آیا واقعیت جهان چیزی متفاوت از درک فعلی ما از آن است؟
دانشمندان را می‌توان همچون کاوشگرانی کوشا در نظر گرفت که در حال حفاری طبیعت برای دستیابی به فهم واقعیت فیزیکی دنیا هستند. در همین راستا طی قرن گذشته، فیزیکدانان به اندازه‌ای در این حوزه عمیق شدند که دریافتند بنیان‌های واقعیت (Reality)، منعکس‌کننده دنیای روزمره‌ی ما نیست. درواقع، واقعیت به وسیله‌ی دسته‌ای از قوانین ریاضی مرموز، معروف به مکانیک کوانتومی (Quantum Mechanics) توصیف می‌شود.
واقعیت از نگاه نظریه‌ی کوانتومی
احتمالات و عدم قطعیت؛ اصلی‌ترین مشخصه‌های ریاضیات کوانتومی
انقلاب کوانتومی
کندوکاو بیشتر برای درک عمیق‌تر از مکانیک کوانتومی
مناظره‌ی بور-اینشتین
چه کسی برنده شد، بور یا انیشتین؟
واقعیت از نگاه نظریه‌ی کوانتومی
مکانیک کوانتومی در آغاز قرن بیستم شکل گرفت و سپس در اواسط دهه ۱۹۲۰ به شکل کامل‌تری به جهان علم ارائه شد؛ درواقع این علم را می‌توان ریاضیاتی برای توصیف ماده در نظر گرفت. مکانیک کوانتومی می‌تواند جهان زیر اتمی، جایی که اتم‌ها و مولکول‌ها برای ساخت دنیای فیزیکی ما با هم برهم‌کنش (تعامل) دارند را به خوبی توصیف کند.
جالب است بدانید که این حوزه در قلب هر چیزی از تلفن‌های همراه گرفته تا ابررایانه‌ها، دی وی دی‌ها و حتی فایل‌های پی دی اف شما حضور دارد. در حالت کلی می‌توان اذعان داشت که فیزیک کوانتومی اقتصادِ مبتنی بر دنیای الکترونیک را تقویت و تجارت، ارتباطات و سرگرمی را متحول کرده است. اما نظریه‌ی مکانیک کوانتومی چیزی بیشتر از نحوه‌ی ساخت تراشه‌های رایانه‌ای را به دانشمندان آموخت. این نظریه به ما نشان داد که واقعیت آن چیزی نیست که به نظر می‌رسد!
شون کارولِ فیزیکدان اخیراً در توئیتی بیان کرد که «ماهیت بنیادی واقعیت، ممکن است تفاوت اساسی‌ای با دنیای چشم‌آشنای (دنیایی با اجسام متحرک در فضا و ذراتی که با هم برهم‌کنش دارند!) ما داشته باشد. به عبارت دیگر، نباید دنیایی که تجربه می‌کنیم را با دنیای واقعی اشتباه کنیم!
ماهیتِ واقعیت دنیا، ممکن است تفاوت قابل‌توجهی با دنیای آشنای ما داشته باشد. بنابراین نباید دنیایی که تجربه می‌کنیم را با دنیای واقعی اشتباه بگیریم!
شون کرول در یک مقاله‌ی فنی که از توییتش پشتیبانی می‌کرد، نشان می‌دهد که نظریه‌ی مکانیک کوانتومی شامل معادلاتی است که ماهیت ریاضیاتی پرسه زدن در دنیایی انتزاعی از رویدادهای طبیعیِ ممکن را توصیف می‌کند.
کارول استدلال می‌کند که این قلمروی کوانتومی از احتمالات ریاضی، ماهیت اصلی و بنیادی واقعیت را نشان می‌دهد. در چنین حالتی، تمام پدیده‌های فیزیکی که ما قادر به درک آن‌ها هستیم، تنها یک شرحِ برآمده از سطحی بالاتر (آنچه حقیقتا رخ داده) است. لازم به ذکر است که دیدگاه کارول تنها راه برای مشاهده‌ی معنای ریاضی کوانتومی نیست و لازم است بدانید که در این میان اکثر فیزیکدانان به طور کامل با او موافق نیستند. اما لازم به تاکید است که همه فیزیکدانان معتقدند که فیزیک کوانتومی درک بشر از طبیعت را به شدت بازسازی کرده است.
