آزمودن نابرابری‌ی لگت: نمودار آزمایش سونیا فرانکه-آرنولد و همکارانش؛ داخل عکس نمایشی از حالت‌های مختلف تکانه‌ی زاویه‌ای‌ی مداری ست.

از زمانی که مکانیک کوانتومی فرمول‌بندی شده است فیزیکدان‌های پرشمار از جمله آلبرت اینشتین با مفهوم درهم‌تافتگی مشکل داشتند و به‌دنبال نظریه‌های جانشین بوده‌اند: به‌نظر می‌رسد مکانیک کوانتومی با تجربه‌های هرروزی‌ی ما بیگانه است زیرا آن‌چه را ویژگی‌ی واقعیت بیرونی می‌انگاریم یعنی این چشم‌داشت ‌را که شیءها حتی زمانی که مشاهده‌شان نمی‌کنیم خواص مشخص دارند نقض می‌کند. هم‌چنین به‌نظر می‌رسد مکانیک کوانتومی مستلزم واکنش آنی‌ی ذرات نسبت به رخ‌دادهای دوردست است و در نتیجه با اصل جای‌گزیدگی نیز در تناقض است که ارتباط بین اشیای دور از هم با سرعتی بیش از سرعت نور را ناممکن می‌داند. این خصلت‌های غیرعادی‌ی مکانیک کوانتومی را جان بل در نابرابرِی‌ی معروف خود بیان کرده است. بل نشان داد که ترکیب خاصی از اندازه‌گیری‌ها برای ذراتی که به‌شکل یک‌سان آماده شده‌اند در نظریه‌هائی که از واقعی‌انگاری و جای‌گزیدگی تبعیت می‌کنند کران‌دار هستند (از نابرابری‌ئی تبعیت می‌کند). او در عین حال نشان داد که پیش‌بینی‌ی مکانیک کوانتومی برای این اندازه‌گیری‌های ذرات درهم‌تافته این نابرابری را نقض می‌کند. برای نمونه در آزمایش‌های بل دو مشاهده‌گر دور از هم، قطبیدگی‌ی ذرات‌ درهم‌تافته را در جهت‌های متفاوت اندازه‌ می‌گیرند و هم‌بستگی بین‌ این اندازه‌گیری‌ها را محاسبه می‌کنند. در دهه‌ی ۱۹۷۰ استوارت فریدمن و جان کلاؤزر و در دهه‌ی ۱۹۸۰ آلن اسپه این نوع آزمایش‌ها را انجام دادند و با اندازه‌گیری قطبیدگی فوتون‌های درهم‌تافته درستی‌ی مکانیک کوانتومی را تأیید کردند.

جامعه‌ی فیزیک معمولا با این نکته که دنیای کوانتومی با "واقعی‌انگاری‌ی جای‌گزیده" تناقض دارد کنار آمده است اما در سال ۲۰۰۳ آنتونی لگت از دانشگاه ایلی‌نوی در اوربانا-شمپین تلاش کرد که با فداکردن جای‌گزیدگی، واقعی‌انگاری را به فیزیک بازگرداند. اگر دو موجود بتوانند هم‌بستگی‌هاشان را از راه ارتباط آنی نظم بدهند خواهند توانست خصوصیات مشخص داشته باشند. این طرح واقعیت‌پذیر اما جای‌ناگزیده آزمون بل را ارضا می‌کند اما آیا می‌تواند دنیای کوانتومی را نیز توصیف کند؟

چهار سال بعد فیزیکدان‌هائی در اتریش، سوئیس، و سنگاپور با داده‌هاشان این پرسش را پاسخ گفتند. آنها به جای مشاهده‌ی حالت‌های قطبیدگی‌ی خطی که معمولاً برای بررسی‌ی نقض نابرابری‌ی بل به کار می‌رود هم‌بستگی‌ی حالت‌هائی را بررسی کردند که قطبیدگی‌ی بیضوی دارند یعنی ترکیبی از قطبیدگی‌ی خطی و دورانی. حتی با این فرض که فوتون‌های درهم‌تافته می‌توانند آناً با یک‌دیگر ارتباط برقرار کنند هم‌بستگی‌ی بین قطبیدگی‌ی حالت‌ها نابرابری‌ی لگت را نقض می‌کند. نتیجه‌ئی که به‌دست می‌آید این است: طرح واقعیت‌‍پذیر اما جای‌ناگزیده‌ی لگت نمی‌تواند درهم‌تافتگی را توضیح دهد و واقعی‌انگاری را نیز باید کنار گذاشت.

