وجد الفيزيائيون للتو مفارقة كمومية جديدة تلقي بظلال من الشك على أحد أعمدة الواقع

(باولو كارناسالي / جيتي إيماجيس)

إذا سقطت شجرة في غابة ولم يكن هناك من يسمعها ، فهل تصدر صوتًا؟ ربما لا ، كما يقول البعض.

وإذا كان هناك شخص ما هو هناك لسماع ذلك؟ إذا كنت تعتقد أن هذا يعني أنه من الواضح فعلت إصدار صوت ، قد تحتاج إلى مراجعة هذا الرأي.

لقد وجدنا مفارقة جديدة في ميكانيكا الكم - إحدى أهم نظريتين علميتين لدينا ، جنبًا إلى جنب مع نظرية النسبية لأينشتاين - التي تلقي بظلال من الشك على بعض الأفكار المنطقية حول الواقع المادي.

ميكانيكا الكم مقابل الحس السليم

ألقِ نظرة على هذه العبارات الثلاثة:

  1. عندما يلاحظ شخص ما حدثًا ما ، فإنه حقًا حدث.

  2. من الممكن القيام باختيارات حرة ، أو على الأقل اختيارات عشوائية إحصائية.

  3. لا يمكن أن يؤثر الاختيار الذي يتم إجراؤه في مكان واحد على حدث بعيد على الفور. (يسمي الفيزيائيون هذه 'المنطقة').

هذه كلها أفكار بديهية ، ويعتقد على نطاق واسع حتى من قبل الفيزيائيين. لكن بحثنا ، نشرت في فيزياء الطبيعة ، يُظهر أنها لا يمكن أن تكون جميعها صحيحة - أو أن ميكانيكا الكم نفسها يجب أن تنهار على مستوى ما.

هذه هي أقوى نتيجة حتى الآن في سلسلة طويلة من الاكتشافات في ميكانيكا الكم التي قلبت أفكارنا عن الواقع رأساً على عقب. لفهم سبب أهميته ، دعنا نلقي نظرة على هذا التاريخ.

المعركة من أجل الواقع

تعمل ميكانيكا الكم بشكل جيد للغاية لوصف سلوك الأشياء الصغيرة ، مثل الذرات أو جسيمات الضوء (الفوتونات). لكن هذا السلوك… غريب جدا.

في كثير من الحالات ، لا تقدم نظرية الكم إجابات محددة لأسئلة مثل 'أين هذا الجسيم الآن؟' بدلاً من ذلك ، فإنه يوفر فقط احتمالات لمكان وجود الجسيم عند ملاحظته.

بالنسبة إلى نيلز بور ، أحد مؤسسي النظرية منذ قرن مضى ، هذا ليس بسبب افتقارنا إلى المعلومات ، ولكن لأن الخصائص الفيزيائية مثل 'الموضع' لا توجد فعليًا حتى يتم قياسها.

وما هو أكثر من ذلك ، لأن بعض خصائص الجسيم لا يمكن ملاحظتها تمامًا في وقت واحد - مثل الموقع والسرعة - لا يمكن أن تكون كذلك حقا الوقت ذاته.

وجد شخصية لا تقل عن ألبرت أينشتاين أن هذه الفكرة لا يمكن الدفاع عنها. في 1935 مقال مع زملائه المنظرين بوريس بودولسكي وناثان روزين ، جادل بأنه يجب أن يكون هناك ما هو أكثر من الواقع مما يمكن أن تصفه ميكانيكا الكم.

تناولت المقالة زوجًا من الجسيمات البعيدة في حالة خاصة تُعرف الآن باسم حالة 'التشابك'. عندما يتم قياس نفس الخاصية (على سبيل المثال ، الموضع أو السرعة) على كلا الجسيمين المتشابكين ، ستكون النتيجة عشوائية - ولكن سيكون هناك ارتباط بين النتائج من كل جسيم.

على سبيل المثال ، يمكن للمراقب الذي يقيس موضع الجسيم الأول أن يتنبأ تمامًا بنتيجة قياس موضع الجسيم البعيد ، دون حتى لمسه. أو يمكن للمراقب أن يختار التنبؤ بالسرعة بدلاً من ذلك. وجادلوا بأن هذا كان له تفسير طبيعي ، إذا كانت كلتا الخاصيتين موجودتين قبل القياس ، على عكس تفسير بوهر.

ومع ذلك ، في عام 1964 فيزيائي إيرلندي شمالي وجد جون بيل انهارت حجة أينشتاين إذا نفذت مزيجًا أكثر تعقيدًا من مختلف قياسات على الجسيمين.

