محققان گمان مي برند به زودي مي توانند راه حلي براي يکي از غامض ترين مسائل فيزيک جديد بيابند: يافتن راهي براي اعدام گربه شرودينگر. گربه خيالي شرودينگر از سال ۱۹۳۵ تاکنون با دانشمندان لجبازي کرد و آنان را سردرگم کرده است. هيچ کس تنفر گربه دوستان را در سال ۱۹۳۵ از ياد نمي برد چرا که در آن سال از يک گربه براي انجام آزمايشي جهت بيان وضعيت هاي دشواري که در تئوري کوانتوم به وجود مي آيد استفاده شد.
اروين شرودينگر ( Ervin Schrodinger ) فيزيکدان اتريشي تئوري کوانتوم را ارائه کرد و در توسعه آن نقش بسيارمهمي ايفا کرد. تئوري کوانتوم که اغلب از آن به عنوان يکي از موفق ترين تئوري هاي علمي نام مي برند ـ چرا که بدون آن فاقد ليزر، سلاح هاي هسته اي و بسياري از اختراعات ديگر بوديم ـ براي ما توضيح مي دهد که طبيعت در سطوح زير اتمي چگونه رفتار مي کند. در سطوح زيراتمي قواعد فيزيک کلاسيک که هر روزه آن ها را تجربه مي کنيم، اعتبار و کارآيي خود را از دست مي دهند. براي مثال مي توان گفت ذرات زير اتمي در يک آن مي توانند در دو مکان مختلف باشند، ديگر آنکه به نظر مي رسد مي توان اطلاعات را سريع تر از سرعت نور منتقل کرد.
قواعد حاکم بر دنياي کوانتوم چنان عجيب است که حتي آلبرت اينشتين هم دست هايش را به علامت تسليم بالا برد و گفت: «اگر فيزيک کوانتوم، صحيح باشد، آن وقت بايد اذعان کرد، قوانين جهان بسيار عجيب است.» حتي خود شرودينگر هم از تفسير يافته هاي خود خرسند نبود و با تاسف بسيار به يکي از همکاران خود گفته است: «از اين که در مورد تئوري کوانتومي کار مي کند چندان راضي نيست.
مسئله اي که اينشتين، شرودينگر و فيزيکدانان پس از آن ها را، تا اين حد متحير کرد تقابل اين مشاهدات با واقعيت ها بود.
مطابق تئوري کوانتوم، ذرات فقط وقتي وجود دارند که بتوان آن ها را «مشاهده» کرد.
تجربيات هر روزه ي ما چيزي خلاف اين را بيان مي کند. در ابتداي کار، توصيف شرودينگر از تابع موج ـ مفهومي رياضي که موقعيت و حرکت هاي ممکن ذرات را بيان مي کند ـ بسيار عجيب به نظر مي رسيد. نه سال بعد وي آزمايش گربه را طراحي کرد تا بتواند توسط اين آزمايش اختلاف بين واقعيت هاي ملموس توسط انسان و واقعيت هاي دنياي کوانتوم را که خود خالق آن بود بيان کند. در اين «آزمايش ذهني» که گاهي اوقات از آن به عنوان آزمايشي خيالي نيز نام مي برند، او اتاقي دربسته يا جعبه اي را تصور کرد که گربه اي زنده درون آن قرار دارد و نيز حاوي «وسيله اي جهنمي» شامل يک شيشه سيانور و مقدار کمي ماده راديواکتيو است. اين مقدار ماده راديواکتيو آن قدر کم است که در طول يک ساعت ممکن است يکي از اتم هاي ماده راديواکتيو متلاشي شود، اما با احتمالي مشابه ممکن است هيچ کدام از اتم ها دچار تلاشي نشود. اگر اتم راديواکتيو تجزيه شود، پرتوهاي حاصل، يک شمارشگر گايگر را به کار مي اندازد و از طريق يک رله، چکش کوچکي را فعال مي کند که شيشه سيانور را مي شکند و باعث مرگ گربه مي شود. مي توان گفت بعد از گذشت يک ساعت با برداشتن در جعبه مي توان دريافت آيا گربه زنده است يا مرده.در زندگي روزمره احتمال پنجاه _ پنجاه وجود دارد که گربه کشته شود و بدون نگاه کردن به درون جعبه مي توانيم با خوشحالي تمام بگوييم که گربه درون آن مرده يا زنده است. اما براساس نظريه کوانتوم هيچ کدام از اين دو امکاني که براي ماده راديواکتيو و در نتيجه گربه وجود دارد واقعيت ندارد، مگر آنکه مشاهده شوند.
