هل أسقطت تجربة الـ Delayed Choice Quantum Eraser مفهوم السببية ؟!

مقال هام جدًا تحتاج إليه قبل أن تُسلم رأسك لبعض مبسطى العلوم ! .. المشكلة فى تبسيط العلوم تظهر أحيانًا بسبب ربطها بأيديولوجية معينة وقولبة النتائج العلمية فى قالب فلسفى معين .. فيأتى شخص لا يُحب كلمة ”السببية“ مثلًا فيُفسر بعض النتائج بناءًا على هذا الإنحياز المعرفى المسبق ليخرج لنا بمقال تحت عنوان ” هل السببية مجرد وهم؟ ” ! ..
أحد أمثلة هذه المقالات هذا المقال الذى تناوله الدكتور Amr Farouk بالتحليل على هذا الرابط :
https://goo.gl/XSrsji

أريد في هذا المقال أن أشرح تجربة Delayed Choice Quantum Eraser بشيء من التفصيل، لكي نفهم بعد ذلك صحة التفسيرات الفلسفية المبنية عليها، وسأعطيك بعد ذلك وجهة نظر من يقول بأن هذه التجربة لا تستلزم المساس بمبدأ السببية، ولا تستلزم ما يُسمى بالسببية التراجعية ( Retrocausality) ..
Alright, let’s go ahead and get started ^^
هذه صورة للتجربة :

التجربة قد نعتبرها مكونة من شيئين (تجربة الشق المزدوج) + (تجربة الترابط) ..
في الطرف الأيسر من التجربة :
يخرج أحد الفوتونات من الليزر فيجد أمامه طريقين (تجربة الشق المزدوج)، إما أن يعبر الفتحة العليا (الحمراء)، وإما أن يعبر الفتحة السفلى (اللبني)، وإما أن يعبر الفتحتين معًا (كما في تجربة الشق المزدوج) .
بعد أن يخرج الفوتون يجد أمامه منشورًا زجاجيًا (يُسمى Glan-Thompson Prism ) والذى يستطيع أن يُحول الفوتون الواحد إلى فوتونين مترابطين (entangled) .. أحد هذين الفوتونين يتم توجيهه إلى العداد D0 في الأعلى (سواء كان خارجًا من الأحمر أم اللبني أم من كليهما)، وهذا الفوتون نُسميه (signal photon) فتسجل المواضع (x) التي يسقط فيها هذا الفوتون على سطح العداد في أزمنة مختلفة، بمعنى آخر فإن هذا العداد سيحتوي على قاعدة بيانات لكل الـ signal photons الساقطة عليه مُسجلًا فيها موضع كل فوتون والزمن الخاص به (أو بتعبير علمي أكثر سيقوم برسم منحنى للشدة I ) مع العلم أن الفوتون يسقط على هذا العداد (D0) قبل أن يسقط على أي عداد آخر بزمن قدره 8 نانو ثانية .. وأما الفوتون المترابط معه (والذى نُسميه idler photon) فينزل للأسفل ليدخل في رحلة يجد في أولها منشورًا عاديًا .. ثم إذا كان الفوتون قادمًا من الفتحة الحمراء فإنه سيتبع المسار الأحمر ليسقط على مرآة نصف مطلية (بحيث تجعل احتمالية عبور الفوتون للجهة الأخرى 50% واحتمالية ارتداده 50%) فإذا ارتد الفوتون فإنه سيدخل في العداد المسمى D4 (والذى سيسجل زمن سقوط الفوتون عليه) أما إذا عبر فإنه سيسقط على المرآة Mb (والمطلية بالكامل فيجب عليه أن يرتد منها) ليرتد ويسقط على مرآة نصف مطلية أخرى تجعل هناك احتمالية 50% للفوتون أن يُكمل مساره ليسقط على العداد D1 أو يرتد ليذهب للعداد D2 .. وبعد أن يسقط على أي منهما يُسجل زمن سقوطه على أحدهما ..
