نقش کوانتوم در کامپیوترها
گفتوگوی اختصاصی ارغنون هامون با رعنا سلیمی
کارشناس ارشد فیزیک ذرات بنیادی – مترجم و پژوهشگر
گفتوگو از سینا نبی پور
اشاره: رعنا سلیمی؛ کارشناس ارشد فیزیک ذرات بنیادی و مترجم و پژوهشگر می باشد و در این گفتگو با نقش کوانتوم در کامپیوترها و تاریخ آن و تکنولوژی مرکز شتاب دهنده سرن سوییس می پردازد.
نخستین نظریهها و کشفهای مهم در فیزیک کوانتوم توسط چه کسانی مطرح و انجام شد؟
رعنا سلیمی: تاریخ تولد مکانیک کوانتوم را اغلب ۱۴ دسامبر سال ۱۹۰۰ می دانند، زمانی که ماکس پلانک نتیجه کارش درباره مسئله تابش جسم سیاه را اعلام کرد. جسم سیاه جسمی است که تمام تابش الکترومغناطیسی رسیده به آن را جذب می کند. پیش تر، کیرشهف با ملاحظات کلی ترمودینامیکی توانست نشان دهد که تابع طیف جسم سیاه فقط به دما بستگی دارد، اما هیچ راهی برای تعیین شکل منحنی نداشت. قبل از پلانک، رایلی فرمولی برای تابش جسم سیاه به دست آورده بود که تقریباً در فرکانس های پایین معتبر بود و فرمول وین هم که در فرکانس های بالا معتبر بود، در ناحیه فرابنفش واگرا می شد، یعنی انرژی جسم سیاه بی نهایت می شد که این مسئله معروف به فاجعه فرابنفش است. پلانک مدلی برای جسم سیاه تدبیر کرد که در دیوراه های آن، هزاران نوسان گر کوچک بود و انرژی آنها را به تکه های مجزایی تقسیم کرد و هر یک را کوانتوم نامید. او صرفاً با مهارت ریاضی اش و با یک حدس هوشمندانه دو فرمول رایلی و وین را به نحوی ترکیب کرد که فرمول تابشی جدیدش در محدوده فرکانس های میان این دو نیز به خوبی کار می کرد و با داده های تجربی، ثابت تناسب بین انرژی و فرکانس را محاسبه کرد. این ثابت تناسب را امروزه ثابت کنش پلانک می نامند که ثابت جدیدی از طبیعت است. ثابت کنش پلانک، انرژی ضربدر زمان است که تاکنون نقش حیاتی در فیزیک ایفاء کرده و کمیت فیزیکی معما-گونه ای است؛ چیزی شبیه جرم یا مسافت نیست که می توانیم حس یا تصورش کنیم. از این گذشته این که چرا کنش باید کوانتیده باشد و چرا کنش کوانتومی باید مقدار مشخص اندازه گیری شده باشد، تا امروز کاملاً به صورت راز باقی مانده است. پلانک این کشف خود را برای پسر نوجوانش چنین توصیف کرد: کشفی به اهمیت کشف نیوتن.
پس از پلانک کشف مهم دیگر اثر فوتوالکتریک اینشتین است. اینشتین کاملاً آگاه بود که شواهد زیادی برای تعبیر موجی نور وجود دارد، اما نشان داد این فرضیه که نور به شکل ذرات یا کوانتوم ها حرکت می کند، می تواند اموری را تبیین کند که نظریه موجی نمی توانست. او این نتیجه را برای اثر فوتوالکتریک (تابیدن نور به سطح فلز و گسیل الکترون از آن) به کار برد و با تبیین این پدیده که شاهدی برای کوانتوم های نور بود، جایزه نوبل را از آنِ خود کرد، برخلاف اینکه شاید عده ای تصور کنند اینشتین به خاطر نظریه نسبیت برنده جایزه نوبل شد. معمای دیگر در مورد گرمای ویژه جامدات بود که فیزیک کلاسیک طبق قانون دولن-پتی پیش بینی می کرد باید در تمام دماها یکسان باشد، اما اواخر قرن نوزدهم معلوم شد گرمای ویژه جامدات در دماهای پایین تر خیلی کمتر از مقداری پیش بینی شده با قانون دولن-پتی است. اینشتین با استفاده از کوانتوم، گرمای ویژه جامدات در تمام دماها را تبیین کرد و این گونه بیشتر فیزیکدانان متقاعد شدند که باید کوانتوم و اینشتین را جدی بگیرند.
