گربه‌ شرودینگر؛ عجیب‌ترین پدیده‌ دنیای کوانتوم

در دنیای عجیب و پر رمزوراز فیزیک کوانتوم، آزمایش‌های ذهنی نقش مهمی را در درک مفاهیم پیچیده ایفا می‌کنند. یکی از معروف‌ترین آزمایش‌ها، گربه شرودینگر است که توسط فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر، در سال ۱۹۳۵ مطرح شد. این آزمایش، در نگاه اول، داستانی علمی‌تخیلی به‌نظر می‌رسد: گربه‌ای که هم‌زمان هم زنده است و هم مرده. اما، این آزمایش فکری، یکی از بنیادی‌ترین ویژگی‌های فیزیک کوانتوم، برهم‌نهی کوانتومی را نشان می‌دهد.

این آزمایش ذهنی نشان می‌دهد که در دنیای کوانتوم، برخلاف درک روزمره‌ی ما از واقعیت، ذرات می‌توانند هم‌زمان در چندین حالت باشند و تنها زمانی که آن‌ها را مشاهده کنیم، در یک وضعیت مشخص قرار می‌گیرند.

مفهوم گربه‌ی شرودینگر نه‌تنها فیزیکدانان را به چالش کشید، بلکه در فلسفه، علم اطلاعات و حتی هوش مصنوعی، الهام‌بخش بسیاری از نظریه‌ها شده است. اما آیا واقعاً گربه همزمان می‌تواند هم زنده باشد و هم مرده؟ این پرسش همچنان یکی از بزرگ‌ترین معماهای علم است که تفسیرهای گوناگونی درباره‌ی آن وجود دارند.

از زمان پیدایش فیزیک کوانتوم، دانشمندان همواره آن را عجیب و غیرمنتظره یافته‌اند. یکی از شگفت‌انگیزترین ویژگی‌های این نظریه، مفهوم برهم‌نهی کوانتومی است. در دنیای کوانتوم، یک سیستم می‌تواند پیش از مشاهده، هم‌زمان در چندین حالت مختلف قرار داشته باشد. اما به‌محض انجام اندازه‌گیری، سیستم ناگهان در یکی از این حالت‌ها قرار می‌گیرد. این رفتار، که با درک روزمره‌ی ما از واقعیت تفاوت دارد، چالش‌های عمیقی را در فیزیک و فلسفه به وجود آورده است.

به‌عنوان مثال، تصور کنید ذره‌ای، مانند فوتون، بتواند هم‌زمان از دو مسیر مختلف عبور کند. در دنیای معمولی، یک جسم نمی‌تواند هم‌زمان در دو مکان باشد، اما در دنیای کوانتوم، نه‌تنها این امر ممکن است، بلکه آزمایش‌های علمی نیز آن را تایید کرده‌اند.

شاید فکر کنید که برهم‌نهی کوانتومی فقط در دنیای ذرات زیراتمی رخ می‌دهد، اما این پدیده را نمی‌توان در مورد اجسام بزرگ نادیده گرفت. چرا؟ چون می‌توان اثرات کوانتومی را از مقیاس میکروسکوپی به دنیای ماکروسکوپی گسترش داد. این همان چیزی است که اروین شرودینگر در سال ۱۹۳۵ با آزمایش ذهنی معروف خود نشان داد.

او سناریویی را مطرح کرد که در آن، گربه‌ای همراه با یک شیشه‌ی سم، یک چکش و اتمی رادیواکتیو، داخل جعبه‌ای دربسته قرار دارند. اتم رادیواکتیو، با احتمال ۵۰ درصد در یک بازه‌ی زمانی مشخص واپاشی می‌کند.

اگر این اتفاق بیفتد، چکش، شیشه‌ی سم را می‌شکند؛ در نتیجه، گربه می‌میرد.

واپاشی اتم از قوانین فیزیک کوانتوم پیروی می‌کند. تا زمانی که آن را اندازه‌گیری نکنیم، هسته‌ی اتم هم‌زمان در دو وضعیتِ واپاشیده و واپاشی‌نشده قرار دارد.

به‌همین‌دلیل، تا زمانی که جعبه را باز نکنیم، گربه هم زنده است و هم مرده. اما آیا واقعاً گربه در هر دو حالت قرار دارد؟ همه‌چیز به تفسیر شما از مکانیک کوانتوم بستگی دارد.