احتمالات و عدم قطعیت؛ اصلی‌ترین مشخصه‌های ریاضیات کوانتومی
یک نگاه منصفانه به تاریخ علم نشان می‌دهد که نظریه‌ی کوانتومی چشمگیرترین تغییر در برداشت علم از واقعیت را نسبت به زمانی که یونانیان باستان استدلال‌های اسطوره‌ای را برای پدیده‌های طبیعی به نفع منطق و خرد ارائه می‌کردند، داشته است. اما به نظر می‌رسد که خودِ فیزیک کوانتومی از منطق و عقل سرپیچی می‌کند! البته اینطور نیست که مکانیک کوانتومی، نتیجه‌ی نهایی را از حقیقت و استدلالی منطقی (و برتر) سرچشمه گیرد که هرگز با مشاهده‌ی جهان مرئی قابل کشف نباشد.
اما به نظر می‌رسد که در دنیای زیر اتمی (فراتر از دسترسی حواسِ انسان‌ها)، پدیده‌ها با قوانین خارق‌العاده‌ای و متفاوتی بازی می‌کنند. ذرات بنیادی ماده، همچون دانه‌های ریز سنگ نیستند، بلکه بیشتر شبیه امواجِ شبح مانندی هستند که آینده‌های احتمالاتی متعددی دارند و تا زمانی که مشاهده‌ای بر آن‌ها وارد نشود، معادل با موج (نه ماده) خواهند بود.
بر اساس مکانیک کوانتومی، اینکه الکترون به صورت ذره یا موج رفتار کند، وابسته به مشاهده‌ی آن است.
در نتیجه، ریاضیات کوانتومی شامل توالی علت و معلولی‌ای از رویدادها، آن طور که مکانیک نیوتونی ارائه می‌کند، در نظر گرفته نمی‌شود. در عوض، ساختار علم از قوانین قابل پیش‌بینی و حتمی به چیزی عجیب و غیرقابل انتظار تبدیل می‌شود. ریاضیات کوانتومی تنها احتمالات را برای نتایج احتمالی مختلف در نظر می‌گیرد و همواره مقداری عدم قطعیت در پاسخ باقی می‌ماند.
انقلاب کوانتومی
کشف اصل عدم قطعیت (Quantum Uncertainty)، اولین چیزی بود که جهان را تحت تاثیر عمق و اهمیت انقلاب کوانتومی قرار داد. فیزیکدان آلمانی، ورنر هایزنبرگ (Werner Heisenberg)، در سال ۱۹۲۷، جامعه‌ی علمی را با این کشف مبهوت کرد که اندازه‌گیری قطعی، زمانی که به دنیای اتمی و زیراتمی می‌رویم، امری شکست خورده است. هایزنبرگ استنباط کرد که اندازه‌گیری مکان و تکانه‌ی یک ذره‌ی زیر اتمی به طور همزمان غیرممکن بود. درواقع اگر یکی را دقیقاً اندازه‌گیری کنید، دیگری با عدم قطعیت در نتیجه به دست می‌آید.
یک ذره ممکن است مکان دقیق یا تکانه‌ای دقیق داشته باشد، اما نمی‌توان هر دو پارامتر را به طور همزمان و دقیق برای ذره حساب کرد! اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توانست جهان را حتی بیشتر از نسبیت اینشتین متحول کند!
ورنر هایزنبرگ در سال ۱۹۳۶ با اصل عدم قطعیت خود نشان داد که موقعیت و تکانه‌ی یک ذره را نمی‌توان به طور همزمان اندازه‌گیری کرد.
ظهور اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، نقطه‌ی اوج یک سری از شگفتی‌های کوانتومی دیگر بود. اولین کشف مربوط به ماکس پلانک (Max Planck) فیزیکدان آلمانی در سال ۱۹۰۰ بود. او نشان داد که نور و سایر اشکال تشعشعات را می‌توان در بسته‌های مجزای انرژی، جذب یا منتشر کرد که پلانک آن‌ها را کوانتا (Quanta) نامید.
چند سال بعد آلبرت انیشتین استدلال کرد که نور به صورت بسته‌ها یا ذراتی که بعداً فوتون (Photon) نامیده شدند در فضا حرکت می‌کنند. همانطور که بارها در تاریخ شاهد آن بودیم، در این بین بسیاری از فیزیکدانان از چنین سرنخ‌های کوانتومی‌ای با بی‌اهمیت گذر کردند، اما در سال ۱۹۱۳، فیزیکدان دانمارکی نیلز بور (Niels Bohr) از نظریه کوانتومی برای توضیح ساختار اتم استفاده کرد. بنابراین خیلی زود جهان متوجه شد که واقعیت نیاز به بررسی مجدد دارد.
