تغییر گذشته در کوانتوم ـ ویدیوی مشترک با دان بافت
برای هممون این یه چیز واضحیه که کارای امروز ما روی وضعیت فردای ما اثر میذاره.
این در واقع همون بحث علت و معلوله که یکی از اصلی‌ترین قوانین دنیای ماست.
یعنی در مورد هر اتفاقی که تو دنیای ما میفته، اول علت میاد بعد معلول؛ اول من غذا
زیاد می‌خورم بعد چاق میشم، نمیشه اول چاق بشم بعد شروع کنم به زیاد غذا خوردن!
اما همونطور که می‌دونید دنیای کوانتوم به این راحتیا قابل پیش‌بینی نیست.
اتفاقاتی توش میفته که بعضی وقتا حتی بزرگترین دانشمندا هم جوابی براش ندارن.
یه آزمایش عجیبی وجود داره به نام آزمایش
انتخاب تاخیردار ویلر (Wheeler's delayed choice)
که میاد این سوالو بررسی میکنه که آیا عملی که در آینده
انجام میشه، میتونه برگرده به گذشته و چیزی رو تغییر بده؟
تو این ویدیو، از این آزمایش عجیب غریب صحبت میکنم و
توضیح میدم که آیا نظام علت و معلولی رو نقض میکنه یا نه.
یه بخشایی شو من میگم یه بخشایی شو دانیال از کانال علمی دان‌بافت
برامون میگه و موضوع رو بیشتر برامون می‌شکافه.
دانیال تو کانالش ویدیوهای خیلی خوبی درباره‌ی فیزیک داره
که پیشنهاد میکنم عضو کانالش بشید و از ویدیوهای مفیدش استفاده کنید.
لینک کانالشو زیر همین ویدیو گذاشتم.
پس کمربندا رو محکم ببندید که ویدیوی امروز یه کوچولو پیچیده‌تره!
خب همونطور که قبلا گفتم، یکی از آزمایشای خیلی مهمی که میشه گفت
سرمنشا یه انقلاب بزرگ توی فیزیک بود، آزمایش دو شکاف یانگ بود.
در مورد این آزمایش و بقیه‌ی نکات اصلی کوانتوم، هم من و هم دانیال توی ویدیوهای
قبلیمون کامل توضیح دادیم اما اینجا هم یه خلاصه‌ای ازش میگم.
این آزمایش به این شکل بود که وقتی نور از دو تا شکاف عبور
میکرد، یه طرح تداخلی روی صفحه‌ی روبه‌روش ظاهر میشد که
باعث میشد اینطور نتیجه‌گیری کنیم که نور از جنس موجه.
چون امواج هستن که میتونن یه همچین طرحی رو به وجود بیارن،
اگه نور از جنس ذره بود، فقط باید دو تا خط روی صفحه ظاهر میشد.
ولی مشکلی که پیش اومد این بود که وقتی که فوتونهای نور رو
به صورت تک‌تک به سمت دو شکاف شلیک کردیم، بازم طرح تداخلی ایجاد شد.
در صورتی که قاعدتا نباید این اتفاق میفتاد.
برای همین گفتیم بیاییم بررسی کنیم ببینیم که هر فوتون دقیقا از کدوم شکاف
داره رد میشه، چجوری میشه که فوتونای تکی میتونن طرح تداخلی ایجاد کنن.
پس یدونه آشکارساز گذاشتیم بالا سر این شکافا تا ببینیم
هر فوتون دقیقا از کدوم شکاف رد میشه.
اما وقتی این کارو کردیم یهو طرح تداخلی ناپدید شد،
به جاش دو تا خط روی صفحه ظاهر شد.
یعنی خاصیت موجی فوتونا از بین رفت، خاصیت ذره‌ای پیدا کردن.
این آزمایش باعث شد نتیجه بگیریم که نور هم خاصیت موجی داره
هم خاصیت ذره‌ای، که بهش میگن دوگانگی موج-ذره.
