آیا ذرات واقعاً می توانند همزمان در دو مکان وجود داشته باشند؟

وقتی صحبت از مکانیک کوانتومی به میان می آید، مردم اغلب بدون لحظه ای تردید عبارتی را که زیاد درباره کوانتوم شنیده اند تکرار می کنند: این که ذرات می توانند همزمان در دو مکان باشند. توضیحات بیشتر در این زمینه از فیزیکدانی به نام سابین هاسنفلدر در مقاله بعدی می خوانیم.

مکانیک کوانتومی دنیای عجیبی است. اگر به یک شی نگاه کنید، تغییر می کند. اگر سرعت آن را بدانید، نمی توانید مکان آن را تعیین کنید. همچنین به نظر می رسد که اندازه گیری های گذشته را می توان بعداً حذف کرد. ذرات گاهی اوقات مانند امواج رفتار می کنند و می توانند همزمان در دو مکان باشند. گربه ها می توانند زنده یا مرده باشند. اینها چیزهایی هستند که وقتی در مورد مکانیک کوانتومی صحبت می کنیم به ذهن متبادر می شوند. اما آیا واقعا همه این اتفاقات رخ می دهد؟

به طور کلی، مکانیک کوانتومی یک نظریه شگفت‌انگیز و معتبر است که تاکنون تمام آزمون‌های طراحی شده برای آزمایش اعتبار آن را پشت سر گذاشته است. این نظریه زیربنای بیشتر پیشرفت‌های تکنولوژیکی قرن گذشته است، زیرا تجهیزات الکترونیکی چگونه می‌توانند بدون سطوح انرژی گسسته‌ای که به لطف مکانیک کوانتومی می‌دانیم، کار کنند؟ ما توانسته‌ایم به روش‌های ریاضی برای توضیح مکانیک کوانتومی دست پیدا کنیم، اما پس از یک قرن بحث هنوز دقیقاً نمی‌دانیم که ریاضیات مکانیک کوانتومی چه معنایی دارد.

مقاله مرتبط:

به عنوان مثال، این ایده را در نظر بگیرید: ذرات می توانند همزمان در دو مکان باشند. ما می دانیم که ذرات می توانند همزمان در یک مکان وجود داشته باشند، برای مثال یک الکترون هنگام برخورد با صفحه، نقطه خاصی را ترک می کند. همانطور که انتظار داریم، این ذرات می توانند در مکانیک کوانتومی به عنوان بخشی از راه حل های ممکن استفاده شوند.

اما مکانیک کوانتومی یک نظریه خطی است. این بدان معناست که اگر ذرات منفرد در مکان‌های خاصی وجود داشته باشند، تعداد کل ذرات نیز باید همان رفتار را داشته باشند. ما این مجموع ذرات را برهم نهی می نامیم. حال در مورد یک ذره در یک مکان خاص علاوه بر همان ذره در مکان دیگر چطور؟ در این وضعیت ما دو ذره نداریم زیرا در این صورت آنها را با یک محصول توصیف می کنیم تا یک مجموع. در این صورت، اگر بگوییم دو ذره در این وضعیت وجود دارد، آیا به این معناست که ذره در دو مکان همزمان وجود دارد؟ این عبارتی است که شما زیاد می شنوید، پس شاید واقعا هم همینطور باشد.

اما دقیقاً برهم نهی چیست؟ برهم نهی یک روش ریاضی برای توصیف پدیده ای است که مشاهده می کنیم. ما به برهم نهی نیاز داریم زیرا این پدیده می تواند خواص موج مانند ذرات را توضیح دهد. تداخل امواج در سطح آب، مانند پدیده خنثی سازی، زمانی که نقطه اوج یک موج با پایین ترین نقطه موج دیگر تداخل پیدا می کند، یک پدیده کوانتومی نیست، اما فیزیکدانان آن را یک پدیده کلاسیک می نامند. اما همانطور که مشخص است، ذرات منفرد نیز می توانند با یکدیگر تداخل داشته باشند. وقتی یک ذره نور به نام فوتون از دو شکاف باریک صفحه یا یک شکاف دوتایی می گذرد، نتیجه چیزی است که ما انتظار داریم: ظاهر شدن یک نقطه نور بر روی پرده ای که در پشت صفحه قرار گرفته است. اما اگر همین کار را برای فوتون های بیشتر انجام دهیم، با گذشت زمان یک الگوی تداخلی از نقاط نوری به شکل یک بریدگی دوتایی روی صفحه تشکیل می شود.

