نوبل فیزیک در دستان جادوگران کوانتومی
فوتون‌های درهم‌تنیده زندگی انسان را رنگی دیگر می‌بخشند
صد سال پیش در چنین روزهایی، فیزیکدان دانمارکی، «نیلز بور»، که از بنیان‌گذاران نظریه کوانتومی است، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.
حسن فتاحی: هرکسی که از نظریه کوانتومی مبهوت و شگفت‌زده نشود، آن را نفهمیده است.
«نیلز بور»، فیریک‌دان دانمارکی برنده جایزه نوبل
صد سال پیش در چنین روزهایی، فیزیکدان دانمارکی، «نیلز بور»، که از بنیان‌گذاران نظریه کوانتومی است، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. او جایزه‌اش را به خاطر دستاوردهایش در ساختار اتمی و پرتوهایی که در سازوکار اتمی گسیل می‌شود، کسب کرد و این نخستین گام‌های نظریه کوانتومی بود. وضعیت سیاسی آن روز جهان، دوره پساجنگ جهانی اول بود. در ایران هم اوضاع چندان بسامان نبود. پایش امور کشوری از دست احمدشاه درآمده بود و شرایط به سمتی پیش می‌رفت که چرخشی بزرگ در سپهر سیاسی ایران رخ دهد. امروز صدسال از آن روزها گذشته است. نوبل 2022 فیزیک صد سال پس از نوبل نیلز بور، بار دیگر در دستان فیزیک‌دانان کوانتومی‌کار قرار گرفت. در ایران امروز هم اوضاع چندان بسامان نیست و دیگر قضایا. این مقاله درباره موضوع پژوهشی برندگان نوبل امسال است. کمیته نوبل در بیانیه‌اش گفته سه فیزیکدان که نام‌هایشان را خواهم گفت به خاطر پیشگامی در آزمایش‌هایی با فوتون‌های درهم‌تنیده، اثبات نقض نابرابری «بِل» و نیز دانش اطلاعات کوانتومی برنده این جایزه شده‌اند. ارزش مادی جایزه نوبل 10 میلیون کرون سوئد است که بین سه برنده به یکسانی بخش خواهد شد. چیزی در حدود 900 هزار دلار. با دلار 32هزار تومانی این روزها در ایران، هر برنده نوبل چیزی کمتر از 10 میلیارد تومان برنده شده است. قیمت یک کاشانه 160متری در جاهای خوب تهران. کارمان را با کمی آشنایی اولیه با مفهوم یا بگرت فیزیکیِ درهم‌تنیدگی و چند چیز دیگر می‌آغازیم.
درهم‌تنیدگی و داستان‌های پیرامون آن
به سال 1935م. برابر با 1313 خورشیدی، «اینشتین» به همراه دو فیزیکدان دیگر با نام‌های «بوریس پودولسکی» و «ناتان روزن»، نگرانی‌های خود را درباره تفسیر کپنهاگی بیان کردند. آنچه آنها در مقاله معروفشان گفتند، امروزه با سرنام متناقض‌نما یا باطل‌نمای ای.پی.آر شناخته می‌شود. فرض کنید یک هسته اتمی به یک جفت ذره واپاشیده می‌شود که در دو جهت مخالف هم، از یکدیگر دور می‌شوند. چون دو ذره در یک حالت برهم‌نهی شکل گرفته‌اند، ویژگی‌های کوانتومی آنها درهم‌تنیده شده است. بنابراین اگر برای نمونه، با اندازه‌گیری معلوم شود که یکی از ذرات اسپین پایین است، بنا بر تفسیر کپنهاگی، در همان لحظه تابع موج ذره دیگر رُمبیده و به‌ناچار الکترون آن باید اسپین بالا داشته باشد. حتی اگر در آن‌سوی گیتی باشد. اینشتین این پدیده را به‌درستی «تأثیر شبح‌وار از فاصله‌ای دور» توصیف کرد. اما چون اطلاعات یا داده نمی‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند، او نمی‌توانست بفهمد این امر چگونه ممکن است. ثابت‌بودن سرعت نور در خلأ و نیز مستقل‌بودن میزان