نگاهی به فراسوی فضا و زمان

ساینس دیلی – فیزیکدانان، طرح آزمایشی را ارائه کرده‌اند که مجبورمان می‌کند از بین دو نظریه نسبیت عام و کوانتوم، یکی را برای توصیف بنیادی‌ترین رفتارهای جهان‌مان برگزینیم.

این پیشنهاد که توسط جمعی از پژوهش‌گران سوئیسی، بلژیکی، اسپانیایی و سنگاپوری مطرح شده و در شماره ۲۸ اکتبر نشریه Nature Physics انتشار یافته، بر مفهومی متکی‌ست که فیزیکدانانْ اسم‌اش را «نامساوی تأثیر پنهان» (Hidden Influence Inequality) گذاشته‌اند. این مفهوم نشان می‌دهد که چگونه پیش‌بینی‌های کوانتومی، به مصاف توصیفات نسبیتی از ماهیت فضا و زمان می‌روند.

ژان-دانیل بانچال (Jean-Daniel Bancal) از متخصصین مرکز فناوری‌های کوانتومی دانشگاه ملی سنگاپور، که سرپرستی این پژوهش را به عهده داشته، اظهار می‌کند که “می‌خواستیم ببنیم آیا می‌شود بدون تغییر دیدگاه‌مان از وقایعی که به ‌نرمی در پهنه فضا و زمان رخ می‌دهند، اتفاقات نامتعارفی که [در مقیاس‌های زیراتمی] دیده‌ایم را توجیه کرد؟”. و جالب اینجاست که واقعاً احتمال طرح چنین آزمایشی وجود دارد.

فیزیکدانان، از زمان صورت‌بندی نهایی نظریه کوانتوم در اوایل قرن بیستم تاکنون، همچنان گرفتار پیش‌بینی‌های خارق‌العاده‌ی این نظریه‌اند – مثلاً دو ذره‌ی «در‌هم‌تنیده» (که پیش‌تر در اندرکنش متقابل بوده‌اند و هم‌اینک از هم سوا شده‌اند)، حتی در فواصل دور، همچون یک ذره‌ی واحد عمل می‌کنند. فیزیکدانان، نام این پدیده را که برخلاف درک متعارف‌مان از روابط علت و معلولی‌ست، «ناجای‌گزیدگی» (non-locality) گذاشته‌اند.

اینشتین، اولین کسی بود که راجع به رفتاری که خودش آن را «کنش شبح‌گونه از راه دور» می‌نامید هشدار داد، رفتاری که از پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی حاصل می‌شد. یعنی اگر مثلاً جهت چرخش یکی از جفت ذرات درهم‌تنیده را تعیین کنیم، پیش‌بینی نظریه کوانتوم این خواهد بود که ذره دوم، صرفنظر از هر جهتی که می‌چرخیده، بلافاصله در خلاف جهتی که برای ذره اول به دست آورده‌ایم، می‌چرخد؛ به‌طوریکه نمی‌شود گفت این ذرات، از قبل چگونه می‌چرخیده‌اند. عقلم سلیم حکم می‌کند این رفتار، نمی‌تواند از دو حالت خارج باشد: یا اینکه دو ذره، از اول چنین بوده‌اند و یا اینکه با به‌نحوی همدیگر را خبر کرده‌اند.

در دهه ۱۹۶۰میلادی بود که فیزیکدان ایرلندی، جان بل (John Bell)، اولین آزمایش عملی مبنی بر امکان تبعیت رفتار این ذرات از عقل سلیم را مطرح کرد. آزمایش «نامساوی بل»، احتمال اینکه دو ذره از قبل هماهنگ بوده‌اند را بررسی می‌کند. اگر محاسبات‌مان این نامساوی را نقض کنند و نشان از تشابه ویژگی‌های دو ذره تا پیش از انجام آزمایش بدهند، آن‌وقت حق با نظریه کوانتوم است: یعنی این دو ذره، در نبود هرگونه «متغیر پنهان فی‌مابین»، بر هم اثر می‌گذارند. آزمایشات متعددی از دهه ۱۹۸۰ تاکنون، نامساوی‌های بل را نقض کرده‌اند. پس انگار حق با نظریه کوانتوم است.

جان بل، فیزیکدان ایرلندی

اما چنین آزمایشاتی نمی‌توانند همه امیدمان به ارائه یک توصیف متعارف از نحوه تأثیرگذاری این دو ذره، آن‌هم بدون نقض اصول نسبیتی را از میان ببرند. به‌ همین واسطه هم پژوهش‌گران، آزمایشات جدیدی را پیشنهاد کرده‌اند که می‌تواند از نقش سیگنال‌های احتمالی مابین دو ذرهْ پرده بردارد.

