در سال۱۹۴۹«چین-شیونگ وو»، فیزیکدان، آزمایشی را ابداع کرد که توانست شواهدی از درهم تنیدگی کوانتومی را مستند کند. اما یافتههای او برای بیش از ۷۰ سال علنی نشده بود.
در نوامبر۱۹۴۹،«چین-شیونگ وو»، و دانشجوی فارغ التحصیل او،«ایروینگ شاکنوف» به آزمایشگاهی در دانشگاه کلمبیا رفتند. آنها برای آزمایش جدید خود به پادماده نیاز داشتند، و خودشان موفق شدند آن را با استفاده از ماشینی به نام سیکلوترون بسازند. آهنربای این دستگاه چند تن وزن داشت.
میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک سیکلوترون، شتاب بسیار زیادی به ذرات میدهد. آنها برای بمباران یک ورق مس از دوترون استفاده کردند و ایزوتوپ ناپایدار Cu ۶۴ را به عنوان منبع پوزیترون- پادماده تولید کردند. زمانی که یک پوزیترون و یک الکترون با هم برخورد میکنند، یکدیگر را از بین برده و دو فوتون آزاد میکنند که در جهت مخالف از هم دور میشوند. چند سال قبل، فیزیکدان «جان ویلر» پیشبینی کرده بود که وقتی ماده و پادماده به هم میرسند، فوتونهای حاصل بهطور عمودی قطبی میشوند.
قبل از این دو تیم برای اثبات پیشبینیهای «ویلر» تلاش کرده بودند، اما آزمایشهای آنها حاشیه خطای بالایی داشت. اما «وو» با دقت فوقالعاده بالای خود سرانجام توانسته بود سال قبل نظریه انریکو فرمی در خصوص فروپاشی بتا را ثابت کند. کاری که دیگران یک دهه در تلاش برای انجام آن بودند.
«وو» و «شاکنوف» ایزوتوپ مس را در یک کپسول کوچک به طول هشت میلیمتر قرار دادند و منتظر برخورد الکترونها و پوزیترونها در داخل دستگاه شدند. سپس با استفاده از دو «لامپ فتوفزونگر»، کریستالهای آنتراسن و یک جرقه سنج به عنوان آشکارساز پرتو گاما، تابش نابودی حاصل را در دورترین قسمتهای آزمایش خود ردیابی کردند.
آنها توانستند علاوه بر اثبات نظریه «ویلر» موضوعات شگفتانگیز بیشتری را اثبات کنند. شواهد نشان میداد که جفت فوتونهای حاصل از برخورد ذرات، به طور دائمی، و بطورعمودی نسبت به یکدیگر قطبی هستند. گویی حتی از فاصله دور به یکدیگر متصل هستند. «وو» و «شاکنوف» نظریه جفت ویلر را در روز سال نو ۱۹۵۰ در مقالهای یک صفحهای در Physical Review منتشر کردند. این موضوع که در هم تنیدگی و خواص ذرات حاصل از آن همیشه کاملاً همبستگی دارند، و مهم نیست چقدر از هم دور میشوند، آنقدر عجیب بود که آلبرت انیشتین فکر میکرد که فیزیک کوانتوم به وضوح به خطا افتاده است.
در سال ۲۰۲۲، کمیته اعطای جایزه نوبل از کار تجربی سه فیزیکدان در مورد نظریه درهم تنیدگی تقدیر کرد. جان کلوزر، آلن اسپکت و آنتون زایلینگر هر کدام با ارائه شواهدی، توضیحات جایگزین دیگر را رد کردند و تنها نتیجه باقیمانده، درهم تنیدگی بود. چیزی که «وو» قبلا آن را اثبات کرده بود. با اینحال «وو» در سال ۱۹۹۷ درگذشت و زمان اعلام جایزه نوبل، نامی از او برده نشد. البته این اولین باری نبود که تلاشهای علمی او نادیده گرفته میشد.
«چین شیونگ وو» در شهر کوچکی در حوضه رودخانه یانگ تسه در چین متولد شد. پدرش، یک روشنفکرانقلابی و یک فمینیست بود و برخلاف دیگران که اکثرا برای دختران از اسامی گلها استفاده میکردند، او نام شیونگ به معنای «قهرمان قوی» را برای دخترش انتخاب کرد.
