آیا گربه شرودینگر هم مرده و هم زنده است؟ نه، فقط در گذشته اش تسخیر شده است

امروز برای صبحانه اسموتی خوردم. این غیرعادی نیست: من هر روز صبح همان اسموتی را می‌نوشم. در مقطعی در گذشته، متوجه شدم که آن را به طور خاص دوست داشتم و آن را به یک عادت تبدیل کردم. این یک مثال ساده از چیزی است که حس شهودی دارد - اینکه تجربیات گذشته ما اعمال فعلی ما را تعیین می کند و آنها به نوبه خود مسیرهای آینده ما را تعیین می کنند.

اما اگر به شما بگویم که گذشته هرگز واقعا وجود نداشته است، چه؟ یا حداقل این که مهم نیست؟ به نظر می رسد میدان چپ باشد، اما من فقط یک فرضیه را هدایت می کنم که در بسیاری از قوانین فیزیک تا حد زیادی بدون چالش وجود دارد: اینکه لحظه حال تنها چیزی است که برای پیش بینی آینده باید بدانیم. بدون انجام این فرض، مقدار اطلاعاتی که برای پیش‌بینی آینده نیاز دارید، در معرض خطر انفجاری چشمگیر قرار دارد و به سرعت گفتن چیزی را غیرعملی می‌کند.

یا اینطور فکر می کردیم. اکنون، حرکتی برای احیای گذشته برای فیزیک در راه است. طرفداران آن فکر می‌کنند که می‌تواند پرسش‌های طولانی‌مدت در هسته نظریه کوانتومی را حل کند، مانند اینکه چرا آنقدر عجیب است، اما به همان اندازه که می‌توانست عجیب نباشد – و در طول مسیر، ماهیت واقعی خود زمان را روشن کند. جاکوب بیامونته، محقق اطلاعات کوانتومی در École de Technologie Supérieure در مونترال، می‌گوید: «فکر می‌کنم این موضوع بزرگی است. فکر می‌کنم این یک چیز بزرگ برای پایه‌های فیزیک خواهد بود».

برای شروع درک اینکه چگونه فیزیک گذشته را لغو کرد، یک بازی تیله را تصور کنید. برای پیش‌بینی اینکه هر سنگ مرمری در یک ثانیه کجا قرار خواهد گرفت، تنها چیزی که باید بدانیم موقعیت فعلی، سرعت و جهت حرکت آن است، که همگی از گذشته عمیق سنگ مرمر غافل هستند. سپس قوانین فیزیکی مربوطه - در این مورد، قوانین حرکت اسحاق نیوتن - را به سمت آینده پیش می بریم. ما نیازی به دانستن چیزی در مورد برخوردهایی که سنگ مرمر را به موقعیت کنونی خود رساندند، نداریم - خوشبختانه، زیرا محاسبه تعداد بی شمار احتمالات گذشته ممکن است به سرعت بر توانایی محاسباتی ما غلبه کند.

حال مرمر نسبت به گذشته خود ادم است و گذشته آن تا حد زیادی در تعیین آینده آن بی اهمیت است، تا زمانی که ما از حال بدانیم. مثل این است که بگویم تنها چیزی که در انتخاب اسموتی من اهمیت دارد این است که خاطرات صبح های گذشته در ذهن کنونی من ذخیره می شود. حتی اگر گذشته به طور کامل ناپدید شود، من می توانم به روتین صبحانه خود ادامه دهم. در این طرز تفکر، هیچ راهی وجود ندارد که بگوییم کیهان فقط 5 دقیقه پیش آغاز شده است یا خیر.

این اصل نادیده گرفتن گذشته به نام آندری مارکوف، ریاضیدان روسی که اساس این ایده را پایه ریزی کرد، مارکوینیت نامیده می شود. و در همه جا در فیزیک - حتی در نظریه کوانتومی، بهترین نشانه ما در توصیف نحوه رفتار قلمرو عجیب ذرات است.

برخلاف اجسام در دنیای کلاسیک، ذرات کوانتومی می‌توانند در ترکیبی از حالت‌های مختلف در یک زمان به نظر برسند - برای مثال در موقعیت‌های متعدد. این منجر به درام هایی مانند آزمایش فکری بدنام گربه شرودینگر می شود، که در آن یک گربه در یک جعبه در یک "ابر موقعیت" کوانتومی زنده و مرده نگهداری می شود. هر یک از این دو حالت را می توان احتمال خاص خود را که در یک شی ریاضی به نام تابع موج کوانتومی کدگذاری شده است، نسبت داد.