در سال های آغازین نظریه کوانتوم (از ۱۹۰۰ تا ۱۹۱۰) پلانک و اینشتین بر آن تسلط داشتند، اما از سال ۱۹۱۳ تا ۱۹۲۵ نظریه کوانتوم متعلق به فیزیکدان بزرگ دانمارکی، یعنی نیلز بوهر است. هنگام کاوش درباره اتم و ارائه مدلی برای آن، پس از مد کیک کشمشی تامسون و مدل هسته ای رادرفورد، بوهر با استفاده از نظریه کوانتوم، مدلی برای اتم ارائه داد که در آن الکترون ها نه در حالت مانا، بلکه فقط هنگام پرش از حالتی به حالت دیگر یک کوانتوم انرژی تابش می کنند. مدل بوهر مدل کاملتری بود که مشکلات دو مدل قبلی را نداشت. اینشتین و بوهر در کنفرانس سولوی یکدیگر را ملاقات می کنند و پس از آن میان آنها مباحثه ای تاریخی در باب مفهوم مکانیک کوانتوم آغاز می شود که جرقه ای برای پیشرفت های بسیار مهم بعدی در مکانیک کوانتوم میی شود. باید گفت اینشتین که از پیشگامان نظریه کوانتوم بود، بعداً از منتقدان جدی آن شد.
تفاوت فیزیک کلاسیک و کوانتوم در چیست؟
رعنا سلیمی: امروزه مکانیک نیوتن و الکترودینامیک مکسول فیزیک کلاسیک نامیده می شود. سه ویژگی مشخص فیزیک کلاسیک، جبرگرایی، پیوستگی و موضعیت است که مکانیک کوانتوم همه را به چالش میکشاند.
در فیزیک کلاسیک به عنوان مثال با آگاهی از مکان و سرعت اولیه ذره متحرک و نیروهای مؤثر بر آن، میتوانیم مسیر طی شده را با قانون اول نیوتن محاسبه کنیم. انواع معادلات دیفرانسیلی مورد استفاده در فیزیک کلاسیک (در بیشتر موارد) شرایط اولیه و شرایط مرزی کاملاً مشخصی دارند که منحصر به فرد بودن جوابها را تضمین می کند. به عبارت دیگر، در فیزیک کلاسیک آینده منحصراً و دقیقاً با گذشته تعیین می شود، و منظور ما از جبرگرایی دقیقاً همین است. در مقایسه با آن در فیزیک کوانتوم، رفتار ذرات نامتعین و تصادفی است و این امر مسئله احتمال و تصادفی بودن را مطرح می کند که در تقابل با تعین گرایی (یا جبرگرایی) فیزیک کلاسیک است که در آن هر رویدادی به صورت علّی و به دست زنجیره پیوسته ای از رخدادهای پیشین تعیین می شود.
پیوستگی به این معناست که در طبیعت هیچ جهش و انفصالی نیست. اما دیدیم که مثلاً در مدل اتمی بوهر که با به کار بردن نظریه کوانتوم بود، الکترون ها از یک حالت به حالتی دیگر پرش می کردند و فیزیکدانان آن را پرش ملعون نامیدند. مثال دیگر فوتون یا نور است که قبلاً تصور می شد موج است اما نظریه کوانتوم نشان داد که نور می تواند در بسته های مجزا یا کوانتوم هایی منتشر شود. بعد از نیوتن تقریباً بیشتر فیزیکدانان به پیوستگی باور داشتند. اما با ظهور نظریه کوانتوم باور به پیوستگی مورد تردید قرار گرفت.
فیزیک کوانتوم فیزیکی است که در آن ثابت کنش پلانک غیرصفر باشد. اینجاست که اهمیت کشف پلانک آشکار می شود. ناموضعیت در تقابل با موضعیت، ویژگی اصلی مکانیک کوانتوم است. ناموضعیت همان از کنش از دور یا درهم تنیدگی کوانتومی است که نوعی ارتباط اسرارآمیز درونی و همبستگی میان ذرات است، طوری که اگر ویژگی های کوانتومی یکی از ذرات را تغییر دهیم، ذره دیگر در هر فاصله ای باشد، به طور آنی از این تغییر تآثیر می پذیرد و این امر احتمال حرکت با سرعتی بیشتر از سرعت نور را مطرح می کند که این برخلاف نسبیت اینشتین است و به همین دلیل اینشتین با آن مخالف بوده است.