اینک سونیا فرانکه-آرنولد و همکارانش در دانشگاه گلاسگو و دانشگاه استرات‌کلاید آزمایش دیگری انجام داده‌اند که نشان می‌دهد فوتون‌های درهم‌تافته هم‌بستگی‌هائی قوی‌تر از آن دارند که برای ذرات منفرد با خصوصیات خوش‌تعریف و مشخص امکان‌پذیر است حتی اگر در ارتباط دائم باشند. به ‌این ترتیب آنها نتیجه‌گیری‌ی فوق را تأیید می‌کنند. آنها در آزمایش‌ خود تکانه‌ی زاویه‌ای‌ی مداری‌ی هر فوتون را اندازه گرفتند.

برای فوتون تکانه‌ی زاویه‌ای‌ی مداری را می‌توان به‌صورت پیچ‌خوردن موج الکترومغناطیسی حول محور باریکه تصور کرد. این پیچ‌خوردگی می‌تواند به‌صورت یک یا دو مارپیچ و یا حتی مارپیچ‌های غامض‌تر با تکانه‌ی زاویه ای‌ی افزاینده باشد. فرانکه-آرنولد و همکارانش با الگوی مارپیچ دوتایی کار کردند. آزمایش با شلیک لیزر فرابنفش به درون بلوری اپتیکی آغاز می‌شود. این بلور فوتون‌های پرانرژی را به دو فوتون فروسرخ درهم تافته تبدیل می‌کند. این فوتون‌ها وارد تمام‌نگارهائی می‌شوند که تحت فرمان کامپیوتر است و طوری تنظیم شده‌اند که حالت‌های تکانه‌ی زاویه‌ای تقریباً مکمل را حذف کنند. فوتون‌هائی را که از فیلتر می‌گذرند آشکارگر تک‌فوتون می‌شمارد. برای هم‌بستگی‌ی بین دو فوتون درهم‌تافته هم نابرابری‌ی بل و هم طرح لگت و هم مکانیک کوانتومی پیش‌بینی‌هائی دارند. فرانکه-آرنولد توضیح می‌دهد که آنها به‌عمد تمام‌نگارهاشان را ناهم‌خط می‌کنند طوری‌که دیگر در وضعیت حالت‌های مکمل نیستند و هم‌بستگی‌ها را اندازه می‌گیرند. شمارش فوتون‌های هم‌فرود بیش از آن است که با نظریه‌ی لگت توافق داشته باشد.

فرانکه-آرنولد می‌گوید که نتیجه‌ی اصلی‌ی این آزمایش فلسفی‌ست به‌این معنی که ذرات درهم‌تافته را نمی‌توان به صورت هستی‌های منفرد توصیف کرد حتی اگر با زوج خود در ارتباط دائم باشند و به‌اصطلاح "تله‌پاتی" داشته باشند. سیمون گروبلاخر از دانشگاه وین اشاره می‌کند که این آزمایش‌ها واقعی‌انگاری را برای طبقه‌ی بزرگی از نظریه‌های جای‌ناگزیده ناممکن می‌کند البته هنوز نظریه‌های جای‌ناگزیده‌ی دیگری نیز وجود دارد که نابرابری‌ی لگت برای‌شان درست نیست. گروه پژوهشی‌ی او بود که نخستین بار نشان داد نابرابری‌ی لگلت برای قطبیدگی ‍پروتون نقض می‌شود و می‌گوید از این که ویژگی‌ی دیگری در فوتون نقض این نابرابری را اثبات می‌کند خرسند است و اضافه می‌کند که این آزمایش‌ها به‌نظر ساده‌تر می‌آیند و گزینه‌ی آزمودن برهم‌نهش بیش از دو حالت را نیز فراهم می‌کنند. کار فوق در New Journal of Physics 12 123007 گزارش شده است.

در باره‌ی نویسنده: کیت مک آلپاین در ایالات متحد زندگی می‌کند و در باره‌ی علم می‌نویسد.

منبع:


نویسنده خبر: علی مسچیان