گربه‌ی چشایر کوانتومی1
گربه گفت: «چشم.» و این‌بار آهسته‌آهسته غیب شد. اولش: نُک دمش، و آخر از همه: پوزخندش، که پس از محو بقیه‌ی اندامش، زمانی همچنان به جا ماند. آلیس اندیشید: «خوب، گربه‌ی بی‌خنده که خیلی دیده‌ام، اما خنده‌ی بی‌گربه! توی عمرم از این عجیب‌تر ندیده‌ام.»2
شکل 1.
عجیب نیست که آلیس چنین شگفت‌زده می‌شود. اگر فرض را بر این بگذاریم که در دنیای واقعی، گربه‌ها پوزخند می‌زنند، پوزخند یکی از خصوصیات گربه است و غیر ممکن است که بتوانیم تصور کنیم پوزخند، بدون گربه وجود داشته‌باشد. به تناظر، قطبش3 نیز یکی از خصوصیات فوتون است و غیر قابل درک است که قطبش، بدون فوتون وجود داشته‌باشد. با این‌حال از دیگر شگفتی‌های مکانیک کوانتومی این است که بدون هیچ فوتونی قطبش می‌تواند وجود داشته‌باشد، یا حداقل مکانیک کوانتومی قصه را این‌گونه برایمان تعریف می‌کند. پیش از آنکه به خود قصه بپردازیم لازم است با مفهوم قدرت اندازه‌گیری اشنا بشویم.
احتمالا یادمان هست که اندازه‌گیریِ یک سیستم کوانتومی منجر به فروکاهش آن به یکی از ویژه‌حالت‌هایش می‌شود. مثلا اگر گربه‌ی شرودینگر را به یاد بیاوریم، با اندازه‌گیری و باز کردن در جعبه، گربه به یکی از حالت‌های مرده یا زنده فروکاهش می‌کند. اما با پرداخت هزینه‌ای اندک می‌شود با کم کردن قدرت اندازه‌گیری، اطلاعاتی محدود و با کمی عدم قطعیت نسبت به سیستم بدست آورد و در عین حال مختل شدن سیستم را نیز به حداقل رساند. در این روش با یک حالت از پیش انتخاب شده و یک حالت پس انتخابی، صرفا ضرب برداری این دو نسبت به هم اندازه‌گیری می‌شوند. یعنی اگر سیستم ما در حالت پیش‌انتخاب باشد، صرفا احتمال رسیدن به حالت پس‌انتخاب اندازه‌گیری شده و اطلاعات دقیقی از سیستم کسب نمی‌شود. اگر این اندازه‌گیری به تعداد زیاد انجام شود و روی آن میانگین بگیریم می‌توانیم به مقدار واقعی نزدیک شویم، بدون اینکه سیستم را کاملا تخریب کنیم. چنین اندازه‌گیری را اندازه‌گیری ضعیف4 می‌نامند. استفاده از این روش ابعاد شگفت‌انگیز جدیدی از مکانیک کوانتوم را نمایان کرده‌است که آزمایش گربه‌ی چشایر معروف‌ترین آن‌هاست.
یک تداخل سنج نوری ساده را در نظر بگیرید، که در آن گربه به مثابه فوتون نور است که می‌تواند در بازوی چپ یا راست تداخل سنج باشد. نقش پوزخند گربه را هم قطبش کروی نور بازی می‌کند. گربه (فوتون) در یک حالت اولیه‌ی ترکیب خطی از بازوی چپ و راست قرار می‌گیرد (پیش‌انتخاب اندازه‌گیری ضعیف)، پس از وارد شدن به تداخل سنج، گربه می‌تواند مسیرهای خروجی متعددی را پیش بگیرد، اما جدایی گربه از پوزخندش در حالت‌هایی رخ می‌دهد که گربه در یک خروجی مشخص‌شده یافت شود (پس‌انتخاب اندازه‌گیری ضعیف).
برای بررسی خصوصیات ذره در تداخل‌سنج در بین حالت‌های پیش‌انتخابی و پس‌انتخابی، اندازه‌گیری ضعیف انجام می‌شود. این اندازه‌گیری‌ها به تعداد زیادی انجام شده تا بتوان روی نتایج آنها میانگین‌گیری کرد. برای برخی از پیش‌انتخاب‌ها و پس‌انتخاب‌ها، گربه (فوتون) در یک بازوی تداخل‌سنج و پوزخند آن (قطبش) در بازوی دیگر تداخل‌سنج یافت می‌شود. این پدیده آنقدر عجیب است که درک کنیم ما حتی در کلام نمی‌توانیم به پوزخند (قطبش) بدون ذکر مضاف‌الهیش (گربه) اشاره کنیم.
شکل 2: آزمایش ذهنی گربه چشایر.
هنگامی که مقاله‌ی گربه‌ی چشایر برای بررسی و چاپ به مجله ارسال شد، با اینکه صحت ریاضیات آن بلافاصله ثابت شد، آنقدر تصویر و مفهومی که می‌ساخت عجیب بود که بررسی آن حدود یک‌سال به طول انجامید. در نهایت با انجام آزمایش‌های تجربی و تایید نتایج بدست آمده مقاله در سال ۲۰۱۳ چاپ شد. البته هنوز هم بحث بر سر تعبیر نتایج این آزمایش و درک مفاهیم آن بحث و تحقیقات بسیاری در جریان است.
برای اینکه این آزمایش را بهتر درک کنیم، نوعی چیدمان پیش‌انتخاب و پس‌انتخاب را مانند یک دستگاه پلینکو در نظر بگیرید، که در آن یک توپ از بالا در یک شکاف پیش‌انتخاب‌شده وارد دستگاه می‌شود و از میان موانع مختلف پایین می‌رود تا در نقطه‌ای مشخص (پس‌انتخاب) به پایان برسد. اگر بشمارید که چند توپ به سوراخ پس‌انتخاب می‌رسند، می‌توانید توزیع احتمال را محاسبه کنید. در جهان کلاسیک، اندازه‌گیری موقعیت و خواص توپ در نقاط مختلف، مثلاً با یک دوربین، ممکن است و این مشاهده بر مسیر توپ یا احتمال افتادن توپ در جایگاه پس‌انتخاب تأثیری نخواهد داشت. در نسخه کوانتومی دستگاه پلینکو، پیش‌انتخاب و پس‌انتخاب به روشی مشابه عمل خواهند کرد، با این تفاوت که می‌توانید توپ‌ها را در حالت‌های برهم‌نهی وارد کنید. یک اندازه‌گیری ضعیف سیستم را مختل نمی‌کند، بنابراین اندازه‌گیری‌های متعدد می‌توانند احتمال نتایج خاص را آشکار کنند. نتیجه اندازه‌گیری یک مقدار ویژه، که با یک خاصیت فیزیکی سیستم متناظر است، نخواهد بود، بلکه مقادیر ضعیف را به دست خواهد داد، و شیوه‌ای که باید این نتابج را تفسیر کرد هنوز کاملا مشخص نیست. برای درک این موضوع در معنای کوانتومی، ما به یک تصویر ذهنی شهودی، حتی محدود، نیاز داریم. به همین دلیل آزمایش فکری گربه‌ی چشایر کوانتومی استعاره‌ای قدرتمند است، که پژوهشگران را به مسیرهای جدید هدایت می‌کند.
شکل 3.
1Quantum Cheshire Cat
2آلیس در سرزمین عجایب، با ترجمه‌ی مسعود طوفان
3polarization
4weak measurement