أظهر بيل أنه إذا اختار الراصدان بشكل عشوائي ومستقل بين قياس خاصية أو أخرى لجزيئاتهما ، مثل الموضع أو السرعة ، فلا يمكن تفسير النتائج المتوسطة في أي نظرية حيث كان كل من الموضع والسرعة خصائص محلية موجودة مسبقًا.

هذا يبدو لا يصدق ، ولكن التجارب الآن أظهر بشكل قاطع تحدث ارتباطات بيل. بالنسبة للعديد من الفيزيائيين ، هذا دليل على أن بور كان على حق: الخصائص الفيزيائية لا توجد حتى يتم قياسها.

لكن هذا يثير السؤال الحاسم: ما الذي يميز 'القياس'؟

لاحظ المراقب

في عام 1961 ، عالم الفيزياء النظرية المجرية الأمريكية يوجين وينر ابتكر تجربة فكرية لإظهار الصعوبة الشديدة في فكرة القياس.

لقد نظر في الموقف الذي يذهب فيه صديقه إلى مختبر مغلق بإحكام ويقوم بإجراء قياس على جسيم كمي - موقعه ، على سبيل المثال.

ومع ذلك ، لاحظ Wigner أنه إذا طبق معادلات ميكانيكا الكم لوصف هذا الموقف من الخارج ، فإن النتيجة كانت مختلفة تمامًا. فبدلاً من أن يجعل قياس الصديق موضع الجسيم حقيقيًا ، من منظور ويغنر يصبح الصديق متشابكًا مع الجسيم ويصاب بعدم اليقين الذي يحيط به.

هذا مشابه ل قط شرودنجر الشهير ، وهي تجربة فكرية يتشابك فيها مصير قطة في صندوق مع حدث كمي عشوائي.

بالنسبة لوينر ، كان هذا استنتاجًا سخيفًا. بدلاً من ذلك ، كان يعتقد أنه مرة واحدة وعي - إدراك لمراقب يصبح متورطًا ، فإن تشابك من شأنه أن 'ينهار' لجعل ملاحظة الصديق مؤكدة.

لكن ماذا لو كان Wigner مخطئًا؟

تجربتنا

في بحثنا ، بنينا على نسخة موسعة من مفارقة صديق Wigner ، اقترح أولا بقلم ساسلاف بروكنر من جامعة فيينا. في هذا السيناريو ، هناك اثنين علماء الفيزياء - يطلقون عليهم أليس وبوب - مع أصدقائهم (تشارلي وديبي) في مختبرين بعيدين.

هناك تطور آخر: تشارلي وديبي يقيسان الآن زوجًا من الجسيمات المتشابكة ، كما في تجارب بيل.

كما في حجة Wigner ، تخبرنا معادلات ميكانيكا الكم أن تشارلي وديبي يجب أن يكونا متشابكين مع جسيماتهما المرصودة. ولكن نظرًا لأن هذه الجسيمات كانت بالفعل متشابكة مع بعضها البعض ، يجب أن يتشابك تشارلي وديبي - من الناحية النظرية.

ولكن ماذا يعني ذلك تجريبيًا؟

تجري تجربتنا على النحو التالي: يدخل الأصدقاء إلى مختبراتهم ويقيسون جزيئاتهم. بعد مرور بعض الوقت ، يقلب كل من أليس وبوب عملة معدنية. إذا كانت رؤوسهم ، يفتحون الباب ويسألون صديقهم عما رأوه. إذا كانت ذيول ، فإنهم يؤدون قياسًا مختلفًا.

يعطي هذا القياس المختلف دائمًا نتيجة إيجابية لأليس إذا كان تشارلي متشابكًا مع جسيمه المرصود بالطريقة التي حسبها Wigner. وبالمثل بالنسبة لبوب وديبي.

ومع ذلك ، في أي إدراك لهذا القياس ، يتم حظر أي سجل لملاحظة أصدقائهم داخل المختبر من الوصول إلى العالم الخارجي. لن يتذكر تشارلي أو ديبي رؤية أي شيء داخل المختبر ، كما لو كانا يستيقظان من التخدير الكلي.

لكن هل حدث ذلك حقًا ، حتى لو لم يتذكروه؟

إذا كانت الأفكار الثلاثة البديهية في بداية هذه المقالة صحيحة ، فقد رأى كل صديق نتيجة حقيقية وفريدة من نوعها لقياسها داخل المختبر ، بغض النظر عما إذا كانت أليس أو بوب قررت لاحقًا فتح بابها أم لا. أيضًا ، ما تراه أليس وتشارلي لا يجب أن يعتمد على كيفية هبوط عملة بوب البعيدة ، والعكس صحيح.

