درهم تنیدگی کوانتومی

شگفتی های دنیای کوانتوم: در هم تنیدگی کوانتومی

مطالب بیشتر در

Instagram: -----------------— @Bidari_Zehni

مطلب از: سمیر الله‌وردی نوشته شده در: سال۱۳۹۳

بیگ بنگ: وقتی از درهم تنیدگی کوانتومی سخن می گوییم، شاید شگفتی های دنیای فیزیک برایمان نمایان می شود. بعنوان مثال منظور از درهم تنیدگی کوانتومی”دو ذره فوتونی ” است که هرگز در یک زمان وجود نداشته اند” اما امکان برقراری ارتباط با یکدیگر را دارند. یعنی “ارتباط دو ذره فوتون از ورای زمان” یعنی مدتی پس از نابودی اولی، دومی به وجود آمده و هرگز همزمان در دنیا نبوده اند. اما داستان چیست؟

در هم تنیدگی کوانتومی یک پدیده قدیمی و رازآلود با این معنا است که برخی ذرات، مثل ذرات فوتون ها و الکترون ها، می توانند “یک بار” بر یکدیگر اثر متقابل بگذارند ولی همچنان حتی پس از جدایی، کیفیت هایی نظیر چرخش یا قطبی شدگی شان مشترک باشد و “با تغییر حالت یکی، دیگری نیز تغییر کند.”در مكانيك كوانتومي، درهم‌تنيدگي يكي از رفتارهاي عجيب ذرات است كه در آن قوانين فيزيك كلاسيك شكسته مي‌شوند و رويدادهاي ناممكن به وقوع مي‌پيوندند. درهم‌تنیدگی که اینشتین از آن با عنوان “عمل شبح‌وار در یک فاصله” یاد می‌کند، پدیده‌یی است که در آن دو ذره به عنوان یک سیستم عمل می‌کنند حتی هنگامی که توسط فواصل عظیم از هم جدا شده باشند.

اما داستان درهم تنیدگی در سال 1935 میلادی شروع شد، زمانی که نکته فوق العاده عجیبی در مورد نظریه کوانتومی توجه آلبرت اینشتین را جلب کرد، نکته ای که چند سالی از فرمول بندی نوین نظریه کوانتومی می گذشت همچنان از نگاه تیزبین فیزیکدان ها پوشیده مانده بود. اینشتین دریافت که براساس نظریه کوانتومی باید مابین ذراتی که حداقل یکبار با یکدیگر برهم کنش داشته اند، نوعی ارتباط اسرارآمیز درونی برقرار شود، به گونه ای که اگر ویژگی های کوانتومی یکی از این ذرات را تغییر دهیم، مابقی آنها صرف نظر از اینکه در چه فاصله ای از ذره اول قرار گرفته اند- و مثلا یک متر با ذره مزبور فاصله دارند یا یک میلیارد سال نوری- بلافاصله و بطور آنی از این تغییر ، تاثیر می پذیرد!

این پیش بینی نظریه کوانتومی به حدی عجیب و غریب بود که حتی خود اینشتین هم که بنیان گذاران فیزیک کوانتومی بود به هیچ وجه نتوانست بپذیرد و آن را ناشی از ناکامل بودن نظریه کوانتومی می دانست چرا که او معتقد بود اساسا هیچ کنش و ارتباطی مابین ذرات جهان نمی توانست با سرعتی بیش از سرعت نور برقرار شود. به همین دلیل هم اینشتین در همان سال مقاله مشترکی با دو فیزیکدان دیگر به نام های بوریس پودولسکی و ناتان روزن منتشر کرد و در آن مقاله ضمن اعلام نظر خود مبنی بر وجود مشکل در نظریه کوانتومی، نظریه دیگری بنام « نظریه متغیرهای نهانی موضعی» بعنوان جایگزین نظریه کوانتومی ارائه داد. این نظریه به گونه ای تدیون شده بود که تمامی پیش بینی های نظریه کوانتومی را عینا البته بدون در نظر گرفتن رابطه آنی و لحظه ای بین ذرات ، نتیجه می داد.

