دو فیزیکدان به نامهای استوارت فریدمن و جان کلاورز در دانشگاه برکلی آمریکا موفق شدند با اندازه گیری قطبش فوتون هایی که قبلا با یکدیگر برهم کنش داشته اند، نقض نامساوی بل و در نتیجه وجود پدیده اسرارآمیز در هم تنیدگی کوانتومی را برای اولین بار به طور تجربی مشاهده کنند.

سال 82 میلادی نیز یک فرانسوی به نام الن اسپک با افزایش دقت دوباره پدیده در هم تنیدگی را تست کرد و پیروز از اب در امد .

سال 2008 نیز در دانشگاه ژنو این مساله مجدد ازمایش شد .

و نشان داده شد سرعت انتقال اطلاعات به بیش از 10 هزار برابر سرعت نور میرسد.



اما سوال : ایا پدیده در هم تنیدگی کوانتومی ....نسبیت خاص انیشتین را نقض میکند ؟

بگذارید مساله را کمی باز تر کنیم :

گره خوردگی (درهم تنیدگی) کوانتومی یکی از اصول مرکزی فیزیک کوانتوم است، اگرچه گذشته از این به خوبی و به درستی درک نشده است. به اختصار، گره خوردگی کوانتومی یعنی این که چند ذره به گونه ای به هم متصل شده اند که اندازه گیری یک حالت کوانتومی یک ذره حالات کوانتومی احتمالی سایر ذرات را معین می کند.

مثالی کلاسیک از گره خوردگی کوانتومی

مثال کلاسیک درهم تنیدگی کوانتومی پارادوکس EPR نامیده شده است.

در یک نسخه ی ساده سازی شده از این مثال، ذره ای را با اسپین کوانتومی صفر در نظر بگیرید که به دو ذره ی جدید A و B واپاشیده می شود. ذره ی A و B در دو جهت مخالف حرکت می کنند.اگرچه، این ذره ی اصلی دارای اسپین کوانتومی صفر است، هر یک از این ذرات جدید داری اسپین کوانتومی ۱/۲ هستند، اما چون جمع آن ها باید به صفر برسد، یکی ۱/۲+ و دیگری ۱/۲- است.

این رابطه به این معناست که این دو ذره به هم گره خورده اند. یعنی هنگامی که شما اسپین ذره ی A را اندازه گیری می کنید، آن اندازه گیری برروی نتایج احتمالی که شما می توانید هنگام اندازه گیری اسپین B به دست آورید اثر می گذارد. و این تنها یک پیش بینی نظریه ای جالب نیست، بلکه به طور تجربی از طریق آزمایش های نظریه ی Bell تایید شده است.

موضوع مهمی که باید به یاد داشته باشیم این است که در فیزیک کوانتوم، عدم قطعیت اصلی در مورد حالت کوانتومی ذره تنها فقدان دانش نیست. یک ویژگی بنیادی نظریه ی کوانتوم این است که پیش از عمل اندازه گیری، ذره در واقع دارای یک حالت معین نیست، و در حالت برهم نهی تمام حالات ممکن وجود دارد. این موضوع به وسیله ی فیزیک کوانتوم به بهترین شکل مدلسازی شده است، یعنی گربه ی شرودینگر، جایی که روش مکانیک کوانتوم به یک گربه ی نادیده منجر می رسد که به طور همزمان هم زنده است و هم مرده.

تابع موج جهان

یک روش برای تفسیر هستی در نظر گرفتن کل جهان به صورت یک تابع موج تکی است. در این مثال، "تابع موج جهان" می تواند حاوی عبارتی باشد که حالت کوانتومی هر ذره را تعریف می کند. این شیوه باب این موضوع را برای این ادعا باز می گذارد که "همه چیز بسته یا متصل" است. تصور کنید این تفسیر به این معناست که حالت کوانتومی هر ذره در جهان تابع موج هر ذره ی دیگری را تحت تاثیر قرار می دهد. در واقع هیچ مجموعه ی آزمایشی که بتواند این اثر را که یک موقعیت می تواند نشان دهنده ی موقعیت دیگری باشد را کشف کند وجود ندارد.

در فیزیک کوانتوم ذرات درهم تنیده (گره خورده) به گونه ای به هم متصل شده اند که اعمال انجام شده بر روی یکی دیگری را تحت تاثیر قرار می دهد، حتی هنگامی که به وسیله ی فواصل بزرگ از هم جدا شده اند. این پدیده توسط آلبرت انیشتین "عمل شبح وار در یک فاصله" نامیده شده است.

طبق قوانین حالت در فیزیک کوانتوم یک فوتون نادیده در تمام حالات احتمالی به طور همزمان وجود دارد اما، هنگامی که مشاهده شده یا اندازه گیری می شود تنها دارای یک حالت است.

