فلسفة الكم الجزء الثاني مفارقة آشر بيريز: هل المستقبل هو سبب الماضي؟

لنبدأ بالسؤال: ما هي تجربة الاختيار المؤجل؟

فلسفة الكم الجزء الأول - السفر عبر الزمن

لنبدأ بالسؤال: ما هي تجربة الاختيار المؤجل؟ يمكن الإجابة على هذا السؤال بالإجابة التالية: نحن نضمن أن الفوتونات لا يمكنها أن تعرف مسبقًا ما هو إعداد القياس المستقبلي ويمكن أيضًا الإجابة على هذا السؤال بهذه الإجابة: تتيح لنا هذه التجارب من حيث المبدأ تقديم وصف مكاني وزماني في وهو حدث اختياري في المستقبل يحدد أحداث القياس في الماضي، أي أننا نختار طريقة القياس في نهاية مسار التجربة وهي التي تحدد وصف مسار الأمور أثناء التجربة التي تمت. فهل المستقبل فعلا يسبب الماضي أم أن هذه تنبؤات ميكانيكا الكم. ولو أردنا أن نكون أكثر دقة لميزنا هنا بين السببية الرجعية (عكس ترتيب السببية) وميكانيكا الكم.

إذا قال ألبرت أينشتاين عن التشابك الكمي إنه "عمل شبحي عن بعد"، فإن تجارب الاختيار المتأخرة تطاردها الأشباح...
سننظر في تجربتين للاختيار المتأخر: الأولى هي تجربة الاختيار المتأخر للممحاة الكمومية:

تجربة الممحاة الكمومية المتأخرة
وتجربة الاختيار المتأخر للتشابك:
تجربة تبديل تشابك الاختيار المتأخر
في مارس 2012، قام أنطون زيلينجر من معهد البصريات الكمومية والمعلومات الكمومية بجامعة فيينا وزملاؤه بتنفيذ التجربة الفكرية الأخيرة التي صاغها في الأصل عام 2000 البروفيسور الراحل آشر بيريز من التخنيون.

لنبدأ بالممحاة الكمومية. وكما نعلم، ليس من الممكن إجراء قياس دقيق ومتزامن لزخم الجسيم الكمي وموضعه. نقول إن الموضع والزخم كميتان متكاملتان. من الأمثلة الكلاسيكية على التكاملية تجربة الفتحتين الشهيرة. في تجربة الشقين، وفقًا لمبدأ عدم اليقين الخاص بالموضع والزخم، نعلم أنه من المستحيل تحديد الفتحة التي سيمر من خلالها الفوتون أو الإلكترون دون إزعاج كبير في نفس الوقت لنمط تداخل الجسيم الكمي ( الفوتون أو الإلكترون). في الواقع، حتى لو أرسلنا جسيمًا كميًا واحدًا في كل مرة إلى الفتحات، فسيتم الحصول على نفس السلوك وبالتالي يتداخل الجسيم الكمي مع نفسه... وبالتالي فإن مسار الجسيم مكمل لظهور نمط التداخل .

في عام 1982، تغلبت مارلين شولي من نيو مكسيكو بالولايات المتحدة الأمريكية وكاي درول من ألمانيا الغربية على عقبة عدم اليقين في الموقع والزخم واقترحا ممحاة كمومية للحصول على المسار الذي يسلكه الجسيم أو معلومات الجسيم دون التدخل في التداخل. لقد أثبتوا ذلك من خلال ذرات ذات مستويين (والتي ستعمل كشقين) وتكون في حالة رنين مع نبضة ليزر تثيرها، وتنبعث منها فوتونًا، عندما يخلق الضوء المتناثر نمطًا من التداخل. في تجربة الشقين، كما ذكرنا، عند استخدام جهاز قياس لكشف الفوتونات أثناء مرورها عبر كل شق، يختفي نمط التداخل ويتم تدميره. أظهر شولي ودول أنه في بعض الحالات، يمكن أن يُعزى اختفاء نمط التداخل هذا ليس إلى مبدأ عدم اليقين، بل إلى التشابك الكمي بين الجسيمات المسببة للتداخل وجهاز القياس. يختفي نمط التداخل عندما تحصل على معلومات حول "المسار" الذي سلكه الجسيم. لكن الغريب أنه يعود بعد أن نقوم بحذف (الحذف الكمي) المعلومات الخاصة بالمسار الذي مر من خلاله الجسيم. وسبب اختفاء التداخل هو المعلومات الكمومية التي يحتويها جهاز القياس من خلال التشابك بين الجسيمات وكاشف المسار. وتظهر التجربة أنه إذا تم حذف هذه المعلومات الكمومية من النظام، فإن نمط التداخل يعود إلى وضعه الطبيعي. لذلك، في البداية يكون هناك وجود معلومات يمكن للمشاهد الوصول إليها ثم عندما يحدث المحو الكمي للمعلومات، فإنه يغير نتيجة التجربة.