ویژگی ناموضعیت، ویژگی «عجیب و غریب» نظریه کوانتوم است که با تفکر محافظه کارانه نمی توان آن را پذیرفت. به نظر می رسد فیزیک کلاسیک بیشتر به صورت نظامی از قواعدی است که نحوه انسجام مشاهدات ما را توصیف می کند، حال آن که فیزیک کوانتوم می تواند ساختار زیربنایی واقعیت را مشخص کند.
فیزیک کوانتوم چگونه به درک ما از جهان هستی کمک می کند؟
رعنا سلیمی: فیزیک در آرزوی نوعی جهانشمولی است که در میان علوم تجربی منحصر به فرد است و به این معنا تا حدی جایگاه اساسی در میان آنها دارد. علم فیزیک از دیرباز علم ماده متحرک توصیف شده است. یا به عبارتی ماده و حرکت. فیزیک معاصر حرکت هر جسم را با مسیرش در فضا ـ زمان توضیح می دهد که اینک نظریه نسبیت عام اینشتین ماهیت فضا. زمان را به خوبی توضیح می دهد. اما نظریه کوانتوم در باب ماده است. ماده چیست؟ برای مثال، ممکن است تصور کنیم ماده از ذرات نقطه مانند، یا میدانها، یا ریسمانهای یک بعدی یا ترکیباتی از این امور یا کلاً از چیز دیگری ساخته شده باشد. هریک از این توصیفهای عمومی که درنظر گرفته شوند، پرسشهای دقیقتر دیگری وجود خواهند داشت: چند نوع میدان وجود دارد، جرم ذرات چقدر است و پرسشهایی از این قبیل. فیزیک کوانتوم به این پرسشها و ماهیت ماده و جهان می پردازد. گرچه نظریه نسبیت عام نظریه کاملی درباره ساختار فضا- زمان است اما نظریه کوانتوم آن را نیز به چالش کشانده است و در جستجو برای گرانش کوانتومی که یکی از بزرگترین چالشهای پیش روی کوانتوم است، شاید درست مانند سال ۱۹۰۵ که اینشتین نظریه نیوتنی را برای سازگاری با الکترودینامیک بازنویسی کرد، مجبور شویم نظریه های فضا-زمان را برای سازگاری با مکانیک کوانتوم بازنویسی کنیم. مثلاً شاید خود فضا کوانتیده باشد، یعنی یک طول کوانتومی بنیادین درست مانند کنش کوانتومی وجود داشته باشد و …
نظریه کوانتوم قدرت بی نظیری در پیش بینی و مداخله در طبیعت دارد و پیش بینی های آن تا ۱۴ رقم اعشار صحت دارد اما نتایج حاصل از آن با شهودمان مطابقت ندارد، به همین دلیل پرسشهای فلسفی زیادی را مطرح کرده است. پرسشهایی که همواره برای بشر مطرح بوده است از قبیل این که آیا سرنوشت جهان ما از پیش تعیین شده و آینده آن با گذشته و رخدادهای علّی پی در پی پیشین تعیین می شود؟ جهان ما از چه چیزی ساخته شده؟ ذرات؟ میدانها؟ امواج؟
تفسیرها (یا رویکردهای) مختلف نظریه کوانتوم سرنوشتهای مختلفی را برای جهان رقم می زند: رویکرد موج راهبر به جبرگرایی یا متعین بودن جهان باور دارد، یعنی شرایط اولیه جهان آینده آن را رقم می زند. رویکرد رمبش (تابع موج) به نامتعین بودن جهان اشاره دارد و تصادفی بودن امور. اگر جهان اساساً نامتعین (تصادفی) باشد بدین معناست که نوعی عدم قطعیت متافیزیکی وجود دارد. منظور از عدم قطعیت متافیزیکی «تصادفی بودن» ذاتی جهان است که بدان معناست که رخدادی (مثلاً حرکت یک ذره) می تواند به طرق مختلفی رخ دهد، بی آنکه تبیینی علّی برای رخدادنش در کار باشد. و سرانجام، رویکرد چند جهانی می گوید عالَم می تواند به جهانهای مختلفی منشعب شود و در هر جهان رویدادهای متفاوت تجربه می شود. مثلاً در مورد گربه شرودینگر، عالَم به دو جهان منشعب می شود که در یکی گربه زنده و در دیگری مرده است. یا مثال دیگر اگر شما در این جهان غمگین و افسرده هستید در جهان دیگری نسخه دیگری از شما هست که شاد و خوشحال است. اما هنوز هیچ یک از این رویکردها کاملاً به اثبات نرسیده است و هریک طرفداران و منتقدانی دارند.