طی همین روند بود که آگاهی از انقلاب کوانتومی به فراتر از کنفرانس‌های فیزیک گسترش یافت و شیمی فیزیکدان آمریکایی ویلیام دی. هارکینز (William D. Harkins)، اعلام کرد که نظریه کوانتومی، اهمیت عملی بسیار بیشتری نسبت به نظریه نسبیت دارد. هارکینز اذعان داشت، از آنجایی که نظریه کوانتومی به روابط بین ماده و موج مربوط می‌شود، تقریباً با تمامی فرآیندهایی که می‌شناسیم در ارتباط است و از این جهت اهمیت اساسی دارد. الکتریسیته، واکنش‌های شیمیایی و چگونگی واکنش ماده به گرما، همگی نیازمند توضیحات تئوری کوانتومی هستند.
در همین راستا فیزیک کلاسیک اذعان دارد که اتم‌ها و اجزای آن‌ها قابلیت حرکت در همه‌ی راه‌های مختلف را دارند؛ اما فیزیک کوانتومی معتقد است که از تمام حالات حرکت (یا روش‌های حرکت) که توسط نظریه کلاسیک ارائه شده است، تنها تعداد معینی از حالات واقعاً اتفاق می‌افتد. بنابراین، رویدادهایی که قبلاً به عنوان فرآیندهای پیوسته در نظر گرفته می‌شدند، در واقع به صورت گسسته و مرحله‌ای رخ می‌دهند.
کندوکاو بیشتر برای درک عمیق‌تر از مکانیک کوانتومی
در سال ۱۹۲۱ فیزیک کوانتومی هنوز در طفولیت بود، زیرا با اینکه برخی از مفاهیم آن مشخص شده بود، اما شکل کامل و جزئیات آن توسعه نیافته باقی مانده بود. بنابراین، هایزنبرگ در سال ۱۹۲۵، برای اولین بار مجموعه‌ای پیچیده از سرنخ‌ها را برای ساخت یک تصویر ریاضی منسجم از آنچه واقعا وجود داشت، طراحی کرد.
تلاش هایزنبرگ در راستای ساخت یا ایجاد راهی برای نمایش انرژی الکترون‌ها در اتم با استفاده از جبر ماتریسی (Matrix Algebra) بود. با کمک فیزیکدانان آلمانی ماکس بورن و پاسکوال جردن، ریاضیات هایزنبرگ به عنوان مکانیک ماتریس (Matrix Mechanics) شناخته شد. اندکی پس از آن، اروین شرودینگر فیزیکدان اتریشی معادله‌ای رقیب برای محاسبه‌ی انرژی الکترون‌ها در لایه‌های مختلف معرفی کرد. درواقع شرودینگر ذرات فرضی را به عنوان امواجی که توسط یک تابع موج ریاضی توصیف می‌شوند، در نظر گرفت. جالب است بدانید که خیلی زود مکانیک موجیِ شرودینگر از نظر ریاضی معادل با رویکرد مبتنی بر رفتار ذرهای هایزنبرگ در نظر گرفته شد و مکانیک کوانتومی به اصطلاحی کلی برای توصیف ریاضیاتی همه‌ی سیستم‌های زیراتمی تبدیل گشت.
رویکرد موجیِ شرودینگر در محاسبه‌ی انرژی الکترون‌ها در اتم از نظر ریاضیاتی کاملا معادل با رویکرد ماتریسی هایزنبرگ برای همین محاسبات است!
با این حال، همچنان سردرگمی‌هایی باقی مانده بود. چراکه مشخص نبود چگونه رویه‌ای که الکترون‌ها را به عنوان ذره به تصویر می‌کشد، می‌تواند معادل الکترونی با فرض رفتار موجی باشد. بور که در آن زمان به عنوان برجسته‌ترین فیزیکدان اتمی جهان شناخته می‌شد، عمیقاً به این مسئله فکر کرد و در سال ۱۹۲۷ به دیدگاه جدیدی رسید که آن را مکملیت (Complementaritya) نام نهاد.
بور استدلال کرد که رفتار ذره و موج مکمل یکدیگرند و هر دو برای توصیف کامل پدیده‌های زیراتمی ضروری هستند. در عین حال اینکه ذرهای (مثلاً الکترون) ماهیت موجی یا ذرهای از خود نشان دهد، وابستگی به دستگاه‌های آزمایشگاهی مشاهده‌گر دارد. دستگاهی که برای یافتن یک ذره طراحی شده باشد، ذره پیدا می‌کند. دستگاهی که برای تشخیص رفتار موجی طراحی شده باشد، موج پیدا می‌کند.
در جهانِ کوانتومی، همه واقعیت‌های ممکن وجود دارند، اما انسان‌ها تنها یکی را درک می‌کنند.