اقترح جون ويلر تجربة الاختيار المؤجل. يمكن للمجرب أن يتبع القرار بشأن موعد تقديم الجسيم ومتى يتم قياس السلوك الموجي لشعاع الضوء بعد فترة طويلة من الزمن بالوسائل البصرية. تجربة الاختيار المؤجلة بمساعدة الفوتونات المتشابكة تجعل من الممكن اختيار طريقة القياس وتنفيذها على فوتون بعيد، حتى بعد فترة طويلة من تسجيل الفوتون الآخر بالفعل. وقد تجلى ذلك في تجربة الاختيار المتأخر للممحاة الكمومية. وهذا يجعل من الممكن أن نقرر بعد وقوع الحدث بشأن خاصية معينة لجسيم واحد، أي ما إذا كان الفوتون الذي تم قياسه بالفعل يتصرف كموجة أو كجسيم.

سوف ندرس تجربة الاختيار المتأخر للممحاة الكمومية: ينبعث الليزر من الفوتونات التي تمر عبر الشقوق المزدوجة. في الإعداد التجريبي، تم تمييز الشقوق المزدوجة باللون الأحمر والأزرق. يتم تقسيم كل فوتون بواسطة بلورة إلى فوتونين متشابكين. يتم إرسال فوتون واحد من زوج الفوتون المتشابك بواسطة المنشور إلى مدار واحد. توجد أربعة أجهزة كشف في المجموعة التجريبية من 1 إلى 4 مصممة لاكتشاف الفوتونات المرسلة إلى الأسفل. يتم إرسال الفوتون الثاني في الزوج المتشابك للأعلى ويوجد كاشف واحد 0 يمكنه اكتشاف الفوتونات المرسلة للأعلى (التي يتم إرسال الفوتونات إليها من كلا الشقين، ضوضاء الفوتونات).

يتحرك الفوتون الموجود في المسار أدناه إلى منشور آخر - وبعد ذلك يستمر في التحرك في المسار وفقًا للشق الذي مر من خلاله. بعد المنشور توجد بلورة لديها فرصة 50% لإعادة الفوتون وفرصة 50% للسماح له بالمرور. إما أن تعكس البلورة الفوتون أو تنقله وبالتالي تغير مساره. اعتمادًا على الشق الذي مر من خلاله الفوتون وما إذا كان مقسم الشعاع ينعكس أم لا، وفقًا لذلك، سيصطدم الفوتون بكاشف معين في الإعداد التجريبي. إذا مر الفوتون عبر الفتحة الحمراء فيمكن اكتشافه بواسطة كاشفات معينة 1,2,4،1,2,3،4 (اعتمادًا على ما إذا كانت مقسمات الشعاع تنعكس أم لا) وإذا مر الفوتون عبر الفتحة الزرقاء فيمكن اكتشافه بواسطة كاشفات في النظام 3، 1 (اعتمادًا على ما إذا كانت مجزئات الشعاع تنعكس أم لا). وبالتالي، إذا اكتشف الكاشف 2 الفوتون، فإننا نعلم أنه خرج من الفتحة الحمراء، وإذا اكتشفه الكاشف XNUMX، فإنه خرج من الفتحة الزرقاء. فإذا اكتشف أحد الكاشفين XNUMX أو XNUMX الفوتون فلا نعرف من أي الشق خرج.

كما تتذكر، فإن الفوتونات التي تحركت للأسفل تكون في حالة تشابك كمي مع الفوتونات التي تحركت للأعلى. ولذلك، إذا قمنا بربط بيانات أجهزة الكشف 0 و1 إلى 4، فيمكن ملاحظة نمط موجة أو جسيم، اعتمادًا على الكاشف الذي ضربه الفوتون. إذا ضرب الفوتون الكاشف 3 أو 4، فهذا يعني أننا نعرف بدقة شديدة الشق الذي مر من خلاله الفوتون وبالتالي فإن الكاشف 0 يرتبط بالكاشف 3 أو 4 ولا يظهر نمط تداخل ويظهر نمط جسيم. الآن يضرب الفوتون الكاشفين 1 و2، مما يؤدي إلى حذف المعلومات الموجودة في الكاشفين 3 أو 4 فيما يتعلق بمسار الفوتون. وهذا يعني أنه لا يمكن الحصول على معلومات حول المسار الدقيق الذي سلكه الفوتون ولا نعرف من خلال أي فتحة ذهب. ولذلك فإن الكاشف 0 المرتبط بالكاشف 1 أو 2 يُظهر نمط التداخل.

