جهان كوانتومي - بخش هفتم: گربه شرودينگر ؛ مرده يا زنده؟!

مرده يا زنده؟

در جهان واقعي ، گربه ها نميتوانند هم زنده باشند و هم مرده . پس چه چيزي آنها را مجبور به انتخاب ميكند؟

در جهان كوانتومي ، آنچه كه مشاهده ميشود نتيجه اندازه گيري هاست . از يك اندازه گيري تنها يك پاسخ معين از ميان گستره اي از احتمالات پديدار ميشود . بديهي است كه اندازه گيري هايي صورت نگيرد ، جهان همواره در غباري از ناآگاهي ها دست و پا خواهد زد . اما ببينيم منظور از اندازه گيري (Measurement) در زمين چيست . آيا اين عمل به كوشش انسان و يا مشاهده او نياز دارد ، يا مانند درختي كه دور از چشم انسان در جنگلي فرو مي افتد ، در هاله اي از ابهام نيز ميتواند روي دهد؟ حال اگر بنا به فرض بدانيم كه اندازه گيري چيست ، اين سوال پيش مي آيد كه اين اندازه گيري با چه دقتي يك سيستم كوانتومي را وادار ميكند تا از ميان گزينه هاي مختلف يكي را انتخاب كند و در مورد انتخاب يك حالت معين تصميم بگيرد؟
"نيلز بور" هنگام نوشتن آنچه كه بعدها به نام"تفسير كپنهاگي نظريه كوانتومي" شناخته شد ، از اهميت اين سوالات كاملا آگاهي داشت . اما او نتوانست پاسخهاي مناسبي براي آنها بيابد (وچنين ادعايي هم نداشت) . او ميگفت كه اندازه گيري ها انجام شدني هستند و ما اين را ميدانيم كه در هر حال ، آشكارسازهاي فوتون ، فوتونها را آشكار ميكنند . به تاكيد او يك اندازه گيري فرآيندي است كه يك سيستم كوانتومي را وادار ميكند تا حالت معيني را انتخاب كند . درست است كه اين تعريف نسبتا زنجيره اي است ، كه اگر آنرا بپذيريم ، پيامدهاي آن نيز پذيرفتني است . اين اصل ، اساس تفسير كپنهاگي را تشكيل ميدهد و نكته اصلي آن در اين است كه ديگر نبايد نگران مفهوم اندازه گيري باشيم.

اما اينكه ما يك نظريه فيزيكي بنيادي داشته باشيم كه هرچند ممكن است خوب كار كند ، اما به اصلي وابسته باشد كه هيچكس حتي ادعاي فهميدن آنرا ندارد ، چندان خوشايند نيست . يكي از موجوداتي كه از اين اوضاع ناراضي بود ، گربه "اروين شرودينگر" بود . اين گربه خودش را درون جعبه اي مي يابد كه در آن ، وسيله اي وجود دارد كه فوتوني را به سمت يك صافي ميفرستد و گذشتن يا نگذشتن فوتون از ميان آترا ثبت كند . اگر فوتون از ميان صافي گذر نكند هيچ اتفاقي نمي افتد . اما اگر گذر كند ، فوتون به دستگاهي ضربه ميزند كه آن نيز به نوبه خود يك شيشه محتوي گاز سمي را ميشكند و در نتيجه ، گربه بدشانس ميميرد . آزمايش بگونه اي تنظيم ميشود كه احتمال گذشتن فوتون از ميان صافي ، پنجاه – پنجاه باشد . در نتيجه ، وقتي شما در جعبه را باز و به درون آن نگاه ميكنيد پنجاه درصد احتمال دارد كه گربه بيرون بپرد.
همه چيز مرتب به نظر ميرسد ، اما آنگونه كه شرودينگر در سال 1935 خاطرنشان كرد ،مشكل زماني بوجود مي آيد كه شما از خود مي پرسيد داخل جعبه – پس از انجام اندازه گيري فوتون و پيش از آنكه كسي در جعبه را باز كند – چه اتفاقي مي افتد . پاسخ آن به همين سادگي است كه بگوييم وسيله پرتاب فوتون ، فوتون را به سمت صافي ميفرستد ، فوتون يا از ميان صافي گذر ميكند يا نميكند ، شيشه محتوي گاز سمي يا ميشكند يا نميشكند و گربه يا ميميرد يا زنده ميماند.