تقریباً در همان زمان بود که، هایزنبرگ اصل عدم قطعیت خود را به جامعه‌ی علمی ارائه کرد. همانطور که رفتار موجی و ذرهای را نمی‌توان در یک آزمایش مشاهده کرد، موقعیت و تکانه هم دقیقاً در یک زمان قابل اندازه‌گیری نیستند. اما این پایان ماجرا نبود، بلکه ماجراجویی کوانتومی تازه شروع شده بود!
مناظره‌ی بور-اینشتین
بسیاری از فیزیکدانان، از جمله انیشتین، از پیامدهای اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ابراز نگرانی کردند. چراکه معرفی آن در سال ۱۹۲۷ امکان پیش‌بینی دقیقِ نتایج مشاهدات اتمی را از بین برد و طبق گفته‌ی بورن تنها می‌توان احتمالات را با استفاده از تابع موج شرودینگر برای نتایج احتمالی مختلف، پیش‌بینی کرد. با توجه به همین مسائل بود که اینشتین گفته‌ی معروف خود را مطرح کرد؛ من باور ندارم که خداوند برای اداره‌ی جهان تاس بازی می‌کند!
همچنین از نظر انیشتین، رفتار دوگانه‌ی ذرات (موج و ذره) که توسط بور ارائه شده بود، به این معنی بود که یک فیزیکدان می‌تواند با تصمیم‌گیری در مورد نوع اندازه‌گیری بر واقعیت تأثیر بگذارد! جای توضیح ندارد که انیشتین به مستقل بودن واقعیت از مشاهدات انسانی باور داشت. با توجه به همین موضوعات، بور و انیشتین درگیر یک سری از گفتمان‌های دو طرفه شدند که به مناظره‌ی بور-اینشتین ( Bohr-Einstein debate) شناخته می‌شود. بنابراین در آن سال، انیشتین با همکاری ناتان روزن (Nathan Rosen) و بوریس پودولسکی (Boris Podolsky)، آزمایش فکری را طراحی کردند که نشان می‌داد، مکانیک کوانتومی نمی‌تواند نظریه‌ای کامل از واقعیت باشد!
چه کسی برنده شد، بور یا انیشتین؟
پودولسکی در خلاصه‌ای کوتاه (سال ۱۹۳۵)، ادعا کرد که یک نظریه‌ی کامل باید شامل یک همتای ریاضی برای هر عنصر در دنیای فیزیکی باشد. به عبارت دیگر، باید یک تابع موج کوانتومی برای خواص هر سیستم فیزیکی‌ای وجود داشته باشد.
بنابراین، اگر دو سیستم فیزیکی، که هر کدام با یک تابع موج توصیف می‌شوند، با یکدیگر برهم‌کنش داشته باشند و سپس از هم جدا شوند، مکانیک کوانتومی قادر نخواهد بود که تابع موج هر سیستم فیزیکی را پس از جداسازی از هم محاسبه کند! (از نظر فنی، دو سیستم به یکدیگر درهم‌تنیده (Entangled) می‌شوند!) بنابراین ریاضیات کوانتومی قادر به توصیف همه‌ی عناصر واقعیت (Elements of Reality) نیست، پس ناقص است!
در پاسخ به این مشکل، بور اعلام کرد که معیار انیشتین و همکارانش برای واقعیت فیزیکی در سیستم‌های کوانتومی مبهم است! انیشتین، پودولسکی و روزن فرض کردند که یک سیستم (مثلاً الکترون) دارای مقادیر معینی برای مشخصه‌هایی خاص (مانند تکانه) قبل از اندازه‌گیری است. چنین فرضی درست نیست، چراکه سیستم‌های کوانتومی مقادیر ممکنِ ویژگی‌های خود را حفظ می‌کند تا زمانی که یکی از آن‌ها اندازه‌گیری شود. درواقع شما نمی‌توانید وجودِ عنصر واقعیت را بدون اجرای آزمایشی برای اندازه‌گیری آن مشخص کنید.
بور اذعان داشت که وقتی آزمایشی انجام نشده است، هر احتمالی برای مقادیر یک مشخصه‌ی خاص در سیستم کوانتومی وجود دارد؛ پس عنصری از واقعیت قبل اندازه‌گیری وجود ندارد.
اما انیشتین تسلیم نشد، او تصدیق کرد که اصل عدم قطعیت در رابطه با آنچه در طبیعت قابل مشاهده است صحیح است، اما اصرار داشت که در چنین نظریه‌ای برخی جنبه‌های نامرئی واقعیت، سمت‌وسوی رویدادهای فیزیکی را تعیین می‌کند.
