همبستگی

اینشتین، که با توضیح پدیده ی فوتو الکتریک، یکی از نیاکان نظریه ی کوانتوم به شمار می آید، از این نواده ی خود بیزار بود. اینشتین، مانند اکثریت فیزیکدانان، هم عمیقاً به واقعیت جهان مادی معتقد بود و هم به اعتبار و قابلیت تبیین علم از ماهیت آن اطمینان داشت. اما او معتقد که این واقعیت را فقط می توان با عینیت ساده ای که در چارچوب تفکر نیوتونی فرض شده بود، تضمین کرد. در نتیجه، اینشتین از نامنظمی پرابهامی که تعصب کپنهاگی به ماهیت دنیای کوانتومی نسبت می داد، تنفر داشت.
نخستین حمله ی بی امان او به نظریه ی کوانتومی مدرن، در قالب آزمایش های فکری بسیار نبوغ آمیزی بود که هر یک از آنها برای دور زدن محدودیت های اصل عدم قطعیت هایزنبرگ طراحی شده بود. حریف اینشتین در این مبارزه نیلز بور بود که هر بار موفق می شد نشان دهد حاصل کاربرد کامل ایده های کوانتومی در مورد تمام جنبه های آزمایش پیشنهادی در واقع، بقای بدون خدشه ی اصل عدم قطعیت است. سرانجام، اینشتین به شکست در این مبارزه ی خاص اذعان کرد.
اینشتین، پس از مدتی که به مرهم گذاشتن بر زخم های خود مشغول بود، دوباره دست به حمله زد و ادعای تازه ای را مطرح کرد. او، به همراه دو همکار جوان تر خود، بوریس پودولسکی ( 1 ) و ناتان رزن ( 2 )، نشان داد که رفتار مکانیک کوانتومی دو ذره ی به ظاهر مجزا، نتایج بسیار شگفت و بلندمدتی دارد که پیش از این به آنها توجهی نشده بود. چیزی که می توانیم، با توجه به نام کاشفانش، آن را تفکر EPR بخوانیم.
فرض کنید دو ذره با اسپین های و هستند و می دانیم که اسپین کل صفر است. البته، این نشان می دهد که ، همان منفی است. اسپین بردار است ( یعنی، بزرگی و جهت دارد ) و ما طبق قرارداد آنها را با حروف توپر نمایش می دهیم. بنابراین، بردار اسپین سه مؤلفه خواهد داشت که در سه جهت فضایی انتخابی، y, x و z اندازه گیری می شوند. اگر کسی مؤلفه ی X بردار را اندازه گیری کند و پاسخ را به دست آورد، آن گاه مؤلفه ی X بردار را اندازه گیری می کند و پاسخ – است. از سوی دیگر، اگر کسی مولفه ی y بردار را اندازه گیری کند و پاسخ 〖S'〗_1y را به دست آورد، می داند که مؤلفه ی y بردار باید – باشد. اما مکانیک کوانتومی اجازه ی اندازه گیری هم زمان هر دو مؤلفه ی X و y اسپین را نمی دهد، زیرا میان آنها رابطه ی عدم قطعیت برقرار است. اینشتین ادعا می کرد که، هر چند ممکن است براساس تفکر ارتودوکس کوانتومی چنین باشد، اما هر اتفاقی هم که برای ذره ی 1 روی دهد، نمی تواند اثری آنی بر ذره ی دوردست 2 بگذارد. در تفکر EPR، فاصله ی فضایی میان 1 و 2، استقلال آن چه را در 1 روی می دهد و آن چه را در 2 روی می دهد، نشان می دهد. بنابراین اگر کسی انتخاب کند که یا مؤلفه ی X یا مؤلفه ی y اسپین را در 1 اندازه گیری کند، در این صورت از مؤلفه ی X یا مؤلفه ی y اسپین در 2 معرفت یقینی حاصل کرده است، آن گاه اینشتین ادعا می کند که ذره ی 2 باید در عمل دارای این مقادیر معین برای مؤلفه های اسپین خود باشد، اعم از آن که واقعاً اندازه گیری صورت گرفته باشد یا خیر. این چیزی بود که مکانیک کوانتومی متعارف رد می کند. چون رابطه ی عدم قطعیت به همان اندازه ی ذره ی 1، بر ذره ی 2 نیز اعمال می شود.
