آیا «واقعیت» واقعی است؟

یک سوال فلسفی قدیمی درباره درختی در جنگل وجود دارد. اگر درخت بر زمین بیافتد و کسی آنجا وجود نداشته باشد که صدای آن را بشنود، آیا باز هم صدایی ایجاد می‌کند؟ اگر از فیزیکدانان کوانتومی بپرسید آن‌ها ممکن است بگویند در آنجا صدا وجود داشته اما شما نمی‌توانید مطمئن شوید که درخت وجود داشته است. مکانیک کوانتوم مدت‌هاست که مرزهای ادراک ما از واقعیت در کوچکترین مقیاس‌ها را جابجا کرده است. آزمایش‌های بی‌شماری نشان داده‌اند که برای مثال، ذرات مانند امواج پخش می‌شوند یا به‌نظر می‌رسند در آن واحد در بیش از یک مکان باشند. در دنیای کوانتومی، ما فقط می‌توانیم این احتمال را بدانیم که یک چیز در یک مکان یا مکان دیگری ظاهر می‌شود، به این صورت که تا در آن نقطه نگاه می‌کنیم به نظر می‌رسد که موقعیت مشخصی به خود گرفته است. این موضوع آلبرت اینشتین را ناراحت می‌کرد. او گفت:

“من دوست دارم فکر کنم که ماه آن‌جاست حتی اگر به آن نگاه نکنم.”

اکنون، گروه جدیدی از آزمایش‌ها، عقیده اینشتین را مورد آزمایش قرار می‌دهند تا ببینند آیا عجایب کوانتومی فراتر از دنیای کوچک کوارک‌ها، اتم‌ها و کیوبیت‌ها به زندگی روزمره مانند میزها، صندلی‌ها و ماه نیز کشیده می‌شود یا خیر. جاناتان هالیول از کالج سلطنتی لندن می‌گوید:

“اگر ممکن است از یک اتم به دو، سه، چهار تا پنج تا حتی هزار اتم تعمیم داده شود، آیا دلیلی وجود دارد که متوقف شود؟”

این آزمایش‌ها تنها به بررسی این‌که آیا مرز محکمی بین دنیای کوانتومی و کلاسیک وجود دارد نمی‌پردازند، بلکه ماهیت واقعی حقیت را نیز بررسی می‌کنند. اگر کار همان‌طور که برخی نظریه‌پردازان انتظار دارند پیش برود، ممکن است بنیان یکی از محکم‌ترین باورهای ما را سست کند: این‌که چیزها وجود دارند صرف نظر از اینکه به آن‌ها نگاه کنیم یا خیر.

در سال ۱۹۳۵، اینشتین یک آزمایش ذهنی طراحی کرد که نشان دهد مکانیک کوانتومی یک نظریه ناقص پیرامون واقعیت است که دیر یا زود باید جایگزین شود. او به همراه همکارانش، بوریس پودولسکی و ناتان روزن، یک جفت ذره را تصور کرد که با یکدیگر درهم تنیده شده‌اند، به طوری که هر کاری که بر روی یکی انجام دهید، فوراً بر دیگری تأثیر می‌گذارد. مثلاً موقعیت یا سرعت یکی از  ذرات را اندازه‌گیری کنید، موقعیت یا سرعت ذره‌ی دیگر بدون نیاز به اندازه‌گیری مشخص می‌شود. حال تصور کنید که این ذرات را در دو انتهای جهان قرار دهید و همان اندازه‌گیری را انجام دهید. در نگاه اول به نظر می‌رسد که اطلاعات بین دو ذره سریع‌تر از سرعت نور در حال انتقال است.