پنزیاس و ویلسون، مهندسان مخابرات در آزمایشگاه های بل، در تلاش برای حذف صدای خش خش آزارندهای که در آنتنهای میکرو-موجشان بود. پی بردند که این خش خش ناشی از رسیدن میکرو-موج به زمین از تمام جهات فضاست و دریافتند که توزیع طیفی این تابش زمینه از منحنی پلانک برای توزیع طیفی جسم سیاه پیروی می کند. بنابراین عالم مشاهده شده یک جسم سیاه است، به عبارت دیگر، عالم به مثابه یک کل، شیئ مکانیک کوانتومی است. پس ساز و کار جهان کوانتومی است و کوانتوم نه تنها در سطح زیراتمی، بلکه در مقیاس کیهانی نیز اعتبار دارد.
برهم-نهی کوانتومی چیست و چگونه دو ذره میتوانند بدون در نظر گرفتن فاصله، به هم وابسته باشند و وضعیت یکی بر دیگری تأثیر بگذارد؟
رعنا سلیمی: در مکانیک کلاسیک با داشتن شرایط اولیه یک جسم، می توان مسیر حرکت آن را با استفاده از قانون دوم نیوتن به دست آورد. اما در مکانیک کوانتوم داستان فرق می کند. اولاً تفاوت زیادی میان موج و ذره وجود ندارد و ذرات را می توان هم ذره و هم موج درنظر گرفت. و ثانیاً محدودیت هایی برای اندازهگیری دقیق کمیتها وجود دارد. تغییرات یک سیستم کوانتومی مثلاً ذره بسیار کوچک را می توان با معادله شرودینگر توصیف کرد. یک ذره می تواند به طور همزمان در چندین حالت کوانتومی مختلف وجود داشته باشد که به آن برهم-نهی کوانتومی می گویند. یک الکترون می تواند اینجا باشد، آنجا باشد یا همزمان هم اینجا و هم آنجا باشد. یا در مثال گربه شرودینگر که در ادامه دربارهاش صحبت خواهیم کرد، وضعیت سلامت گربه یک برهم-نهی از دو حالت گربه زنده و گربه مرده است. یعنی با قطعیت نمی توان گفت گربه زنده یا مرده است.
درهم-تنیدگی همبستگی میان ذرات کوانتومی است. واژه درهم-تنیدگی را شرودینگر وضع کرد و آن را خصلت ویژه مکانیک کوانتومی توصیف کرد. در مکانیک کوانتوم برای توصیف ذره، یک شیء ریاضی به نام تابع موج به آن نسبت می دهند. تابع موج در واقع یک ویژگی فیزیکی واقعی ذره را نشان می دهد و این ویژگی حالت کوانتومی نام دارد. به نظر می رسد حالت کوانتومی واسطه کنش از دور است که به اعتقاد تیم مادلین، مؤلف کتابهای فلسفه فیزیک، نوع جدیدی از نمونه متافیزیکی است و در هیچیک از مقوله های متافیزیکی به ارث رسیده از ارسطو، کانت یا فیزیک کلاسیک پیش از کوانتوم دقیقاً نمی گنجد.
در واقع مسئله کنش از دور ذرات قبلاً نیز به شکل دیگری در فیزیک مطرح شده بود. نیوتن در فرمول بندی قانون جهانی گرانش، یک مفهوم فیزیکی جدید یعنی کنش از دور را معرفی کرد. تا آن موقع، اِعمال نیرو روی یک جسم به معنی برخورد آن با جسم دیگری بود. به همین دلیل کنش از دور پرسشهای فلسفی ای را مطرح کرد از قبیل این که چگونه جسمی حضور جسم دیگری را می فهمد و جاذبه آن را حس می کند. به همین دلیل نیوتن کنش از دور در نظریه گرانش را معقول نمی دانست و چون تبیینی برای آن نداشت، گفت: من فرضیه نمی سازم. اما بعدتر که مایکل فارادی مفهوم میدان را معرفی کرد، کنش از دور ذرات در قانون گرانش نیوتن تبیین شد. کنش از دور در فیزیک کوانتوم که اینشتین همواره با آن مخالف بوده است، با حرکت ذره با سرعتی بیش از سرعت نور قابل تبیین است و بر اساس قضیه بلکه به طور تجربی نیز به اثبات رسیده است، مطمئنیم نوعی ناموضعیت یا همان کنش از دور وجود دارد و حالت کوانتومی که جهانشمول و کل گراست، واسطه کنش از دور موهوم است، مانند میدان که واسطه کنش از دور در قانون گرانش نیوتن است.