فروپاشي اتمي نه اتفاق مي افتد و نه اتفاق نمي افتد، گربه نه کشته مي شود و نه کشته نمي شود، مگر هنگامي که ما به درون جعبه نگاه کنيم و ببينيم که چه اتفاقي رخ داده است. نظريه پردازاني که تفسير استاندارد از مکانيک کوانتومي را مي پذيرند مي گويند که گربه در حالتي غيرقطعي و نامعين، به عبارت ديگر در يک « ابرمرتبه حالت ها » ( Superposition of States )، نه مرده و نه زنده وجود دارد، تا زماني که يک مشاهده گر واقعاً به درون جعبه بنگرد و ببيند که گربه زنده است يا مرده. متاسفانه برخلاف ميل شرودينگر، اين تجربه تخيلي نه تنها باعث نشد که فيزيکدانان پوچي بعضي از خصوصيات نظريه کوانتوم را درک کنند، بلکه جعبه شرودينگر براي اکثريت فيزيکدانان به مثال اعلاي استلزام هاي غيرمعمول و فوق العاده اين نظريه بدل شد. « ابرمرتبه حالت ها » به جاي به هم ريختن نظريه کوانتوم، به خصلت معرف آن بدل شد. آنهايي که تجربه خيالي شرودينگر را با معنايي که در نظر داشتند مطرح مي کردند، مي توانستند با اين حقيقت تسکين يابند که موقعيت ياوه اي که در آن گربه به طور همزمان هم زنده و هم مرده است به طور واقعي در آزمايشگاه قابل بازآفريني نيست.
دليل اين امر ناپيوستگي کوانتومي ( Quantum Decoherence ) است _ پديده اي که به وسيله آن يک « ابرمرتبه » از يک حالت به حالت ديگر بدل مي شود. سرعت اين ناپيوستگي در يک سيستم فيزيکي به اندازه آن بستگي دارد. در حالي که در موجوديت هاي فيزيکي در اندازه اتم ممکن است در يک « ابرمرتبه حالت ها » وجود داشته باشند، موجوديت هاي بزرگ تر، به خصوص در اندازه يک گربه، که متشکل از ميلياردها اتم هستند، در يک حالت منفرد و معين ثابت مي شوند. در نتيجه افرادي که با موضع اينشتين همدلي دارند مي توانند مدعي شوند که گرچه خصوصيات غريب کوانتومي ممکن است در جهان زيراتمي مصداق داشته باشند، در دنياي روزمره متشکل از اشياي معمول مثل گربه، کتاب و افراد و... خدا از هر لحاظ تاس نمي اندازد. اما اکنون حتي اين دفاع (تاحدي نوميدانه) از شعور عام در خطر سرنگون شدن است.
شرودينگر مي گويد عجله نکنيد. طبق قواعد مکانيک کوانتوم، گربه تا زماني که کسي در جعبه را باز نکرده و مشاهده اي انجام نداده است، در حال زنده و مرده قرار دارد.
اين مفهوم در مکانيک کوانتوم به عنوان اصل بر هم نهي کوانتومي ( Quantum Superposition ) ناميده مي شود.
اين امر با نحوه عملکرد جهان در مقياسي که براي بشر قابل درک 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 کوانتوم بتواند پيش گويي هاي دقيق خود را از عملکرد جهان در سطح زيراتمي ارائه دهد. طي بيش از نيم قرن، گربه مرده و زنده شرودينگر با فيزيکدانان لجبازي مي کرد و بنابراين لازم بود به طور دقيق دريابيم که چگونه حوزه کوانتوم با جهان قابل درک توسط انسان مرتبط مي شود.
شخص غيرمطلع و کم حوصله ممکن 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 فيزيکدانان معتقدند اين کار هم نمي تواند جواب نهايي را در اختيار ما قرار دهد، چرا که مطابق قواعد مکانيک کوانتوم خود عمل «مشاهده» باعث مي شود که گربه به يکي از حالت هاي «زنده» يا «مرده» تبديل شود.
در بهار سال ۱۹۹۶ تيمي از دانشمندان فرانسوي ( ENS ) در پاريس گام هاي بلندي را براي نزديک کردن حوزه هاي بزرگ مقياس که براي بشر قابل درک است با سيستم هاي در مقياس کوانتومي برداشتند. آنان روشي را پيشنهاد کردند که توسط آن بتوان بدون برداشتن در جعبه از سرنوشت گربه مطلع شد. در طرح آنان ذره اي زير اتمي که نقش موش را بازي خواهد کرد از مقابل گربه عبور مي کند و آنان مي توانند نتيجه اين عمل را مشاهده کنند.