برخی می‌گویند که این برهم‌نهی فقط یک توصیف ریاضی است و در عمل، گربه در یکی از دو حالت مشخص قرار دارد، حتی اگر ما ندانیم کدام. برخی دیگر بر این باورند که تا لحظه‌ی باز شدن جعبه، دو واقعیت موازی وجود دارند: در یکی گربه، زنده و در دیگری مرده است.

هدف شرودینگر از طراحی آزمایش این نبود که بگوید گربه واقعاً در هر دو وضعیت قرار دارد، بلکه می‌خواست نشان دهد که چگونه قوانین عجیب کوانتومی، پس از تعمیم به دنیای ماکروسکوپی، نتایج غیرمنطقی به بار می‌آورند.

در پرطرفدارترین تفسیر فیزیک کوانتوم، یعنی تفسیر کپنهاگی، طرحِ پرسشِ «گربه قبل از باز کردن جعبه در چه وضعیتی است؟» از نظر فیزیکی بی‌معنی است. طبق این دیدگاه، تا زمانی که اندازه‌گیری انجام نشود، اصلاً نمی‌توان درباره‌ی وضعیت گربه صحبت کرد؛ او نه زنده است و نه مرده، بلکه در برهم‌نهی این دو حالت قرار دارد. در واقع، این تفسیر و برخی تفسیره‌ی مشابه بر این باورند که فیزیک کوانتوم درباره‌ی واقعیتِ خودِ سیستم نیست، بلکه درباره‌ی دانشی است که ما از آن داریم.

در تفسیر جهان‌های متعدد، هر نتیجه‌ی ممکن از یک آزمایش، در یک جهان جداگانه رخ می‌دهد. به زبان ساده، واقعیت به چند شاخه تقسیم می‌شود. در مورد آزمایش گربه‌ شرودینگر، وقتی جعبه را باز می‌کنید، دو جهان به وجود می‌آید: یکی که در آن گربه زنده و دیگری که در آن گربه مرده است. شما فقط در یکی از این جهان‌ها قرار دارید و همان را مشاهده می‌کنید، اما جهان دیگر هم به‌طور موازی وجود دارد.

Wikipedia

نکته‌ی جالب آن است که از نظر نتایج آزمایش، این تفسیر، تفاوتی با تفسیر کپنهاگی ندارد. در هر دو، شما فقط یک حالت را مشاهده می‌کنید. اما در تفسیر جهان‌های متعدد، به‌جای اینکه بگوییم واقعیت به یک حالت فرومی‌پاشد، می‌گوییم که جهان به دو شاخه منشعب می‌شود و در هر شاخه، یک نتیجه‌ی متفاوت اتفاق می‌افتد.

سارا ارجمند

جهان موازی یا چندجهانی چیست؟

مطالعه '7

برخلاف تفسیر کپنهاگی، در نظریه‌ی «موج خودران» (Pilot Wave Theory)، سیستم کوانتومی همیشه در حالتی واقعی و مشخص قرار دارد، حتی اگر ما از آن بی‌خبر باشیم. یعنی در آزمایش گربه‌ شرودینگر، گربه قطعاً زنده یا قطعاً مرده است، اما چون هنوز به داخل جعبه نگاه نکرده‌ایم، هیچ اطلاعی در مورد حالت گربه نداریم. در این دیدگاه، برهم‌نهی ویژگی بنیادی طبیعت نیست، بلکه صرفاً بازتابی از نا‌آگاهی ما از وضعیت واقعی سیستم است.

در مقابل، «مدل‌های فروپاشی خودبه‌خودی» (Spontaneous Collapse Models) معتقدند که فروپاشی تابع موج، تنها یک به‌روزرسانی ذهنی هنگام مشاهده نیست، بلکه یک فرآیند فیزیکی واقعی است. در این مدل‌ها، امواج کوانتومی به‌طور طبیعی و بدون نیاز به مشاهده، پس از مدتی فرو می‌پاشند و یک وضعیت قطعی به‌وجود می‌آید. بنابراین، در آزمایش گربه‌ شرودینگر، سیستم برای انتخاب یکی از دو حالت، نیازی به مداخله‌ی ناظر ندارد، بلکه تابع موج، خودش در لحظه‌ای خاص فرومی‌پاشد و نتیجه‌ای مشخص را رقم می‌زند.

