ابهام در واقعیت کوانتومی

در این مطلب ( ابهام در واقعیت کوانتوم )با ما همراه باشید.

در بطن فیزیک کوانتومی شکافی عمیق وجود دارد. با این حال، این شکاف از کار بیشتر روی این نظریه جلوگیری نمی کند.

فیزیک کوانتومی از هر آزمایشی سربلند بیرون آمده است و تقریبا منشاء همه تکنولوژی‌های مدرن است.

از تراشه‌های سیلیکونی تلفن شما گرفته، تا LED صفحه نمایشش. از ژرفای انرژی هسته‌ای پیشران کاوشگران فضاهای دوردست گرفته، تا لیزرهای بکار رفته در اسکنر پردازشگر بار کد اجناس موجود در سوپر مارکت‌ها.

نظریه کوانتومی توضیح می دهد که چرا خورشید می درخشد، و چگونه چشمان ما می بینند. فیزیک کوانتومی کارآمد است. اما شکاف هنوز پابرجاست.

به گزارش بیگ بنگ، علیرغم موفقیت لجام گسیخته‌اش، هنوز نمی دانیم که این نظریه در مورد جهان پیرامون‌مان چه می گوید.

ریاضیاتش به طور شگفت‌انگیزی پیش‌بینی‌های درستی دربارۀ نتایج پدیده‌های طبیعی و آزمایشگاهی ارائه می دهد.

به منظور کارکردی منظم و درست، نظریه کوانتومی باید شامل برخی حقایق ژرف و اساسی در مورد سرشت جهان پیرامون‌مان باشد.

اما در مورد اینکه این نظریه دربارۀ واقعیت چه می گوید و یا اینکه اصلا چیزی برای گفتن دارد یا ندارد، اختلاف نظرهای زیادی وجود دارد.

حتی رمزگشایی از ساده‌ترین چیزهای ممکن در فیزیک کوانتومی دشوار است. فرض کنید می خواهید موقعیت یک شی ء کوچک منفرد، مثلا محل ساده‌ترین ذرۀ آشنای زیراتمی، یعنی یک الکترون را توصیف کنید.

می دانید سه بُعد وجود دارد، و طبعا برای توصیف موقعیت الکترون، به سه عدد نیاز خواهید داشت.

در زندگی روزمره، شکی نیست که اگر بخواهید موقعیت من را بدانید، نیازمند دانستن طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع من از سطح زمین هستید.

اما در فیزیک کوانتومی این سه عدد کفایت نمی کند. در عوض فقط برای توصیف یک الکترون، به بی‌نهایت عدد نیاز دارید که در سراسر فضا پراکنده‌اند.

این مجموعه که شامل بی نهایت عدد است، یک “تابع موج” نامیده می شود. زیرا این اعداد معمولا به آرامی تغییر کرده، و نوساناتی شبیه به یک موج دارند.

معادله‌ای زیبا که توصیف می کند چگونه توابع موج در سراسر فضا نوسان می کنند، معادله ی شرودینگر نامیده می شود.

اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، نخستین کسی بود که در سال ۱۹۲۵ این معادله را کشف کرد. اکثر توابع موج از معادله شرودینگر پیروی می کنند.

همانطور که سقوط یک پاره سنگ از قوانین نیوتن متابعت می کند. این معادله چیزی شبیه یکی از قوانین طبیعت است که در عین سادگی و زیبایی، در ابتدا می تواند ریاضیاتی به نظر نیاید.

با وجود زیبایی و سادگی معادله شرودینگر، توابع موج به طور خارق‌العاده‌ای شکیل است. چرا شما به اطلاعاتی بسیار زیاد، یعنی بی نهایت عدد که در همه جای فضا پخش شده‌اند، فقط برای توصیف موقعیت یک شی ء منفرد نیاز دارید؟

ممکن است این بدان معنا باشد که الکترون به طریقی محو شده است. اما همانطور که معلوم شده است این گفته درست نیست.

در واقع وقتی الکترونی را جستجو می کنید، فقط در یک نقطه، خودش را نشان می دهد. هنگامی که الکترون را یافتید، حتی چیز عجیبی روی می دهد: تابع موج الکترون موقتا از معادله شرودینگر پیروی نمی کند.

در عوض، این تابع با همۀ اعداد بی‌شمارش، بجز مکانی که شما الکترون را در آنجا یافتید، فروپاشیده و به صفر تبدیل می شود.

