گروهی از فیزیکدانان دانشگاه ییل آزمایشی را با گربه شرودینگر انجام دادند و گربه توانست به نوعی زنده بماند.
آزمایش گربه شرودینگر چگونه کار می کند؟
ما اغلب از آزمایش فکری شرودینگر برای توضیح ایده برهم نهی استفاده می کنیم. در این آزمایش، یک گربه فرضی وجود دارد که در جعبه ای با یک ماده رادیواکتیو که یک شیشه سم را کنترل می کند، نگهداری می شود. اگر این ماده پوسیده شود، شمارنده گایگر را فعال می کند و سم را آزاد می کند و باعث مرگ گربه می شود.
از آنجایی که جعبه قفل است، و ما، ناظران خارجی، نمی دانیم که آیا ماده رادیواکتیو پوسیده شده و سم منتشر کرده است، نمی توانیم تشخیص دهیم که گربه زنده است یا مرده است. بنابراین، تا زمانی که جعبه را برای بررسی باز نکنیم، گربه به طور همزمان هم مرده و هم زنده در نظر گرفته می شود. از نظر ریاضی، ۵۰ درصد احتمال مرگ گربه و ۵۰ درصد احتمال زنده بودن گربه وجود دارد.
در دنیای فیزیک کوانتومی، چیزها متفاوت از آنچه ما در زندگی روزمره خود مشاهده می کنیم، عمل می کنند. محققان دانشگاه ییل در مطالعه‌ای که در ۲۷ مه ۲۰۱۶ منتشر شد، مفهوم برهم نهی را مورد بررسی قرار دادند که توسط گربه شرودینگر در یک آزمایش فکری در سال ۱۹۳۵ نشان داده شد. این اصل نشان می‌دهد که ذرات زیر اتمی در تمام حالت‌های فیزیکی ممکن به طور همزمان وجود دارند تا زمانی که کسی آنها را مشاهده کند. تنها زمانی که مشاهده می شوند در یک حالت واحد و قابل اندازه گیری قرار می گیرند.
به عنوان مثال، یک الکترون می تواند در چندین مکان در مدار خود باشد تا زمانی که کسی تلاش کند آن را پیدا کند. در آن نقطه، در یک نقطه خاص یافت می شود.
شرودینگر از گربه به عنوان روشی طنزآمیز برای به تصویر کشیدن آنچه در خارج از آزمایشگاه به نظر می رسد، استفاده کرد. در سناریوی فرضی او، یک گربه در جعبه ای با یک ذره رادیواکتیو و یک شیشه گاز سمی بسته شده بود. اگر ذره پوسیده می شد، گربه می مرد. اگر نه، گربه زنده می ماند.
شرودینگر به این ایده بدبین بود، اما در مقیاس میکروسکوپی، ماده مشاهده نشده می تواند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشد. این ویژگی در زمینه محاسبات کوانتومی که سرعت پردازش بسیار فراتر از قابلیت های فعلی را نوید می دهد بسیار مهم است.
در حالی که یک بیت کامپیوتری معمولی می تواند در حالت “۱” یا “۰” باشد، یک بیت کوانتومی (کیوبیت) می تواند در هر دو حالت به طور همزمان وجود داشته باشد که به آن “حالت گربه” می گویند. این به آن اجازه می دهد تا چندین کار را به طور همزمان انجام دهد. اگر این کیوبیت‌های حالت دوگانه درهم تنیده شوند، به این معنی که اعمالی که روی یکی انجام می‌شود فوراً روی دیگری تأثیر می‌گذارد، می‌توانند به عنوان یک واحد با هم کار کنند.
چرا درباره گربه شرودینگر صحبت می کنیم؟
ما از این آزمایش فکری برای توضیح مفاهیم فیزیک کوانتومی به روشی ساده استفاده می کنیم. برخی از افراد نیز از گربه شرودینگر برای بحث در مورد ایده های فلسفی و اعمال آزمایش فکری در موقعیت های مختلف زندگی استفاده می کنند. به عنوان مثال، وقتی شما و یکی از دوستانتان مطمئن نیستید که چه چیزی برای شام بخورید، همه گزینه های غذایی ممکن تا زمانی که توافقی حاصل شود یا تصمیمی گرفته شود وجود دارد. نگاه کردن به چیزها از این منظر باعث شده است که بسیاری همه چیز را در زندگی به عنوان “کوانتومی” در نظر بگیرند، زیرا به گفته شرودینگر، تا زمانی که آینده از راه برسد، از نظر فنی در حالت برهم نهی با تمام سناریوهای ممکن وجود دارد.
در آزمایش اخیر ییل، محققان با به دام انداختن فوتون های نور مایکروویو در دو محفظه مجزا که توسط یک کانال ابررسانا به هم متصل شده اند، به یک “حالت گربه دو حالته” دست یافتند. پالس های انرژی حالت های برهم نهی را در هر دو میدان القا می کنند و باعث می شوند که همزمان در جهت های مخالف نوسان کنند.
کانال ابررسانا به فوتون های تقسیم شده اجازه داد تا برهم کنش کنند و در هم بپیچند. حتی زمانی که کانال غیرفعال بود، تغییرات اعمال شده در یک محفظه باعث ایجاد تغییرات همزمان در محفظه دیگر می‌شد و قابلیت دو حالت گربه را نشان می‌داد، جایی که یک حالت برهم نهی واحد در دو مکان مجزا به طور همزمان وجود دارد.
این آزمایش پیشرفت فناوری کوانتومی و کاربردهای عملی آن را نشان می دهد که فراتر از مفاهیم نظری است. هدف بعدی محققان اجرای تصحیح خطا در یک گیت منطقی کوانتومی بین دو بیت کوانتومی است.
آیا ذرات می توانند همزمان در ۲ مکان وجود داشته باشند؟
طبق قوانین فیزیک کوانتومی، زمانی که یک ذره بنیادی می تواند در هر یک از دو مسیر حرکت کند، بلافاصله یکی را انتخاب نمی کند. در عوض، دو زندگی موازی زندگی می کند تا زمانی که موقعیت آن تنها در یک مکان خاص شناسایی شود.
چگونه گربه شرودینگر می تواند هم زنده و هم مرده باشد؟
در زبان مکانیک کوانتومی، توانایی گربه برای حضور در حالت زنده و مرده تا زمانی که مشاهده شود (زمانی که کسی جعبه را باز می کند) عدم تعین کوانتومی یا پارادوکس مشاهده گر نامیده می شود. این پارادوکس نشان می دهد که نتیجه یک رویداد یا آزمایش تحت تأثیر ناظر است. در این آزمایش فرضی، هر کسی که آن را انجام می دهد، این قدرت را دارد که تصمیم بگیرد که آیا گربه در حالت ناشناخته باقی می ماند یا می تواند جعبه را باز کند و با اطمینان کامل مشخص کند که گربه مرده است یا زنده است.
این آزمایش همچنین بر زمانی تاکید می کند که احتمالات مختلف قطعی می شوند. این افراد را تشویق می کند که بپرسند آیا عمل مشاهده برای تعیین نتیجه منطقی است یا خیر. به هر حال، گربه حتی اگر جعبه را باز نکنیم، مرده یا زنده نخواهد بود؟
منابع
