محققين گمان مي برند به زودي مي توانند راه حلي براي يكي از غامض ترين مسائل فيزيك جديد بيابند: يافتن راهي براي اعدام گربه شرودينگر. گربه خيالي شرودينگر از سال ۱۹۳۵ تاكنون با دانشمندان لجبازي كرد و آنان را سردرگم كرده است. هيچ كس تنفر گربه دوستان را در سال ۱۹۳۵ از ياد نمي برد چرا كه در آن سال از يك گربه براي انجام آزمايشي جهت بيان وضعيت هاي دشواري كه در تئوري كوانتوم به وجود مي آيد استفاده شد.
اروین شرودینگر ( Ervin Schrodinger ) فيزيكدان اتريشي تئوري كوانتوم را ارائه كرد و در توسعه آن نقش بسيار موثري ايفا كرد. تئوري كوانتوم كه اغلب از آن به عنوان يكي از موفق ترين تئوري هاي علمي نام مي برند ـ چرا كه بدون آن فاقد ليزر، سلاح هاي هسته اي و بسياري از اختراعات ديگر بوديم ـ براي ما توضيح مي دهد كه طبيعت در سطوح زير اتمي چگونه رفتار مي كند. در سطوح زيراتمي قواعد فيزيك كلاسيك كه هر روزه آن ها را تجربه مي كنيم، اعتبار و كارآيي خود را از دست مي دهند. براي مثال مي توان گفت ذرات زير اتمي در يك آن مي توانند در دو مكان مختلف باشند، ديگر آنكه به نظر مي رسد مي توان اطلاعات را سريع تر از سرعت نور منتقل كرد.
قواعد حاكم بر دنياي كوانتوم آنچنان عجيب است كه حتي آلبرت اينشتين هم دست هايش را به علامت تسليم بالا برد و گفت: «اگر فيزيك كوانتوم، صحيح باشد، آن وقت بايد اذعان كرد، قوانين جهان بسيار عجيب است.» حتي خود شرودينگر هم از تفسير يافته هاي خود ناخرسند بود و با تاسف بسيار به يكي از همكاران خود گفته است: «از اين كه در مورد تئوري كوانتوم كار مي كند چندان راضي نيست.
مسئله اي كه اينشتين، شرودينگر و فيزيكدانان پس از آن ها را، تا اين حد متحير كرد تقابل اين مشاهدات با واقعيت ها بود.
مطابق تئوري كوانتوم، ذرات فقط وقتي وجود دارند كه بتوان آن ها را «مشاهده» كرد.
هر چند كه تجربيات هر روزه ما چيزي خلاف اين را بيان مي كند. در ابتداي كار، توصيف شرودينگر از تابع موج ـ مفهومي رياضي كه موقعيت و حركت هاي ممكن ذرات را بيان مي كند ـ بسيار عجيب به نظر مي رسيد. نه سال بعد وي آزمايش گربه را طراحي كرد تا بتواند توسط اين آزمايش اختلاف بين واقعيت هاي ملموس توسط انسان و واقعيت هاي دنياي كوانتوم را كه خود خالق آن بود بيان كند. در اين «آزمايش ذهني» كه گاهي اوقات از آن به عنوان آزمايشي خيالي نيز نام مي برند، او اتاقي دربسته يا جعبه اي را تصور كرد كه گربه اي زنده درون آن قرار دارد و نيز حاوي «وسيله اي جهنمي» شامل يك شيشه سيانور و مقدار كمي ماده راديواكتيو است. اين مقدار ماده راديواكتيو آن قدر كم است كه در طول يك ساعت ممكن است يكي از اتم هاي ماده راديواكتيو متلاشي شود، اما با احتمالي مشابه ممكن است هيچ كدام از اتم ها دچار تلاشي نشود. اگر اتم راديواكتيو تجزيه شود، پرتوهاي حاصل، يك شمارشگر گايگر را به كار مي اندازد و از طريق يك رله، چكش كوچكي را فعال مي كند كه شيشه سيانور را مي شكند و باعث مرگ گربه مي شود. مي توان گفت بعد از گذشت يك ساعت با برداشتن در جعبه مي توان دريافت آيا گربه زنده است يا مرده.در زندگي روزمره احتمال پنجاه _ پنجاه وجود دارد كه گربه كشته شود و بدون نگاه كردن به درون جعبه مي توانيم با خوشحالي تمام بگوييم كه گربه درون آن مرده يا زنده است. اما براساس نظريه كوانتوم هيچ كدام از اين دو امكاني كه براي ماده راديواكتيو و در نتيجه گربه وجود دارد واقعيت ندارد، مگر آنكه مشاهده شوند.