اصل عدم قطعیت: چرا مکان و سرعت یک ذره را به طور همزمان نمی توان به صورت دقیق اندازهگیری کرد؟
رعنا سلیمی: هایزنبرگ نشان داد اگر دقیقاً بداینم الکترون کجاست، می تواند هر سرعتی داشته باشد، حتی بزرگتر از سرعت نور. از طرف دیگر، اگر دقیقاً بدانیم الکترون با چه سرعتی در حرکت است، آن وقت می تواند هر جایی باشد. هایزنبرگ حتی تا آنجا پیش رفت که گفت این آزمایشگر است که با تلاش برای مشاهده مدارها آنها را خلق می کند (یا به عیارتی ناظر واقعیت را می آفریند). در هر حالت واقعی هم مکان و هم تکانه همواره عدم قطعیتی دارند که این رابطه دو-جانبه بین عدم قطعیت ها، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یا اصل تعیین ناپذیری هایزنبرگ نامیده می شود.
بوهر احتمال داد که عدم قطعیت هایزنبرگ ناشی از خطای اندازه گیری باشد، اما چند محقق از جمله شرودینگر نشان دادند که روابط عدم قطعیت ناشی از عدم جابجایی دو مشاهده پذیر مانند مکان و تکانه است. به عبارتی یک عدم قطعیت ذاتی در تعیین مکان و تکانه (یا سرعت) ذره وجود دارد که باز برمی گردد به ثابت کنش پلانک و جابجایی ناپذیری مکان و تکانه و این به نوبه خود ناشی از آن است که مکانیک کوانتوم از منطق قانون توزیع پذیری کلاسیک (جبر بولی) تبعیت نمی کند. یعنی «و» روی «یا» توزیع نمی شود.
شتاب دهنده ذرات سرن واقع در سوییس چگونه کار می کند و چگونه اصل عدم قطعیت را توضیح می دهد؟
رعنا سلیمی: اولین بار رادرفورد ذرات آلفای معمولی را برای کاوش هسته به کار برد. بعد فیزیکدانان پی بردند اگر با چکش محکم تری به هسته ضربه بزنند، دید بهتری از رخدادهای درون هسته به دست می آورند، اما در مکانیک کوانتوم همواره بده-بستانی وجود دارد. کاوش هسته با ذرات پرانرژیتر می تواند جزئیات دقیقتر درون آن را آشکار کند، زیرا طول موج ذره پرانرژیتر کوتاهتر است. اما طول موج کوتاهتر، انرژی بیشتری به هدف منتقل می کند و این انرژیِ بیشتر، خودِ ماهیت هدف را تغییر می دهد. به بیان دقیقتر، فرضاً این درست نیست که پروتونی با انرژی بالا در برخورد با پروتونی دیگر، ذرات معینی در درون ذره هدف را آشکار کند، بلکه، پروتون فرودی در ترکیب با هرچه درون ذره هدف است محصولات قابل مشاهده را آشکار می کند و فیزیکدان ذرات این خروجی را مشاهده و آنالیز می کند. این تصور اشتباه است که نگاه فیزیکدان ذرات به درون نوکلئون مانند نگاه مکانیک اتومبیل به کاپوت آن است.
دو نوع عمده شتاب دهنده وجود دارد، شتاب دهنده خطی که که ذرات باردار را در مسیر مستقیم شتاب می دهد و سیکلوترون که ذرات را در مسیر دایرهای شتاب می دهد. سیکلوترونها تا پایان جنگ جهانی دوم به سرعت از تجهیزات رومیزی اولیه لارنس، مخترع آن، به ماشینهایی با قطر چندین فوت توسعه یافتند. نیاز به میدان های مغناطیسی قوی، یکی از محدودیتهای طراحی سیکلوترون است. با رواج یافتن فوق سرمایش کاربردی و امکان استفاده از آهنرباهای ابّررسانا به واسطه علم کوانتوم، تولید پرتوهای با انرژی خیلی بیشتری امکانپذیر شد.
برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) نزدیک ژنو، در سوئیس، ماشین غولآسایی است که با ائتلاف ۳۸ کشور از جمله ایالات متحده و کانادا سرمایهگذاری و بهره برداری شد. شتاب دهنده های ذرات مدرن، مانند شتاب دهنده سرن، می توانند پیامدهای پس از مه-بانگ را در مدل کوچکی بازآفرینی کنند و دریابند که وقتی عمر عالم کمتر از یک صد میلیاردم ثانیه بوده شبیه به چه چیزی بوده است. شتاب دهنده های ذرات که برای فیزیک ذرات به کار می روند، با به دست دادن شواهد مستقیمی برای کوارک های به دام افتاده درون پروتون و نوترون، نقطه عطفی ایجاد کرد و می توانند پرده از ماهیت عالم بردارند.
اصل عدم قطعیت نقش بسیار مهمی در آشکارسازی ذرات بنیادی دارد. در خلاء به دلیل هم ارزی جرم ـ انرژی اینشتین، فوتون می تواند به الکترون (ماده) و پوزیترون (پاد-ماده) تبدل شود و بالعکس الکترون و پوزیترون ترکیب شوند و فوتون (انرژی) تولید کنند. ذرات با نیمهعمرهای بسیار کوتاه مثلاً ۲۵-۱۰ ثانیه می توانند در محدوده ای که اصل عدم قطعیت تعیین می کند (یعنی «∆t×∆E≥=۶/۶ ×» «۱۰» ^»۲۵-» GeVـ sec) در این زمان کوتاه انرژی را از خلاء وام بگیرند و آشکار شوند. بنابراین با استفاده از اصل عدم قطعیت است که می توان ذرات بنیادی را آشکار کرد.
یکی از معروفترین مثالها در فیزیک آزمایش گربه شرودینگر است. ارتباط این آزمایش فرضی با مفهوم اثر مشاهده گر چیست و چه تأثیری بر نگرش ما از جهان دارد؟
رعنا سلیمی: در پی «مسئله اندازه گیری» و نقش ناظر در فیزیک کوانتوم، شرودینگر این آزمایش فکری را مطرح کرد. او گربه ای را تصور کرد که در جعبه ای با منبع پرتوزایی محبوس است و این جعبه با سیستمی جفت شده که با صدای آشکارساز سمی رها می کند که انتشار آن موجب مرگ گربه میشود. تابع موج، برهم-نهی دو حالت است یکی حالتی که آشکارساز به صدا درآمده و بنابراین گربه را کشته و یا حالتی که در آن هرگز به صدا در نیامده و حال گربه خوب است. بر اساس تفسیر کپنهاگی معروف منتسب به نیلز بوهر، در آزمایش فکری گربه شرودینگر قبل از اندازهگیری، یعنی قبل از اینکه درب جعبه باز شود، تابع موج گربه یک برهم-نهی از دو حالت گربه زنده و گربه مرده است. یعنی تا زمانی که مشاهده (اندازه گیری) صورت نگیرد، یا به عبارتی مشاهده گر (ناظر) درب جعبه را باز نکند گربه به احتمال ۵۰درصد زنده و به احتمال ۵۰درصد مرده است. اما به محض انجام اندازه گیری (باز کردن درب جعبه) و مشاهده گربه، تابع موج به یکی از دو حالت می رُمبَد (تقلیل می یابد) و این گونه نقش ناظر و مشاهده وارد کوانتوم می شود. حال نکته مهم این است که با این توصیف، به مشاهده گر یا ناظر نیاز داریم. این ناظر عملاً علت رخ دادن امور است (در اینجاست که مباحث علّیت در نظریه کوانتوم مطرح می شود). حتی گاهی عده ای تا آنجا پیش می روند که می گویند واقعیت را ناظر خلق می کند و این ما هستیم که با مشاهدات خود واقعیت یا حتی تاریخ را می آفرینیم. مشهور است که اینشتین پرسید آیا یک موش فقط با نگاه کردن به عالَم می تواند موجب تغییرات اساسی در آن شود. مقصود اینشتین این بود که برخی از فرمول بندی های نظریه کوانتوم در پی ربط دادن تغییر ناگهانی خاصی در حالت فیزیکی عالَم (یعنی رمبش تابع موج) به اَعمال ناظر است. در این صورت این فرمول بندی باید تعریف دقیقی از مشاهده و اندازه گیری ارائه دهد.