Quantamagazine

یکی از دیدگاه‌های کمتر رایج اما بحث‌برانگیز در مکانیک کوانتومی «ابر‌جبرگرایی» (Superdeterminism) است. طبق این نظریه، نتیجه‌ی یک آزمایش کاملاً تصادفی نیست، بلکه بخشی از آن به نحوه‌ی تنظیم دستگاه اندازه‌گیری بستگی دارد. یعنی از همان ابتدا، همه چیز به گونه‌ای تنظیم شده است که نتیجه‌ی به‌دست آمده، از پیش تعیین شده باشد.

اگر این نظریه را درمورد گربه‌ شرودینگر به کار ببریم، می‌توان گفت که درابتدا گربه ممکن است در حالت برهم‌نهی کوانتومی (هم زنده و هم مرده) باشد، اما پیش از باز کردن، سرنوشت گربه مشخص شده است. به‌عبارت دیگر، برخلاف تفسیر کپنهاگی که می‌گوید با مشاهده، تابع موج ناگهان فرو‌می‌پاشد و یکی از دو حالت را انتخاب می‌کند، در ابر‌جبرگرایی این تغییر، پیوسته و تدریجی اتفاق می‌افتد و هیچ‌گونه فروپاشی ناگهانی وجود ندارد.

با آزمایش نمی‌توان این تفسیرها را از یکدیگر تشخیص داد. اما برخی نظریه‌ها مانند مدل‌های فروپاشی خود‌به‌خودی، ابر‌جبرگرایی و در شرایطی خاص نظریه‌ی موج خودران، پیش‌بینی‌هایی ارائه می‌دهند که با تفسیرهای رایج مانند کپنهاگی و جهان‌های موازی متفاوت است.

هنوز مشخص نیست که کدام دیدگاه صحیح است، اما شاید پژوهش‌های آینده، پرده از حقیقت بردارند.

چرا تاکنون کسی این آزمایش را انجام نداده است؟ یک دلیل واضح وجود دارد: در دنیای واقعی، گربه‌ها یا زنده هستند یا مرده، نه هر دو. اما چرا؟ زیرا حتی کوچک‌ترین برهم‌کنش‌ها با محیط اطراف، همان تاثیری را دارند که اندازه‌گیری کوانتومی ایجاد می‌کند. اجسام بزرگ، مانند گربه‌ها، به‌طور مداوم با محیط اطراف خود مانند مولکول‌های هوا، امواج پس‌زمینه‌ی کیهانی یا تابش‌های مختلف، برهم‌کنش دارند. همین تعامل‌های ناچیز، برای از بین بردن برهم‌نهی کوانتومی کافی هستند.

به‌همین دلیل، اگر حتی گربه‌ای در وضعیت برهم‌نهی قرار بگیرد، خیلی سریع این اثر از بین می‌رود و ما هرگز چنین گربه‌ی کوانتومی‌ای را مشاهده نخواهیم کرد. درواقع، شرودینگر شاید بتواند یک بچه‌گربه‌ی کوانتومی داشته باشد، اما این برهم‌نهی چندان دوام نخواهد آورد.

این دانشمندان ابتدا یک فوتون را به سمت آینه‌ای نیمه‌شفاف (Beam Splitter) فرستادند. این آینه باعث شد فوتون در دو مسیر جداگانه حرکت کند؛ یعنی به‌طور هم‌زمان هم از آینه عبور و هم از آن بازتاب کند. این همان برهم‌نهی کوانتومی است. سپس، از یکی از این مسیرها برای فعال‌سازی پالس لیزری (حاوی تعداد زیادی فوتون) استفاده کردند. درنهایت، آزمایش‌ها نشان دادند که این پالس لیزری همچنان در حالت برهم‌نهی با فوتون اولیه باقی مانده است.

این آزمایش، یکی از نمونه‌های موفق تلاش برای انتقال ویژگی‌های کوانتومی از ذرات بسیار کوچک به مقیاس‌های بزرگ‌تر است. اگر این روش‌ها توسعه یابند، شاید روزی بتوانیم اجسام قابل‌مشاهده را در وضعیت‌های کوانتومی قرار دهیم.

در سال ۲۰۱۹، فیزیکدانان آزمایش دیگری انجام دادند که در آن، هر دو مسیر برهم‌نهی کوانتومی را تقویت کردند. این بار، آن‌ها دریافتند که اثرات کوانتومی حتی در مجموعه‌ای شامل ۱۰۰ میلیون فوتون نیز باقی می‌ماند. البته، ۱۰۰ میلیون فوتون هنوز هم از یک گربه‌ی واقعی بسیار کوچک‌تر است، اما نسبت به ذرات معمولی در مکانیک کوانتومی، گامی بزرگ‌تر محسوب می‌شود.