اینشتین استدلال کرد که این “عمل شبح‌گون از فاصله دور” آن‌قدر پوچ و نامعقول است که نتیجه هر آزمایش درهم‌تنیدگی باید از قبل تعیین شود. فیزیکدان جان بل نیز از تعریف نادرست و ناقصی که از ماهیت مکانیک کوانتومی شده بود ناراحت بود. او در سال ۱۹۶۴ روشی ریاضی برای آزمایش این پارادوکس ابداع کرد که «نابرابری بل» نام داشت. اگر حق با اینشتین و همکارانش بود، نابرابری بل هم به واقعیت می‌پیوست. بارها و بارها، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که نابرابری بل نقض می‌شود. اگر اصرار دارید که واقعیت برخلاف روش کوانتومی به ‌صورت کلاسیک رفتار می‌کند، پس برای توضیح درهم‌تنیدگی و نقض نابرابری بل، ولاتکو ودرال از دانشگاه آکسفورد می‌گوید: «باید فرض کنید که چیزی سریع‌تر از سرعت نور اتفاق می‌افتد». اینشتین باید انتخاب کند: یا مرموز بودن کوانتوم یک واقعیت است یا این‌که اطلاعات سرعت مجاز کیهانی را که نسبیت قرار داده است می‌شکند. اما این تنها بخشی از داستان است. نابرابری بل موضعی بودن را طرح می‌کند، این ایده که فضای بین اشیاء مهم است. به این سؤال پاسخ نمی‌دهد که آیا وقتی نگاه نکنید باز هم ماه آن‌جاست یا نه. رئالیسم (واقع گرایی) می‌گوید موقعیت، سرعت، انرژی و سایر ویژگی‌های ذرات را می‌توان به‌خوبی تعریف کرد و انجام اندازه‌گیری روی یک جسم نباید بر عملکرد جسم در آینده تأثیر بگذارد “. در عوض، مکانیک کوانتومی عدم قطعیت و برهم نهی‌ها را اضافه می‌کند، یعنی ترکیبی از تعدادی از ماهیت‌های ممکن که هنگام اندازه‌گیری به یک مقدار فروپاشی می‌کنند (اندازه‌گیری موجب می‌شود برهم‌نهای حالت‌های مختلف به یک مقدار اندازه‌گیری شده منجر شود). واقع گرایی در اشیاء بزرگ‌مقیاس، ماکرو رئالیسم (macrorealism) نامیده می‌شود. وقتی به ماه نگاه می‌کنید یا فاصله آن را با لیزر اندازه می‌گیرید، آن را تغییر نمی‌دهید – حداقل نه بر اساس دیدگاه عقل سلیم ما از جهان. هالیول می‌گوید:

«ماکرو رئالیسم کامل‌ترین بیان از واقعیت کلاسیک است. و مانند نابرابری بل، برای آن آزمونی وجود دارد.»

آزمودن واقعیت

نابرابری لجت-گارگ، که در سال ۱۹۸۵ توسط آنتونی لجت و آنوپام گارگ ابداع شد، همچنین به دنبال همبستگی بین اندازه‌گیری‌ها می‌گردد تا ببیند آیا قوانین کوانتومی یا کلاسیک تبعیت می‌شوند یا خیر. اما به جای دو ذره که در فضا از هم جدا شده‌اند، مانند نابرابری بل، این نابرابری به یک جسم منفرد در طول زمان می‌پردازد. به همین دلیل، لجت و گارگ متوجه شدند که حداقل از نظر تئوری می‌توانند کوانتومی بودن اجرام بسیار بزرگ را آزمایش کنند. به عبارت دیگر، نابرابری آن‌ها می‌تواند به ما بگوید که آیا واقع‌گرایی در دنیای روزمره صادق است یا خیر. در سال‌های اخیر، ا آزمایش‌های اولیه لجت-گارگ بر روی سیستم‌های کوانتومی ساده از سیالات ابررسانا و فوتون‌ها تا هسته‌های اتمی و کریستال‌های ریز انجام شده است. همه‌ی این‌ها یک بار دیگر نشان دادند که دنیای میکروسکوپی غیر واقعی است. ترفند آزمایش‌های لجت -گارگ این است که مطمئن شویم آن‌ها غیرتهاجمی هستند، به این معنی که باید راهی برای اندازه‌گیری یک ذره بدون ایجاد اختلال وجود داشته باشد. این آسان نیست، اما می‌توان آن را انجام داد. و در هر مورد، محققان دریافتند که برای هر اندازه‌گیری غیرتهاجمی که می‌توانستند انجام دهند، سیستم در حالت برهم‌نهی قرار داشت. اکنون زمان آزمایش چیزی بزرگتر است. اورباسی سینها از موسسه تحقیقاتی رامان در هند می‌گوید:

“همه چیز به این خلاصه می‌شود که ببینیم تا چه حد می‌توانیم این را پیش ببریم.  ما واقعا نمی‌‌دانیم.”

بزرگترین چیزهایی که در حال حاضر به صورت کوانتومی رفتار می‌کنند، توسط مارکوس آرنت و همکارانش در دانشگاه وین، اتریش که در حال انجام آزمایش متفاوتی بودند، مشاهده شد. در سال ۲۰۲۰، آن‌ها دو شکاف برای عبور اجسام تنظیم کردند ، عبور اجسام از طریق یک شکاف در یک زمان برای این منظور انجام شد که ببینیم آیا آن‌ها باتشکیل الگوهای تداخلی مانند امواج رفتار می‌کنند، به منظور این‌که نشان دهند که پروتئین‌ها از قوانین کوانتومی پیروی می‌کنند. این رویکرد و روش مشکلات خاص خود را دارد. هنگامی که با اجسام بزرگ و پیچیده کار می‌کنید، کوانتومی بودن آن‌ها به سرعت در نتیجه تعامل با محیط اطراف ناپدید می‌شود – پدیده‌ای که   ناهمدوسی یا عدم انسجام نامیده می‌شود.

حالت‌های کوانتومی شکننده هستند. آنها به راحتی تحت بمباران مولکول‌های گاز، فوتون‌های سرگردان نور و حتی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ظریف شکسته می‌شوند. کیارا مارلتو از دانشگاه آکسفورد می‌گوید: «هر جسم کوانتومی می‌تواند رفتار کلاسیک داشته باشد اگر شما به درستی با آن رفتار نکنید». این امر مخصوصاً برای آزمایش‌های دو شکاف مشکل‌ساز است، زیرا ایجاد الگوی تداخل دو شکاف زمان زیادی طول می‌کشد که در آن زمان عدم انسجام می‌تواند آشفتگی ایجاد کند. آزمایش‌های لجت -گارگ نیز به همان اندازه مشکل هستند و به ترفند نیاز دارند. آن‌ها نیز سرمنشاءهای خود را برای ناهمدوسی دارند، اما محققان همچنین باید راه‌هایی برای اندازه‌گیری یک سیستم بدون ایجاد اختلال در آن بیابند. آیا فقط با انجام این کار می‌توانید با اطمینان بگویید که آیا جسم در برهم‌نهی کوانتومی است یا خیر. سینها می‌گوید: «شما باید اندازه‌گیری را به روشی هوشمندانه انجام دهید. شما سعی می‌کنید چیزی را اندازه‌گیری کنید، اما از طرف دیگر، می‌خواهید مطمئن شوید که عمل اندازه‌گیری هیچ نشانه تهاجمی باقی نمی‌گذارد. کشیدن اکثر سیستم‌های کوانتومی که به صورت گسسته رفتار می‌کنند به دنیای کلاسیک، که در آن حرکت‌ها پیوسته است، غیرممکن است. این امر آزمایش و بررسی اشیاء کوانتومی و چیزهایی را که معمولاً در آن آزمایش فکر می‌کنیم که کلاسیک هستند، دشوار می‌کند. اما سوگاتو بوز، نظریه‌پرداز دانشگاه کالج لندن، نقشه‌ای دارد. او پیشنهاد می‌کند استفاده از یک آزمایش طراحی شده را مطرح می‌کند که دنیای کلاسیک و کوانتومی را تعالی بخشد. این طراحی آزمایشگاهی که او در ذهن دارد، یک نوسان‌گر هماهنگ ساده، شامل یک جسم محبوس شده در داخل چاه است، مانند یک آونگ که در حال حرکت به جلو و عقب است. این‌که دقیقاً چگونه نوسان می‌کند بستگی به این دارد که آیا از قوانین کوانتومی یا کلاسیک پیروی می‌کند. و از آن‌جایی که از لحاظ نظری هیچ محدودیتی برای بزرگی یک نوسان‌گر هماهنگ ساده وجود ندارد، بوز و همکارانش امیدوارند با استفاده از نانوکریستالی ۱۰۰۰۰۰ برابر سنگین‌تر از اجرام آزمایش شده توسط تیم آرنت، از آن برای جهش به دنیای ماکروسکوپی استفاده کنند .