آیا با فیزیک کوانتوم می توانیم جهانهای موازی و ابعاد بالاتر را تصور کنیم؟ چگونه؟
رعنا سلیمی: هیو اوِرِت راه حل بدیعی برای مسئله اندازه گیری در مکانیک کوانتوم ارائه داد. او گفت سادهترین راه برای حل مسئله اندازه گیری این فرض است که واقعیت چیزی بیش از تابع موج کوانتومی نیست و این که تابع موج نمی رُمبَد. همانطور که شرودینگر تأکید داشت، اگر دستگاه اندازه گیری کلاسیک با سیستمی که در برهم-نهی است، برهم-کنش کند، تابع موج دستگاه اندازه گیری (و آزمایشگری که آن را راهاندازی می کند) با هر مؤلفه برهم-نهی همبسته می شود. آنچه شرودینگر را آزار می داد، این واقعیت است که ناظرهای واقعی برهم-نهی ها را نمی بینند، بلکه فقط نتایج قطعی آن را می بینند (مانند گربه قطعاً زنده یا قطعاً مرده). جواب اورت خیلی ساده بود: به نظر می رسد هر ناظری یک حالت معین گربه را و نه برهم-نهی آنها را می بیند. با این وصف، این دو مؤلفه به هیچ وجه با هم برهم-کنش نمی کنند. دقیقاً چنان است که گویی عالم دو نیم می شود. وقتی سیستمی با سیستم دیگری که در برهم-نهی است، همبسته می شود،
جهان، به طور بی انتها، به تعداد مولفه های سیستم مشاهده شده تقسیم می شود. این بعداً به تفسیر چندجهانی یا جهان های موازی معروف شد. موضع بیشتر فیزیکدانان در مقابل نظریه چندجهانی لااَدری یا بی اعتنایی است. یکی از مشکلات نظریه پرداز چندجهانی این است که توضیح دهد این «منشعب شدن» چگونه رخ می دهد و به چه معناست. این امر موجب بروز مشکلات مفهومی برای درک پیش بینی های احتمالی یا آماری فرمول بندی کوانتومی نیز می شود. اما دویچ معتقد است که برای نظریه چندجهانی استدلالی تجربی وجود دارد. او به واقعیتِ تسریع عظیم محاسبات که با کامپیوتر کوانتومی امکانپذیر است، اشاره می کند و دلیل می آورد که برای انجام این محاسبات باید جایی وجود داشته باشد.
دویچ استدلال میکند که محاسبات کوانتومی، دقیقاً نوعی محاسبات موازی عظیم، با تمام مزایای تسریع ناشی از توازی است. هر محاسبه انجام شده اساس فیزیکی دارد و اگر تمام آن بیت ها به سرعت پردازش می شوند، پس باید چیزی فیزیکی باشد که آنها را تسریع می بخشد. دویچ می گفت واضح است آنها در فضا-زمانی که ما مشاهده می کنیم، انجام نمی شوند، بنابراین محاسبات باید در جهانهای موازی رخ دهند. او هرکسی که نمی تواند نظریه چندجهانی را بپذیرد، به چالش می کشد تا تبیین دیگری برای محاسبات کوانتومی ارائه دهد؛ اگر به چندجهانی معتقد نیستید، پس تمام این محاسبات کجا انجام می شوند؟
چگونه مکانیک کوانتومی به ما کمک میکند که فرآیندهای درون سیاهچالهها را توضیح دهیم؟
رعنا سلیمی: سیاهچاله جسمی است که (به خاطر میدان گرانشی شدیدش) تمام تابشهای رسیده به آن را جذب کرده و بنابراین تعریف قدیمی کیرشهف از سیاهچاله را برآورده می کند. کیرشهف خیلی پیشتر نشان داد، برای آنکه سیاهچاله در تعادل حرارتی با پیرامونش باشد، باید همانقدر که پرتو جذب می کند، گسیل نیز بکند. بنابراین سیاهچاله باید دمایی داشته باشد و باید با توزیع طیفی پلانک انرژی تابش کند (کوانتوم وارد داستان می شود) و این دقیقاً آن چیزی است که استفان هاوکینگ به صورت ریاضی ثابت کرد. هاوکینگ پس از گمانه زنی به این نتیجه حیرت انگیز رسید که احتمالاً از انفجار بزرگ، سیاهچالههای کوچکی به جا مانده که هنوز در عالم منتشر می شوند. او نشان داد که سیاهچالههای کوچکی به اندازه پروتون تقریباً به محض خلق شدن با درخشش تابش گاما نابود می شوند (یعنی همان نابودی زوج).