  برای بازارهای خارجی با کارت هدیه iGame پرداخت کنید

ذرات منفرد نیز می توانند با یکدیگر تداخل داشته باشند

تنها راه برای توضیح الگوی تداخل این است که بگوییم هر ذره از مجموع یا برهم نهی دو مسیر تشکیل شده است که یکی از شکاف چپ و دیگری از شکاف سمت راست می گذرد. بنابراین ممکن است ساده تر بگوییم که یک ذره از هر دو مسیر عبور می کند.

اما من به دو دلیل از این اصطلاح استفاده نمی کنم. دلیل اول این است که در فضای واقعی دو مسیر برهم نهفته است. برهم نهی در یک ساختار ریاضی انتزاعی به نام فضای هیلبرت تعریف شده است. این فضای ریاضی شبیه فضای فیزیکی نیست. به همین دلیل است که نمی توانیم کلمات مناسبی برای توصیف آن پیدا کنیم. این فضای انتزاعی متعلق به این جهان نیست و کاملاً چیز دیگری است.

مشکل بعدی برهم نهی ها این است که با وجود تعریف ریاضی نمی توان آنها را مشاهده کرد. وقتی به یک ذره نگاه می کنیم، آن را در یک مکان خاص می بینیم. یک ذره ممکن است در یک مکان خاص باشد یا نباشد. اگر بخواهیم از اندازه گیری ها استفاده کنیم تا بفهمیم فوتون از کدام شکاف عبور کرده است، الگوی تداخل ناپدید می شود. پس چرا باید بگوییم که یک ذره در هر دو جهت حرکت می کند، در حالی که ما نمی توانیم آن را مشاهده کنیم؟

ذرات کوانتومی

بنابراین ناگزیر حقیقت نسبتاً خسته کننده این است که برهم نهی ها فقط ساختارهای ریاضی با ویژگی های خاص هستند و ما نمی توانیم آنها را در دنیای واقعی تجربه کنیم، بنابراین تشبیه ها و استعاره های استفاده شده برای توصیف آنها نادرست هستند. مکانیک کوانتومی برای ما عجیب و غیرقابل درک به نظر می رسد زیرا سعی می کنیم آن را با همان کلماتی که برای تجربیات روزمره استفاده می کنیم توصیف کنیم. این منبع مقالات علمی رایج در مورد خواص و آزمایش‌های عجیب مکانیک کوانتومی است، مانند مقاله‌ای که او در مورد جدا کردن ویژگی‌های یک جسم از خودش نوشته است، مانند جدا کردن خنده از گربه کوانتومی چشایر (گربه چشایر نام یک شخصیت خیالی در آلیس در سرزمین عجایب).یا آزمایش هایی که به نظر می رسد نشان می دهد چیزی به نام واقعیت وجود ندارد. این مقالات و نتیجه گیری ها نه تنها برای شما، بلکه برای من نیز بی معنی به نظر می رسند. و دلیل آن ساده است: این کلمات واقعاً بی معنی هستند.

  بهبود عملکرد بی نظیر پردازنده ها و پردازنده های گرافیکی منتخب با به روز رسانی جدید AMD Adrenalin

اینجا باید اعتراف کنم که من یک ساز هستم. من فکر نمی‌کنم ریاضی نظریه‌های ما به خودی خود درست باشد. برای من راحت تر است که بگویم ریاضیات ابزاری برای توصیف طبیعت است و نه بیشتر. من هیچ مشکلی با برهم نهی ها در فضای ریاضی انتزاعی ندارم تا زمانی که پیش بینی های خوبی در مورد مشاهدات ما انجام دهند. تا الان چه کارهای خوبی انجام داده اند؟

مقاله مرتبط:

اما من همچنین یک نویسنده علمی هستم، بنابراین می توانم مشکلات را ببینم: انداختن تعاریف پیچیده ریاضی به خوانندگان ناآگاه راه خوبی برای ایجاد مخاطب نیست. هدف ما توضیح پدیده های فیزیکی از طریق ابزار ریاضیات و شاید انجام این کار خسته کننده به قیمت از دست دادن خوانندگان است. به همین دلیل است که برخی از افراد سعی می کنند از نوشتن علمی فاصله بگیرند و از به کار بردن عباراتی مانند برهم نهی و فضای هیلبرت دقیقاً خودداری کنند، در عوض از گربه های چشایر کوانتومی و سایر اصطلاحات پوچ در عنوان مقالات خود استفاده کنند. معضل گیج کننده ای است: از یک سو استفاده از اصطلاحات علمی و دقیق اما خسته کننده برای مخاطب عام و از سوی دیگر استفاده از عناوین اغوا کننده به قیمت سردرگمی آنها و دور کردن آنها از نگارش علمی. اما باید اعتراف کنم که من گاهی اوقات از عباراتی مانند “در دو مکان” استفاده می کنم و در آینده نیز از آنها استفاده خواهم کرد، زیرا حداقل خوانندگان من با این عبارات آشنا هستند.

با این حال، اصطلاحات علمی باید گهگاه در مقالات استفاده شود تا خوانندگان در طولانی مدت با این اصطلاحات آشنا شوند. قبلا این اتفاق افتاده است؛ اکنون اصطلاحاتی مانند میدان های الکتریکی و مغناطیسی و حتی امواج الکترومغناطیسی برای ما ناشناخته نیستند. این عبارات همچنین دارای ماهیت ریاضی انتزاعی هستند که در محدوده تجربیات فیزیکی مستقیم ما قرار نمی گیرند. اما الکترومغناطیس به یکی از بخش های اصلی آموزش متوسطه تبدیل شده است، بنابراین صحبت در مورد آن برای ما آسان و قابل درک است.

  سه ماه دسترسی رایگان به PC Game Pass برای مشترکین YouTube Premium

با اندازه گیری اثرات کوانتومی، آنها ناپدید می شوند

دلیل دیگری وجود دارد که چرا ناتوانی در یافتن یک توضیح شفاهی مناسب برای توصیف ساختارهای ریاضی نباید معما باشد، زیرا ما را از مسئله واقعی مکانیک کوانتومی منحرف می کند. شاید فکر کنید من از آن دسته افرادی هستم که زیاد به استفاده از کلمات اهمیت نمی دهم و بیشتر اوقات سرم را پایین می اندازم و مشغول محاسبه هستم. اما دقیقاً به همین دلیل است که من با مکانیک کوانتومی مشکل دیگری دارم. مکانیک کوانتومی به ما می گوید وقتی اندازه گیری می کنیم چه اتفاقی می افتد. اما توضیح نمی دهد که اندازه گیری چیست. ما نمی توانیم آن را محاسبه کنیم، اما می دانیم که وقتی اثرات کوانتومی را اندازه گیری می کنیم ناپدید می شوند.

ناتوانی ما در درک چگونگی ناپدید شدن پدیده های کوانتومی توسط اروین شرودینگر و گربه معروفش به بهترین شکل نشان داده شده است. شرودینگر طرحی آزمایشی را پیشنهاد کرد که در آن یک اتم با احتمال 50 درصد پوسیدگی می تواند باعث آزاد شدن یک داروی سمی شود که در نهایت گربه را می کشد یا نه. این ایده نشان می دهد که برهم نهی ها می توانند در غیاب عمل اندازه گیری از نظر ماکروسکوپی آشکار شوند. اما هرگز نمی توانید گربه ای را که زنده و مرده در یک زمان در جعبه باشد پیدا کنید. پس چه خبر؟

مقاله مرتبط:

پاسخ استاندارد به این معما این است که وضعیت گربه مدام در حال اندازه گیری است. این اندازه گیری توسط ما انجام نمی شود. بلکه توسط مولکول های هوا یا حتی تشعشعات ساطع شده در پس زمینه مایکروویو کیهانی انجام می شود. با توجه به این پاسخ، اندازه گیری ها باعث ناپدید شدن سریع پدیده کوانتومی می شود. در واقع این پاسخ بیشتر شبیه داستان سرایی است زیرا از راه حل های ریاضی نشأت نمی گیرد. برای فردی ساکت و حسابگر مثل من، این یک مشکل واقعی است.

در نهایت، من فکر می کنم ترویج عرفان کوانتومی توسط رسانه ها ما را از مشکل واقعی در قلب مکانیک کوانتومی دور می کند: اینکه ما نمی دانیم اندازه گیری چیست. بله، مکانیک کوانتومی عجیب است. اما بیایید وانمود نکنیم که کوانتوم غریبتر از آنچه هست است.

دیدگاهتان را بنویسید