درست مانند مکانیک کلاسیک، مکانیک کوانتومی استاندارد چندان به گذشته گربه اهمیت نمی دهد. تا جایی که آینده آن پیش می رود، دو احتمال وجود دارد. شما می توانید جعبه را بسته نگه دارید، در این صورت، تنها چیزی که می توانید بگویید چند درصد است – گربه می تواند زنده یا مرده باشد و در حال حاضر به نظر می رسد که از نظر وجودی مبهم است. یا جعبه را باز می کنید، در این صورت، تابع موج گربه به یک حالت منفرد و قطعی "فروپاش می کند" و حیوان نیز قطعا مرده یا زنده است.

گربه شرودینگر باری از مشکلاتی را که فیزیکدانان و فیلسوفان در قرنی که از پیدایش مکانیک کوانتومی آغاز شد، بر سر آن‌ها رنج می‌برند، برداشت. وقتی جعبه را باز می‌کنید از نظر فیزیکی چه اتفاقی می‌افتد - آیا این شما هستید که به‌طور بالقوه گربه را می‌کشید؟ در مورد نانوثانیه‌ای که به سختی درب آن را جابه‌جا کرده‌اید چطور - آیا گربه در این زمان کمی کمتر مخلوط شده است؟ در واقع، چیزی در مورد تابع موج در مورد گربه در دنیای واقعی و فیزیکی چه می گوید؟ آیا تابع موج خود "واقعی" است؟ 100 سال گذشته است، و ما هنوز در مورد روش صحیح لاغری توافق نظر نداریم.

دیوید گلیک، فیلسوف از دانشگاه کالیفرنیا، دیویس، می گوید k در مورد نظریه کوانتومی.

ژاکوب باراندز، فیلسوف فیزیک در دانشگاه هاروارد، فکر می کند که مشکل را شناسایی کرده است. او می‌گوید که جنجال‌های پیرامون عملکرد موج صرفا یک پرده دود است که مقصر واقعی موقعیت عجیب گربه در پشت آن پنهان شده است: تأثیر گذشته.

وقتی گربه شرودینگر در جعبه باشد واقعا چه اتفاقی می افتد؟

در مقاله‌ای که سال گذشته منتشر شد، او نشان داد که چیزی مانند نظریه کوانتومی را می‌توان بر روی معادلات برای فرآیندهای ذاتا احتمالی و غیرمارکوویی که همیشه تحت تأثیر گذشته خود هستند، ساخت. در این دنیا، گربه ها هرگز به طور همزمان مرده و زنده نیستند. بلکه همه چیز ذاتا شانسی است و گذشته ضروری است.

در اینجا، تابع موج هیچ واقعیت فیزیکی را نشان نمی‌دهد، بلکه فقط شکلی از حسابداری ریاضی برای تمام روش‌هایی است که گذشته از آن‌ها گربه را در طول زمان لمس می‌کند. بیایید به سنگ مرمر خود برگردیم و آن را کوانتومی کنیم. باراندس عملکرد موج این سنگ مرمر را به مجموعه ای از "تیله های ارواح" تشبیه می کند. هر کدام از این تیله‌های ارواح حالت مرمر کوانتومی واقعی را تجسم می‌کنند، اما مثلا 1 ثانیه پیش - یا 2، یا 3، یا تا آنجا که دوست دارید. باراندس می گوید: "هر سنگ مرمر ارواح کمی عجیب است. نامرئی است. غیرقابل مشاهده است."

اما اگر اطلاعاتی در مورد تیله‌های ارواح دارید، می‌توانید پیش‌بینی کنید که سنگ مرمر واقعی در مرحله بعد چه کاری انجام می‌دهد. در نتیجه، به نظر می‌رسد دنیایی که شامل تیله‌های واقعی و ارواح است، از قوانین مارکوویی قابل کنترل پیروی می‌کند، زیرا همه چیز در مورد گذشته مرمر واقعی در حال حاضر مرمرهای ارواح رمزگذاری شده است. بهای تظاهر به اینکه گذشته مهم نیست پر کردن جهان از ارواح است. تابع موج کوانتومی فقط یک آرایش زیبا از چنین طیف هایی است.