سازوکار تابش سیاهچاله؛ اثر هاوکینگ نامیده می شود. آن بر مبنای واقعیت نظری میدان کوانتومی است که زوج های ذره مجازی پیوسته در خلاء خلق و نابود می شوند و این تولید زوج به واسطه اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که می تواند رخ دهد. اگر این امر نزدیک افق رویدد رخ دهد، یک ذره از جفت ذرات داخل چاله می افتد، حال آنکه، دیگری مقداری از انرژی سیاهچاله را حمل می کند. سیاهچاله سیاه است زیرا سرعت گریز از آن برابر با سرعت نور است و بنابراین از دیدگاه کلاسیکی هیچ جرم یا انرژی ای که درون سیاهچاله رفته باشد، نمی تواند از آن خلاص شود. اثر هاوکینگ، گرچه فیزیکدانان آن را این گونه تصور نمی کنند، سازوکاری است که به واسطه آن جرم ـ انرژی می تواند از سیاهچاله بگریزد و از این رو مکانیک کوانتومی به جرم ـ انرژی اجازه می دهد سرعتش دستکم، اندکی از نور بیشتر شود. اما، تاکنون هیچ راهی پیدا نشده که کاملاً به افق رویداد نزدیک شده و برحق بودن هاوکینگ بررسی شود.
اما آیا اطلاعاتی که در سیاهچاله گیر می افتد برای همیشه از بین می رود؟
رعنا سلیمی: فرض کنید ذره ای از جفت EPR در سیاهچاله ای گرفتار شود: تحقیقات جدید نشان می دهد که همبستگی های مکانیک کوانتومی بین ذرات حتی وقتی یکی از آنها در افق رویداد ناپدید شود، ادامه خواهد داشت، زیرا قاعدتاً هر اطلاعاتی که می تواند با ذره شریکش به اشتراک بگذارد سریع تر از نور انتقال می یابد. این می تواند گواه دیگری باشد که مکانیک کوانتومی انتقال سریع تر از نور اطلاعات را امکان پذیر می کند، یا در واقع نشان می دهد که تمام شهود کلاسیکی ما درباره ماهیت اطلاعات اشتباه است.
تفاوت کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای معمولی چیست و در کجاها کاربرد دارد؟ کاربرد کامپیوترهای کوانتومی در آِینده چگونه خواهد بود؟ علم کوانتوم چگونه می¬تواند بر پیشرفت فناوری های نوین مانند هوش مصنوعی اثر بگذارد؟
رعنا سلیمی: پائول بنیوف اولین طرح کامپیوتر کوانتومی را سال۱۹۸۰ منتشر کرد. سال ۱۹۸۵ دیوید دویچ، فیزیکدان انگلیسی، مفهوم محاسبات کوانتومی را تعمیم داده و در مقالاتی منتشر کرد. دویچ طرح کلی ماشین تورینگ کوانتومی را بیان کرد، کامپیوتری جهانی که آلن ام. تورینگ یکی از پیشگامان نظریه محاسبات مدرن و منطق، آن را طراحی کرده بود. اختلاف عمده بین ماشین تورینگ کوانتومی که دویچ مطرح کرد و ماشین تورینگ کلاسیک، تداخل بین مسیرهای محاسباتی محتمل در ماشین کوانتومی است. ماشین کوانتومی، مانند گربه شرودینگر دچار برهم-نهی حالتهای محاسباتی می شود و در هر مؤلفه برهم-نهی، نوعی محاسبات ضروری رخ می دهد. به عبارت ساده، این اثر موازی سازی گسترده ای است که در اصل، موجب تسریع عظیمی در محاسبات می شود. دویچ توانست نشان دهد که ماشین تورینگ کوانتومی او نیز به همان معنی نوع کلاسیک آن؛ جهانی است، یعنی تمام انواع محاسبات شناخته شده را می توان با آن اجرا کرد.
نکته آن است که نتایج محاسبات کوانتومی مانند تمام فرایندهای کوانتومی، ناگزیر احتمالاتی اند. از این رو، گرچه کامیپوتر کوانتومی می تواند جواب را خیلی زودتر از کامیپوتر معادل کلاسیکی پیدا کند، اما جواب با احتمال مشخصی درست خواهد بود. اما این شاید برای اهداف زیادی خیلی هم خوب باشد: در مواقع ضروری گرفتن جوابی (مانند پیش بینی آب و هوا) که احتمال درستی آن فقط ۹۰ درصد است، شاید بهتر از گرفتن جوابی در زمان طولانی باشد که به احتمال ۹/۹۹ درست است. اطلاعات کلاسیکی به صورت بیت دسته بندی می شوند، اما اطلاعات کوانتومی به صورت کیو بیت ها و ای بیت ها در می آیند.