او در فضای سیاسی آن زمان بزرگ شد و در سال ۱۹۳۶ و در سن ۲۴ سالگی، تا بالاترین مقطع علم فیزیک که در چین بود، ادامه تحصیل داد. سپس برای گذراندن دوره دکترا سوار بر کشتی شد و به سمت کالیفرنیا حرکت کرد. او در رشته فیزیک او زیر نظر پیشگامانی مانند امیل سگره، ارنست لارنس و جی رابرت اوپنهایمر تحصیل کرد.
او دانشجوی ممتاز دانشگاه کالیفرنیا، برکلی بود و تحقیقات پایاننامه او در مورد محصولات بدست آمده از شکافت اورانیوم، آنقدر پیچیده و حساس بود که تا پایان جنگ جهانی دوم به ارتش واگذار شد. در آن زمان او تنها زنی بود که در ۲۰ دانشگاه برتر پژوهشی کشور، به تحقیق در علم فیزیک مشغول بود. با اینحال او برای یافتن یک شغل مشکل داشت و برای دو سال برای قرارهای تحقیقاتی به استادان خود وابسته بود.
تعصب جنسیتی تنها مانع او نبود. با تشدید جنگ جهانی دوم و قطع ارتباط آمریکا با چین، تبعیض علیه مهاجران آسیایی به ویژه در ساحل غربی تشدید شده بود. تا جایی که در سال۱۹۴۰، استخدام او بصورت موقت تایید شد و سال بعد حکمی برای اخراج او صادر شد. اوپنهایمر که یکی از اساتید او بود و «وو» از شاگردان خوب او محسوب میشد، به هنگام ترک دانشگاه برکلی در سال ۱۹۴۲ از او برای ملحق شدن به تیم شاگردانش دعوت به عمل نیاورد.
او در نهایت به شرق نقل مکان کرد و سال بعد اولین زنی بود که در دانشکده فیزیک دانشگاه پرینستون استخدام شد. مدتی بعد، پروژه منهتن، سرانجام او را به خدمت گرفت و او نقش مهمی در ساخت بمب اتمی ایفا کرد. با این حال، «وو» برای چندین سال دائما از سوی مقامات مهاجرت تهدید به اخراج میشد. او قصد داشت تنها برای مدتی از چین دور باشد، اما با روی کار آمدن مائو تسه تونگ کمونیسم، دیگر بازگشت به خانه امکانپذیر نبود و او هرگز دیگر خانوادهاش را ندید.
در همتنیدگی از شاخههای سخت ریاضیات و فیزیک است و در عین حال بسیار جذاب است. درک این مفهوم که بمحض تعامل ذرات یا سیستمهای خاص با یکدیگر، دیگر نمیتوان آنها را مستقل از هم توصیف کرد، و هر اتفاقی که برای یک از آنها بیافتد، فارغ از اینکه چقدر با هم فاصله داشته باشند و بنظر ارتباط ظاهری با هم نداشته باشند، بر دیگری نیز تاثیر گذار است. هر یک از دو جفت درهم تنیده، فاقد مجموعه مشخصی از ویژگیهای خاص است، اما به محض اینکه شروع به اندازهگیری این ویژگیها میکنیم، بلافاصله جفت دیگر با آن هماهنگ میشود و حتی اگر این ذرات با هم فاصله زیادی داشته باشند، ویژگیهای یکسانی را بروز میدهند.
ورنز هایزنبرگ، فیزیکدان، در سال ۱۹۲۷، این مشکل را «اصل عدم قطعیت» نامید. او تحت آموزش نیلز بوهر، بنیانگذار فیزیک کوانتومی درس میخواند و بوهر اصطلاح «اصل مکملیت-مکملی» را برای توصیف نتایج تجربی عجیب در فیزیک کوانتوم ابداع کرده بود. به عقیده او این موضوع بسیار شگفتانگیز و عجیب است که به محض اندازهگیری ویژگی یک ذره، خصوصیات ذره دیگر نیز همانند اولی میشود. خصوصیاتی که ممکن است حتی تا آن لحظه وجود نداشته و قابل اندازهگیری نبوده اند. یعنی این ذرات به شکلی شبیه به تلهپاتی با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند.