اندازه‌گیری‌شده برای آن، مستقل از مشاهده‌گران یا نپاهشگران در گیتی، یکی از دستاوردهای درخشان نسبیت خاص آلبرت اینشتین است. به زبان ساده‌تر مردی که ایستاده و ساکن است، دو خلبانی که در جهت مخالف هم پرواز می‌کنند، هر سه نفر سرعت نور را یکسان اندازه‌گیری خواهند کرد. تاکنون آزمایش‌هایی نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی کوانتومی به‌راستی رخ می‌دهد. مکانیک کوانتومی بر اساس اصل ناموضعیت عمل می‌کند که برخلاف درک کلاسیک ما از فیزیک و از رفتار گیتی است. این نکته را از یاد نبریم که هم در سرعت‌های نسبیتی و هم در مقیاس‌های اتمی، رفتار طبیعت یا زاستار با آنچه ما از تجربه روزمره داریم، بسیار تفاوت دارد. جفت ذرات درهم‌تنیده ویژگی‌هایی دارند که تا زمان مشاهده‌شدن ناقطعی‌اند، اما در هر حالی ویژگی دو ذره مخالف یا مکمل یکدیگر خواهد بود. بخشی از جایزه نوبل امسال مربوط به این موضوع است. «جان بِل»، فیزیکدان زاده ایرلند، متناقض‌نما یا ناسازنمای ای.پی.آر را به یک‌سری از آزمایش‌های فیزیک کلیت‌بخشی کرد. بعدها برخی پیش‌بینی‌های برآمده از آن درست از آب درآمد. اینشتین، پودولسکی و روزن باور داشتند که باید «متغیرهای پنهان» و ویژگی‌های هنوز کشف‌نشده‌ای وجود داشته باشند، حامل و شامل اطلاعاتی که نشان می‌دهند هر ذره در چه حالتی قرار دارد. اگر این عوامل وجود داشته باشند، می‌توان از ناسازنمای ارتباط سریع‌تر از نور و نیز عدم قطعیتِ ذاتی و نهادینه در تفسیر کپنهاگی جلوگیری کرد. شاید بد نباشد خوانندگان بدانند نام این تفسیر به این دلیل کپنهاگی است که از دل انستیتو فیزیک نیلز بور در پایتخت دانمارک یعنی کپنهاگ بیرون آمده است. نیلز بور انستیتویی ساخته بود که پناهگاه بسیاری از فیزیک‌دانان بود و امروز هم یکی از بهترین انستیتوهای فیزیک است. بِل متناقض‌نمای ای.پی.آر را از طریق یک آزمون ریاضیاتی محض مورد سنجش قرار داد که اکنون «قضیه بل» نامیده می‌شود. خاصیت اسپین کوانتومی ذره به این معناست که احتمال اندازه‌گیری اسپین معین، بستگی به زاویه اندازه‌گیری دارد. جان بل تحلیلی آماری انجام داد و شانس اندازه‌گیری یک اسپین معین در یک زاویه معین را محاسبه کرد. او نتوانست هیچ مدرکی مبنی بر وجود رابطه بین احتمال‌ها و زاویه‌هایی که نشان‌دهنده وجود متغیرهای پنهان بودند، پیدا کند. در مقابل او دریافت درهم‌تنیدگی باید به‌راستی وجود داشته باشد. آزمایش‌ها برای آزمودن قضیه بل با اندازه‌گیری اسپین ذرات درهم‌تنیده تولیدشده نشان می‌دهد که توزیع با مکانیک کوانتومی و نه کلاسیکی همخوان است. توزیع کلاسیکی می‌تواند توسط متغیرهای پنهان توضیح داده شود، اما توزیع کوانتومی و حقیقی نمی‌تواند. از همین روی درهم‌تنیدگی کوانتومی واقعی است. دلیل اصلی اینکه اینشتین درباره درهم‌تنیدگی در اشتباه بود، این است که او فرض کرد علت و معلول که در زبان فارسی دانشی، واژه بسیار زیبای بُنار و اُسکر را برایش ساخته‌اند، براساس موضعیت یا جایگزیدگی عمل می‌کنند؛ که در آن اطلاعات با سرعت نور از موضع یا جایگاه علت به اطراف منتشر می‌شود. علیّت یا برابر زیبای فارسی