باراندز فکر می‌کند اشتباه ما این است که واقعیت فیزیکی را در این ترفند سالن شبح وار بخوانیم. در چارچوب جایگزین او، ویژگی‌های کوانتومی مانند حالت‌های برهم نهی و فروپاشی تابع موج، پیامدهای برخورد با تابع موج به عنوان چیزی بیش از حد واقعی هستند. ما نمی‌توانیم بدانیم که گربه شرودینگر در چه وضعیتی است، نه به این دلیل که حالت آن به نحوی وجودی فازی است، بلکه به این دلیل که اجسام کوانتومی ذاتا کمی تصادفی هستند. باراندز می‌گوید: «آنها همیشه احتمالاتی رفتار می‌کنند، به شیوه‌ای که به گذشته بستگی دارد.

اقدامات اندازه گیری، مانند باز کردن جعبه گربه، خاص نیستند، بلکه صرفا فعل و انفعالات فیزیکی هستند که باعث می شود جسم بخشی از این گذشته را «فراموش کند» و برخی از شانس و تاریخ پر بودن آن را سرکوب می کند.

این تصویر راهی برای مقابله با این اعتراض ارائه می دهد که اگر شما باید کل تاریخ قبلی جهان را در نظر بگیرید، محاسبات غیرقابل حل می شوند. در تئوری کوانتومی استاندارد، به خوبی پذیرفته شده است که با بزرگتر شدن اجسام و تعامل با بیشتر محیط خود، کوانتومی خود را از دست می دهند. در تصویر باراندس، این نقشه بر روی اشیایی است که بخشی از گذشته خود را رها می کنند و با عقب نشینی گذشته به دوردست، مارکویی تر می شوند.

چارچوب او هنوز یک پیش‌بینی مشخص و آزمایش‌پذیر ارائه نکرده است، اما قبلا یک پیروزی قابل‌توجه داشته است: توضیح درجه‌ای که اجسام کوانتومی می‌توانند با هم مرتبط شوند، به لطف پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی.

هنگامی که دو جسم کوانتومی در هم پیچیده می‌شوند، نتایج اندازه‌گیری ویژگی‌های آن‌ها یک همبستگی را حفظ می‌کند، حتی اگر ابتدا آنها را بسیار دور از هم کشیده شوند. این همبستگی‌ها قوی‌تر از آن چیزی است که با هر اتصال غیرکوانتومی ممکن است - حداکثر تا حدود 41 درصد، عددی که به عنوان کران Tsirelson شناخته می‌شود. ریاضیدان بوریس تسیرلسون این عدد را در سال 1980 از نظریه کوانتومی استاندارد به دست آورد، اما باراندس می گوید که هرگز فراتر از ریاضیات پیچیده توضیح داده نشده است.

بعدا، در سال 1994، فیزیکدانان Sandu Popescu و Daniel Rohrlich نشان دادند که برخی از نظریه‌های فرضی، اصولا می‌توانند به همبستگی‌هایی 100 درصد بیشتر از نظریه‌های غیرکوانتومی دست یابند، بدون اینکه اطلاعات سریع‌تر از سرعت نور رد و بدل شود، که با نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین در تضاد است. "چهل و یک درصد حتی نیمی از 100 درصد نیست، پس چرا اینقدر کم؟" باراندس می پرسد.

چارچوب او به زیبایی این را به سرعت نور بازمی گرداند. در دنیایی از مرمرهای کوانتومی، هر سنگ مرمر به روش کمی تصادفی و پر از تاریخ خود حرکت می‌کند، اما از آنجا که نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند یا با سایر تیله‌ها ارتباط برقرار کند، می‌توان از آن بخش‌هایی از گذشته آن که فراتر از افق تأثیرگذاری تعیین شده توسط سرعت نور است، غفلت کرد. باراندز با کار با دیوید کاگان و محمود حسن در دانشگاه دارتموث ماساچوست محاسبه کرده است که این محدودیت دقیقا همان چیزی است که قدرت همبستگی های کوانتومی را از فراتر از حد Tsirelson حفظ می کند.