یه فوتون میتونه هم رفتار موجی داشته باشه، هم رفتار ذره‌ای،
اما نمی‌تونه به طور همزمان هم موج باشه هم ذره.
یعنی در واقع اینطور نتیجه‌گیری کردیم که اون لحظه‌ای که
فوتون‌ها شلیک میشن تعیین میشه که خاصیت موجی داشته باشن یا ذره‌ای.
که البته الان می‌دونیم که این طرز فکر درست نیست.
اولین ایده‌های چنین آزمایشی از یک فیزیکدان خیلی معروف
به اسم جان ویلر توی سال 1978 درمیاد.
جان ویلر میاد یه سوالی خیلی جالب رو در مورد آزمایش یانگ بررسی میکنه و میاد
یک آزمایش ذهنی طراحی میکنه که ببینه آیا ما میتونیم یه کلکی
به آزمایش یانگ بزنیم تا یه کاری بکنیم که سیستم‌مون آیندش روی گذشتش تاثیر بذاره.
حالا چه کلکی میزنه؟ بریم ببینیم.
کل ایده‌ی ویلر اینه که ماها بیایم بعد از اینکه فوتون ما یا الکترون ما تصمیم‌شو گرفته
که از کدوم یکی از شکافا رد بشه در آزمایش یانگ، از بالایی رد بشه، از پایینی رد بشه
یا از هردو به صورت موجی همزمان رد بشه، بعد از این به مشاهده و یا اندازه‌گیریش بکنیم
و ببینیم که آیا مشاهده و اندازه‌گیری ما، تصمیمی که ما در آینده میگیریم،
در روی تصمیم اینکه خودش قبلا گرفته تاثیری میذاره یا نه.
چطور میاد این کارو میکنه؟
میاد میگه فرض کن یه ستاپ آزمایشگاهی شبیه به این داریم.
یدونه لیزر دارید که فوتون‌ها رو دونه دونه پرت میکنه.
فوتون‌ها میتونن از شکاف بالایی، پایینی و یا هردو رد بشن.
بعد از اون یک عدسی‌ای دارید که این فوتون‌ها رو به همدیگه نزدیک میکنه
و فوتون‌ها میرسن به یکی از این آشکارساز‌های یک و یا دو.
اگر آشکارساز یک روشن بشه، شما وقتی یک فوتون شلیک کردید اون‌موقع
می‌فهمید که فوتون‌تون از سوراخ پایینی رد شده و رسیده به اینجا.
اگر دو روشن بشه می‌فهمید که از بالا اومده و از پایینی رد شده.
خب خیلی ساده و منطقی.
ولی اگر شما بیاین اینجا یک صفحه‌ای بذارید، یه صفحه‌ی آشکارکننده بذارید
که اصن نذاره فوتون برسه به این دوتا، اون‌موقع اینجا شما یدونه الگوی
تداخل دارید و نمی‌تونید بفهمید که از کدوم یکی از این دوتا سوراخ
فوتون‌تون رد شده و رفتار موجی رو می‌بینید.
پس اگر این صفحه باشه رفتار موجی، اگه این صفحه نباشه رفتار ذره‌ای رو می‌بینید.
حالا ویلر میاد چکار میکنه؟ میگه که این فاصله فرض کنید خیلی زیاده
و من میام اول صفحه رو میذارم، فوتون‌ها رو شلیک میکنم، صبر میکنم که
فوتون انتخابش رو بکنه، از اینجا رد بشه و اصولا چون این صفحه موقع پرتاب بوده
این فوتون باید از دوتاشون رد بشه و رفتار موجی از خودش نشون بده.
ولی وقتی که فوتون انتخابش رو کرد و تصمیم‌شو گرفت من میام این صفحه رو برمی‌دارم.
اون‌موقع فوتون باید به یکی از این دوتا برسه و اون‌موقع رفتار ذره‌ای از خودش نشون میده.
پس یک تضادی ایجاد میشه، کاری که من انجام دادم
باید تصمیمی که فوتون در گذشته گرفته که چیکار بکنه با این دوتا سوراخا
به صورت ماده باهاشون برخورد بکنه یا ذره رو تحت تاثیر قرار میده.
