يعيد العلماء التفكير في طبيعة الواقع

وكلما اقتربت دقة القياس من حد عدم اليقين الذي تحدده ميكانيكا الكم، تعتمد النتائج على ديناميكيات التفاعل بين جهاز القياس والكمبيوتر. قد يفسر هذا الاكتشاف لماذا غالبًا ما تؤدي التجارب الكمومية إلى نتائج متضاربة وقد تتعارض مع الافتراضات الأساسية حول الواقع المادي.

تحليل البحوث والنتائج

قام اثنان من فيزيائيي الكم من جامعة هيروشيما مؤخرًا بدراسة ديناميكيات الارتباط الكمي، حيث يتم تحديد قيمة الخاصية الفيزيائية مع تغير في الحجم عند موضع المقياس. هذه مشكلة صعبة لأن نظرية الكم لا تحدد قيمة الخاصية الفيزيائية إلا إذا كان النظام هو ما يسمى “الحالة الذاتية” لتلك الخاصية الفيزيائية، وهي مجموعة صغيرة جدًا من الحالات الكمومية الخاصة التي لها قيمة ثابتة للخاصية الفيزيائية.

وفي وصف ديناميكيات النظام أثناء تفاعلات القياس، حل الباحثون هذه المشكلة الأساسية من خلال الجمع بين المعلومات حول ماضي النظام مع المعلومات حول مستقبله، مما يدل على أن القيم القابلة للملاحظة للنظام المادي تعتمد على ديناميكيات القياس. ويلاحظ التفاعل.

وفقا لنظرية الكم، يتم قياس نتائج القياس من خلال التغيرات في العلاقة بين الماضي والمستقبل للنظام. مصدر الصورة: تومونوري ماتسوشيتا وهولجر إف هوفمان، جامعة هيروشيما

وقد نشر الفريق مؤخرًا نتائج دراستهم في المجلة بحث في الفيزياء.

وقال هولجر هوفمان، الأستاذ في كلية الدراسات العليا للعلوم المتقدمة والهندسة بجامعة هيروشيما في هيروشيما باليابان: “هناك اختلافات كثيرة في الرأي حول تفسير ميكانيكا الكم”.

“في هذه الورقة، ندرس كيف يشكل التراكب الكمي في ميكانيكا التفاعلات الكمية الواقع الملحوظ للنظام كما يظهر في استجابة المتر. وهذه خطوة مهمة نحو توضيح معنى “التراكب” في ميكانيكا الكم.” قال هوفمان.

التراكب والواقع المادي

في ميكانيكا الكم، يصف التراكب حالة يبدو فيها حقيقتان محتملتان متعايشتين، ولكن عندما يتم قياسهما بشكل صحيح فإنهما مختلفان بشكل واضح. يشير تحليل الفريق للدراسة إلى أنه عند إجراء قياسات مختلفة، فإن التراكبات تصف أنواعًا مختلفة من الواقع. تعتمد حقيقة الشيء على تفاعلات الكائن مع البيئة المحيطة به.

“تظهر نتائجنا أن الواقع المادي لجسم ما لا يمكن فصله عن سياق جميع تفاعلاته مع البيئة، في الماضي والحاضر والمستقبل، مما يوفر دليلا قويا ضد الاعتقاد السائد بأن عالمنا يمكن اختزاله إلى مجرد هيكلية. البناء المادي قال هوفمان.

وفقًا لنظرية الكم، فإن انزياح المقياس الذي يمثل قيمة خاصية فيزيائية ملحوظة في القياس يعتمد على ديناميكيات النظام الناتجة عن تقلبات التأثير الخلفي الذي يزعج المقياس حالة النظام. تشكل التراكبات الكمومية بين ديناميكيات النظام المحتملة المختلفة استجابة جهاز القياس وتعين قيمًا محددة لها.

وأوضح المؤلفون كذلك أن التقلبات في ديناميكيات النظام تعتمد على قوة تفاعلات المقياس. في حدود التفاعلات الضعيفة، تكون تقلبات ديناميكيات النظام ضئيلة، ويمكن تحديد تحول العداد من معادلة هاملتون-جاكوبي، وهي معادلة تفاضلية كلاسيكية تعبر عن العلاقة بين خاصية فيزيائية والديناميكيات المرتبطة بها.

عندما يكون الارتباط الكمي قويًا، يتم ملاحظة تأثيرات التداخل الكمي المعقدة بين ديناميكيات النظام المختلفة. تتطلب القياسات التي تم حلها بالكامل التوزيع العشوائي الكامل لديناميكيات النظام. يتوافق هذا مع تراكب جميع ديناميكيات النظام الممكنة، حيث تحدد تأثيرات التداخل الكمي فقط مكونات العملية الكمومية المقابلة للقيم الذاتية للخاصية الفيزيائية.

القيم الذاتية هي القيم التي تحددها ميكانيكا الكم المدرسية لتأثيرات التكميم – على وجه التحديد الفوتون الأرقام، دوامة أو دوامة إلى أسفل، وهكذا. وكما تظهر النتائج الجديدة، فإن هذه القيم هي نتيجة التوزيع العشوائي الكامل للديناميكيات. يجب مراعاة القيم المختلفة عندما لا تكون ديناميكيات النظام عشوائية تمامًا عن طريق القياس.

الآثار المترتبة على فهم القياسات الكمومية

ومن المثير للاهتمام أن هذه الملاحظة توفر منظورًا جديدًا لاستخدام تأثيرات القياس في وصف الواقع. من الشائع الافتراض أن الجسيمات الموضعية أو قيم الدوران الصحيحة هي مكونات مستقلة عن الواقع من حيث المقياس، لكن نتائج البحث هذه تشير إلى أن هذه القيم لا تنتج إلا عن طريق التشابكات الكمومية بمقاييس قوية بما فيه الكفاية. إن فهمنا لمعنى البيانات التجريبية قد يتطلب مراجعة أساسية.

يتطلع هوفمان وفريقه إلى مزيد من التوضيح للنتائج المتضاربة التي لوحظت في العديد من التجارب الكمومية. “يمكن للحقائق السياقية أن تفسر مجموعة واسعة من التأثيرات الكمومية المتناقضة. ونحن نعمل الآن على تفسيرات أفضل لهذه الظواهر. وفي نهاية المطاف، الهدف هو تطوير فهم بديهي للمفاهيم الأساسية لميكانيكا الكم التي تتجنب سوء الفهم الناجم عن الاعتقاد الساذج في وقال هوفمان: “واقع الأجسام المجهرية”.

المرجع: تومونوري ماتسوشيتا وهولجر إف. هوفمان، 31 يوليو 2023، “الاعتماد على تأثيرات القياس على ديناميكيات التفاعلات الكمية المتماسكة بين الكمبيوتر والمقياس” بحث في الفيزياء.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

تم تمويل الدراسة من قبل وكالة العلوم والتكنولوجيا اليابانية.