فروپاشي اتمي نه اتفاق مي افتد و نه اتفاق نمي افتد، گربه نه كشته مي شود و نه كشته نمي شود، مگر هنگامي كه ما به درون جعبه نگاه كنيم و ببينيم كه چه اتفاقي رخ داده است. نظريه پردازاني كه تفسير استاندارد از مكانيك كوانتومي را مي پذيرند مي گويند كه گربه در حالتي غيرقطعي و نامعين، به عبارت ديگر در يك « ابرمرتبه حالت ها » ( Superposition of States )، نه مرده و نه زنده وجود دارد، تا زماني كه يك مشاهده گر واقعاً به درون جعبه بنگرد و ببيند كه گربه زنده است يا مرده. متاسفانه برخلاف ميل شرودينگر، اين تجربه تخيلي نه تنها باعث نشد كه فيزيكدانان پوچي بعضي از خصوصيات نظريه كوانتوم را درك كنند، بلکه جعبه شرودينگر براي اكثريت فيزيكدانان به مثال اعلاي استلزام هاي غيرمعمول و فوق العاده اين نظريه بدل شد. « ابرمرتبه حالت ها » به جاي به هم ريختن نظريه كوانتوم، به خصلت معرف آن بدل شد. آنهايي كه تجربه خيالي شرودينگر را با معنايي كه در نظر داشتند مطرح مي كردند، مي توانستند با اين حقيقت تسكين يابند كه موقعيت ياوه اي كه در آن گربه به طور همزمان هم زنده و هم مرده است به طور واقعي در آزمايشگاه قابل بازآفريني نيست.
دليل اين امر ناپيوستگي كوانتومي ( Quantum Decoherence ) است _ پديده اي كه به وسيله آن يك « ابرمرتبه » از يك حالت به حالت ديگر بدل مي شود. سرعت اين ناپيوستگي در يك سيستم فيزيكي به اندازه آن بستگي دارد. در حالي كه در موجوديت هاي فيزيكي در اندازه اتم ممكن است در يك « ابرمرتبه حالت ها » وجود داشته باشند، موجوديت هاي بزرگ تر، به خصوص در اندازه يك گربه، كه متشكل از ميلياردها اتم هستند، در يك حالت منفرد و معين ثابت مي شوند. در نتيجه افرادي كه با موضع اينشتين همدلي دارند مي توانند مدعي شوند كه گرچه خصوصيات غريب كوانتومي ممكن است در جهان زيراتمي مصداق داشته باشند، در دنياي روزمره متشكل از اشياي معمول مثل گربه، كتاب و افراد و... خدا از هر لحاظ تاس نمي اندازد. اما اكنون حتي اين دفاع (تاحدي نوميدانه) از شعور عام در خطر سرنگون شدن است.
شرودینگر مي گويد عجله نكنيد. طبق قواعد مكانيك كوانتوم، گربه تا زماني كه كسي در جعبه را باز نكرده و مشاهده اي انجام نداده است، در حال زنده و مرده قرار دارد.
اين مفهوم در مكانيك كوانتوم به عنوان اصل بر هم نهي كوانتومي ( Quantum Superposition ) ناميده مي شود.
اين امر با نحوه عملكرد جهان در مقياسي كه براي بشر قابل درك است، مغايرت دارد. شايد احمقانه به نظر برسد اما شرودينگر خاطرنشان مي سازد، وجود اصل بر هم نهي از لحاظ رياضي ضروري است، تا تئوري كوانتوم بتواند پيش گويي هاي دقيق خود را از عملكرد جهان در سطح زيراتمي ارائه دهد. طی بيش از نيم قرن، گربه مرده و زنده شرودينگر با فيزيكدانان لجبازي مي كرد و بنابراين لازم بود به طور دقيق دريابيم كه چگونه حوزه كوانتوم با جهان قابل درك توسط انسان مرتبط مي شود.
شخص غيرمطلع و كم حوصله ممكن است در مورد سرنوشت نهايي گربه شرودينگر بگويد: «ساده است، در جعبه را برداريد و نگاهي به داخل آن بياندازيد تا دريابيد گربه هنوز زنده است يا مرده.» اما فيزيكدانان معتقدند اين كار هم نمي تواند جواب نهايي را در اختيار ما قرار دهد، چرا كه مطابق قواعد مكانيك كوانتوم خود عمل «مشاهده» باعث مي شود كه گربه به يكي از حالت هاي «زنده» يا «مرده» تبديل شود.
در بهار سال ۱۹۹۶ تيمي از دانشمندان فرانسوی ( ENS ) در پاريس گام هاي بلندي را براي نزديك كردن حوزه هاي بزرگ مقياس كه براي بشر قابل درك است با سيستم هاي در مقياس كوانتومي برداشتند. آنان روشي را پيشنهاد كردند كه توسط آن بتوان بدون برداشتن در جعبه از سرنوشت گربه مطلع شد. در طرح آنان ذره اي زير اتمي كه نقش موش را بازي خواهد كرد از مقابل گربه عبور مي كند و آنان مي توانند نتيجه اين عمل را مشاهده كنند.