اسپین در اینجا به صورت محور چرخش نشان داده شده است، اما ذرات واقعی نمی چرخند.

درهم تنیدگی یا گره خوردگی هنگامی اتفاق می افتد که یک جفت ذره، از قبیل فوتون ها، به لحاظ فیزیکی برهمکنش داشته باشند. پرتوی لیزر خارج شده از یک نوع کریستال معین می تواتد سبب شود تا فوتون های تکی به جفت فوتون های درهم تنیده شکافته شوند.

این فوتون ها می توانند تا یک فاصله ی زیاد، یعنی صدها مایل یا بیشتر از هم جدا شوند.

وقتی فوتون A حالت اسپین بالا را به خود می گیرد، فوتون گره خورده ی B که اکنون دور نیست، حالتی را وابسته به فوتون A به خود می گیرد (در این حالت، حالت اسپین پایین). انتقال حالت بین فوتون A و فوتون B در سرعتی دست کم ۱۰۰۰۰ برابر سرعت نور اتفاق می افتد، احتمالا حتی به طور همزمان و صرفنظر از فاصله.

یک آزمایش پیشنهادی می تواند یک فوتون از جفت درهم تنیده را به ایستگاه فضایی بین المللی در حال گردش در فاصله ای حدود ۳۱ مایل (۵۰۰ کیلومتر) بفرستد. این فاصله می تواند بزرگترین فاصله ای باشد که به طور تجربی آزمایش شده است.



برهم نهی یا سوپرپوزیشن کوانتومی

این حالات همگی اصل برهم نهی را نشان می دهند. هنگامی که دو موج با هم برخورد می کنند با یکدیگر برهمکنش داشته و همپوشانی می کنند. گاهی اوقت آن ها به یکدیگر اضافه شده و موج بزرگتری را به وجود می آورند، و گاهی اوقات یکدیگر را بی اثر کرده و اغلب ترکیبی از هر دو حالت به وجود می آید. هدفون های خنثی کننده ی نویز به نویز ثابت و منظم اطراف شما گوش داده و صدایی را دقیقا مخالف با آن جهت بی اثر کردن نویزهای آزار دهنده پخش می کنند مانند موتور هواپیمای جت.

اما، به طور گیج کننده ای، در کوانتوم اصل برهم نهی جهان می تواند به معنای چیزی کاملا متفاوت باشد. در مقیاس کوانتومی، ذرات می توانند به صورت امواج تصور شوند. ذرات می توانند در حالت های مختلف وجود داشته باشند، دارای انرژی های متفاوت باشند یا با سرعت



های مختلف حرکت کنند. اما چون مکانیک کوانتوم مرموز است، به جای فکر کردن در مورد این که یک ذره در یک حالت قرار دارد، یا بین انواع حالات تغییر می کند، تصور شده است که ذرات در تمام حالات ممکن در یک زمان قرار دارند. این حالت به عنوان برهم نهی حالات شناخته شده است. اگر بر مبنای ذرات فکر کنیم، این اصل به این معناست که یک ذره می تواند همزمان در دو مکان وجود داشته باشد. این موضوع یک درک مستقیم نیست اما یکی از واقعیت های فیزیک کوانتوم است.

برهم نهی (سوپرپوزیشن) یک اصل از نظریه ی کوانتوم است که یک مفهوم چالش برانگیز را در خصوص طبیعت و رفتار ماده و نیروها در سطح زیر اتمی توضیح می دهد. اصل برهم نهی ادعا می کند در حالیکه ما نمی دانیم حالت هر ماده چیست، در واقع به طور همزمان در تمام حالات ممکن وجود دارد، البته تا زمانی که جهت بررسی و اندازه گیری به آن نگاه نمی کنیم. این عمل اندازه گیری است که سبب محدود شدن ماده به یک احتمال تکی می شود.