در سال۱۹۳۵ انیشتین، بوریس پودولسکی و ناتان روزن سعی کردند با اشاره به اینکه چقدر این امر غیرمعمول به نظر می رسد، مکانیک کوانتومی را زیر سوال ببرند. پارادوکس معروف اینشتین-پودولسکی-روزن(EPR) مستقیماً به مسئله درهم تنیدگی اشاره میکند. در EPR آمده که باید توضیح بهتری برای این که چرا و چگونه یک ذره میتواند سریعتر از سرعت نور با شریک درهم تنیدهاش هماهنگ شود، وجود داشته باشد. انیشتین با تمسخر، این پدیده را “عمل شبح وار از راه دور” نامید. از نظر او و همکارانش، چنین پدیدههایی ثابت میکرد که نظریه کوانتومی هنوز ناقص است.
دیوید بوهم نیز فیزیکدان دیگری بود که همانند انیشتین فکر میکرد توضیحی کاملا منطقی برای درهمتنیدگی وجود دارد. توضیحی که میتوانیم آن را به متغیرهای پنهان نسبت دهیم و تنها باید آنها را پیدا کنیم. در سال ۱۹۵۷، بوهوم به همراه یکی از شاگردانش بنام یاکیر آهارونوف، تحقیقی در مورد فوتونها نوشتند که چطور میتوان با استفاده از پارادوکس معروف EPR برای آشکارسازی این متغیرهای پنهان استفاده کرد. بوهم نوشت: «اینجا آزمایشهایی انجام شده است که اساسا این نقطه را آزمایش میکند، اما به روشی غیرمستقیمتر.»
«ایندیانارا سیلوا»، استاد علوم فیزیکی و تاریخ، در دانشگاه ایالتی فیرا دسانتانا در برزیل، میگوید این آزمایش، همان آزمایش «وو» و «شاکنوف» در سال۱۹۴۹ بود.
سیلوا مورخی است که به شدت به داستانهای گمشده زنان تاثیرگذار در تاریخ علم توجه دارد. سیلوا میگوید: « «وو» و «شاکنوف» اولین کسانی بودند که اندازهگیری دقیق نظریه جفت ویلر را در سال۱۹۴۹ انجام دادند، و درهم تنیدگی بین فوتونها را ثبت کردند. تحقیقات آنها الهامبخش تحقیقات بعدی در بنیادهای کوانتومی بود.» سیلوا مجموعه ای از مقالات منتشر شده توسط فیزیکدانان و مورخان دیگر از بوهم در سال ۱۹۵۷ گرفته تا زایلینگر، که یکی از برندگان جایزه نوبل ۲۰۲۲ بود را بررسی کرده و تاکید میکند که این کار توسط «وو» و «شاکنوف» در سال ۱۹۴۹ آغاز شد و آنها وجود حالتهای درهم تنیده، با فضاهایی جداگانه را نشان داده بودند.
بوهم چند سال از «وو» کوچکتر بود و هر دو زیر نظر اوپنهایمر در آزمایشگاه معتبر پرتو E. O. Lawrence کار میکردند. بوهم میدانست که «وو» یک دانشجوی ممتاز است و نظریاتش را در پاورقی مقاله خود در سال ۱۹۵۷ آورده بود.
یافتههای سیلوا در کتاب راهنمای تاریخچه تفسیر کوانتومی آکسفورد در سال۲۰۲۲ منتشر شد. او در این کتاب به این موضوع میپردازد که چطور مقاله بوهم در مورد متغیرهای پنهان، الهامبخش «جان بل» شد. به گفته جان بل، تعداد انطباقهای کوانتومی بین ذرات، قابل پیشبینی و شمارش است. در سال۱۹۶۴، بل در یک مجله گمنام به نام Physics, Physique, Fizika، مقاله بوهم (که به آزمایش وو اشاره داشت) را مورد بحث قرار داد و نظریه جدید خود را ارائه کرد. چند سال بعد، جان کلازر جوان، تئوریهای بل را در کتابخانه کلمبیا پیدا کرد.