به محض برخورد فوتون به صافي ، يك اندازه گيري كوانتومي انجام ميگيرد و وقوع رويدادهاي بعدي ، ما را مطمئن ميكند كه پس از اين زمان ، درون جعبه يا يك گربه مرده وجود خواهد داشت و يا يك گربه زنده . اما چنين چيزي بر اين فرض استوار است كه وجود فوتوني كه به صافي برخورد ميكند ، براي برقراري اندازه گيري كافي باشد . حال اگر براي اندازه گيري ، وجود يك انسان براي مشاهده لازم باشد ، چه روي خواهد داد؟ در آنصورت به نظر ميرسد كه گربه بايد در يك "حالت گربه اي ‍‍ِ" كوانتومي ِ نامعين باشد ، كه نه مرده است و نه زنده اما هر دو حالت را بالقوه در خود دارد و اين حالت تا زمانيكه كسي در جعبه را براي ديدن درون آن باز نكند ادامه خواهد داشت . اما براي يك گربه ، بودن در حالت نيمه مرده – زنده ي نامعين چه معنايي ميتواند داشته باشد ؛ اگر اصلا معنايي داشته باشد؟!
پاسخ بور صريح و روشن بود: اين مسئله اصلا اهميتي ندارد . تنها چيزي را كه ميتوان ثابت كرد و نشان داد اين است كه وقتي در جعبه باز ميشود ، گربه داخل آن مرده است يا زنده . در مورد اينكه يك گربه نيمه مرده – نيمه زنده چه معنايي ميتواند داشته باشد ، هيچ مسئله نگران كننده اي نيست ؛ براي اينكه هرگز نميتوان چنين موجودي را ديد . هر گربه اي را كه شما ميبينيد ، به شكلي ثابت و تغييرناپذير يا مرده است و يا زنده.
با اين حال ، در اين مورد يك مشكل فيزيكي واقعي وجود دارد . نگرش بور مثل اين است كه بگوييم رشته اي از اشياي كوانتومي (مثل فوتونها) را داريم كه ميتوانند در حالتهاي كوانتومي نامعين باشند و رشته اي از اشياي كلاسيكي (مثل گربه ها) را داريم كه تنها در حالتهاي كلاسيكي معين ميتوانند وجو داشته باشند . مسئله اينجاست كه يك گربه از اجزاي كوانتومي – يعني پروتونها ، نوترونها و الكترونها – تشكيل شده است . نظريه كوانتومي بعنوان پايه اصلي تمامي فيزيك در نظر گرفته ميشود ، بنابراين چگونه گربه ها به جاي اينكه گربه نيمه مرده – نيمه زنده كوانتومي باشند ، گربه " كاملا مرده يا زنده" كلاسيكي شده اند؟
اكنون ميتوان به شكل ديگر به مسئله اندازه گيري نگاه كرد . واقعا در كدام بخش از زنجيره رويدادها – از فوتون به صافي و سپس آشكارساز و شيشه گاز سمي و گربه – اندازه گيري صورت ميگيرد؟ در چه نقطه اي و چگونه ، قطعيت كلاسيكي جايگزين عدم قطعيت كوانتومي ميشود؟
اين سوالات به اين پرسش برميگردد كه صحبت در مورد حالت كوانتومي يك شيء مركب – مثل گربه – چه معنايي دارد . مرده يا زنده بودن ، ويژگي ذاتي اجزاي كوانتومي بنيادي يك گربه نيست ، بلكه خصوصيت مشترك طريقه قرارگيري تمام اجزا در كنار هم است . يك حالت گربه اي كوانتومي ، اگر درست توصيف شده باشد ، به معناي شرحي دقيق و كامل از مشخصات حالت كوانتومي تك تك ذرات موجود در گربه است . اگر يك الكترون به حالت انرژي ديگري پرش كند در آنصورت تمامي وجود گربه با هم به حالت كوانتومي سراسري ديگري پرش خواهد كرد.
واضح است كه تقريبا بينهايت حالت كوانتومي وجود دارد كه همگي به يك گربه مربوطند . حتي وقتيكه به نظر ميرسد گربه به هيچ كاري مشغول نيست (كهگربه ها معمولا چنين عادتي دارند!) ، آرايش كوانتومي دروني او در آشفتگي دائمي به سر ميبرد و مدام از يك حالت به حالت ديگر پرش ميكند . اما تمامي اين حالتهاي گربه اي كوانتومي مي بايد متعلق به يكي از اين دو دسته باشند: حالتهاي مربوط به گربه هاي زنده و يا حالتهاي مربوط به گربه هاي مرده.
