يعيد العلماء التفكير في طبيعة الواقع

وفي كل مرة تقترب دقة القياسات من حد عدم اليقين الذي حددته ميكانيكا الكم، تصبح النتائج معتمدة على ديناميكيات التفاعل بين جهاز القياس والنظام. يمكن لهذا الاكتشاف أن يفسر لماذا تنتج التجارب الكمومية في كثير من الأحيان نتائج متناقضة ويمكن أن تتعارض مع الافتراضات الأساسية حول الواقع المادي.

نتائج التحليل والأبحاث

قام اثنان من فيزيائيي الكم من جامعة هيروشيما مؤخرًا بتحليل ديناميكيات تفاعل القياس، حيث يتم تحديد قيمة الخاصية الفيزيائية من خلال التغير الكمي في حالة المقياس. هذه مشكلة صعبة، لأن نظرية الكم لا تحدد قيمة الخاصية الفيزيائية ما لم يكن النظام في ما يسمى “الحالة الذاتية” لتلك الخاصية الفيزيائية، وهي مجموعة صغيرة جدًا من الحالات الكمومية الخاصة التي تمتلك الخاصية الفيزيائية لها خاصية. قيمة ثابتة.

قام الباحثون بحل هذه المشكلة الأساسية من خلال الجمع بين المعلومات حول ماضي النظام مع المعلومات حول مستقبله في وصف لديناميات النظام أثناء تفاعل القياس، وبالتالي إثبات أن القيم التي يمكن ملاحظتها للنظام المادي تعتمد على ديناميات القياس. التفاعل الذي يتم من خلاله ملاحظة ذلك.

وفقًا لنظرية الكم، تتشكل نتائج القياس من خلال التغيرات في العلاقة بين ماضي النظام ومستقبله الناتجة عن تفاعل القياسات. مصدر الصورة: تومونوري ماتسوشيتا وهولجر إف هوفمان، جامعة هيروشيما

وقد نشر الفريق مؤخرًا نتائج دراستهم في المجلة أبحاث الفحص البدني.

وقال هولجر هوفمان، الأستاذ في كلية الدراسات العليا للعلوم والهندسة المتقدمة بالجامعة من هيروشيما باليابان: “هناك العديد من الخلافات حول تفسير ميكانيكا الكم، لأنه لا يمكن التوفيق بين النتائج التجريبية المختلفة ونفس الواقع المادي”.

“في هذه الورقة، ندرس كيف أن التراكبات الكمومية في ديناميكيات تفاعل القياس تشكل الواقع الملحوظ لنظام ملاحظ في استجابة المتر. وقال هوفمان: “إن هذه خطوة كبيرة نحو شرح معنى “التراكب” في ميكانيكا الكم”.

التراكب والواقع المادي

في ميكانيكا الكم، يصف التراكب حالة يبدو فيها حقيقتان محتملتان متعايشتين، على الرغم من أنه يمكن تمييزهما بوضوح عند إجراء القياس المناسب. يشير تحليل الدراسة التي أجراها الفريق إلى أن التراكبات تصف أنواعًا مختلفة من الواقع عند إجراء قياسات مختلفة. تعتمد حقيقة الكائن على تفاعلات الكائن مع بيئته.

“تظهر نتائجنا أن الواقع المادي لجسم ما لا يمكن فصله عن سياق جميع تفاعلاته مع البيئة، الماضي والحاضر والمستقبل، وبالتالي يوفر دليلا قويا ضد الاعتقاد السائد بأن عالمنا يمكن اختزاله إلى تكوين بسيط من وقال هوفمان: “لبنات بناء الأجهزة”.

وفقًا لنظرية الكم، فإن إزاحة العداد الذي يمثل قيمة الخاصية الفيزيائية الملاحظة أثناء القياس يعتمد على ديناميكيات النظام الناتجة عن تقلبات الفعل العكسي الذي يزعج العداد من خلاله حالة النظام. إن التراكبات الكمومية بين الديناميكيات المختلفة المحتملة للنظام تشكل استجابة العداد وتعين له قيمًا محددة.

وأوضح المؤلفون كذلك أن التقلبات في ديناميكيات النظام تعتمد على قوة تفاعل القياس. في حدود التفاعلات الضعيفة، تكون التقلبات في ديناميكيات النظام ضئيلة ويمكن تحديد التحول المتري من معادلة هاميلتون جاكوبي، وهي معادلة تفاضلية كلاسيكية تعبر عن العلاقة بين خاصية فيزيائية وديناميكياتها.

عندما يكون تفاعل القياس أقوى، 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 التي تتطابق مع القيم الذاتية للخاصية الفيزيائية.

القيم الذاتية هي القيم التي تحددها كتب ميكانيكا الكم لنتائج القياس – الدقة الفوتون الأرقام، والتدوير لأعلى أو لأسفل، وما إلى ذلك. وكما تظهر النتائج الجديدة، فإن هذه القيم ناتجة عن التوزيع العشوائي الكامل للديناميكيات. يجب أن تؤخذ القيم المختلفة في الاعتبار عندما لا تكون ديناميكيات النظام عشوائية تمامًا عن طريق القياس.

الآثار المترتبة على فهم القياسات الكمومية

ومن المثير للاهتمام أن هذه الملاحظة تقدم منظورًا جديدًا لاستخدام نتائج القياس في وصف الواقع. من الشائع الافتراض أن الجسيمات الموضعية أو قيم الدوران الصحيحة هي عناصر مستقلة عن القياس للواقع، لكن نتائج البحث هذه تشير إلى أن هذه القيم لا يتم إنشاؤها إلا عن طريق التداخل الكمي في قياسات قوية بما فيه الكفاية. قد يحتاج فهمنا لمعنى البيانات التجريبية إلى مراجعة أساسية.

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

المرجع: “اعتماد نتائج القياس على ديناميكيات التفاعلات الكمية المتماسكة بين النظام والعداد” بقلم تومونوري ماتسوشيتا وهولجر إف هوفمان، 31 يوليو 2023، أبحاث الفحص البدني.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.033064

تم تمويل الدراسة من قبل وكالة العلوم والتكنولوجيا اليابانية.