نگاهی کوانتومی به ارتباط ذهن و زمان

زمان موجودیتی ذهنی‌ست – اقلاً در جهان مینیاتوری‌ای متشکل از دو فوتون؛ یعنی در چارچوب آزمایشی که نشان می‌دهد آنچه ما به هیأت گذر زمان می‌فهمیم، ارتباط وثیقی با پدیده «در‌هم‌تنیدگی کوانتومی» (Quantum entanglement) دارد. این یافته می‌تواند دستاورد بزرگی در مسیر حل معضل دیرپای یکپارچه‌سازی فیزیک جدید باشد.

فیزیکدانان برای تبیین مقوله «واقعیت» به نحو اعم، معمولاً دو مسیر را پیش روی خود دارند: یکی مکانیک کوانتومی برای تبیین جهان ریز ذرات زیراتمی، و دیگری نسبیت عام برای جهان وسیع سیارات و سیاهچاله‌ها. اما مشکل اینجاست که این دو نظریه چندان در توافق با هم عمل نمی‌کنند: تلاش‌هایی که تاکنون با هدف یکپارچه‌سازی معادلات‌شان به هیأت یک نظریه واحد انجام پذیرفته، منجر به جواب‌هایی ظاهراً بی‌معنا شده‌اند. یکی از همین تلاش‌ها که پیشینه‌اش به دهه ۶۰ میلادی برمی‌گردد، معادله ویلر-دی‌ویت است که راهی برای کوانتیزه‌سازی نسبیت عام محسوب می‌شود – البته به قیمت چشم‌پوشی از مؤلفه «زمان».

درهم‌تندیدگی ذرات هنگامی رخ می‌دهد که تعیین خصوصیات فیزیکی هر‌کدام‌شان، بر خصوصیات سایر ذرات درهم‌تنیده مستقیماً اثر بگذارد.

“این یعنی جهان انگار اصلاً نبایستی متحول شود. اما خب می‌بینیم که دارد متحول می‌شود”. این را مارکو گنوویز می‌گوید؛ از فیزیکدانان مؤسسه ملی پژوهش‌های مترولوژیکی شهر تورینوی ایتالیا.

در سال ۱۹۸۳ بود که دو فیزیکدان نظری به نام‌های دان پیج و ویلیام ووترز، پدیده در‌هم‌تنیدگی کوانتومی را به‌عنوان رهیافتی برای «معضل زمان» در معادله ویلر-دی‌ویت مطرح کردند. درهم‌تندیدگی ذرات هنگامی رخ می‌دهد که تعیین خصوصیات فیزیکی هر‌کدام‌شان، بر خصوصیات سایر ذرات درهم‌تنیده مستقیماً اثر بگذارد. از لحاظ ریاضیاتی، آنها نشان دادند ساعتی که با جهان محاطش در‌هم‌تنیده باشد، انگار فقط هنگامی عمل می‌کند که بیننده‌ای از درون همان جهان آن را بنگرد؛ به‌طوریکه از دید هر بیننده فرضی‌ای که در خارج از چارچوب این جهان واقع شده، جهان مزبور طوری به نظر می‌رسد انگار که راکد است و هیچ حرکتی در آن صورت نمی‌پذیرد.

ساعت فوتونی

حال، گنوویز و همکارانش برای نخستین بار این پدیده را عملاً در چارچوب یک سیستم فیزیکی نشان داده‌اند؛ گرچه در سیستمی متشکل از تنها دو فوتون. این تیم ابتدا کارشان را با ارسال دو فوتون درهم‌تنیده به دو مسیر مختلف آغاز کردند. هردوی‌شان ابتدا فوتون‌هایی پلاریزه بودند، حالا چه با پولاریزاسیون عمودی، چه افقی؛ به‌طوریکه جهت پولاریزاسیون‌ این ذرات حین عبورشان از میان یک صفحه کوارتز عوض می‌شد.

گنوویز و همکارانش ابتدا کارشان را با ارسال دو فوتون درهم‌تنیده به دو مسیر مختلف آغاز کردند. در یک حالت از این آزمایش، یکی از فوتون‌ها نقش ساعتی را بازی می‌کرد که معیار نوسانش، همان گذار از پولاریزاسیون عمودی به افقی و بالعکس فرض شد. به‌واسطه در‌هم‌تنیدگی این ذرات اما خواندن چنین ساعتی بر وضعیت پولاریزاسیون فوتون دیگر اثر می‌گذارد.