پس توابع موج چه هستند؟ و چرا فقط بعضی مواقع از معادله شرودینگر پیروی می کنند؟ به ویژه، چرا فقط هنگامی که هیچکس به آنها نمی نگرد از معادله شرودینگر مطابعت می کنند؟ این پرسش‌های بی‌پاسخ شکافی را در بطن فیزیک کوانتومی نمایان می کنند.

خصوصا پرسش آخر به اندازه‌ای در میان فیزیکدانان معروف شده که نامی ویژه دارد: “مشکل اندازه‌گیری”.

به نظر می رسد مشکل اندازه‌گیری تمایل دارد که فیزیک کوانتومی، در مسیر خود متوقف شود.

“نگاه کردن” یا “اندازه‌گیری” چه معنایی دارد؟ به طور کلی پاسخی که همه روی آن توافق داشته باشند برای این پرسش وجود ندارد.

ما واقعا نمی دانیم چه وقت معادلۀ شرودینگر را به کار برده و چه وقت به کار نبریم.

اگر ندانیم چه موقع این قانون را به کار برده و چه وقت آن را کنار بگذاریم، چگونه می توانیم از آن استفاده کنیم؟

پاسخ عملگرایانه به این پرسش این است که وقتی ما فیزیکدان‌ها روی فیزیک کوانتومی کار می کنیم، تمایل داریم آن را فقط بعنوان فیزیک اشیاء خیلی کوچک در نظر بگیریم.

ما معمولا فرض می کنیم که معادله شرودینگر در مورد اشیاء بزرگ مانند میز، صندلی، انسانها و دیگر چیزهایی که در زندگی روزمره با آنها سر و کار داریم، کارایی ندارد و این اشیاء از فیزیک کلاسیک آیزاک نیوتن پیروی می کنند.

و کاربرد معادله شرودینگر هنگامی که یکی از این اشیاء با ذره‌ای کوچک از جهان کوانتومی برهمکنش می کند، متوقف می شود.

با این روش در بیشتر موارد پاسخ درستی به دست می آوریم. اما بیشتر فیزیکدان‌ها باور ندارند که جهان این طور کار می کند.

آزمایشات در دهه‌های گذشته نشان داده‌اند که فیزیک کوانتومی در مورد اشیاء بزرگ و خیلی بزرگ هم کارایی دارد.

و در اینجاست که در مورد کاربردش در همۀ مقیاس‌ها تردیدی نیست. در واقع، فیزیک کوانتومی به صورت موفقیت‌ آمیزی برای توصیف بزرگترین چیزها از جمله خود جهان در حوزه‌ای خوش ساخت از علم به نام کیهان‌ شناسی فیزیکی به کار می رود.

اگر فیزیک کوانتومی واقعا در همۀ مقیاس‌ها به کار می رود، پاسخ درست به مشکل اندازه‌گیری چیست؟ واقعا چه چیزی در جهان کوانتومی روی خواهد داد؟ به طور تاریخی، جواب استاندارد به این پرسش این است که مشکل اندازه‌گیری وجود ندارد.

زیرا پرسش از اینکه چه چیزی روی داده است، وقتی هیچ چیزی دیده نشود، بی‌معنی است.

اتفاقاتی که روی می دهند، هنگامی که هیچکس آنها را نبیند، غیرقابل مشاهده خواهند بود، و صحبت کردن در مورد چیزهای غیرقابل مشاهده، بی‌معنی است.

این دیدگاه بر اساس محل زندگی فیزیکدان بزرگ دانمارکی نیلز بور، به عنوان “تفسیر کپنهاگی فیزیک کوانتومی” شناخته می شود. بور پدرخواندۀ فیزیک کوانتومی و مدافع اصلی تفسیر کپنهاگی بود.

تفسیر کپنهاگی برخلاف موقعیت تاریخی‌اش بعنوان جواب پیش فرض، در پاسخ به اینگونه پرسش‌های کوانتومی کفایت نمی کند.

این تعبیر، هیچ چیزی در مورد اینکه چه چیزی در جهان کوانتومی روی می دهد، به ما نمی گوید.

در سکوت سرسختانۀ سرشت واقعیت، تفسیر کپنهاگی در مورد اینکه چرا فیزیک کوانتومی کارایی دارد، هیچ توضیحی ارائه نمی دهد، زیرا این تفسیر نمی تواند بر هیچکدام از ویژگی‌های جهان دلالت کند.

جهانی که هیچ شباهتی به ساختارهای ریاضیاتی موجود در بطن نظریه ندارد. تعبیر کپنهاگی هیچگونه زمینه منطقی یا فلسفی که چیزهای غیرقابل مشاهدۀ بی‌معنی را وادار به آشکار شدن کند، در خود ندارد.