اما براستی کدامیک از این دو نظریه قابل پذیرش بودند؟ نظریه مطرح شده در مقاله مشترک اینشتین- پودولسکی – روزن که بطور مخفف مقاله EPR نامیده می شود یا نظریه کوانتومی- که اروین شرودینگر ، فیزیکدان برجسته اتریشی اصطلاحا آن را « در هم تنیدگی کوانتومی» نامیده بود- دلالت داشت؟ در این مطالعه، پارادوکس EPR فرموله شد، آزمایشی فکری که در تلاش بود ناکامل بودن تئوری مکانیک کوانتومی را نشان دهد. در این مقاله آمده بود:”بنابراین ما مجبوریم چنین نتیجه گیری کنیم که توصیف مکانیک کوانتومی از واقعیت فیزیکی توابع موج، غیرکامل می باشد.”

با این حال نه تنها واژه درهم تنیدگی توسط این سه دانشمند ساخته و پیشنهاد نشده بود بلکه ایشان خواص ویژه این وضعیت را نیز تعمیم نداده بودند. پس از انتشار مقاله EPR، اروین شرودینگر برای نخستین بار در نامه‌ای که برای اینشتین می نویسد از واژه درهم‌تنیدگی برای توصیف بستگی دو ذره که موقتا با یکدیگر در اندرکنش بوده و سپس جدا شده اند استفاده کرد. شرودینگر اهمیت EPR را در آن میدید که انحراف مکانیک کوانتومی از موازین ذهن کلاسیک نشان می داد. وی همچون اینشتین با مفهوم درهم تنیدگی مخالف بود چرا که آشکارا نظریه نسبیت را که در آن سرعت نور، بیشینه سرعت انتقال اطلاعات بود را به چالش می کشید. اینشتین بعدها درهم تنیدگی را تاثیر از فاصله شبح وار نامید و به این ترتیب آن را به سخره گرفت.

کلید پاسخ این سوال مهم را یک فیزیکدان ایرلندی به نام جان بل در سال 1964 میلادی پیدا کرد. جان بل توانست رابطه ای ریاضی را که بعدها به نام « نامساوی بل » شهرت یافت، پیدا کند. که می توانست مابین پیش بینی های این دو نظریه رقیب یعنی نظریه کوانتومی و نظریه متغیرهای نهانی موضعی را در آزمایشات خاصی نشان دهد. براین اساس اگر فیزیکدان ها موفق می شدند در آزمایشات خود، نقض نامساوی بل را مشاهده کنند، این به معنای صحت نظریه کوانتومی و وجود پدید اسرار آمیز در هم تنیدگی کوانتومی بود و در غیر این صورت، حق با اینشتین بود و هیچ ارتباطی با سرعتی فراتر از سرعت نور مابین ذرات وجود نداشت.

آلن اسپکت با آزمایش تاریخی خود در سال 1982 وجود درهم تنیدگی کوانتومی و ارتباط اسرارآمیز درونی مابین ذرات کوانتومی را بطور تجربی نشان داد.

این مناقشه طولانی سرانجام در سال 1972 با پیروزی نظریه کوانتومی به پایان رسید. در این سال، 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 برای اولین بار به طور تجربی مشاهده کنند. ده سال بعد از آزمایش فریدمن – کلاورز، در سال 1982 یک فیزیکدان فرانسوی بنام آلن اسپکت با افزایش دقت این آزمایش، وجود پدیده در هم تنیدگی کوانتومی را باز هم با قطعیت بالاتری تایید کرد. در سال 2008 نیز فیزکدانان دانشگاه ژنو در سوئیس به رهبری نیکولاس گیسین با انجام آزمایشی توانستند صراحتا نشان دهند که ارتباط مابین ذرات در هم تنیده حداقل با سرعتی ده هزار برابر سریعتر از سرعت نور صورت می گیرد!

اما شگفتی های پدیده در هم تنیدگی کوانتومی به همین جا ختم نمی شود چرا که برخی فیزیکدان ها معتقدند که این ارتباط آنی و درونی اسرارآمیز نه تنها در فواصل مکانی بلکه حتی مابین لحظات مختلف در بعد زمان هم مابین گذشته و آینده عمل می کند و این به معنای ارتباط آنی دو لحظه مختلف زمانی با همدیگر است! علاوه بر این، امروزه فیزکدان ها حتی کاربردهای حیرت انگیز متعددی را نیز برای این پدیده اسرارآمیز پیدا کرده اند، کاربردهای نظیر مخابرات کوانتومی، کامپیوترهای فوق سریع کوانتومی ، رمز نگاری غیر قابل نفوذ کوانتومی و غیره… کابردهایی که براساس پدیده حیرت انگیز در هم تنیدگی کوانتومی، فناوری بشر را در قرن بیست و یکم دگرگون خواهد کرد.