این تئوری الهام بخش طراحی آزمایشهایی جدید توسط کلازر شد. آزمایشهایی که او امیدوار بود تا بتواند درستی نظریات بل را ثابت کند و نشان دهد که متغیرهای پنهان، واقعی هستند.
جالب اینجاست که نامه ارسالی توسط « وو» و « شاکنوف» به مجله Physical Review در سال ۱۹۵۰، تنها در مورد نظریه جفتهای ویلر صحبت میکند، و اشارهای به درهم تنیدگی نکرده است. در سال۲۰۱۲، F. J. Duarte ، فیزیکدان، نظریه جفتهای ویلر را “ماهیت درهم تنیدگی” نامید. سایر فیزیکدانان و مورخان مانند سیلوا نیز به وضوح این ارتباط را مشاهده کردند. پس چرا «وو» در نامه سال ۱۹۵۰ خود به درهم تنیدگی کوانتومی اشارهای نکرده بود؟
ممکن است «وو» برای مطرح کردن و بحث در مورد شواهد در هم تنیدگی در طول دهههای ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ مردد بوده باشد، زیرا در آن دوران به چنین کارهایی در مورد پایههای کوانتومی، برچسب علم بدون منطق(علم زرد-Junk science) زده میشد.
دیوید کایزر، استاد فیزیک و «تاریخ علم» در موسسه فناوری ماساچوست، میگوید: در آن زمان، برای اکثر فیزیکدانان ایده استفاده از آزمایشها برای اثبات یا رد نظریههای مربوط به فیزیک کوانتوم، یا آزمایش متغیرهای پنهان، امری معمول نبود. محققانی که در مورد سوالاتی در خصوص درهم تنیدگی بررسیهایی انجام میدادند، اغلب تحقیقات خود را پنهان میکردند، زیرا واکنشهای منفی میتوانست جلوی پیشرفت و ادامه کار امیدوارکننده آنها را بگیرد. و برای ما این پرسش وجود دارد که آیا «وو» نیز ممکن است این کار را کرده باشد.
سیلوا میگوید که «وو» ۲۰ سال بعد ، به آزمایش سال۱۹۴۹ خود بازگشت تا آن را بیشتر اصلاح کند. در آن زمان، «وو» از نظر حرفهای جایگاه امنتری پیدا کرده بود و مستقیماً به سؤالات مربوط به مکانیک کوانتومی پاسخ میداد. او طرفدار تفسیرهای سنتی نظریه درهم تنیدگی کوانتومی بود، نه نظریات «بوهم». در سال۱۹۷۱، زمانی که «وو» نسخه جدیدی از آزمایشاش را طراحی کرد، نوشت که “این نتایج مطمئناً طرفداران متغیرهای پنهان را ساکت خواهد کرد.”
زمانی که کلوزر در سال ۱۹۶۹ آزمایش پیشنهادی خود که برگرفته از نظریه بل بود را منتشر کرد، بسیار مراقب بود تا آزمایش «وو-شکنوف» را از آزمایش خود جدا کند. کلاوزر میخواست ثابت کند که متغیرهای پنهان، واقعی هستند. اما نهایتا او در سال ۱۹۷۲، وجود متغیرهای پنهان را رد کرد و درهم تنیدگی را با قطعیت بیشتری نشان داد. او طبق روش پیشنهادی بل، تعداد تصادفات را شمرده بود، اما واقعیت این بود که تعداد این تصادفات بسیار بیشتر از آن چیزی بود که متغیرهای پنهان بتوانند آن را توضیح دهند. این کار کلاوزر، باعث آزمایشهای بعدی اسپکت و زایلینگر Zeilinger شد و آنها با حمایت از درهمتنیدگی، راه را برای احتمالات دیگر بستند. مجموع این آزمایشات منجر به دریافت جایزه نوبل ۲۰۲۲ توسط آنها شد.
زمانی که مقاله بوهم در مورد متغیرهای پنهان منتشر شد، چیزهای زیادی در زندگی «وو» تغییر کرده بود. او ازدواج کرده و به ساحل شرقی نقل مکان کرده بود. او در پرینستون بود و تابوهای اجتماعی زیادی را شکسته بود. اکنون او یک فرزند داشت و شهروند ایالات متحده شده بود. او عضو هیئت علمی کلمبیا بود، اگرچه هنوز یک استاد کامل نشده بود.