نفس هذه الرحلة تحدث للفوتون القادم من المسار اللبني مع ملاحظة أنه إذا ارتد عن المرآة الأولى فإنه سيسقط على العداد D3 .
الآن نريد تحليل الموقف :
نلاحظ أن العداد D4 لا يُمكن أن يدخل فيه إلا الفوتون القادم من المسار الأحمر ..أي أننا نعلم أن الفوتونات الساقطة على هذا العداد قادمة من الفتحة الحمراء من الشق المزدوج .. وبمجرد أن نعلم الأزمنة المسجلة بداخل هذا العداد (والتي تعبر عن أزمنة سقوط الـ idler photons) نستطيع أن نقارنها بالأزمنة المسجلة على العداد D0 (بعد طرح زمن الـ8 نانو ثانية تأخير) لنستخلص مواضع الـ (signal photons) المترابطة مع هذه الـ idler photons .
نفس الحال مع العداد D3 فهو أيضًا يُعطينا معلومة عن أن الفوتونات الساقطة عليه قادمة لا محالة من الفتحة ذات اللون اللبني .. أي أن D3 وD4 كلا منهما يُعطى لنا معلومات عن المسار (which-path information) .
أما نبضات الزمن المسجلة على العداد D1 و D2 فلا تُعطينا معلومات عن المسار الذى سلكه الفوتون المسجل عليهما .. فقد يأتي من المسار الأحمر أو المسار اللبني .
شاهد هذا الفيديو يشرح كل ما سبق وركز في نقطة استخراج النتائج ثم انتقل إلى البند التالي:

ماذا أظهرت نتائج التجربة ؟
بعد مقارنة الأزمنة بين العدادات كما قلنا .. نستطيع أن نرسم دالة خاصة بكل عداد بها مواضع الـ signal photon مقارنة بالزمن .. تستطيع أن ترى شكل الجراف لكل عداد من الورقة البحثية الأصلية هنا :
https://goo.gl/VXug7J
وأنقل في الصورة القادمة شكل النتائج الخارجة :
دعنا نُطلق على كل جراف اسم دالة ولتكن P والتي تعتمد على شيئين (أي تُكتب (P(x,M :
تعتمد على المواضع المسجلة (x) .. وكذلك على رقم العداد (M) .
فوجد أن :
(P(x,1 : أي الشكل (Pattern) التي تُظهره التجربة للعداد رقم 1 (D1) يظهر فيها نمط التداخل (interference pattern) .
(P(x,2 : أيضًا يُظهر نمط التداخل .
أما (P(x,3 و (P(x,4 : فلا يُظهران نمط التداخل .

مرحلة تفسير النتائج :
1- الفريق الذى يقول بوجود سببية تراجعية ( Retrocausality) في هذه التجربة :
ملخص حجته تقول ==> بالرغم من أن القياس في العدادات 1 و 2 و 3 و4 جاء متأخرًا عن نتائج العداد 0 بزمن 8 نانو ثانية .. فإن نتائج العداد 0 أظهرت أن الفوتونات التي سيسقط الفوتون المترابط معها (idler photon) على العداد 1 و 2 (التي لا تُخبرنا عن المسار الذى خرج منه الفوتون) تُظهر نمط التداخل .. والفوتونات التي سيسقط الفوتون المترابط معها (idler photon) على العداد 3 و 4 (التي تُخبرنا عن المسار الذى خرج منه الفوتون) لن يظهر لها نمط التداخل لأننا حددنا مسارها وقمنا بقياسه .. أي مع أن القياس تأخر عن النتيجة ولكنه أثر فيها .. وبالتالي فهذه التجربة تُثبت أن المستقبل (القياس المتأخر) قد يؤثر في الماضي (النتائج التي حصلنا عليها) .. وبهذا يكونون قد جعلوا شكل الدالة (P(x,M التي تظهر لنا بأن يكون المدخل فيها (input) أو السبب (cause) هو الـ M (أي رقم العداد) والقياس ورقم العداد الذي سنستخدمه هو المؤثر على النتيجة في الماضي .. ثم يستمرون فيضربون تجربة ذهنية فيقولون :
لو تخيلنا أن العدادات 1 و 2 و3 و 4 أبعدوا للطرف الآخر من المجرة فإن الزمن الفاصل سيكون كبير جدًا وبالتالي فإن النتائج التي نحصل عليها اليوم تتوقف على قياسات لن تتم إلا بعد سنين طويلة .