أظهرنا أنه إذا كان هذا هو الحال ، فستكون هناك حدود للارتباطات التي يمكن أن تتوقعها أليس وبوب بين نتائجهما. أظهرنا أيضًا أن ميكانيكا الكم تتنبأ بأن أليس وبوب سيرىان ارتباطات تتجاوز تلك الحدود.

بعد ذلك ، أجرينا تجربة لتأكيد التنبؤات الميكانيكية الكمومية باستخدام أزواج من الفوتونات المتشابكة. تم لعب دور قياس كل صديق من خلال أحد المسارين اللذين يمكن لكل فوتون أن يسلكهما في الإعداد ، اعتمادًا على خاصية الفوتون المسماة 'الاستقطاب'. أي أن المسار 'يقيس' الاستقطاب.

تجربتنا ليست سوى دليل على المبدأ ، لأن 'الأصدقاء' صغيرون وبسيطون جدًا. لكنه يفتح السؤال عما إذا كانت النتائج نفسها ستصمد مع وجود مراقبين أكثر تعقيدًا.

قد لا نتمكن أبدًا من إجراء هذه التجربة مع بشر حقيقيين. لكننا نجادل بأنه قد يكون من الممكن يومًا ما إنشاء عرض توضيحي قاطع إذا كان 'الصديق' من المستوى البشري الذكاء الاصطناعي يركض بشكل هائل بقدر جهاز الكمبيوتر .

ماذا يعني كل ذلك؟

على الرغم من أن الاختبار النهائي قد يستغرق عقودًا ، إلا أنه إذا استمرت تنبؤات ميكانيكا الكم في الصمود ، فإن هذا له آثار قوية على فهمنا للواقع - حتى أكثر من ارتباطات بيل.

أولاً ، لا يمكن تفسير الارتباطات التي اكتشفناها فقط بالقول إن الخصائص الفيزيائية لا توجد حتى يتم قياسها.

الآن أصبحت الحقيقة المطلقة لنتائج القياس نفسها موضع تساؤل.

تجبر نتائجنا الفيزيائيين على التعامل مع مشكلة القياس مباشرة: فإما أن تجربتنا لا تتوسع ، وميكانيكا الكم تفسح المجال لما يسمى ' نظرية الانهيار الموضوعي ، أو يجب رفض أحد افتراضات الفطرة السليمة لدينا.

هناك نظريات مثل دي بروجلي بوم ، التي تفترض 'الفعل عن بعد' ، حيث يمكن أن يكون للأفعال تأثيرات فورية في أماكن أخرى من الكون. ومع ذلك ، فإن هذا يتعارض بشكل مباشر مع نظرية النسبية لأينشتاين.

يبحث البعض عن نظرية ترفض حرية الاختيار ، لكنهم إما يتطلبون ذلك إلى الوراء السببية ، أو شكل تآمري على ما يبدو من القدرية يسمى 'الحتمية الفائقة' .

هناك طريقة أخرى لحل النزاع وهي جعل نظرية أينشتاين أكثر نسبيًا. بالنسبة لأينشتاين ، قد يختلف مراقبون مختلفون حول ذلك متى أو أين شيء ما يحدث - ولكن ماذا او ما ما حدث كان حقيقة مطلقة.

ومع ذلك ، في بعض التفسيرات ، مثل ميكانيكا الكم العلائقية و QBism ، أو ال تفسير العوالم المتعددة ، الأحداث نفسها قد تحدث فقط بالنسبة إلى مراقب واحد أو أكثر. قد لا تكون الشجرة الساقطة التي لاحظها أحد حقيقة للآخرين.

كل هذا لا يعني أنه يمكنك اختيار واقعك الخاص. أولاً ، يمكنك اختيار الأسئلة التي تطرحها ، لكن الإجابات يقدمها العالم. وحتى في عالم العلائقية ، عندما يتواصل مراقبان ، فإن حقائقهما متشابكة. بهذه الطريقة يمكن أن يظهر واقع مشترك.

مما يعني أنه إذا شاهدنا نفس الشجرة تسقط وقلت إنك لا تستطيع سماعها ، فقد تحتاج فقط إلى سماعة أذن.

إريك كافالكانتي ، أستاذ مشارك (زميل المستقبل في ARC) ، جامعة جريفيث .

تم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة بموجب رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقالة الأصلية .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.