آيا ميتوان يك حالت گربه اي كوانتومي "نيمه مرده – نيمه زنده" واقعي ساخت؟ از لحاظ نظري ، پاسخ مثبت است . يك حالت را از دسته حالتهاي كوانتومي "گربه هاي مرده" و يك حالت را از دسته حالتهاي كوانتومي "گربه هاي زنده" انتخاب كنيد و با استفاده از ابزارهاي استاندارد ، اين دو صورت را بصورت رياضي با هم تركيب كنيد تا تنها يك حالت را بدست آوريد كه از هر دو احتمال ، به اندازه مساوي سهم ميبرد . اينكار اگرچه در مقياس بسياربزرگتري انجام ميگيرد اما همانند است با تركيب حالتهاي كوانتومي فوتونهاي داراي قطبش هاي افقي يا قائم  ، براي بدست آوردن فوتوني با حالت نامعين كه قطبش آن هنوز اندازه گيري نشده است.
حالت قطبشي "نيمه افقي – نيمه قائم" يك فوتون ف به همين شكل باقي ميماند . در اصل ، براي حالت گربه اي كوانتومي "نيمه مرده – نيمه زنده" نيز بايد اين حالت برقرار باشد . اما در مورد حالت دوم مسائل پيچيده اي وجود دارد ، چون دو نيمه مرده و زنده گربه آزادند تا به سرعت به هريك از هزاران حالت مرده و زنده ديگري كه درهايشان به روي آنها بازند ، تبديل شوند . علاوه بر اين در حالتيكه بخش مرده در ميان تمامي حالتهاي مرده ي ممكن حركت ميكند و بخش زنده نيز همين كار را در حالتهاي زنده انجام ميدهد ، كارهاي اين دو بخش ، مستقل از يكديگرند.
براي نمايش يك حالت "نيمه مرده – نيمه زنده" واقعي ، بايد پيوستگي بسيار ويژه اي در طريقه اتصال دو بخش تشكيل دهنده به يكديگر وجود داشته باشد . همچنان كه هريك از بخشها تغيير و تحول پيدا ميكند ، اين پيوستگي به تدريج از بين ميرود ؛ و بدين ترتيب در عمل گربه آنچنان رفتار نميكند كه گويي در يك حالت نيمه مرده – نيمه زنده قرار دارد ، بلكه بگونه اي رفتار ميكند كه گويي يا زنده است و يا مرده (و اين چيزي است كه از يك گربه انتظار داريم) . به بيان دقيقتر هيچ تغييري از "مرده و زنده" به "مرده يا زنده" وجود نداشته است ؛ اما از نظر عملي ، انجام آزمايشي كه بتواند چيزي را به غير از يك گربه زنده يا مرده پيدا كند ، ناممكن ميشود . براي تمام اهداف عملي ، گربه يك موجود كلاسيكي است.
فرآيند فوق ، يعني "جدايي" (Decoherence) بين اجزاي تشكيل دهنده يك حالت كوانتومي چندگانه ، نشان ميدهد كه نگه داشتن اشياي مركب در حالتهاي كوانتومي خاص چقدر دشوار است . دليل اين مسئله آن است كه اين اشيا ، در معرض برهم كنشها و آثار تصادفي بيشمار داخلي و خارجي قرار دارند .خلاصه اينكه وجود يك گربه "نيمه مرده – نيمه زنده – ناممكن نيست بلكه بسيار نامحتمل است (و آشكارسازي آن نيز تقريبا ناممكن) . روش ديگري براي نگاه كردن به اين حالت ، اين است كه بگوييم برهم كنش دائمي اتمها و الكترونها در بدن گربه ، به معناي "خوداندازه گيري" پيوسته حالت كوانتومي است . موضوع مشاهده يا آشكارسازي نيست ، بلكه اين برهم كنش بي وقفه و دائمي حالات كوانتومي در بدن يك گربه است كه از پايدار ماندن هريك از حالتهاي مجزا جلوگيري ميكند . بنابراين انسانها يا گربه ها ناگزير در يك حالت كلاسيكي قابل مشاهده و با معني قرار ميگيرند – اگرچه حالت كوانتومي دروني گربه دائما در حال تغيير ف و كاملا غيرقابل پيش بيني است . بعبارت ديگر اين مسئله تقريبا تضمين شده است كه هر چيز بزرگي شبيه يك شيء كلاسيكي به نظر برسد  ، نه كوانتومي (و اين دقيقا همان چيزي است كه دكتر بور توصيه كرده بود!).