إذا نظرت فقط إلى الكاشف 0 فلن تحصل على أي معلومات لأنه فقط إذا حصلت على المعلومات من الكاشفات الأخرى 1-4 بعد مرور الفوتون بالفعل عبر الشقين، يمكن استخلاص النتائج فيما يتعلق بازدواجية تداخل المسار النمط، بسبب الارتباط بين الكاشف 0 والكاشفات من 1 إلى 4. لنفترض أن هناك تجربة حيث يمكننا فقط الحصول على معلومات حول مسارات بعض الفوتونات ومسارات الفوتونات الأخرى، وتكون المعلومات عشوائية تمامًا. لنفترض الآن أن المعلومات المتعلقة بالمسار الذي سلكته هذه الفوتونات تم مسحها كميًا. هل سيعود نمط التداخل لجميع الفوتونات أم فقط للفوتونات التي تم حذف معلومات مسارها؟ سيعود فقط للفوتونات التي تم حذف معلومات مسارها.

في الواقع، تسمح النتائج التجريبية بمراقبة السلوك الشبيه بالجسيم والسلوك الموجي للكم الخفيف من خلال التشابك الكمي. يمكن حذف المعلومات المتعلقة بمسار الجسيمات حتى بعد قياسها. لكن تجربة الاختيار المتأخر هذه تركز على ازدواجية الموجة الجسيمية للجسيمات المفردة.

سننتقل الآن إلى تجربة الاختيار المؤجلة لتبديل التشابك التي تركز على ازدواجية فصل التشابك لجسيمين. ما المقصود بثنائية التشابك والانفصال؟ اقترح ديفيد بوم المثال الكلاسيكي للتشابك الكمي لجسيمين مع دوران 1/2، حيث يكون زوج من الجسيمات المتشابكة مع نصف دوران في حالة دوران فردي. أظهر جون بيل أنه يمكن اختبار التشابك الكمي تجريبيًا باستخدام مجموعة من المتباينات، والتي حملت اسمه فيما بعد، متباينات بيل. انتهاك عدم المساواة الجرس يعني وجود التشابك الكمي. كيف نعرف أن حالة كمية معينة متشابكة أم لا؟ هذه هي مسألة الفصل بين الحالات الكمومية. على سبيل المثال، يجب أن تلبي الحالات المنفصلة جميع متباينات بيل. لذا فإن التشابك الكمي والانفصال هما في الواقع متنافيان؛ أي إذا كان هناك تشابك فلا تشابك، وبالعكس إذا كان هناك تشابك فلا تشابك.
اقترح آشر بيريز في عام 2000 تجربة الاختيار المتأخر لاستبدال التشابك، حيث يتم إنشاء التشابك بعد حدوثه، بعد أن لا تكون الجسيمات موجودة. يمكن التفكير كما لو أن التشابك يمكن أن يعود إلى الماضي أو أن الإجراءات المتخذة في المستقبل تؤثر على الأحداث في الماضي. هل هذا صحيح؟…

وتستند تجربة بيريز الفكرية إلى نظرية النقل الآني التي قام بها تشارلز بينيت، والتي اقترحها بيريز وغيره من الباحثين وفكرة الاستبدال المتشابك التي اقترحها أنطون زيلينجر وآخرون - كل ذلك في عام 1993. لنفترض أن أليس أرسلت لبوب فوتونًا. لا تعرف أليس حالة الفوتون ولا يمكنها إرسالها مباشرة إلى بوب. كيف يمكنها نقل الفوتون إلى بوب؟ من خلال النقل الآني الكمي، حيث تكون هناك حاجة إلى ثلاث حالات، اثنتان منها متشابكتان. تبادل التشابك يعني أن التشابك يتم نقله أو تبادله بين جسيمين نشأا من مصادر مختلفة وكانا منفصلين في السابق. ينبعث زوجان من الفوتونات المتشابكة، 1-4 و2-3، من مصدرين منفصلين. يتم إجراء قياس مشترك على الفوتونات 1 و 2 ونتيجة لذلك يكونان في حالة تشابك كمي. ونتيجة لهذا القياس، أصبح الفوتونان 3 و4 المتبقيان الآن أيضًا في حالة تشابك كمي على الرغم من أنهما لا يتفاعلان على الإطلاق مع الفوتونين 1 و2 ولا يدركان ما حدث لهما. لذلك يقال أنه تم استبدال أو نقل تشابك الزوج الأول 1-2 إلى الزوج الثاني 3-4.