سایمون میلز، فیزیکدان دانشگاه هریوت وات در بریتانیا، شیفته این موضوع شده است. او می‌گوید نظریه کوانتومی استاندارد بسیار انتزاعی و مرموز است، بنابراین کشف فرآیندهایی که تصویر زیربنایی را ارائه می‌دهند، ارزش دارد – و کران Tsirelson یکی از موضوعات مورد بحث در نظریه اطلاعات کوانتومی است. میلز می گوید: «پیدا کردن یک اصل جدید که به آن منتهی شود، بسیار جالب است.

دیوید والاس، فیلسوف فیزیک در دانشگاه پیتسبورگ در پنسیلوانیا، این را تکرار می کند. اما او مطمئن نیست که رویکرد باراندس تا کجا می‌تواند پیش برود، به‌ویژه به دلیل روشی که عملکرد موج را هر گونه واقعیت فیزیکی انکار می‌کند. او می گوید که نظریه کوانتومی استاندارد به خوبی به عنوان توصیفی از جهان ما عمل می کند. او می‌گوید: «اگر مکانیک کوانتومی را همانطور که ما پیدا می‌کنیم در نظر بگیرید، به نظر نمی‌رسد راهی برای خواندن آن وجود داشته باشد که اساسا شما را به تابع موجی که نشان‌دهنده رویدادهای فیزیکی است، متعهد نکند.

او مایل است که این چارچوب محاسبات پیچیده‌تری را بازتولید کند، مانند نظریه‌های میدان کوانتومی که زیربنای مدل استاندارد فیزیک ذرات است. از لحاظ تاریخی، اینجا جایی است که تفسیرهای غیر استاندارد یا فرمول بندی مجدد فیزیک کوانتومی با شکست مواجه شده است. باراندس می گوید که چارچوب او باید برای میدان های کوانتومی کار کند، و او قصد دارد کار خود را در این راستا گسترش دهد.

او یک جست‌وجوی تنها و کیشوستیک برای بازگرداندن گذشته به فیزیک نیست. کریستین مارانی از دانشگاه ایتالیایی سوئیس در لوگانو روی یک رویکرد غیرمتعارف به نظریه کوانتومی که به عنوان فروپاشی خود به خودی شناخته می شود کار می کند. این فروپاشی تابع موج را به عنوان چیزی نشان می دهد که تنها زمانی اتفاق نمی افتد که شما سعی می کنید چیزها را اندازه گیری کنید، بلکه می تواند به طور خود به خود در هر زمانی رخ دهد. مدل‌های فروپاشی خود به خودی پیش‌بینی‌هایی متفاوت از تئوری کوانتومی استاندارد تولید می‌کنند، اما هیچ آزمایشی هنوز دلیل کافی برای رد مکانیک کوانتومی استاندارد به نفع فروپاشی خود به خود ارائه نکرده است.

اما اگر قوانین کوانتومی به روشی غیرمارکوویی اصلاح شوند و به مدل‌های فروپاشی خود به خود اجازه دهند تاریخ‌ساز شوند، آن‌گاه آزمایش‌های آزمایشی جدیدی باز می‌شوند.

او می‌گوید که زیر سؤال بردن نقش مارکوینیت در فیزیک کوانتومی به خودی خود مهم است. در فیزیک، و در فلسفه فیزیک، این نوع فرضی بود که ما بدون دفاع صریح از آن کردیم.» این تا حدی به دلیل پیچیدگی‌های ریاضی نظریه‌های غیرمارکوویی و جذابیت پایدار برای فیلسوفان تیغ ​​اوکام است، این ایده که ساده‌ترین راه‌حل‌ها بهترین هستند. به گفته ماریان، دست و پنجه نرم کردن با این فرض ممکن است محققان را به بازنگری در ماهیت خود قوانین فیزیکی سوق دهد.

این فقط درک ما از نظریه کوانتومی نیست که می تواند تیزتر شود. تصورات ما از زمان و اهمیت لحظه حال نیز همینطور است. تا قرن بیستم، فیلسوفان مدت‌ها استدلال می‌کردند که زمان حال ممتاز است. به این معنا که گذشته دیگر وجود ندارد و آینده هنوز وجود ندارد، ممکن است واقعا استدلال کنید که فقط زمان حال می تواند ادعا کند که واقعا واقعی است. این دیدگاه به عنوان حال‌گرایی شناخته می‌شود و ما را به‌عنوان ناظری به تصویر می‌کشد که در جبهه موجی از «اکنون» زندگی می‌کنیم و از گذشته به سوی آینده شخم می‌زنیم.