آن بُنارمندی، یکی از شهودی‌ترین اصول در فیزیک است. اگر شما کنش یا عملی را مرتکب شوید، نتایج عمل به‌طور طبیعی در پی آن خواهد آمد. هرچند به نظر می‌رسد درهم‌تنیدگی کوانتومی بر اساس ناموضعیت یا ناجایگزیدگی عمل می‌کند. فاصله میان ذرات درهم‌تنیده مهم نیست. این موضوع از شهود ما بسیار دور است و هنوز به‌روشنی درک نشده است. اما به این معنا نیست که قوانین عادی بُنارمندی یا علت و معلولی دیگر به کار نمی‌آید. جان بل رفتار نامعمول را به رفتار دوستش دکتر «رینهولد برتمن» تشبیه کرد که دوست داشت هر روز به‌طور تصادفی، جوراب‌هایی با رنگ‌های متفاوت در هر پایش، برای نمونه یکی آبی و یکی سبز، بپوشد. اگر شما یک روز می‌دیدید که او جوراب آبی در پای راستش دارد، بی‌درنگ و بدون لحظه‌ای دیدن و تردید، می‌دانستید که در پای چپ او جوراب سبز است. کاملا شبیه به داستان درهم‌تنیدگی. با رساندن اطلاعات به روشی ناجایگزیده، می‌توانید از بنارمندی یا علیّت سرپیچی کنید. بیایید یک‌بار دیگر و در یک جمله کوتاه بخشی از کار نوبلیست‌های امسال را بررسی کنیم. جفت ذرات درهم‌تنیده‌ای خلق شده‌اند. ذرات به‌واسطه فاصله یا سد از هم جدا شده‌اند. اندازه‌گیری یک فوتون حالت آن را مشخص می‌کند. همدم درهم‌تنیده به‌طور خودبه‌خودی حالت مخالف را اختیار می‌کند. بخش دیگری از جایزه نوبل امسال به چیزی با نام دورنوردی یا دورترارسانی کوانتومی رسیده است. بگذارید کمی درباره این موضوع هیجان‌انگیز دانش و فناوری قرن بیست‌ویکی توضیح دهم. نخست اینکه بدانید دورنوردی یا دورترارسانی برابر فارسی واژه انگلیسی «تله‌پورتیشن» است. تله‌پورتیشن یا دورنوردی به زبان ساده و پرسون یعنی: انتقال یا ترابرد ماده یا انرژی از نقطه‌ای به نقطه دیگر، بدون پیمایش فضای فیزیک میان آنها. درهم‌تنیدگی کوانتومی در را به روی یک گونه خاص از دورنوردی می‌گشاید. اجسام فیزیکی نمی‌توانند فورا به فاصله‌ای دور فرستاده شوند، اما حالت کوانتومی آنها می‌تواند اجازه ایجاد نسخه یا رونوشتی کاملا مشابه را بدهد. در عمل برای دورنوردی به سه چیز نیاز داریم. دو تا از آنها برای نمونه ذره الف و ذره ب است که با هم درهم‌تنیده‌اند و شروع به جدایی و دوری از یکدیگر کرده‌اند. حال، در فاصله‌ای نامعین از هم؛ ذره الف با ذره پ برخورد می‌کند. اطلاعات کوانتومی پ به الف منتقل می‌شود و فورا حالت کوانتومی از الف به ب فرستاده می‌شود. آنگاه ب به نسخه بدل پ تبدیل می‌شود. یکی از پیچیدگی‌های چنین مراحلی این است که در طی آن حالت کوانتومی ذره پ از بین می‌رود. حتی اگر این موضوع واقعیت داشته باشد و سبب دورنوردی انسان شود، کماکان ترسناک است. مهم‌تر آنکه یک ابزار یا وسیله حمل مشابه فیلم جنگ ستارگان به چشمه‌ای از اتم‌ها نیاز خواهد داشت تا در مقصد بعدی آماده دریافت اطلاعات کوانتومی باشند. مقدار زیاد اطلاعات در ارسال هر جسم بزرگ به این معناست که فراروند آن، زمان زیادی می‌برد و ممکن است ناهمدوسی، موانع نامطلوب پیش‌بینی‌نشده بیشتری ایجاد کند. به‌هرروی دورنوردی کوانتومی آنچنان مهم است که فیزیک‌دانی برای خاطر پژوهش‌هایش برنده جایزه نوبل شده است.