جعبه اي که گربه در آن قرار دارد حفره کوچکي در خود دارد که از جنس آينه ابررسانا است. در شروع آزمايش يک اتم از ميان ميدان انرژي با فرکانس ريزموج عبور مي کند. در نتيجه اتم ضربه اي به گربه داخل جعبه وارد مي سازد. اتم دومي که پس از آن وارد مي شود، نقش موش را بازي مي کند. اتم دوم بر اثر عبور از حفره حاوي گربه تغيير حالت پيدا مي کند، که نحوه تغيير حالت آن بيانگر حالت برهم نهي است. هنوز هم زود است که درباره حوادث صورت گرفته در داخل جعبه اظهارنظر کنيم. يافته هاي اوليه گروه ( ENS ) بيانگر آن است که حالت زنده و مرده که لازمه تئوري کوانتوم است، فقط براي مدت کوتاهي دوام دارد. به گفته گروه ( ENS ) به وسيله اين آزمايش مي توان شرح داد که چرا اجسام بزرگ هيچ گاه در حالتي غير از همين حالتي که براي ما آشناست، وجود ندارند. بنابراين اکنون مي توان گربه شرودينگر را مرخص کرد يا اگر بخواهيد از شرش خلاص شويد. ابزاري را که بتوان توسط آن حالت زنده و مرده گربه شرودينگر را تحقيق کرد، که بين حوزه هاي کوانتومي و مقياس هاي قابل درک براي بشر ارتباط برقرار کرد، مي توان نسل جديدي از تجهيزات الکترونيک، کامپيوترها و ابزارهاي امنيت ارتباطات را ساخت. پيش از اين نيز فيزيکدانان ژنو آزمايشاتي را انجام دادند که توسط آن مشخص شد اين امکان وجود دارد که بتوان از مفاهيم کوانتوم استفاده کرد و مشکل ترين مسائل عصر جديد ـ همانند حفاظت از اطلاعات مالي طي عبور از شبکه ارتباطات راه دور ـ را حل کرد. مباني نظري استفاده از کوانتوم براي ساخت تجهيزات ايمني مدت ها پيش از آنکه کسي از تجارت الکترونيک صحبتي به ميان آورد، مطرح شد. در دهه، ۱۹۲۰ شرودينگر اظهار کرد در تئوري کوانتوم امکان ساخت يک زوج فوتون ـ بسته هاي تفکيک ناپذير انرژي ـ «درهم تنيده» وجود دارد. اين فوتون ها چنان درهم تنيده اند که با دانستن حالت يکي از فوتون ها مي توان حالت فوتون ديگر را به طور آني دريافت.
عبارت «آني» اينشتين را با دردسر مواجه ساخت، چرا که اين عبارت به طور تلويحي بيان مي کرد، مي توان سيگنال ها را سريع تر از سرعت نور انتقال داد. اينشتين اين مفهوم نامتعارف را با عبارت «کنش شبح وار از راه دور» توصيف کرد. از آنجايي که تجهيزات دقيقي براي آزمايش وجود نداشت، اين ايده ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود.
آلن اسپکت از اعضاي ( ENS ) توانست تغييرات در يک زوج فوتون درهم تنيده را که به اندازه يک زمين فوتبال فاصله داشتند اندازه بگيرد. هنگامي که محققين کارهاي وي را مورد بررسي قرار دادند، حدس زدند احتمالاً وي شاهد يک «اثر جايگزيده» ( Localized Effect ) بود که به علت فاصله زياد از مقدار آن کاسته شده بود.
براي تشريح اين مطلب که «کنش شبح وار از راه دور» اينشتين چگونه عمل مي کند دکتر نيکولاس گيسين و همکارانش در دانشگاه ژنو طرحي را اجرا کردند، که طي آن تماس تلفني را در شبکه هاي فيبر نوري تله کام سوئيس به انجام رساندند. آنان در آزمايشگاه ژنو يک زوج فوتون درهم تنيده را به وجود آوردند. بعد اين دو فوتون را از هم جدا ساخته يکي را به شمال و ديگري را به جنوب فرستادند، به طوري که فاصله نهايي آن دو حدود ۱۲ کيلومتر بود. گروه ( ENS ) يک تحليلگر سيگنال را در هر انتهاي اين مسير قرار دادند.
هر وقت که فوتوني به تحليلگر سيگنال مي رسيد احتمالي براي شمارش آن وجود داشت. هنگامي که داده هاي حاصل از اين دو تحليلگر را با يکديگر مقايسه کردند، با شواهد قانع کننده اي مواجه شدند که بيان مي داشت هر فوتوني «مي داند» آيا فوتون ديگر همزاد وي شمارش شده است يا خير. البته هنوز هم محققين بر اين باورند که نمي توان از کوانتوم به عنوان يک واسطه براي ارتباطات سريع تر از سرعت نور استفاده کرد. اما بعضي ها حدس مي زنند با استفاده از نتايج اين آزمايش مي توان دريافت که آيا يکسري 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 که در شبکه ها به اين طرف و آن طرف سرک مي کشند پيدا کند.