در اوایل دهه ۱۹۵۰، دیوید بوهم (David Bohm) فیزیکدان، نظزیه‌ی «متغیرهای پنهان» (Hidden Variables) را ارائه کرد که جبرگرایی را به فیزیک کوانتومی بازگرداند؛ اما لازم است بدانید که نظریه‌ی او هیچ پیش‌بینی متفاوتی با ریاضیات کوانتومی استاندارد نداشت. در نتیجه اینشتین تحت تأثیر تلاش‌های بوهم هم قرار نگرفت و به دوست قدیمی خود بور نوشت: این رویه برای من خیلی بی‌ارزش است!
انیشتین و بور در حال بحث در مورد واقعیتِ طبیعت
انیشتین در سال ۱۹۵۵ از دنیا رفت و پس از او بور در سال ۱۹۶۲ درگذشت، اما هیچ کدام بحث را به دیگری واگذار نکردند. در هر صورت به نظر می‌رسید که این مساله یک اختلاف غیرقابل‌حل است، زیرا آزمایش‌ها در هر صورت نتایج یکسانی را به همراه خواهند داشت.
اما در سال ۱۹۶۴، جان استوارت بل (John Stewart Bell)، قضیه‌ای هوشمندانه در مورد ذرات درهم تنیده ارائه کرد که آزمایشگران را قادر به بررسی وجود متغیرهای پنهان می‌کرد. جالب است بدانید که این قضیه از دهه‌ی ۱۹۷۰ شروع شده بود و تا به امروز ادامه داشت. در همین راستا آزمایش پشت آزمایش پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی استاندارد را تأیید کرد؛ بنابراین اعتراضات و انتقادات انیشتین توسط دادگاه طبیعت رد شدند.
با این حال، بسیاری از فیزیکدانان از دیدگاه بور (که معمولاً به عنوان تفسیر کپنهاگی (Copenhagen interpretation) در مکانیک کوانتومی یاد می‌شود!) ابراز ناراحتی کردند. در همین راستا یک چالش به خصوص از سوی فیزیکدان، هیو اورت (Hugh Everett III) در سال ۱۹۵۷ مطرح شد. او اصرار داشت که یک آزمایش نمی‌تواند یک واقعیت را از بین بسیاری از احتمالات کوانتومی ایجاد کند، بلکه تنها یک شاخه از واقعیت را مشخص می‌کند. درواقع سایر احتمالات تجربی، در شاخه‌ی دیگری وجود دارند که به همان اندازه واقعی‌اند. به طور کلی انسان‌ها فقط شاخه‌هایی از واقعیت را درک می‌کنند، همانطور که می‌دانند گرسنه‌اند یا نه؛ اما از چرخش زمین بی‌خبرند. تفسیر چند دنیایی در ابتدا به طور گسترده نادیده گرفته شد، اما امروزه با طرفداران بسیاری بازگشته است.
جمع‌بندی
از زمان فعالیت‌های اورت تا به امروز، شاهد تفاسیر متعدد دیگری از نظریه کوانتومی بوده‌ایم. برخی بر واقعیت تابع موج (عبارتی ریاضی که برای پیش‌بینی احتمال رخ دادن یک رویداد ارائه می‌شود!) تأکید می‌کنند. برخی بر نقش ریاضی به عنوان دانش توصیف کننده‌ی واقعیت برای آزمایش‌کنندگان تاکید دارند و برخی فرضیه‌ی جهان‌های متعدد را با این دیدگاه که انسان‌ها تنها یک واقعیت را درک می‌کنند، قبول دارند. با این حال، همانطور که برخی از یونانیان باستان متوجه شدند، طبیعت همواره سرنخ‌هایی در مورد واقعیتی ارائه می‌دهد که ما توانایی دیدن آن را نداریم. به قول شون کرول، جهانی که ما آن را تجربه می‌کنیم، مطمئناً با چیزی که واقعاً هست، مرتبط است. اما این رابطه، از نوع پیچیده‌ای است و کشف آن کار، زمان و تلاش زیادی می‌طلبد.
دو هزار سال طول کشید تا انقلاب یونان در توضیح پدیده‌های طبیعت، به درک حقیقی (مکانیک نیوتونی) از واقعیت برسد. سه قرن بعد فیزیک کوانتومی، درک علم از واقعیت را تا حد قابل مقایسه‌ای با آنچه قبلا رخ داده بود، متحول کرد. با این حال، عدم توافق‌های موجود در بین دانشمندان، نشان می‌دهد که شاید نیاز است که در علم بیشتر عمیق شویم.
منبع: Science News
خیلی عالیه که که مطالب پیچیده را ساده بیان میکنید که هر کسی در حد خودش با مطالب علمی جدید آشنایی پیدا کنه . تشکر.