چگونه فلسفه به فیزیک و واقعیت به اطلاعات تبدیل شد

نویسنده: پیتر ایوانز؛ مدرس دانشگاه کوئینزلند

ترجمه: موسی توماج ایری

جایزه نوبل فیزیک امسال (۲۰۲۲) برای «آزمایش‌هایی با فوتون‌های درهم تنیده، اثبات نقض نابرابری‌های بل و علم اطلاعات کوانتومی پیشگام» اعطا شد.

برای اینکه بفهمیم این به چه معناست و چرا این کار مهم است، باید بفهمیم که چگونه این آزمایش‌ها بحث طولانی‌مدت بین فیزیکدانان را حل کرد. و یک بازیگر کلیدی در آن بحث یک فیزیکدان ایرلندی به نام جان بل بود.

در دهه ۱۹۶۰، بل متوجه شد که چگونه یک سؤال فلسفی در مورد ماهیت واقعیت را به یک سؤال فیزیکی که علم می‌تواند به آن پاسخ دهد ترجمه کند. و در این مسیر، تمایز بین آنچه ما در مورد جهان می‌دانیم و اینکه جهان واقعاً چگونه است را شکست.

درهم تنیدگی کوانتومی

ما می‌دانیم که اجسام کوانتومی دارای ویژگی‌هایی هستند که معمولاً آنها را به اشیاء زندگی معمولی خود نسبت نمی دهیم. یک شئی کوانتومی ممکن است گاهی یک موج باشد و گاهی یک ذره. یخچال ما هرگز چنین رفتار عجیبی ندارد.

هنگام تلاش برای توضیح این نوع رفتار غیرعادی، دو نوع توضیح گسترده وجود دارد که می‌توانیم تصور کنیم. یک احتمال این است که ما جهان کوانتومی را به وضوح درک کنیم، دقیقاً همانطور که هست، و اتفاقاً غیرعادی است. احتمال دیگر این است که جهان کوانتومی درست مانند دنیای معمولی است که ما می‌شناسیم و دوست داریم، اما دیدگاه ما نسبت به آن تحریف شده است، بنابراین نمی‌توانیم واقعیت کوانتومی را آنطور که هست به وضوح ببینیم.

در دهه‌های اولیه قرن بیستم، فیزیکدانان درباره اینکه کدام توضیح درست است، اختلاف نظر داشتند. در میان کسانی که فکر می‌کردند جهان کوانتومی غیرعادی است، چهره‌هایی مانند ورنر هایزنبرگ و نیلز بور بودند. آلبرت انیشتین و اروین شرودینگر از جمله کسانی بودند که فکر می‌کردند جهان کوانتومی باید دقیقاً مانند جهان معمولی باشد و دیدگاه ما نسبت به آن به سادگی مه‌آلود است.

در قلب این تقسیم‌بندی، پیش‌بینی غیرعادی نظریه کوانتومی وجود دارد. طبق این تئوری، ویژگی‌های سیستم‌های کوانتومی خاصی که برهم‌کنش دارند، به یکدیگر وابسته می‌مانند حتی زمانی که سیستم‌ها فاصله بسیار زیادی از هم داشته باشند.

شرودینگر در سال ۱۹۳۵، همان سالی که آزمایش فکری معروف خود را در مورد گربه‌ای که در یک جعبه به دام افتاده بود ابداع کرد، اصطلاح «درهم‌تنیدگی» (entanglement) را برای این پدیده ابداع کرد. او استدلال کرد که این پوچ است که باور کنیم جهان به این شکل کار می‌کند.

مسئلۀ درهم تنیدگی

اگر سیستم‌های کوانتومی درهم‌تنیده حتی زمانی که با فواصل زیاد از هم جدا می‌شوند، واقعاً به هم متصل می‌مانند، به نظر می‌رسد که آن‌ها به نحوی فوراً با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. اما طبق نظریه نسبیت انیشتین، این نوع ارتباط مجاز نیست. انیشتین این ایده را “عمل شبح وار از راه دور” نامید.