آزمایشات قبلی نشان داده بود که اگر فرضیه‌ سیگنال‌ را بپذیریم، آن‌وقت سرعت‌ این سیگنال‌ها چیزی در حدود ۱۰ هزار برابر سرعت نور خواهد شد. برای کسانی‌که با مفاد نسبیت اینشتین آشنایی دارند و از سد سرعت نور مطلع‌اند، این یافته‌ْ زنگ خطر را برایشان به صدا درآورده. ولی فیزیکدانانْ راه فراری از دست سرعت نور مطرح کرده‌اند: شاید این سیگنال‌ها صرفاً واجد نوعی «اثربخشی پنهان فی‌مابین» باشند و لذا هیچ اطلاعات به‌دردبخوری را برای ما به ارمغان نیاورند که در این‌صورت اصول نسبیت، همچنان برقرار خواهد ماند. این سیگنال‌ها، تنها درصورتی می‌توانند از اصول نسبیت تخطی کنند، که بتوانند «اطلاعات» را با سرعتی مافوق نور حمل کنند.

اما حالْ معلوم شده که این فرضیه، موسوم به «نامساوی تأثیر پنهان»، شامل حال پیش‌بینی‌های کوانتومی نمی‌شود. پژوهش‌گران، چهار ذره‌ درهم‌تنیده را فرض گرفتند و خواستند ببیند که آیا رفتارهای احتمالاً مشابهی بین‌شان وجود دارد که بتوان به همین تأثیرات پنهانی نسبت داد یا نه. در این فرض، سرعت تأثیرات، محدود و دلبخواهی فرض گرفته شد. همه این محدودیت‌ها، به‌لحاظ تئوری حاکی از این بود که یک موجودیت ۸۰-بُعدی بر حوزه‌ تحت تأثیر این چهار ذرهْ مسلط است! نامساوی‌هایی که این پژوهش‌گران درصدد آزمودن‌شان برآمده‌اند، در واقع مرز سایه‌ای‌ست که این موجودیت ۸۰ بُعدی بر یک سطح ۴۴-بُعدی می‌اندازَد. آن‌ها نشان دادند که طبق پیش‌بینی‌های کوانتومی، تعاملات فی‌مابین ذرات، از این مرز هم می‌تواند بگذرد و از پیش‌فرض‌های‌ آزمایش‌مان تخطی کند. در این‌صورت، تأثیرات پنهانی ذرات، آن‌هم در محیط خارج از این مرز، یا اینکه دیگر نمی‌تواند «پنهانی» باشد، و یا اینکه سرعت جابه‌جایی‌شان، بی‌نهایت خواهد بود.

از آنجاکه فیزیکدانانْ هم‌اکنون توان درهم‌تنیدن چهار ذره را دارند، احتمال می‌رود این آزمون را هم بتوان در آینده‌ای نزدیک عملی کرد (البته دقت دستگاه‌ها باید به قدری بالا باشد که اختلافات پیش‌بینی‌شده را بتوان تشخیص داد). همه‌چیز، تنها به یک عدد بستگی دارد: در جهانی که پیرو قوانین استاندارد نسبیتی باشد، این عدد از ۷ تجاوز نخواهد کرد؛ اما چنانچه محاسبات‌مان تا ۷.۳ را نشان دهند، طبیعت، توصیفات کوانتومی را ترجیح می‌دهد.

حال اگر این آزمایش، عددی بیش از ۷ را نشان بدهد – و ماهیت کوانتومی کیهان به اثبات برسد – معنی‌اش چه خواهد بود؟ جواب از دو حالت خارج نیست: اول آنکه باید در اصول نسبیت تجدیدنظر کرد و از تأثیرات «پنهان» این ذرات، «پرده برداشت»؛ که در این‌صورت عملاً پذیرفته‌ایم که می‌توان اطلاعات را با سرعت مافوق نور جابه‌جا کرد (اما نسبیت یک نظریه فوق‌العاده موفق است و پژوهش‌گران به همین سادگی‌ها در آن شک نمی‌کنند؛ از این‌رو چنین احتمالی فوق‌العاده بعید می‌نماید). حالت دوم این است که بپذیریم این تأثیرات، با سرعت بی‌نهایت رد و بدل می‌شوند – و یا اقلاً در چارچوب فضا-زمان ما چنین دیده می‌شوند.

این آزمایش، هنوز از پس تشخیص دو حالت مذکور برنمی‌آید. در هر دو حال، رفتارهای جهان‌مان اساساً مبتنی بر «ناجای‌گزیدگی» خواهد بود؛ بدین‌معنا که هر نفطه از هستی، با هر نقطه دیگر، هم‌زمان مرتبط است. چنین ارتباطاتی، عقل سلیم‌مان را به چالش می‌طلبد؛ اما هر چه باشد، بهتر از قبول امکان انتقال اطلاعات با سرعت مافوق نور است.

نیکولاس گیسین (Nicolas Gisin)، استاد فیزیک دانشگاه ژنو سوئیس و از اعضای این تیم، می‌گوید: “نتایج تحقیقات‌مان بر صحت این گمان می‌افزاید که همبستگی‌های کوانتومی، ریشه در جایی فراسوی فضا-زمان دارد، به‌طوریکه هیچ توصیف فضا-زمانی‌ای قادر به توجیه‌شان نیست”.

منبع: ScienceDaily

در همین زمینه:

انفجاری که ستون‌ها فیزیک را لرزاند

دنیای پرآشوب کوانتوم

توضیح تصویر:

۱ – طرحی از ایده «کنش شبح‌گونه از راه دور» دو ذره در‌هم‌تنیده / منبع: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore

۲ – پروفسور جان بل