جعبه اي كه گربه در آن قرار دارد حفره كوچكي در خود دارد كه از جنس آينه ابررسانا است. در شروع آزمايش يك اتم از ميان ميدان انرژي با فركانس ريزموج عبور مي كند. در نتيجه اتم ضربه اي به گربه داخل جعبه وارد مي سازد. اتم دومي كه پس از آن وارد مي شود، نقش موش را بازي مي كند. اتم دوم بر اثر عبور از حفره حاوي گربه تغيير حالت پيدا مي كند، كه نحوه تغيير حالت آن بيانگر حالت برهم نهي است. هنوز هم زود است كه درباره حوادث صورت گرفته در داخل جعبه اظهارنظر كنيم. يافته هاي اوليه گروه ( ENS ) بيانگر آن است كه حالت زنده و مرده كه لازمه تئوري كوانتوم است، فقط براي مدت كوتاهي دوام دارد. به گفته گروه ( ENS ) به وسيله اين آزمايش مي توان شرح داد كه چرا اجسام بزرگ هيچ گاه در حالتي غير از همين حالتي كه براي ما آشناست، وجود ندارند. بنابراين اكنون مي توان گربه شرودينگر را مرخص كرد يا اگر بخواهيد از شرش خلاص شويد. ابزاري را كه بتوان توسط آن حالت زنده و مرده گربه شرودينگر را تحقيق كرد، که بين حوزه هاي كوانتومي و مقياس هاي قابل درك براي بشر ارتباط برقرار كرد، مي توان نسل جديدي از تجهيزات الكترونيك، كامپيوترها و ابزارهاي امنيت ارتباطات را ساخت. پيش از اين نيز فيزيكدانان ژنو آزمايشاتي را انجام دادند كه توسط آن مشخص شد اين امكان وجود دارد كه بتوان از مفاهيم كوانتوم استفاده كرد و مشكل ترين مسائل عصر جديد ـ همانند حفاظت از اطلاعات مالي طي عبور از شبكه ارتباطات راه دور ـ را حل كرد. مباني نظري استفاده از كوانتوم براي ساخت تجهيزات ايمني مدت ها پيش از آنكه كسي از تجارت الكترونيك صحبتي به ميان آورد، مطرح شد. در دهه، ۱۹۲۰ شرودينگر اظهار كرد در تئوري كوانتوم امكان ساخت يك زوج فوتون ـ بسته هاي تفكيك ناپذير انرژي ـ «درهم تنيده» وجود دارد. اين فوتون ها چنان درهم تنيده اند كه با دانستن حالت يكي از فوتون ها مي توان حالت فوتون ديگر را به طور آني دريافت.
عبارت «آني» اينشتين را با دردسر مواجه ساخت، چرا كه اين عبارت به طور تلويحي بيان مي كرد، مي توان سيگنال ها را سريع تر از سرعت نور انتقال داد. اينشتين اين مفهوم نامتعارف را با عبارت «كنش شبح وار از راه دور» توصيف كرد. از آنجايي كه تجهيزات دقيقي براي آزمايش وجود نداشت، اين ايده ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود.
آلن اسپكت از اعضاي ( ENS ) توانست تغييرات در يك زوج فوتون درهم تنيده را كه به اندازه يك زمين فوتبال فاصله داشتند اندازه بگيرد. هنگامي كه محققين كارهاي وي را مورد بررسي قرار دادند، حدس زدند احتمالاً وي شاهد يك «اثر جايگزيده» ( Localized Effect ) بود كه به علت فاصله زياد از مقدار آن كاسته شده بود.
براي تشريح اين مطلب كه «كنش شبح وار از راه دور» اينشتين چگونه عمل مي كند دكتر نيكولاس گيسين و همكارانش در دانشگاه ژنو طرحي را اجرا كردند، كه طي آن تماس تلفني را در شبكه هاي فيبر نوري تله كام سوئيس به انجام رساندند. آنان در آزمايشگاه ژنو يك زوج فوتون درهم تنيده را به وجود آوردند. بعد اين دو فوتون را از هم جدا ساخته يكي را به شمال و ديگري را به جنوب فرستادند، به طوري كه فاصله نهايي آن دو حدود ۱۲ كيلومتر بود. گروه ( ENS ) يك تحليلگر سيگنال را در هر انتهاي اين مسير قرار دادند.
هر وقت كه فوتوني به تحليلگر سيگنال مي رسيد احتمالي براي شمارش آن وجود داشت. هنگامي كه داده هاي حاصل از اين دو تحليلگر را با يكديگر مقايسه كردند، با شواهد قانع كننده اي مواجه شدند كه بيان مي داشت هر فوتوني «مي داند» آيا فوتون ديگر همزاد وي شمارش شده است يا خير. البته هنوز هم محققين بر اين باورند كه نمي توان از كوانتوم به عنوان يك واسطه براي ارتباطات سريع تر از سرعت نور استفاده كرد. اما بعضي ها حدس مي زنند با استفاده از نتايج اين آزمايش مي توان دريافت كه آيا يكسري از اطلاعات مشخص توسط افراد غيرمسئول مورد بازبيني قرار گرفته است يا خير.
اگر چنين سيستم هايي به واقعيت بپيوندد، گربه شرودينگر مي تواند زندگي دوباره اي را از سر بگيرد و رد موش هايي را كه در شبكه ها به اين طرف و آن طرف سرك مي كشند پيدا كند.