در سال ۱۹۳۵ انیشتین به همراه دو همکارش آزمایشی فکری ابداع کردند که نشان داد مکانیک کوانتومی نمی‌تواند کل داستان درهم تنیدگی را به ما ارائه دهد. آنها فکر می‌کردند باید چیز دیگری در جهان وجود داشته باشد که ما هنوز نمی‌توانیم آن را ببینیم.

اما با گذشت زمان، این سؤال که چگونه نظریه کوانتومی را تفسیر کنیم به یک بحث داغ آکادمیک تبدیل شد. این سؤال بیش از حد فلسفی به نظر می‌رسید و در دهه ۱۹۴۰ بسیاری از باهوش‌ترین ذهن‌های فیزیک کوانتومی مشغول استفاده از این نظریه برای یک پروژه بسیار عملی بودند: ساخت بمب اتمی.

تا اینکه در دهه ۱۹۶۰، زمانی که فیزیکدان ایرلندی جان بل ذهن خود را به مسئله درهم تنیدگی معطوف کرد، جامعه علمی متوجه شد که این سؤال به ظاهر فلسفی می‌تواند پاسخی ملموس داشته باشد.

قضیه جان بل

بل با استفاده از یک سیستم درهم تنیده ساده، آزمایش فکری انیشتین در سال ۱۹۳۵ را گسترش داد. او نشان داد که هیچ راهی وجود ندارد که توصیف کوانتومی ناقص باشد در حالی که «عمل شبح‌ وار از راه دور» را ممنوع می‌کند و همچنان با پیش‌بینی‌های نظریه کوانتومی مطابقت دارد.

به نظر می رسد این خبر خوبی برای اینشتین نباشد. اما یک پیروزی فوری برای حریفان او نیز نبود. به دلیل اینکه در دهه ۱۹۶۰ مشخص نبود که آیا پیش‌بینی‌های نظریه کوانتومی واقعاً درست هستند یا خیر. برای اثبات ادعای بل، کسی باید این استدلال فلسفی در مورد واقعیت را در قالب یک آزمایش تجربی محک می‌زد.

و البته این جایی است که دو نفر از برندگان جایزه نوبل امسال (۲۰۲۲) وارد داستان می‌شوند. ابتدا جان کلوزر و سپس آلن اسپکت آزمایشاتی را بر روی سیستم پیشنهادی بل انجام دادند که در نهایت نشان داد پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی دقیق هستند. در نتیجه، تا زمانی که “عمل شبح وار از فاصله” را نپذیریم، هیچ گزارش دیگری از سیستم‌های کوانتومی درهم تنیده وجود ندارد که بتواند جهان کوانتومی مشاهده شده را توصیف کند.

پس انیشتین اشتباه می‌کرد؟

شاید تعجب‌آور باشد، اما به نظر می‌رسد این پیشرفت‌ها در نظریه کوانتومی نشان داده است که انیشتین در این مورد اشتباه می‌کند. یعنی به نظر می‌رسد که ما دید مه‌آلودی از دنیای کوانتومی که دقیقاً مانند دنیای معمولی ما باشد نداریم.

اما این ایده که ما به وضوح یک جهان کوانتومی ذاتاً غیر معمول را درک می‌کنیم نیز بسیار ساده است. و این یکی از درس‌های فلسفی کلیدی این قسمت در فیزیک کوانتومی را ارائه می‌دهد.

دیگر مشخص نیست که بتوانیم به طور منطقی در مورد جهان کوانتومی فراتر از توصیف علمی خود از آن صحبت کنیم؛ یعنی فراتر از اطلاعاتی که در مورد آن داریم.

آنتون زایلینگر، سومین برنده جایزه نوبل امسال، گفت:

نمی‌توان بین واقعیت و دانش ما از واقعیت، یعنی بین واقعیت و اطلاعات تمایز قائل شد. هیچ راهی برای رجوع به واقعیت بدون استفاده از اطلاعاتی که در مورد آن داریم وجود ندارد.

این تمایز، که معمولاً تصور می‌کنیم زیربنای تصویر معمولی ما از جهان است، اکنون به‌طور جبران‌ناپذیری مبهم است و ما از این بابت باید از جان بل متشکر باشیم.

منبع

theconversation.com