2- الفريق الذى يُعارض مثل هذه التفسيرات :
يوجد هنا أكثر من فريق :
– الأول يقول بأن تفسير الفريق رقم 1 ليس صحيحًا لأن كل ما تُشير إليه التجربة هو أنه هنالك علاقة ترابط (Correlation) بين رقم العداد (M) وبين المواضع (X) التي ستخرج على العداد D0 لتكوّن شكل الدالة (P(x,M .. وليس العلاقة علاقة سببية (Causation) بحيث يكون فيها دائمًا قياس مسار الفوتون (تحديد رقم عداد معين للقياس) هو ”السبب“ الذى يؤدي إلى انهيار الدالة الموجية وتكون ”النتيجة“ هو عدم ظهور نمط التداخل .
. ففي تجربة الشق المزدوج العادية وعند وضع العداد قبل دخول الفوتون في أحد الفتحتين يكون التأثير الأولي هنا هو قياس المسار (هذه الجملة مكافئة لقولنا تحديد رقم عداد معين M ) ويكون هذا القياس هو ”السبب“ الذى تسبب في ظهور نمط التداخل ”نتيجة“ .. أي أننا في هذه الحالة قطفنا قيمة M أولًا (قبل عبور الفوتون من أحد الشقين) وبسبب وجود ترابط بين قيم M وقيم x والتي تمثلها شكل الدالة (P(x,M فإن تعيين قيمة M أدى إلى ظهور قيم معينة لـ X تؤدى إلى ظهور نمط التداخل أو لا .. فرياضيًا :
في تجربة الشق عُيّنت أولًا قيمة M بحيث لو كانت 1 أو 2 (أي أننا لا نُراقب الإلكترون) فيدخل الإلكترون من الفتحتين وتكون النتيجة أن المواضع x تُظهر نمط التداخل ويظهر لدينا الجراف (P(x,1 أو (P(x,2 .
فالدالة (P(x,M التي تُمثل احتمالية التوزيع هي دالة في المتغيرين ولا يؤثر فيها ما الذى قِيس أولًا هل M أم x .. المهم أن قيمة الدالة P محددة سلفًا وشكلها محدد قبل تغيير M أو x .. فقط أدخل قيمة M أولًا فتعطيك الـ x المقابلة .. أو أدخل قيمة x أولًا فتخرج لك M التي تحدد جراف P .
. أما في تجربة الخيار المؤجل مع ممحاة الكم فإن الفوتون يدخل من الفتحتين أو أحدهما ولم تعيّن بعد قيمة M أو حتى x ثم ينقسم إلى اثنين فيقاس الموضع على العداد D0 للفوتونات العليا (signal photons) أولاً .. أي بذلك يكون x هو ”السبب“ الذى أثر في الـ (idler photon) لكي يدخل الممحاة أو لا يدخل فيكون M هو ”النتيجة“ .. أي أننا في هذه الحالة قطفنا قيمة x أولًا وبسبب وجود ترابط بين قيم M وقيم x والتي تمثلها شكل الدالة (P(x,M فإن تعيين قيمة x أدى إلى ظهور قيم معينة لـ M تؤدي إلى دخول الفوتون إلى الممحاة أو عدم الدخول ..فرياضيًا :
هنا يتم تحديد x أولًا بحيث لو كانت مواضع لنمط تداخل فإن الـ idler photon يدخل الممحاة (لتكون قيمة M إما 1 أو 2) ويظهر لدينا الجراف (P(x,1 أو (P(x,2 أيضًا .
وإذا كانت المواضع لا تكوّن نمط تداخل فيدخل الـ idler photon أحد العدادات 3 أو 4 ويظهر لدينا الجراف (P(x,3 أو (P(x,4 ..