به‌همین دلیل، برخی از تیترهای خبری از این آزمایش، با عنوان بچه‌گربه‌ی شرودینگر یاد کردند؛ اشاره‌ای طنزآمیز به ایده‌ی معروف گربه‌ی شرودینگر که نشان می‌دهد برهم‌نهی کوانتومی می‌تواند در مقیاس‌های بزرگ‌تر نیز رخ دهد.

سارا ارجمند

آیا هوش مصنوعی می‌تواند گربه شرودینگر را نجات دهد؟

مطالعه '16

اگر فکر می‌کنید که یک پالس لیزری شباهتی به گربه ندارد، این آزمایش احتمالا شما را شگفت‌زده خواهد کرد.

در سال ۲۰۱۷، دانشمندان دانشگاه شفیلد در بریتانیا با انجام آزمایشی جالب، تلاش کردند تا ارگانیسم‌های زنده را وارد دنیای کوانتومی کنند. آن‌ها باکتری‌ها را درون فضایی بین دو آینه قرار دادند و نور را بین این آینه‌ها به حرکت درآوردند. در این فرآیند، باکتری‌ها چندین بار نور را جذب، گسیل و دوباره جذب کردند. در نهایت، پژوهشگران نشان دادند که برخی از مولکول‌های این باکتری‌ها با نور درون حفره درهم‌تنیده شده‌اند؛ حالتی که نوعی برهم‌نهی کوانتومی محسوب می‌شود.

اما این ماجرا به همین‌جا ختم نشد. در سال ۲۰۱۸، گروهی از دانشمندان دانشگاه آکسفورد مقاله‌ای منتشر کردند که در آن ادعا شد می‌توان این پدیده را بدون نیاز به توضیحات کوانتومی نیز تفسیر کرد. البته، این انتقاد به معنای اثبات نادرستی آزمایش نیست، چرا که می‌دانیم مولکول‌ها ذاتاً رفتارهای کوانتومی دارند و می‌توانند از طریق مکانیزم‌های خاصی با نور برهم‌کنش داشته باشند.

این ماجرا نشان می‌دهد که اثبات کوانتومی بودن یک پدیده همیشه آسان نیست. آزمایش باکتری‌ها شاید اولین قدم در این مسیر باشد، اما هنوز تا اثبات قطعی فاصله دارد. بااین‌حال، این پژوهش‌ها ما را یک قدم به درک این پرسش شگفت‌انگیز نزدیک‌تر می‌کنند: آیا می‌توان جهان زنده را مستقیماً وارد دنیای کوانتومی کرد؟

در دهه‌ی ۱۹۶۰، فیزیکدانی به نام یوجین ویگنر نسخه‌ای جدید از آزمایش ذهنی گربه‌ شرودینگر را مطرح کرد که به دوست ویگنر معروف شد. این آزمایش ایده‌ی برهم‌نهی کوانتومی را یک قدم جلوتر می‌برد و پرسشی اساسی را مطرح می‌کند: آیا واقعیت به مشاهده وابسته است؟

تصور کنید که ویگنر بیرون از یک آزمایشگاه ایستاده است، درحالی‌که دوستش داخل آزمایشگاه، آزمایش گربه‌ شرودینگر را انجام می‌دهد.

همان‌طور که در نسخه‌ی کلاسیک این آزمایش مطرح شد، گربه تا قبل از باز شدن جعبه، هم زنده است و هم مرده. اما این بار، وقتی دوست ویگنر درِ جعبه را باز می‌کند، خودش نیز وارد یک برهم‌نهی کوانتومی می‌شود. یعنی از دید ویگنر که هنوز بیرون آزمایشگاه است، دوستش هم‌زمان هم گربه‌ی زنده را دیده است و هم گربه‌ی مرده را؛ تا زمانی که خود ویگنر در را باز کند و به نتیجه‌ی آزمایش پی ببرد.

این ایده به نظر دیوانه‌وار و شاید حتی بیش از حد پیچیده بیاید، اما نکته‌ی مهمی در آن نهفته است. اگر تصور کنیم که نخستین مشاهده (یعنی دیدن گربه توسط دوست ویگنر) باعث شده است که گربه به یک حالت مشخص فروبپاشد و فقط ویگنر از این نتیجه خبر ندارد، در این صورت ما یک مدل پنهان و جبری از مکانیک کوانتومی داریم. اما می‌دانیم که نظریه‌های پنهان و جبری، بدون پذیرش نوعی از ابرجبرگرایی، قادر به توضیح کامل نتایج آزمایش‌های کوانتومی نیستند.