می‌تونید اینکارو برعکسم بکنید، اول صفحه وجود نداشته باشه
بعد از اینکه فوتون از دوتا سوراخا رد شد صفحه رو اضافه بکنید.
در هر صورت داستان این جوریه که تصمیم شما در اضافه کردن
و یا برداشتن صفحه، میاد یه جورایی تاثیر میذاره روی تصمیمی که فوتون
قبلا خودش گرفته که چطور باید با این سوراخا رفتار بکنه.
همین ایده یک نسخه‌ی نجومی‌تر و یکمی پیچیده‌ترم داره.
در این نسخه‌ی پیچیده‌تر ویلر میاد تصور میکنه که یدونه
کوازار وجود داره که فاصله‌ی خیلی زیادی تا زمین داره
این فاصله مثلا چند میلیارد سال نوریه. و کوازار چیه؟
کوازار یه شبه ستاره در حقیقت هسته‌ی پرنور یک کهکشانه.
پس اینو میتونیم به شکل یه منبع نور فرض کنیم.
طبیعتا نمی‌تونستم یه کوازار بکشم برا همین یه دایره کشیدم براتون.
و فرض میکنیم که بین این کوازار و زمین یدونه کهکشان وجود داره
و طبیعتا این کهکشان جرم خیلی زیادی داره.
یه پدیده‌ای وجود داره به اسم لنز گرانشی که نورهایی که از این ساطع میشن،
در دور این گرانش، در دور این کهکشان به خاطر گرانش خم میشن
و نورها به زمین در حقیقت این جوری میرسن.
حالا برای ماهایی که این نورا بهمون رسیدن روی زمین دوتا حالت وجود داره:
ماها یا میتونیم بیایم این نورایی که از کوازار رسیده رو در دوتا نقطه‌ی مختلف زمین
بررسی کنیم مثلا در اینور و در این طرف با دوتا تلسکوپ متفاوت و در حقیقت
دوتا تصویر متفاوت داریم از کوازار میگیریم، یکی اینکه از پایین اومده
در یکه نقطه‌ی زمین میگیریم، یکی که از بالا اومده در یک نقطه‌ی دیگه‌ی زمین میگیریم
و این درحقیقت یعنی نور یا از بالاییه رد شده یا از پایینیه رد شده
پس یعنی نوری که از اینجا وارد شده به ما فوتون‌هایی که به ما رسیدن رفتار ذره‌ای نشون دادن.
یا ماها میتونیم بریم این تصویر رو، این تصویر این دوتا فوتون رو
در نقطه‌ای که این دوتا فوتون به هم میرسن و تداخل دارن با همدیگه آشکار کنیم
با یدونه تلسکوپ، اون‌موقع در حقیقت نوری که ما گرفتیم از ترکیب این دوتاست
ورفتار موجی از خودش نشون داده به خاطر اینکه ما مسیر حرکت رو نمی‌دونیم.
پس این اتفاق که، این تصمیم که ماها بیایم بریم دوتا تلسکوپ بذاریم
در دوتا جای متفاوت و دوتا تصویر متفاوت بگیریم، یا اینکه بیایم
تلسکوپ رو بذاریم در یک جا و یدونه تصویر بگیریم از این داستان
میاد کل قضیه رو عوض میکنه و یه تاثیری انگار میذاره
روی تصمیمی که فوتون چندهزار سال قبل یا چند میلیارد سال قبل گرفته.
پس تصمیم ما الان میاد یه تاثیری میذاره روی چند میلیارد سال قبل.
اما حالا این دوتا آزمایش ذهنی آیا واقعا به این معنی‌ان که آینده روی گذشته تاثیر میذاره؟
خیلی نه. در مورد اینا همچنان شک و شبهه‌هایی وجود داره
و نمیشه در مورد این ایده‌ها حرف قطعی‌ای زد ولی یه جورایی
تفسیری که برای اینا وجود داره اینه که شما وقتی که دارید از فوتون‌تون
و یا الکترون‌تون یا هر سیستم کوانتومی صحبت می‌کنید، در حقیقت
اینا همشون با یه چیزی توصیف میشن به اسم تابع موج.