أي المقصود بكل ذلك أنه هنا يتم تحديد قيم x أولًا ثم بعد ذلك قيم M .. وما يفعله الفريق الأول بأن يعتقد أن الـ M هي السبب (cause) ويجب أن تكون السبب والـ X هي النتيجة ويجب أن تكون هي النتيجة فهذا مجرد تفسير ..
وبالتالي يوجد هنا نقطتان :

1) التجربة توضح أنه لا يُمكنك اختيار أي رقم عداد (M) ليدخل فيه (idler photon) بعينه وإنما الفوتونات (idler photons) تدخل بعشوائية في أي عداد منهم، وبالتالي فلا يُمكن اعتبار رقم العداد عبارة عن ”قرار“ تتخذه .
2) النقطة الأكثر أهمية هو أنه لو نظرت إلى الأمر بشكل عكسي فنستطيع أن نقول بأن الـ X (قياس الموضع للـ Signal photon على العداد D0) هو السبب (cause) وهو الذى أثر على مسار الـ (idler photon) وجعله يدخل الـ quantum eraser أو لا يدخلها .. وبذلك يكون السبب سابق النتيجة .. بشكل أوضح :
أي أن الفوتونات (signal photons) التي ضربت العداد D0 في المواضع التي سترسم نمط التداخل هي التي أثرت في الفوتونات المترابطة معها (idler photons) أن تدخل الممحاة (quantum eraser) .
والفوتونات (signal photons) التي ضربت العداد D0 في المواضع التي لن ترسم نمطًا للتداخل أثرت على الفوتونات المترابطة معها (idler photons) بأن لا تدخل الممحاة (quantum eraser) .
أي أنه في الدالة (P(x,M ==> يكون X هو السبب .. وتكون M هي النتيجة .

فكأنهم يقولون .. حسنًا فإن النمط هو المتواجد أولًا ويؤثر على الفوتون! فهل يدخل الممحاة أم لا؟
الفوتونات قد تدخل الممحاة أو لا تدخل فهذا أمر عشوائي لا يُمكنك التحكم فيه (لفوتونات بعينها)، ولكنك إذا قمت باختيار ما دخل إلى الممحاة وفحصت الأزمنة المسجلة ثم قارنتها بعد ذلك بما سجّل على العداد D0 فستجد أن هذه الفوتونات تُعطي نمط التداخل .. فهنا المواضع سُجلت أولًا ثم أثرت في الفوتونات المترابطة لكي تدخل الممحاة أو لا تدخل .. فالأمر أشبه بالخدعة! أنت إذا قررت أن تضع ممحاة الكم وتحذف أي شيء آخر وتُجرى التجربة فهنا ستسقط بعض الـ Signal photons على العداد D0 (فيتحدد مواضعها x ) ثم ستكون ”سببًا“ ومؤثرًا على الفوتونات المترابطة (idler photons) ليدخل بعضها الممحاة (لتقطف قيم M المترابطة مع قيم x التي حُددت)، ثم عند مقارنتك للأزمنة تجد أنها تكوّن نمط التداخل .. ونفس الأمر يحدث إذا ما حذفت الممحاة وتركت العداد 3 و 4 فأنت ستسجل الأزمنة التي لا تُعطى نمط التداخل .