این فوتون‌ها تا لحظه مشاهده، همزمان در وضعیتی مختلط از پولاریزاسیون عمودی و افقی به سر می‌بردند، که در فیزیک به وضعیت ابرمکان (superposition) مشهور است. اما هرچقدر که صفحه کوارتز ضخیم‌تر انتخاب می‌شد، زمان بیشتری هم در اثنای عبور فوتون از میانش می‌گذشت و لذا وضعیت پولاریزاسیون‌اش فرصت بیشتری برای تحول پیدا می‌کرد، به‌طوریکه همین فرصت افزوده، بر احتمال اتخاذ یک پولاریزاسیون مشخص توسط هرکدام از این دو ذره می‌افزود.

در یک حالت از این آزمایش، یکی از فوتون‌ها نقش ساعتی را بازی می‌کرد که معیار نوسانش، همان گذار از پولاریزاسیون عمودی به افقی و بالعکس فرض شد. به‌واسطه در‌هم‌تنیدگی این ذرات اما خواندن چنین ساعتی بر وضعیت پولاریزاسیون فوتون دیگر اثر می‌گذارد. یعنی مشاهده این ساعت، بر جهان محاطش مؤثر است و آن را جزئی از خودش می‌سازد. بعد از آن است که فرد مشاهده‌گر بر مبنای احتمالات کوانتومی، قادر به تعیین مقدار پولاریزاسیون فوتون دیگر خواهد بود.

از آنجاکه فوتون‌های گذرنده از بین یک صفحه‌ی ضخیم‌تر کواتز، سطح تحول متفاوتی را نسبت به فوتون دیگر از سرمی‌گذرانند، تکرار چنین آزمایشی با صفحاتی با ضخامت متفاوت، تضمین می‌کند که جهت پولاریزاسیون فوتون دیگر، با گذشت زمان، عوض می‌شود.

در حالتی دیگر از همین آزمایش، آزمایش‌گر اصطلاحاً «ابرمشاهده‌گر»ی‌ست که موضعی خارج از چارچوب جهان اتخاذ می‌کند و لذا وضعیت کوانتومی این سیستم را به نحو اعم محاسبه می‌کند. از این نقطه‌نظر، وضعیت هر دو فوتون رویهمرفته ثابت است و مصداقی از یک جهان راکد و ایستا به شمار می‌رود.

جهان کوانتومی؟

گنوویز بررسی‌اش را نشانه‌ای از این می‌داند که معادلات کوانتومی را می‌توان به طرقی مشخص با نسبیت عام آشتی داد، و همین، امیدی به تحقق نهایی یک نظریه یکپارچه است.

پیج که هم‌اینک در دانشگاه آلبرتای کانادا مشغول به فعالیت است، در این‌باره می‌گوید: “خیلی قشنگ است که این پژوهش‌گران آمده‌اند این پدیده را با یک آزمایش به نمایش گذاشته‌اند و امکان عملی‌اش را نشان داده‌اند”.

اما تمام فیزیکدانان هم معادله ویلر-دی‌ویت را به‌عنوان رهیافت صحیحی برای یکپارچه‌سازی جهان‌های کوانتومی و کلاسیکی قبول ندارند. مثلاً لی اسمولین، از فیزیکدانان انیستیتو پریمتر شهر واترلو، گرچه می‌گوید: “[این پژوهش‌گران] در بافت یک سیستم آزمایشگاهی نشان داده‌اند که مکانیک کوانتومی به‌درستی عمل می‌کند”، اما مدعی‌ست هر توصیف صحیحی از جهان هستی، بایستی زمان را هم مدنظر بگیرد.

گنوویز اذعان دارد نتایج این بررسی، راحت هر گره‌ای از مسأله را باز نخواهد کرد. در عوض، او بررسی‌اش را نشانه‌ای از این می‌داند که معادلات کوانتومی را می‌توان به طرقی مشخص با نسبیت عام آشتی داد، و همین، امیدی به تحقق نهایی یک نظریه یکپارچه است. گام بعدی، گذر از این مدل‌‌سازی‌های مینیاتوری جهان، و بررسی این احتمال است که آیا چنین پدیده‌ای را می‌توان برای شرح آنچه در ابعاد کیهانی می‌بینیم هم امتداد بخشید یا نه.

به‌گفته گنوویز، “این [آزمایش، صرفاً] تجسمی از وقوع این پدیده است، نه اثباتش. برای اثبات آن بایستی خود جهان را بنگرید”.

منبع: NewScientist

در همین زمینه:

پارادوکس زنون: میانبری برای تولید رایانه‌های کوانتومی

موفقیت فیزیکدانان در تولید چندین «بچه‌گربه» شرودینگر

نگاهی به فراسوی فضا و زمان

توضیح تصویر:

منبع: flickr/Dave-F