برای انجام این کار، ایده محققان این است که به دنبال نانوکریستال نوسانی بگردند، زمانی که آنها انتظار دارند دقیقاً در وسط نوسانگر، در مرز بین چپ و راست باشد (به شکل زیر نگاه کنید).

بوز می‌گوید “ما مشاهده نمی‌کنیم و به طور ناگهانی یک مشاهده فوری یا لحظه‌ای ثبت می‌کنیم. اما نکته مهم این است که آشکارساز تنها می‌تواند نیمی از نوسانگر را ببیند. اگر نانوکریستال را ببیند، محققان می‌دانند که در آن سمت است. اگر آشکارساز نتوان ، آن‌ها می‌دانند که در سمتی دیگر است. اگر کریستال به شیوه‌ای کلاسیک رفتار کند، باید در نیمی از زمان در اولین اندازه‌گیری وجود داشته باشد. سپس، پس از آن مدت زمانی که طول می‌کشد تا نیمی از چرخشش کامل شود و بنابراین به مرکز سیستم برگردد. محققان دوباره اندازه‌گیری می‌کنند و انتظار دارند طی نیمی از زمان آن را ببینند، اما اگر ذره کوانتومی باشد، عمل ندیدن آن در یک نیمه نوسانگر، به اصطلاح تابع موج (توصیف ریاضی حالت کوانتومی) آن را فرو می‌ریزد. با وجود اینکه ما نانوکریستال را نمی‌بینیم، اما اکنون موقعیت آن را می‌دانیم و به دلیل عدم قطعیت کوانتومی، این به ذره تکانه تزریق می‌کند و نحوه نوسان آن را تغییر می‌دهد.

با تکرار اندازه‌گیری‌ها در فواصل زمانی مشخص، محققان امیدوارند بتوانند همبستگی‌هایی ایجاد کنند که به آن‌ها بگوید آیا نانوکریستال به روش کوانتومی یا کلاسیک رفتار می‌کند. ترفندی که در همه این‌ها بکار می‌رود این است که اندازه‌گیری‌هایی را که در آن‌ها نانوکریستال دیده می‌شود حذف شود و فقط اندازه‌گیری‌هایی را که در آن‌ها دیده نمی‌شود نگه داشته شود تا اندازه‌گیری‌ها غیر تهاجمی بدست آیند. از آنجایی که بوز و همکارانش در سال ۲۰۱۸ آزمایش کردند، پیشرفت در به دام انداختن و خنک‌‌سازی نانوکریستال‌ها برای جلوگیری از ناپیوستگی یا عدم انسجام، همراه با لیزرهای دقیق جدید، به این معنی است که اکنون این ایده می‌تواند محقق شود. بوز با همکاری هندریک آلبریتچ، در دانشگاه Southampton بریتانیا، قصد دارد این آزمایش را بر روی یک نانوبلور ساخته شده از حدود یک میلیارد اتم انجام دهد. آلبریتچ می‌گوید: «این یک جهش بزرگ است. اخیراً لیزرها به اندازه کافی دقیق شده‌اند تا مشخص کنند نانوکریستال در کدام سمت تله نوسان دارد.