برندگان نوبل فیزیک 2022 چه دستاوردی داشتند
حال که جان کلام و چکیده کارهای پژوهشی برندگان نوبل امسال را دریافتید، خوب است به آنچه خود کمیته نوبل گفته است نگاهی بیندازیم. نتایج و اثر انکارناپذیر مکانیک کوانتومی در فناوری هر روز بیش از دیروز چشمگیرتر می‌شود. رایانه‌های کوانتومی، شبکه کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و ده‌ها کاربرد دیگر. یکی از عامل‌های مهم در این زمینه پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی است. وقتی دو ذره باهم درهم‌تنیده می‌شوند، برایشان چه رخ می‌دهد. برای دیگر ذره‌ها که در فاصله‌های متفاوت‌اند چه پیش می‌آید؟ برای سال‌های دراز این پرسش پیش‌روی فیزیک‌دانان بود که آیا این همبستگی میان ذرات و درواقع ذره‌های درهم‌تنیده، برگرفته از متغیرهای پنهان است یا نه؟ متغیرهایی که گویی دستور می‌دادند یا به زبان دیگر دستورکار دارند که نتیجه آزمایش چه باید باشد. در دهه 1960م. «جان استوارت بل»، نابرابری ریاضیاتی را بسط داد که طی آن اگر متغیرهای پنهان وجود داشته باشند، آنگاه نتایج تعداد زیادی اندازه‌گیری از مقداری معین بیشتر نخواهد شد. بااین‌حال نوع ویژه‌ای از آزمایش‌های مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند نابرابری بل یا قضیه بل نقض‌پذیر است که همبستگی قوی‌تری را سبب می‌شود. «جان کلاوزر» دیدگاه‌ها و نگره‌های جان بل را توسعه داد؛ آنچنان که به آزمایش‌های تجربی منتهی شد. زمانی که کلاوزر آزمایش‌ها را سامان‌مند و پرسون انجام داد با نقض آشکار نابرابری بل روبه‌رو شد که از بنیان‌های مکانیک کوانتومی پشتیبانی می‌کرد. به زبان ساده‌تر، حق با اینشتین نبود. مکانیک کوانتومی را نمی‌توان با متغیرهای پنهان آشتی داد. پس از کارهای درخشان کلاوزر، هنوز برخی حفره‌ها پر نشده بودند. «الن آسپه» وارد میدان شد و با انجام برخی آزمایش‌ها که اندازه‌گیری را به پس از خروج از چشمه برای دو ذره درهم‌تنیده ممکن می‌ساخت، حفره‌ای بزرگ را پر کرد. «آنتوان زایلینگر» اتریشی با ابزارهای تنظیم-ریز دوره‌ای از آزمایش‌های بسیار زیاد را ترتیب داد. او از حالت‌های کوانتومی آغازید و کارهای اساسی را در دورنوردی کوانتومی به سرانجام رساند. همان‌طور که در بیانیه کمیته نوبل هم اشاره شده، مکانیک کوانتومی با سرعت و توان بالا، در حال درنوردیدن مرزهای فناوری است. حل مسائل درهم‌تنیدگی کوانتومی و کار روی دورنوردی کوانتومی و نیز اطلاعات کوانتومی، حالا دیگر پا را از تفسیرها فراتر گذاشته و مرزهای فناوری را جابه‌جا می‌کند. می‌خواهم در پایان این بخش به این نکته اشاره کنم که در ایران هم پژوهشگران خوبی هستند که روی همین موضوعاتی کار می‌کنند که برندگان جایزه نوبل می‌پژوهند. نویسنده این مقاله مسائلی همچون درهم‌تنیدگی کوانتومی و کاربرد آن در فناوری، اطلاعات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و مواردی ازاین‌دست را از یکی از استادانی شنیده که برای بازه زمانی کوتاهی در ایران بود و افسوس که دانشگاه‌های ایران او را نگه نداشتند. او که فیزیکدان خانم طراز اول جهانی است؛ حالا در آمریکا در یکی از برجسته‌ترین و پیشروترین مراکز پژوهشی فیزیک پزشکیِ هسته‌ای پژوهشگر است. تا جایی که نگارنده می‌داند سازمان انرژی اتمی هم در دوره ریاست «علی‌اکبر صالحی»، بخش ویژه‌ای را برای پژوهش‌های کوانتومی-فناوری نوین راه‌اندازی کرده است. بیش باد چنین پژوهشکده‌هایی برای ایران خوب ما.