در سال ۱۹۳۵، اروین شرودینگر مقایسه ای را برای نشان دادن چگونگی رفتار برهم نهی در دنیای هر روزه پیشنهاد می کند：مقایسه ی تا حدودی ظالمانه ی گربه ی شرودینگر. در اینجا آزمایش (نظریه) شرودینگر ارایه شده است به طوری که：یک گربه ی زنده را در محفظه ای استیل همراه با وسیله ای حاوی یک ویال (شیشه ی کوچک دارو) هیدروسیانیک اسید قرار داده اند. در این محفظه، مقدار بسیار کمی از یک ماده ی رادیواکتیو نیز قرار داده اند. حتی اگر یک اتم تکی از این ماده حین آزمایش واپاشیده شود، یک مکانیسم کمکی چکش اهرمی را لغزانده، شیشه ی دارو را شکسته و گربه کشته خواهد شد. در این شرایط شخص شاهد نمی تواند متوجه شود که شیشه ی دارو شکسته، هیدروسیانیک اسید آزاد شده و گربه مرده است. از آنجا که نمی توانیم این موضوع را بفهمیم، گربه با توجه به قانون کوانتوم هم زنده است و هم مرده (برهم نهی حالات). تنها زمانی برهم نهی به هم می خورد که جعبه را باز کنیم و شرایط گربه را مشاهده کنیم و ببینیم که گربه مرده است یا زنده است. این موقعیت گاهی اوقات عدم قطعیت کوانتومی یا پارادوکس شاهد نامیده می شود：مشاهده یا اندازه گیری خود نتیجه را تحت تاثیر قرار می دهد، به گونه ای که نتیجه به این صورت وجود ندارد مگر این که اندازه گیری انجام شود (یعنی هیچ نتیجه ی تکی و منحصر به فردی وجود ندارد مگر این که مشاهده شود).

برهم نهی به وسیله ی آزمایش شکاف دوبل Thomas Young در اوایل قرن نوزدهم جهت اثبات این که نور متشکل است از امواج به خوبی نشان داده شده است. در واقع، فیزیکدان Richard Feynman ادعا کرده است که اصول مکانیک کوانتوم می توانند به وسیله ی بررسی مفاهیم آزمایش Young درک شوند.

آزمایش شکاف دوبل

برای انجام این آزمایش، پرتوی نور به سوی مانعی با دو شکاف عمودی نشانه رفته است. نور از میان شکاف ها عبور کرده و الگوی حاصل بر روی یک صفحه ی عکاسی ثبت شده است. اگر یکی از شکاف ها پوشیده شود، این الگو به صورتی ثبت می شود که انتظار می رود، یعنی یک خط تکی از نور همراستا با هر کدام از شکاف ها که باز است. با درک مستقیم، می توان انتظار داشت که اگر هر دو شکاف باز باشند، الگوی نور این حقیقت را منعکس می کند که：دو خط نور، همراستا با این شکاف ها حرکت می کنند. اما، در واقع چیزی که اتفاق می افتد این است که صفحه ی عکاسی به طور کامل چند خط را با درجات مختلفی از روشنایی و تیرگی نشان می دهد. چیزی که توسط این نتیجه نشان داده می شود این است که بین موج ها/ذرات حرکت کننده از میان شکاف ها تداخل اتفاق می افتد، در حالیکه که ظاهرا باید دو مسیر غیر متقاطع را طی کنند.

می توان انتظار داشت که اگر پرتوی ذرات نور یا فوتون ها به اندازه ی کافی جهت حصول اطمینان از این که فوتون های تکی به صفحه ی عکاسی برخورد می کنند آهسته حرکت کنند، می تواند هیچ تداخلی به وجود نیاید و الگوی نور می تواند دو خط نور، همراستا با شکاف ها باشد. اما، در واقع، الگوی حاصل هنوز تداخل را نشان می دهد، به طوری که می توان نتیجه گرفت ذرات تکی نیز به نوعی با خود تداخل می کنند. این موضوع غیر ممکن به نظر می رسد：به طوری که انتظار داریم یک فوتون تکی از میان یک شکاف یا دیگری عبور کرده و در یکی از دو ناحیه ی خط نور ممکن به مسیر خود خاتمه دهد. اما این چیزی نیست که اتفاق می افتد. همانطور که Feynman نتیجه گیری کرده، هر فوتون نه تنها از میان هر دو شکاف عبور می کند، بلکه به طور همزمان هر مسیر ممکن را در راه رسیدن به هدف می پیماید، نه تنها به طور نظری بلکه در واقعیت.

به منظور دیدن این که چطور این پدیده احتمالا اتفاق می افتد، آزمایشات بر روی ردیابی مسیرهای فوتون های تکی متمرکز شده اند. چیزی که در این مورد اتفاق می افتد این است که این اندازه گیری به طریقی خط سیرهای فوتون را منقطع می کند (با توجه به اصل عدم قطعیت) و به نوعی، نتایج این آزمایش همان هایی هستند که توسط فیزیک ک

لاسیک پیش بینی شده اند.

دو خط روشن بر روی صفحه ی عکاسی، همراستا با شکاف های موجود در مانع هستند. به هر حال، تلاش برای اندازه گیری را متوقف کنید، این الگو دوباره به صورت چند خط با درجات متفاوت روشنی و تیرگی خواهد بود. هر فوتون به طور همزمان به صورت برهم نهی مسیرهای ممکن حرکت می کند، و به علاوه، اندازه گیری این مسیر سبب فروپاشب برهم نهی حالات به یک موقعیت تکی می شود.
مترجم：مهرک فرجی- ارش بوالحسنی -هوش فرازمینی