نتیجه ای که اینشتین از این استدلال نسبتاً پیچیده گرفت آن بود که در نظریه ی کوانتومی متعارف باید چیزی ناقص باشد. [ نظریه ی کوانتومی متعارف ] نمی توانست آن چه را او مقادیر معین مؤلفه های اسپین می دانست توضیح دهد. تقریباً تمام فیزیکدانان دیگر موضوع را به نحوی دیگر تفسیر می کنند. از نظر آنها، نه و نه ، تا زمانی که عملاً اندازه گیری انجام نشده باشد، مؤلفه های اسپین معین ندارند. پس از آن، تعیین مؤلفه ی x برای 1، موجب می شود که مؤلفه ی x ذره ی 2 مقدار مخالف را بگیرد. یعنی، اندازه گیری در 1 موجب فروپاشی تابع موج در 2 به مقدار مخالف مؤلفه ی x اسپین نیز می شود.
اگر این مؤلفه ی y بود که ابتدا در 1 اندازه گیری می شد، آن گاه فروپاشی در 2، به مؤلفه ی اسپین y مخالف بود. به این ترتیب، دیدگاه اکثریت به این نتیجه گیری می انجامد که اندازه گیری در 1 موجب تغییر آنی در 2 می شود، تغییری که دقیقاً به این بستگی دارد که چه چیزی در 1 اندازه گیری می شود. به بیان دیگر، میان 1 و 2 همراهی ضد شهودی در عین جدایی وجود دارد؛ کنش در 1 پیامدهایی آنی برای 2 پدید می آورد و برای کنش های متفاوت در 1، پیامدها در 2 متفاوت اند. این را معمولاً اثر EPR می خوانند. این اصطلاح تا حدی مضحک است، زیرا خود اینشتین از باور به چنین رابطه و پیوند بلندبردی امتناع می کرد و آن را تأثیری می دانست که شبح آساتر از آن است که برای فیزیکدان پذیرفتنی باشد. موضوع برای مدتی در این جا متوقف ماند.
گام بعدی را جان بل برداشت. او تحلیل کرد که سیستم 2-1 چه خواصی می داشت اگر سیستمی به راستی مجزا بود ( همان گونه که اینشتین فرض کرده بود )، و خواص در 1 فقط به آن چه به طور موضعی در 1 روی می داد و خواص در 2 فقط به آن چه به طور موضعی در 2 روی می داد، بستگی داشت. بل نشان داد که اگر این مکان و موقعیت اکید برقرار باشد، روابط معینی میان کمیت های اندازه پذیر ( که آنها را اکنون نامساوی های بل ( 3 ) می خوانند ) برقرار خواهد بود که مکانیک کوانتوم پیش بینی کرده است در شرایط معینی نقض خواهند شد. این گامی بسیار مهم به پیش بود، که برهانی را از عرصه ی آزمایش های فکری به عرصه ای از لحاظ تجربی دسترس پذیر از آن چه که می توان در آزمایشگاه بررسی کرد، می برد. آزمایش ها چندان ساده نبودند، اما سرانجام در اوایل دهه ی 1980، آلن اسپه ( 4 ) و همکارانش توانستند با بهره گیری ماهرانه ای از ابزارها، آزمایشی را ترتیب دهند که از پیش بینی های نظریه ی کوانتوم پشتیبانی می کرد و امکان پرداختن نظریه ی صرفاً موضعی را از نوعی که اینشتین از آن حمایت می کرد، رد می کرد. روشن شده بود که در جهان مادی، درجه ی کاهش ناپذیری از ناجای گزیدگی وجود دارد. موجودات کوانتومی که با هم برهمکنش داشته اند، هر قدر هم که در انجام کار از نظر فضایی با هم فاصله داشته باشند، درهم تنیده باقی می مانند.