سوف نقوم بوصف التجربة من حيث الجزيئات ذات الدوران 1/2. لنفترض أن هناك مراقبين عن بعد، أليس وبوب. يقوم كل منهم على حدة بإعداد مجموعتين من الفوتونات المتشابكة. تحتفظ أليس وبوب بجسيم واحد من كل زوج ويرسلان الجسيم الآخر إلى مراقب ثالث اسمه حواء. تقوم حواء أيضًا بترتيبهم في أزواج (واحد من أليس والآخر من بوب). يكتب المراقبون الثلاثة الزوج الذي ينتمي إليه كل جسيم. يقوم أليس وبوب الآن بقياس قيم مكونات الدوران (على طول اتجاهات عشوائية) للجسيمات التي بحوزتهما. النتيجة التي حصل عليها أليس وبوب هي إما +1 أو -1. هذه النتيجة عشوائية تماما وغير مترابطة. وفي وقت لاحق، تجري حواء اختبارات مشتركة على أزواج جزيئاتها. تمامًا مثل حركة النقل الآني، تقوم بإجراء قياسات الجرس وإبلاغ المشاهدين الآخرين بالنتائج التي عثرت عليها. باستخدام هذه المعلومات، قام أليس وبوب بفرز بيانات قياساتهما إلى أربع مجموعات فرعية، وفقًا لقياسات إيف. ونتيجة لذلك، فإن حالة الجسيمات التي يمتلكها أليس وبوب مطابقة للحالة التي اكتشفتها إيف لاحقًا.

لنفترض أن حواء تقيس فوتونيها في حالة تشابك، وتطلق فوتونات أليس وبوب إلى حالة تشابك؛ وإذا قامت بقياسهم واحدًا تلو الآخر، فإنها ترسل فوتونات أليس وبوب إلى حالة منفصلة. إذا قامت أليس وبوب بقياس دوران فوتوناتهما قبل أن تحدد حواء خيارها وتطلق فوتونيها، فهذا يعني أنه بعد قيامهما بالقياس بالفعل، ستحدد ما إذا كانت فوتوناتهما ستكون متشابكة (سيريان ارتباطات كمومية) أو منفصلة (سيرون الارتباطات الكلاسيكية). تستطيع حواء في الواقع تحديد الموقف حتى بعد أن يقوم بوب وأليس بتدمير فوتوناتهما، وبالفعل كما كتب بيريز في ورقته البحثية عام 2000: "لا تحاكي التأثيرات الكمومية الفعل اللحظي عن بعد فحسب، بل أيضًا، كما نرى هنا، تأثير الإجراءات المستقبلية على أحداث الماضي، حتى بعد أن تكون هذه الأحداث قد تم تسجيلها بالفعل بطريقة لا يمكن تغييرها."

في مارس 2012، قام أنطون زيلينجر وباحثون من جامعة فيينا بدمج تجربة آشر بيريز الفكرية مع تجربة الاختيار المتأخر للممحاة الكمومية، بحيث تكون إمكانية الاختيار (لجسيم واحد) بعد قياس (جسيم آخر). تقدم زيلينجر من تجربة الاختيار المتأخر للممحاة الكمومية إلى تجربة الاختيار المتأخر لتبادل التشابك بحيث يمكن تحديد خصائص جسيمين بعد الحقيقة وإظهار ازدواجية فصل التشابك. من خلال تحقيق تجربة تبديل التشابك الفكرية للانتقاء المتأخر، أظهر زيلينجر وباحثو فيينا تعميمًا لتجارب الانتقاء المتأخر التي أجراها جون ويلر: لقد بدأوا بثنائية موجة جسيمية لجسيم واحد وانتهوا بثنائية تشابك وفصل كمي لجسيمين . تم تحديد ما إذا كان هذين الجسيمين متشابكين أو منفصلين بعد أن تم قياسهما بالفعل.