در سال ۱۹۵۶، تی.دی.لی، همکار «وو» در کلمبیا، برای مشاوره در مورد یک سوال عجیب به او مراجعه کرد. او و شریک تحقیقاتیاش، چن نینگ یانگ، به این فکر کردند که آیا برخی از ریزترین ذرات جهان ممکن است ناقض انتظاراتی باشند که مدتهاست از آنها داشتهایم.. «وو» در پاسخ به «لی» به مجموعهای از تحقیقات اشاره کرد و تعداد انگشت شماری از آزمایشهای احتمالی را به او پیشنهاد داد که احتمالا پاسخ سوالات او را خواهند داد.
بسیار بعید بود که یانگ و لی که نامزدهای جایزه بودند، به پیشنهادات «وو» عمل کنند. هر دو آنها نظریه پرداز بودند، و مانند «وو» تجربیات عملی نداشتند. یانگ نیم قرن بعد اعتراف کرد که نه او و نه لی، در سال۱۹۵۶ صادقانه فکر نمیکردند که فرضیه آنها ثابت بماند. در واقع، فیزیکدانان برای دههها تصور میکردند که برعکس این امر صادق است: در میان الگوهای تغییرناپذیر و ثابت در بسیاری از اجزای سازنده جهان ما، این تقارن خواهد بود. قوانین بقای ریاضی میگویند که اگر توالی یکسانی از رویدادها را در زمان به جلو و عقب هدایت کنید، رویدادها متقارن باقی میمانند. با این حال، فرضیه یانگ و لی نشان میدهد که اگر رویدادها را در یک آینه خیالی ورق بزنید، رفتار ذرات هسته ای در واپاشی بتا، ممکن است یکسان به نظر نرسد. این ایده به سادگی با تفکر علمی مرسوم یا با عقل سلیم همسو نبود.
«وو» همانند پدرش بر خلاف روال معمول و آنچه متداول بود فکر میکرد. او میدانست که این موضوع مهم است و چگونه باید به آن نزدیک شود. بنابراین برای حل ایدههای همکارانش، آزمایشی را طراحی و رهبری کرد. این کار او به معنای لغو اولین سفرش به چین بود بعد از ۲۰ سال بود.
«وو» برای اجرای آزمایشی که در ذهن داشت، نیاز داشت دمای هسته کبالت ۶۰رادیواکتیو را تا جایی پایین بیاورد که ذرات تقریباً از حرکت باز بمانند. او میخواست بررسی کند که آیا همانطور که تمام فیزیکهای جریان اصلی معتقد بودند، ذرات دختر در تجزیه هستهای در یک الگوی متقارن پرتاب می شوند؛ یا اینکه الگوهای رادیواکتیو، تمایلی برای رفتار “راست دست” یا “چپ دست” از خود نشان میدهند. او از اداره ملی استانداردها (NBS، که اکنون NIST نام دارد) در واشنگتن دی سی درخواست همکاری کرد، زیرا برخلاف بسیاری از آزمایشگاههای دیگر، آنها فناوری و تخصص لازم برای کار در دمای نزدیک به صفر مطلق را داشتند. «وو» چندین ماه در رفت آمد بین شهرهای نیویورک و واشنگتن بود و بر کار دانشجویان فارغالتحصیلی که از این آزمایش حمایت میکردند، نظارت داشت.
«وو» و همکارانش در NBS، با مشورت نزدیک با یانگ و لی، در ژانویه۱۹۵۷ به کشف شگفتانگیزی دست یافتند. برخلاف فرضیات فیزیک، ذرات واپاشی بتا متقارن نبوده و کمی “چپ دست” بودند. به محض اعلام این خبر، یانگ، لی و وو، همراه با کسان دیگری که کار «وو» را دنبال می کردند، خود را در کنفرانسهای ملی یافتند؛ نام و تصاویر آنها در مطبوعات مشهور پخش شد. هنگامی که انجمن فیزیک آمریکا در آن سال در هتل نیویورک گرد هم آمدند، آنها یافتههای خود را در جایی ارائه کردند که به نوشته نیویورکر: «بزرگترین سالن هتل مملو از جمعیت بسیار زیاد بود که برخی از آنها هر کاری انجام میدادند جز اینکه از لوسترها آویزان شوند.»