به نظر می رسد طبیعت بر علیه تقلیل گرایی بی رحم، به پیکار بر می خیزد. حتی به دنیای زیراتمی نمی توان به نحو کاملاً اتمیستی پرداخت.
معنای ضمنی اثر EPR درهم تنیدگی ریشه داری را در ساختار بنیادی جهان مادی نشان می دهد که تفکر فیزیکی و تأمل متافیزیکی هنوز باید، با توضیح کامل تمام پیامدهای آن، خود را با آن آشتی دهند. به عنوان بخشی از این فرآیند مداوم جذب، لازم است که سرشت درهم تنیدگی که EPR بروز می دهد، حتی الامکان روشن شود. باید اذعان کرد که کنشی واقعی در فاصله دور در کار است و موضوع فقط کسب معرفتی اضافی نیست. به زبان علمی، اثر EPR، اثری هستی شناختی است و نه فقط معرفت شناختی. افزایش معرفت در فاصله به هیچ روی نه مناقشه انگیز است و نه شگفت آور. گلدانی را فرض کنید که در آن دو گوی قرار دارد؛ یکی سفید و دیگری سیاه. شما و من دست هایمان را به داخل گلدان فرو می بریم و هر یک با مشت های بسته یکی از گوی ها را بیرون می آوریم. سپس شما یک مایل در جاده طی می کنید، مشت خود را باز می کنید و می بینید که گوی سفید را در دست دارید. بلافاصله می فهمید که من باید گوی سیاه را در دست داشته باشم. در این داستان تنها چیزی که تغییر کرده، وضعیت معرفت شماست. من در تمام این مدت گوی سیاه را در دست داشته ام، شما در تمام این مدت گوی سفید را در دست داشته اید، اما هم اکنون پی برده اید که این چنین است. برعکس، در اثر EPR، آن چه در 1 روی می دهد، چیزی را که در 2 در جریان است، تغییر می دهد. مانند آن است که اگر بفهمید گویی قرمز در دست دارید، من باید گویی آبی در دست خود داشته باشم؛ اما اگر گوی سبز داشته باشید، من باید گویی زرد داشته باشم و قبل از نگاه کردن شما هیچ یک از ما گویی با رنگ معین دردست نداریم.
شاید خواننده ی هشیار در تمام این سخنان نسبت به تغییراتی آنی تردید کند. آیا نسبیت خاص مانع این نیست که چیزی در 1 اثری در 2 داشته باشد، مگر آن که زمان کافی برای انتقال تأثیری وجود داشته باشد که حداکثر با سرعت نور حرکت می کند؟ نه کاملاً. آن چه نسبیت در عمل منع می کند، انتقال آنی اطلاعات است، از نوعی که هم زمان سازی آنی ساعتی را که در 2 قرار دارد با ساعتی در 1، امکان پذیر می کند. در هم تنیدگی EPR، امکان انتقال این نوع پیام ها را نمی دهد. دلیل این امر آن است که همراهی – در – جدایی شکلِ هم بستگی را میان آن چه در 1 روی می دهد. با آن چه در 2 روی می دهد، به خود می گیرد و بدون معرفت به آن چه در هر دو سر روی می دهد، هیچ پیامی را نمی توان از این هم بستگی ها دریافت. مانند آن است که خواننده ای در 1، نت ها را به طور اتفاق بخواند و خواننده ای هم در 2 نت ها را به طور اتفاقی بخواند و فقط اگر کسی بتواند به هر دوی آنها هم زمان گوش فرا دهد، پی می برد که این دو خواننده به نحوی با هم هماهنگی دارند. درک این که چنین است، به ما در مورد پذیرش آن نوع برهان برآمده از « هوچی گری کوانتومی » که به نادرست مدعی آن است که EPR «ثابت می کند» تله پاتی ( دورآگاهی ) ممکن است، هشدار می دهد.

پي‌نوشت‌ها:

1- Boris Podolsky
2- Nathan Rosen
3- Bell inequalities
4- Alain Aspect

منبع مقاله:
پاکینگورن، جان؛ ( 1388 )، نظریه ی کوانتوم، ترجمه ی ابوالفضل حقیری، تهران: بصیرت، چاپ دوم