فیزیکدانان در مورد معنای واقعی اکنون نامشخص هستند

به نظر می‌رسد که نظریه‌های نسبیت انحراف فضا و زمان اینشتین به امتیازات زمان حال پرداخته است. در نسبیت، غیرممکن است که همه ناظران حتی بر روی یک «اکنون» واحد و همزمان به توافق برسند. دیدگاه جایگزین، که نسبیت انیشتین نسبت به آن دوستانه تر است، ابدگرایی نامیده می شود. بیان می کند که تمام گذشته، حال و آینده به طور همزمان وجود دارند. ما در یک نقطه ثابت در این بلوک مکان و زمان وجود داریم و جریان زمان از ما در اصل یک توهم است.

دیوید بیولز فیلسوف در دانشگاه پرینستون می گوید: از زمان ظهور نسبیت انیشتین، "بیشتر مردم فکر می کنند که حضورگرایی همیشه در حالت تدافعی است." در سال 2025، او و همکارش در پرینستون، میشل اودیسیاس ایمپاگناتیلو، حمله کردند و استدلال کردند که حضورگرایی با قرن‌ها آزمایش پشتیبانی می‌شود که نتایج آنها از پیش‌بینی‌های قوانین فیزیک مارکویی که فقط واقعا مستلزم واقعی بودن زمان حال هستند، منحرف نشده است. ایمپاگناتیلو می‌گوید: «این یک استدلال از روی صندلی نیست؛ این یک استدلال تجربی است.

برعکس، این زوج استدلال می‌کنند که اگر تفسیری غیرمارکوویی و مملو از تاریخ از فیزیک کوانتومی غالب شود، آن‌ها را مجبور می‌کند که حضورگرایی را کنار بگذارند.

ما هنوز با چنین مدرکی فاصله داریم. ایمپاگناتیلو می‌گوید: «در حالت ایده‌آل، ما موردی خواهیم داشت که در آن تفسیر غیرمارکوویی برتر باشد، به این معنا که پیش‌بینی‌های جدیدی را انجام می‌دهد که مکانیک کوانتومی متعارف انجام نمی‌دهد» - دیدگاهی که والاس هم تکرار کرد.

باراندز می‌گوید که مکانی که چارچوب او ممکن است دنیای آزمایش‌ها را لمس کند، محاسبات کوانتومی است. رایانه‌های کوانتومی قابلیت‌های افزایش‌یافته‌ای را از طریق اثرات برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی به دست می‌آورند که از نظر باراندز، همه واقعا جبهه‌ای برای تأثیرات گذشته هستند. او می گوید: «کامپیوتر کوانتومی به طور مخفیانه یک رایانه غیرمارکوویی است.

"تنها چیدمان فعلی بیت ها مهم نیست، بلکه ترتیبات گذشته نیز مهم است." در حال حاضر تنها چند مورد وجود دارد که محققان به طور واضح ثابت کرده اند که استفاده از کامپیوترهای کوانتومی تنها راه حل یک مشکل خاص است. باراندس می‌گوید، تفکر در مورد آنها به روشی غیرمارکوویی ممکن است منجر به شناسایی موقعیت‌های جدیدی شود که در آن‌ها به وضوح تغییر دهنده بازی هستند.

گلیک موافق است که ارزش کلی وجود دارد که ببینیم تضعیف یا کنار گذاشتن فرض مارکویی تا چه حد می تواند ما را برساند، حتی اگر دیگر توصیفات طبیعت هرگز به طور کامل رد نشود. او می‌گوید: «در نقطه‌ای مشخص، ممکن است متوجه شویم، خوب، بهتر است این فرض را کنار بگذاریم تا نتیجه پربارتری بگیریم. این یک نوع تایید یا رد مستقیم و تجربی نیست، اما علم اغلب به این صورت عمل می کند.

باراندس می‌گوید جدی گرفتن گذشته پایه‌های فیزیک را به شکلی گسترده و عمیق لمس می‌کند و این باعث می‌شود آن را دنبال کنید. او می‌گوید: «من فکر می‌کنم که این چارچوب ممکن است چیزی برای گفتن در مورد نحوه واقعی جهان به ما داشته باشد. من به عنوان یک فیلسوف به این موضوع اهمیت می دهم.» وقتی اسموتی صبحگاهی ام را آماده می کنم، مطمئنا جای تفکر است.