در سال ۲۰۲۰، تیمی از دانشگاه گریفیت در استرالیا، آزمایشی را براساس ایده‌ی دوست ویگنر طراحی کردند. در این آزمایش، از چندین دستگاه برای مشاهده و اندازه‌گیری جفت‌های فوتون استفاده شد. همان‌طور که مکانیک کوانتوم پیش‌بینی می‌کند، نتایج اندازه‌گیری‌ها با محاسبات نظری مطابقت داشت. اما این نتایج یک پیامد عجیب دارند. یکی از سه فرض اساسی زیر باید اشتباه باشد:

• عدم وجود ابرجبرگرایی (Superdeterminism) (تعیین نتایج از قبل).
• مشاهدات، نتایج مشخصی دارند (یعنی واقعیت، مستقل از مشاهده وجود دارد).
• هیچ ارتباط شبح‌گونه‌ای از راه دور وجود ندارد (انتقال اطلاعات سریع‌تر از سرعت نور).

نخستین مورد، که عدم وجود ابرجبرگرایی است، گاهی با مفاهیمی مانند اراده‌ی آزاد یا انتخاب آزاد اشتباه گرفته می‌شود. اما در واقع، این بحث ارتباطی با اراده‌ی آزاد ندارد، بلکه به این می‌پردازد که آیا نتایج اندازه‌گیری‌ها از قبل تعیین شده‌اند یا خیر. کدام گزینه را باید کنار گذاشت؟ بسیاری از فیزیکدانان مدرن ترجیح می‌دهند واقعیت عینی را قربانی کنند. شما کدام فرض را کنار می‌گذارید؟

دانشمندان همچنان در تلاش‌اند تا رمز و راز گربه‌ شرودینگر را کشف کنند. یکی از ایده‌های جالب و تازه در این مسیر، بررسی اثر برهم‌نهی کوانتومی بر گرمای سیستمی بزرگ است. هدف آن است که ببینند آیا سامانه‌ای در مقیاس ماکروسکوپی می‌تواند تحت‌تاثیر رفتارهای کوانتومی قرار بگیرد یا خیر. این شاخه از پژوهش هنوز در مراحل اولیه‌ی خود است، اما می‌تواند درکی تازه از برهم‌کنشِ بین دنیای کلاسیک و کوانتومی به ما بدهد.

جالب است بدانید شرودینگر گربه نداشت، بلکه صاحب سگی به‌نام بوشی بود.

در دنیای شگفت‌انگیز فیزیک کوانتوم، مفهوم برهم‌نهی و مشاهده، چالش‌های عمیقی را برای درک واقعیت ایجاد کرده‌اند. آزمایش ذهنی گربه شرودینگر نشان داد که سیستم کوانتومی پیش از اندازه‌گیری می‌تواند همزمان در چندین وضعیت وجود داشته باشد.

این پدیده نه‌تنها مبانی فیزیک را زیر سوال برده، بلکه در زمینه‌هایی همچون فلسفه، علوم اطلاعات و حتی هوش مصنوعی تاثیرگذار بوده است. تفسیرهای مختلفی مانند کپنهاگی، جهان‌های موازی و نظریه‌ی موج خودران، هر یک تلاش کرده‌اند تا این معمای پیچیده را توضیح دهند، اما هنوز هیچ‌کدام پاسخ قطعی ارائه نکرده‌اند.

با پیشرفت فناوری، فیزیک‌دانان در حال آزمایش برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی در مقیاس‌های بزرگ‌تر هستند، از فوتون‌ها و پالس‌های لیزری تا ارگانیسم‌های زنده مانند باکتری‌ها. پژوهش‌های اخیر نشان داده‌اند که ویژگی‌های کوانتومی شاید تنها به دنیای ذرات زیراتمی محدود نباشند، بلکه بتوان آن‌ها را در سیستم‌های بزرگ‌تر نیز مشاهده کرد.

آیا در آینده، شاهد آزمایش‌هایی خواهیم بود که بتوانند این پدیده را در مقیاس ماکروسکوپی اثبات کنند؟ شاید روزی، پرده از رازهای مکانیک کوانتوم برداشته و درک ما از واقعیت، دستخوش انقلابی اساسی شود.