ذرات بزرگتر توسط امواج کوچکتر توصیف می‌شوند و به همین ترتیب برای این نانوکریستال‌ها، لیزر باید بتواند پهناهایی به اندازه یک مولکول آب را تشخیص دهد. آلبریتچ و بوز انتظار دارند تا شش ماه آینده به نتایجی دست پیدا کنند. اگر این آزمایش نابرابری‌های لجت -گارگ را نقض کند، مفهوم واقع‌گرایی در اشیاء ماکروسکوپی خواهد شکست. با این‌حال، حتی اگر این نتیجه نهایی باشد، متقاعد کردن همه افراد مبنی بر اینکه جهان کوانتومی تا این حد گسترش یافته، سخت خواهد بود. برای نمونه، آزمایش‌های لجت-گارگ در واقع بررسی می‌کنند که آیا یک سیستم به صورت کلاسیک رفتار می‌کند یا خیر. اگر این‌طور نباشد، فرض بر این است که رفتار مکانیک کوانتومی دارد، اما ممکن است واقعاً این‌طور نباشد.

مانع دیگر مجموعه‌ای از روزنه‌هایی است که ممکن است منجر به نقض تساوی لجت-گارگ شود، حتی اگر سیستم به شکلی کلاسیک رفتار کند. اگرچه اندازه‌گیری‌ها باید غیرتهاجمی باشند، اما ذرات، به اصطلاح خلأهای ناشیانه را باز می‌کنند. هالیول، که در حال رویاپردازی روش‌های جدید اندازه‌گیری برای جلوگیری از چنین مشکلاتی است، می‌گوید: «ماکرورئالیست سرسخت همیشه می‌تواند بگوید: اندازه‌گیری خودش سیستم را مختل کرد.

دیوار آجری

پس از آن یک خلا سازشی وجود دارد که در آن ذرات خارج از آزمایش شما باعث می‌شود که ماکرو‌رئالیسم نقض شده به نظر برسند در حالی که چنین نیست. و نباید حفره آشکارسازی را فراموش کنیم، که ناتوانی آشکارساز در ثبت هر ذره‌ای که به سمت خودش می‌آید می‌تواند نتیجه را مخدوش کند.

محققانی مانند سینها مشغول تلاش برای بستن همه حفره‌های احتمالی در آزمایش لجت هستند. طبق گفته هالیول، آزمایشگاه وی در اوایل سال جاری، محکم‌ترین آزمایش ماکرورئالیسم را در سیستمی از فوتون به انجام رساند

سینها می‌گوید: ما تمام حفره‌های باقی مانده را در حال حاضر بسته‌ایم اما شما هرگز نمی‌توانید ادعا کنید که دیگر حفره‌ای باقی نمانده است.

آزمایش‌های بستن حفره در نابرابری بل تنها در سال ۲۰۱۵، نیم قرن پس از ایده اولیه بل منتشر شد. حتی در حال حاضر، فیزیکدانان تیزبین مدام به این موضوع اشاره می‌کنند که شکاف‌های احتمالی جدید در طراحی این آزمایش‌ها را باید شناسایی کنید. آلبریتچ اذعان می‌کند که آزمایش آن‌ها احتمالاً حفره‌هایی نیز دارد. او می‌گوید من مطمئن هستم که بحث بسیار سالم و طولانی در پیش خواهد بود.

هیچ آزمایشی هرگز با مکانیک کوانتومی در تضاد نبوده. و هیچ دلیلی وجود ندارد که فکر کنیم عجایب کوانتومی در مورد اجسامی به بزرگی ماه و فراتر از آن صدق نمی‌کند، تا زمانی که سیستم خود را از عدم پیوستگی محیط جدا کنید.