در اکتبر آن سال، یانگ و لی اولین دو آمریکایی چینی در تاریخ بودند که برنده جایزه نوبل شدند. اگرچه جایزه نوبل هر سال به سه نفر داده میشد، اما «وو» در آن گنجانده نشد. جایزه نوبل۱۹۵۷ مانند یک منشور که اجزای نور را از هم جدا میکند، نقش تبعیض جنسیت در عدم دریافت جایزه نوبل توسط «وو» را به خوبی نمایان ساخت. سرانجام، سال بعد، کلمبیا «وو» را به درجه پروفسور کامل ارتقا داد.
یانگ در سخنرانی دریافت جایزه نوبل خود در دسامبر، به کمیته و میهمانان گفت که چقدر آزمایشات «وو» در دستیابی به این نتیجه مهم بوده و اظهار داشت رسیدن به آن به دلیل شجاعت و مهارت تیم «وو» بوده است. لی بعداً از کمیته نوبل درخواست کرد که کار «وو» را به رسمیت بشناسند. اوپنهایمر نیزعلناً اعلام کرد که «وو» باید در جایزه ۱۹۵۷ سهیم می شد.
دانشمندان دیگر نیز از حذف «وو» و به رسمیت نشناختن او از بالاترین دستاوردهای علمی انتقاد کردند. در سال ۱۹۹۱ داگلاس هافستاتر، نویسنده کتاب «گودل، اشر، باخ»، از دانشمندان خواست تا نامههایی به کمیته نوبل بنویسند و «وو» را برای دریافت جایزه فیزیک توصیه کنند. و نهایتا در سال۲۰۱۸، تعداد ۱۶۰۰ نفر از محققان در نامهای سرگشاده خطاب به CERN(سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای( با اشاره به نام «وو» تبعیض جنسینی کنونی در محافل علم فیزیک را به چالش کشیدند. در این نامه آمده است: «حداقل چهار زن وجود دارند که کارشان با فیزیک ذرات مرتبط است و به حق شایسته دریافت جایزه نوبل بودهاند. اما در برخی موارد همکاران مردی که با آنها مشارکت داشتهاند، جایزه نوبل را دریافت کردهاند». نام «وو» در بالای آن لیست آمده است.
پس از کم شدن تبعیضها، وو اولین زنی بود که جایزه کامستاک را از آکادمی ملی علوم دریافت کرد. اولین رئیس زن انجمن فیزیک آمریکا؛ اولین فیزیکدانی که جایزه گرگ را دریافت کرد. و اولین فیزیکدان زنده ای بود که یک سیارک به افتخار او نامگذاری شد. کار او درهای تدریس دانشگاهی در غرب برای زنان و دانشمندان رنگین پوست را باز کرد. در چین، او بسیار مورد احترام است. در سال۲۰۲۱، خدمات پستی ایالات متحده یک تمبر Forever با پرتره «وو» منتشر کرد. امروزه آزمایش برابری «وو» به عنوان گام اولیه برای مدلی استاندارد در فیزیک ذرات تبدیل شده، و به پاسخهای احتمالی در مورد اینکه اصلاً چرا ماده در جهان ما وجود دارد اشاره میکند.
با این حال، کار اولیه انجام شده توسط «وو» در مورد درهم تنیدگی در هالهای از ابهام باقی مانده است. در واقع جایزه نوبل ۲۰۲۲ شامل مجموعهای از تحقیقات و آزمایشات مرتبط بودند که در طی دههها انجام شده بود. با اینکه «وو» نمیتوانست پس از مرگش این جایزه را دریافت کند، اما سرانجام تحقیقات اولیه او، به لطف مورخانی مانند سیلوا، دیده شد و به عنوان بخش مهمی از تاریخ درهم تنیدگی ثبت شد. شاید جامعه روایت قهرمانان یا اسطورهها را به تنهایی دوست داشته باشد، اما با نگاهی دقیق میتوانیم بفهمیم که علم درست همانند خود در هم تنیدگی، خارقالعاده است و اساسا به ارتباطات وابسته است.