در هر صورت، واژه “غیرقابل مشاهده” مشخص‌تر از واژه “اندازه‌گیری” نیست. بنابراین، آشکار شدن چیزهای غیرقابل مشاهدۀ بی‌معنی، فقط یک دیدگاه احمقانه نیست، بلکه یک دیدگاه مبهم است.

این ابهام از آغاز، تفسیر کپنهاگی را به ستوه آورده بود؛ امروزه این تعبیر، وجه اشتراک چند ایده مخالف و متناقضِ هم، در مورد فیزیک کوانتومی شده است.

با وجود این مسائل، تعبیر کپنهاگی برای سالهای زیادی از قرن بیستم، در میان جامعه فیزیک به شدت غالب بوده است.

زیرا این تعبیر، به فیزیکدان‌ها اجازه می داده است که محاسبات درستی را بدون نگرانی در مورد پرسش‌های آزاردهنده موجود در بطن نظریه کوانتومی انجام دهند.

اما پس از گذشت ۳۰ سال، حمایت‌ها از تعبیر کپنهاگی دارد رنگ می بازد. بسیاری از فیزیکدان‌ها هنوز حامی این تعبیر هستند.

و بررسی‌ها نشان می دهد که اکثریت فیزیکدان‌ها بر آن صحه می گذارند. اما جایگزین‌های تازه‌ای برای تفسیر کپنهاگی وجود دارد، که اکنون حامیان مهمی دارند.

یکی از بهترین جایگزین‌های شناخته شده برای تفسیر کپنهاگی، تعبیر “چند جهانی” در فیزیک کوانتومی است که می گوید حالات معادله شرودینگر همیشه کارایی داشته و توابع موج هرگز فرو نمی پاشند.

در عوض، جهان با هر احتمال حاصل از هر اتفاق رخ داده در هر نقطه از چند جهانی، مرتبا منشعب می شود. جایگزین دیگر، “نظریه موج راهبر” نام دارد.

حالاتی که ذرات کوانتومی در حرکتشان توسط ِ امواج هدایت می شوند، و ذرات هم به نوبه خود می توانند اثراتی سریع‌تر از نور بر روی امواج دوردست بگذارند (اگرچه این ذرات نمی توانند انرژی یا سیگنالی سریع‌تر از نور بفرستند).

اینها دو ایده هستند، که تصورات مختلفی از واقعیت به ما می دهند. اما هر دوی آنها، کاملا با ریاضیات مکانیک کوانتومی که ما می شناسیم خود را هماهنگ کرده‌اند.

آنها همچنین نظریه‌های جایگزینی هستند که ریاضیات مکانیک کوانتومی را اصلاح می کنند، مانند نظریه “فروپاشی خود به خودی”، که پیشنهاد می کند که فروپاشی تابع موج، هیچ ربطی به اندازه‌گیری ندارد، در عوض یک فرآیند طبیعی است، که کلا به صورت تصادفی روی می دهد.

جایگزین‌های زیادی برای تعبیر کپنهاگی وجود دارد. پایه های نظریۀ کوانتومی، میدانی که با حل و فصل مشکل اندازه‌گیری سر و کار دارد و دیگر پرسش‌های اساسی نظریه کوانتومی، موضوعاتی جالب توجه و سرشار از ایده‌های خلاقانه هستند.

شکاف در بطن فیزیک کوانتومی هنوز باقی است. یعنی هنوز مساله‌ای وجود دارد که نیازمند راه حل است.

هرچند نظریه‌های جذاب زیادی برای حل این مسائل ارائه شده‌اند. این ایده‌ها ممکن است نقطه ی آغازی برای حل مسائل دیگر فیزیک، مانند

نظریه گرانش کوانتومی، “تئوری همه چیز” که هدف نهایی فیزیکدان‌ها از زمان اینشتین بوده است، باشد.

در هر صورت، مسائل لاینحل دیده شده پشت سر گذاشته خواهند شد. اما مسائل ایجاد شده توسط تفسیر کپنهاگی، که برای مدتی طولانی روی کاغذ باقی مانده بود، سرانجام مورد توجه قرار گرفت.

و آگاه شدن از عمق شکاف در نظریه کوانتومی، ممکن است محصول یک چشم انداز جدید باشد، آن هم نه تنها در جهان کوانتومی، بلکه در خود سرشت واقعیت.

نوشته: آدام بِکِر/ دکترا در اختر فیزیک از دانشگاه میشیگان و لیسانس در فلسفه و فیزیک از دانشگاه کرنل

منبع: npr