يبدأ زيلينجر والباحثون بزوج من الفوتونات يتم إرسالها إلى الألياف الضوئية. ينتقل الفوتونان 1 و4 (واحد من كل زوج) مباشرة إلى الكاشفين (أليس وبوب) اللذين يسجلان استقطابهما بعد حوالي 35 نانو ثانية من توليدهما. وينتقل الفوتونان الآخران 2 و3 إلى ألياف ضوئية طويلة يبلغ طولها 104 أمتار، وبالتالي يتم تأخيرهما وإرسالهما إلى الكاشف (فيكتور). وبما أن هذه الفوتونات انتقلت عبر ألياف بصرية أطول بكثير، فقد تم إجراء قياس التشابك بعد 520 نانو ثانية من إنشاء الفوتونات 1 و4 (التي تم قياس حالتها المتشابكة واستقطابها). يمكن لفيكتور أن يختار إجراء تبادل متشابك: إما أن يسجل فيكتور الاستقطابات المنفصلة الأصلية، أو يقوم بإجراء قياس مشترك لكليهما معًا (قياس حالة بيل). يتم إجراء اختيار فيكتور وقياساته بعد قياسات الاستقطاب التي أجراها أليس وبوب. إذا تم قياس الاستقطابين المنفصلين، فإن الزوجين الأصليين 1 و4 يظلان منفصلين عن بعضهما البعض، ولكن إذا تم قياس الاستقطابين معًا، فإن هذا يتسبب في تشابك الحالة 1 و4. وهكذا يقوم كاشف فيكتور بتحديد القياسات.

فإذا نظرنا إلى الحالة الكمومية كشيء حقيقي يمثل النظام نفسه، فسوف نصل إلى وضع متناقض حيث تؤثر الإجراءات المستقبلية ظاهريًا على الماضي والأحداث التي تم تسجيلها بالفعل بطريقة لا يمكن تغييرها.

ولنأخذ مثالاً آخر لتوضيح ذلك. فإذا تم مثلاً تفسير الدالة الموجية وفق التفسير الواقعي فإن انهيار الدالة الموجية يحدث فوراً، مما يعني أن الأحداث الكمومية تؤدي إلى تغير فوري وفائق السرعة في قيمة الدالة الموجية، وهو إجراء ومن الواضح أن هذا يتناقض مع النظرية النسبية الخاصة. وإذا اخترنا مرة أخرى التفسير الواقعي، فإن قطة شرودنغر هي قطة تم سحبها من الشارع ووجدت في صندوق بلا هواء في حالة تراكب فعلي بين الأحياء والأموات، وهي القسوة على الحيوان. ومع ذلك، وفقًا لنظرية الكم، في الواقع، فإن التراكب لا يقول شيئًا عن القطة نفسها، بل عن حالة النظام وحالة الراصد، الذي لا يعرف ما هي حالة القطة: سواء كانت كذلك أم لا. حياً أو ميتاً، وذلك حتى يتم القياس.

هناك فرق جوهري بين التفسيرين: في التفسير الواقعي يسألون هل ماتت القطة ومتى؟ هل هو على قيد الحياة وفي التفسير الكمي لا يوجد تغيير في القطة نفسها، بل في معرفة الراصد.

لذلك، إذا فسرنا الحالة الكمومية لا على أنها تمثل النظام نفسه، بل على أنها تمثل المعرفة الموجودة حول النظام، فليس هناك مفارقة تؤثر بموجبها الأفعال المستقبلية على الماضي: الترتيب الزمني للأحداث بين المراقبين الثلاثة، أليس وبوب و إن حواء (أو أليس وبوب وفيكتور) ليست ذات صلة وليس هناك حاجة إلى أي تفاعل مادي بين هذه الأحداث، خاصة تلك التي وقعت في الماضي، لشرح تجربة الاختيار المتأخر للاستبدال المتشابك.

المهم هو ربط قائمة نتائج القياس الخاصة بأليس وبوب وإيف. واستنادًا إلى تعريف قياس إيف ونتائج القياس، يمكن لأليس وبوب ترتيب نتائجهما العشوائية التي لا معنى لها سابقًا في مجموعات ذات معنى. أي أنها استخرجت سلسلة وأعطيت معنى للقياسات العشوائية التي أجراها أليس وبوب. إنشاء هذه المجموعات مستقل عن الترتيب الزمني للقياسات. يشرح زيلينجر والباحثون معه ذلك من خلال اقتباس نيلز بور الذي يقتبسه جون ويلر. قال بور: "لا توجد ظاهرة أساسية تعتبر ظاهرة طالما أنها ليست ظاهرة مسجلة". ويقول زيلينجر إنه من الممكن أن نقول: "إن أية ظواهر مسجلة لا معنى لها طالما أنها ليست مرتبطة بظواهر مسجلة أخرى".

للمادة العلمية

للحصول على أخبار حول هذا الموضوع