یک ایده که در سال ۱۹۸۷ توسط لایوس دیوسی و راجر پنروز پیشنهاد شد این است که واقعیت کلاسیک ما از طریق ناپایداری در ساختار فضا-زمان پدیدار می‌شود.

مارلتو می‌گوید از لحاظ تئوری، نظریه کوانتومی هیچ محدودیتی برای چگونگی اینکه چقدر می‌توانید یک جسم را در یک برهم‌نهی کوانتومی قرار دهید، قائل نیست. اما آلبریتچ امیدوار است که این آزمایش‌ها ممکن است دیواری آجری را نشان دهد که هیچ سیستم کوانتومی نمی‌تواند فراتر از آن برود. چنین دیواری بین دنیای کوانتومی و کلاسیک می‌تواند واقعیت را همان‌طور که می‌شناسیم نجات دهد. او می‌گوید: «می‌تواند یک مکانیسم جهانی وجود داشته باشد که تمام سیستم‌های کوانتومی را به محض برخورد به دیوار آجری به سیستم‌های کلاسیک تبدیل می‌کند.» یک ایده، که در سال ۱۹۸۷ توسط لایوس دیوسی در مرکز تحقیقاتی ویگنر برای فیزیک در مجارستان و راجر پنروز در دانشگاه آکسفورد پیشنهاد شد این است که واقعیت کلاسیک ما از طریق ناپایداری در ساختار فضا-زمان پدیدار می‌شود. آلبریتچ در این راستا می‌گوید: با آزمایش کردن این‌که آیا مکانیک کوانتوم برای ذرات بزرگ و بزرگتر بکار می‌رود، می‌توانیم برخی از مدل‌های نظریه فروپاشی تابع موج عینی را رد کنیم، که در حقیقت بسطی از مکانیک کوانتومی است که پیش‌بینی می‌کند دیوار آجری (مرز غیر کوانتومی بودن) کجا باید باشد. هنوز هم غیرممکن است که با اطمینان بگوییم این دیوار وجود دارد، زیرا فروریختن ممکن است ناشی از عدم انسجام جریانی باشد. بوز می‌گوید: “گاهی اوقات، محیط ممکن است بسیار توطئه آمیز باشد.” مارلتو می‌گوید: «چه دیوار آجری باشد یا به طور کلی چیز دیگری، پیدا کردن انحراف از پیش‌بینی‌های نظریه کوانتومی – چه شما نظریه کوانتومی را دوست داشته باشید یا نه – عالی است، زیرا پس از آن می‌توانیم برای یافتن یک نظریه جدید تلاش کنیم. مردم از اینکه نظریه کوانتومی واقعاً در تأیید تجربی خوب است، خسته شده‌اند.»

 پس وقتی شما نگاه نمی‌کنید، آیا ماه آن‌جا وجود دارد یا آن درخت در جنگل، حتی در وهله اول أصلا سقوط می‌کند؟

همان‌طور که آزمون‌های نابرابری لجت –گارگ به دنیای ماکروسکوپی واقعی می‌خزد، پاسخ به طور فزاینده‌ای منفی است.

هالیول می‌گوید: «اگر واقع‌گرایی ماکروسکوپی یا ماکرورئالیسم نقض شود، نمی‌توان فرض کرد که ماه آن‌جاست.»

واقعیتی که ما به آن فکر می‌کنیم ممکن است در نهایت واقعی نباشد. حتی ممکن است که نابرابری‌های لجت-گارگ در آینده نه تنها با قوانین جهان کلاسیک مخالف باشد، بلکه قوانین کوانتومی بسیار ناگسستنی را نیز بشکند. ودرال می‌گوید: «این به شما یک نگاه اجمالی به نوعی جهان پساکوانتومی می‌دهد. تصور این‌که این چه چیزی می‌تواند باشد سخت است، اما من فکر می‌کنم ما قرار است چیز عجیب‌تری پیدا کنیم.»