برندگان جایزه نوبل امسال سه فیزیکدان مرد هستند. نفر نخست «جان کلاوزر» آمریکایی است. او 79ساله و فیزیکدان نظری است. کارشناسی خود را از انستیتو فناوری کالیفرنیا و دکترای فیزیک را از دانشگاه کلمبیا دریافت کرده است. او پژوهشگر فیزیک کوانتومی است و شهرتش به خاطر آزمایش‌های قضیه بل است. نکته چشمگیر در زندگی کلاوزر این است که در خانواده‌ای دانش‌دوست زندگی کرده است. پدرش استاد مهندسی در جانز‌هاپکینز بود و مادرش کنشگر حقوق بشر. او در دانشگاه‌هایی همچون برکلی درس داده است. موضوع دکترای او به سال 1970م. درباره اندازه‌گیری تابش زمینه کیهانی با نپاهش‌ها یا رصد نورشناختیِ مولکول‌های فضای اندراختری بود. کلاوزر در سال 2010م. هم جایزه ولف را در فیزیک کسب کرده بود. نفر دوم «الن آسپه» است. فیزیکدان فرانسوی. آسپه به خاطر پژوهش‌هایش در فیزیک تجربی درهم‌تنیدگی کوانتومی معروف است. او هم‌اکنون 75 سال دارد و بین سال‌های 1983م. تا جایزه نوبل، چندین بار جایزه‌های گوناگونی همچون جایزه بالزان، مدال نیلز بورِ یونسکو، مدال آلبرت اینشتین و چندین جایزه و مدال دیگر را از آن خود کرده است. او همچنین به سبب کارهای پژوهشی و دانش‌گستری‌اش، درجه‌های افتخاری را از چندین دانشگاه نامور دنیا همچون گلاسکو، مونترال، حیفا، هنگ‌کنگ و دانشگاه ملی استرالیا دریافت کرده است. نفر سوم استاد‌تمام 77ساله دانشگاه وینِ اتریش است: «آنتون زایلینگر». او از استادان نام‌بردار دانشگاه وین است و دانشگاه وین هم یکی از بهترین مراکز پژوهشی دانش و فناوری کوانتومی در جهان است. نویسنده این مقاله این بخت را داشته تا در چندین گردهمایی و فراهمایی بین‌المللی درباره پژوهش‌های کوانتومی در دانشگاه وین حضور داشته باشد. همچنین چندین ایرانی جوان هم دانش‌آموخته گروه پژوهشی کوانتوم این دانشگاه‌اند که هم‌اکنون در جاهای دیگر دنیا به کارهای دانشی می‌پردازند. زایلینگر روی دورنوردی کوانتومی کارهای درجه‌یکی انجام داده است. او نیم‌قرن پیش دکترای خود را از همین دانشگاه وین با راهنمایی فیزیکدان معروف، «هلموت راش» دریافت کرد و امروز با کسب نوبل برای همان‌جا افتخاری بزرگ آفرید.