فالنتائج التي معك الآن هي التي معك ولن يؤثر فيها المستقبل بشيء، فأنماط التداخل لم تُخلق بسبب القياس المستقبلي .. كل ما في الأمر أن المستقبل سيعطيك صورة متكاملة لما حدث (بعد أن تحصل على نتائج قياس الـ idler photon وتقارن الأزمنة تستطيع تحليل الأمر) وهذا ما أشار إليه Brian Greene (مع أنه كان مع الفريق الذى يرى بأن قياس العداد (M) هو السبب دائمًا وليس قياس المواضع (x) .. لكنه مع ذلك يوضح بأن التجربة لا تقول بأي حال بأن المستقبل سيؤثر في الماضي ! ) أشار إلى ذلك في كتابه The Fabric of the Cosmos صـ 198 :
Again, let me emphasize that the future measurements do not change anything at all about things that took place in your experiment today; the future measurements do not in any way change the data you collected today. But the future measurements do influence the kinds of details you can invoke when you describe what happened today. Before you have the results of the idler photon measurements, you really can’t say anything at all about the which-path history of any given signal photon. However, once you have the results, you conclude that signal photons whose idler partner were successfully used to ascertain which-path information can be described as having – years later – traveled either left or right. You also conclude that signal photons whose idler partners had their which-path information erased cannot be described as having – years earlier – definitely gone one way or the other […]. We thus see that the future helps to shape the story you tell of the past.
Mohamed Ramadan
– الفريق الثاني يستخدم تفسيرات أخرى لميكانيكا الكم (غير تفسير كوبنهاجن) لتفسير هذه التجربة :
سأكتفي هنا بنقل تفسير واحد وهو تفسير للتجربة باستخدام transactional interpretation of quantum mechanics ..
ملخص هذا التفسير :
يعتبر أن انهيار الدالة الموجية (collapse of the wave function ) يكون بسبب القياس (رقم العداد) ولكن باستخدام مفهوم الدالتين :
retarded wave : وهى موجة تنطلق من الشقين إلى العداد .
advanced wave : وهى موجة تنطلق عكسيًا في الزمن من العداد إلى الشقين (تبسيطًا كأنها تُخبر الفوتون عن عملية القياس المستقبلية لكى يُحدد أي الشقين يدخل منهما أم يدخل بحالة تراكب) .
وبهذا تجنبوا تفسير السببية التراجعية كما يقول صاحب الورقة .. ويوضح أيضًا أن هذا التفسير يعطي نفس النتائج النهائية كما في تفسير كوبنهاجن :
Also any confusion about possible retro-causal signaling is put to rest. A delayed choice quantum eraser does not require any sort of backward in time communication. This paper makes the point that it is preferable to use the Transactional Interpretation (TI) over the usual Copenhagen Interpretation (CI) for a more intuitive understanding of the quantum eraser delayed choice experiment. Both methods give exactly the same end results and can be used interchangeably.
رابط الورقة :
https://arxiv.org/abs/1501.00970
============================
ولمن أراد الاطلاع أكثر على تفاصيل التجربة وتوضيح التفسير الذي لا يتطلب منه وجود السببية التراجعية وبشكل فيه بعض الرياضيات يطلع على الملف القادم .. والهدف الأساسي من الملف توضيح كيف أن هذه التجربة يُمكن تفسيرها بدون إقحام ما يُسمى بالسببية التراجعية كما يقول المؤلف :
The purpose of this paper is to show how the delayed-choice experiments can be interpreted without involving retrocausality.
الرابط :
https://www.ellerman.org/…/up…/2015/01/OnLineFirstReprint.pdf

https://link.springer.com/article/10.1007/s40509-014-0026-2
=============================
ثم بعد كل هذا التوضيح فهناك نقطة هامة .. إن الجدل ليس على نقطة ==> هل يوجد علاقة سببية وقانونية بين الأشياء أم أن هذا وهم .. بل الجدل عن هل يوجد ”سببية تراجعية“ أم لا ؟ لم يقل أحد أن مفهوم السببية العامة قد اخترق! مفهوم السببية العامة ==> أقصد به المفهوم العام للسببية و التي هي علاقة ما بين حدثين مستقلة عن الزمن (عن الترتيب الزمني بينهما). أو قد تُسميها العلاقة القانونية بين الحدثين بغض النظر عن الترتيب الزمني بينهما و أيُهما رصد قبل الآخر .. فمجرد وجود علاقة قانونية بين الحدثين تدل على (عجز حدوث) و (وجود) أحدهما بدون الآخر فهذا يدل على الخضوع لمبدأ السببية .. وهذا المفهوم هو الذى يُستخدم للاستدلال به على حدوث الأشياء وعدم أزليتها .