تابع موج درحقیقت یک ابر احتمالیه که توصیف میکنه ذره‌ی شما،
سیستم شما میتونه در چه حالت‌های مختلفی باشه و چه رفتارهای
مختلفی رو هرکدوم رو با چه احتمالی نشون بده.
واین معادله‌ی ریاضی، این تابع موج میاد تقریبا همه چیو در مورد سیستم شما میگه.
ولی وقتی شما میاین پدیده‌ی اندازه‌گیری، پدیده‌ی مشاهده رو روی این تابع
انجام میدید، تابع فرو می‌ریزه و تبدیل میشه به یکی از حالتهاش و شما میاین
با تابع یه جورایی ارتباط برقرار می‌کنید و اونو تغییرش میدید
بعد مجبورش میکنه که تبدیل بشه به یک حالت از بین تمامی حالت‌های ممکنش.
در این حالت و در آزمایش دو شکاف هم، در دوتاشونم یه چنین اتفاقی میوفته
و در حقیقت دیدن مایه که یک تغییر ایجاد میکنه و این خیلی ربطی به گذشته و آینده و
این جور بحث‌های قضیه نداره ولی همچنان شک و شبهه‌هایی باقیه.
ولی آیا ما کارمون تموم شده با آینده و گذشته؟ نه.
یه آزمایش خیلی باحالی هست که یه جورایی اثبات میکنه
که آینده روی گذشته تاثیر میذاره، بریم سراغ اون.
سال 1999 یه گروه دیگه‌ای از دانشمندا یه آزمایش جدید
طراحی کردن به نام پاک‌کننده‌ی کوانتومی انتخاب تاخیردار.
این آزمایشم در واقع برای بررسی این ایده طراحی شد
که آیا آینده میتونه روی گذشته تاثیر بذاره یا نه.
تو این آزمایش از فوتونهای درهم‌تنیده استفاده میشه.
ساختارش خیلی پیچیده‌س اما یه حالت ساده‌شده
هم ازش وجود داره که اینجا من اونو توضیح میدم.
در مورد درهم‌تنیدگی یا Entanglement دانیال یه ویدیوی خوب داره که لینکش
این بالاست اما اینجا هم یه خلاصه‌ی کوتاه ازش میگم.
دو تا ذره‌ی کوانتومی، میتونن درهم‌تنیده بشن، یعنی یه جور اتصال نامرئی بینشون به وجود
میاد که باعث میشه وقتی که یکیشونو تغییر میدیم، اون یکی هم بلافاصله تغییر کنه.
هیچ اهمیتی هم نداره که چقدر از همدیگه فاصله داشته باشن.
این یکی از ویژگیای خیلی عجیبه که ذرات کوانتومی دارن.
مثلا دو تا فوتون رو در نظر بگیرید.
همونطور که قبلا گفتم هر فوتون تا وقتی که مشاهده
یا اندازه‌گیری نشه، به صورت تابعی از احتمالاته.
اگه دو تا فوتون درهم‌تنیده داشته باشیم، وقتی که یکیشونو مشاهده یا اندازه‌گیری کنیم و
باعث بشیم که تابع موجش فروبریزه، برای اون یکی هم بلافاصله همین اتفاق میفته،
بدون اینکه اصلا ما حتی نزدیکش بشیم یا مشاهده‌ش کنیم.
حالا بریم سراغ این آزمایش جالب.
آزمایش دو شکافو در نظر بگیرید.
حالا فرض کنید جلوی اون دو تا شکاف، یه کریستال باریم‌بورات قرار بدیم.
این کار باعث میشه هر فوتونی که وارد این کریستال میشه، دوتا فوتون
ازش خارج بشه، با این ویژگی که این دو تا فوتون درهم‌تنیده شدن.
پس فوتونی که از شکاف بالایی رد میشه، به صورت دو تا فوتون
