فیزیک کوانتومی: چه چیزی واقعی است؟

بیگ بنگ: اوون مارونی فیزیکدان دانشگاه آکسفورد انگلستان تاسف می خورد که فیزیکدانها سالهای زیادی را سرگرم مسائل بیهوده بودند. وی می گوید از زمانی که نظریۀ کوانتوم در اوایل سال ۱۹۰۰ میلادی شکل گرفت، فیزیکدانان مدام چنین حرف هایی میزدند: «نظریۀ کوانتوم چقدر عجیب است، چگونه باعث می شود ذرات در یک لحظه در بسیاری جهات حرکت کنند یا اینکه در یک لحظه در جهت و خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت بچرخند؟»

به گزارش بیگ بنگ، مارونی می گوید:« حرف زدن چیزی را ثابت نمی کند و اگر ما داریم به همه می گوییم که نظریۀ کوانتوم عجیب است بهتر این است، برویم و خودمان امتحان کنیم و ببینیم آیا واقعا اینطور هست یا خیر! در غیر این صورت ما کار علمی انجام نمی دهیم بلکه فقط داریم یک سری امواج با مزه روی یک تخته سیاه را توضیح می دهیم.»

این اظهارات باعث شد “مارونی” و اعضایش به منظور یافتن  حقیقت ِ تابع موج، یک سری آزمایشات را طراحی کنند. یک اصل راز آلود (تابع موج) که در قلب اعجاب کوانتوم قرار دارد. تابع موج روی کاغذ یک مولفۀ ریاضی است که در فیزیک با حرف یونانیΨ ( بخوانید سای-psi) نشان داده می شود و برای توصیف رفتار کوانتومی ذرات استفاده می شود. بسته به آزمایش، تابع موج به فیزیکدانان اجازه می دهد که توسط ِ آن بتوانند احتمال حضور الکترون در هر نقطۀ خاص و یا جهت اسپین یا چرخش آن ( بالا یا پایین) را محاسبه کنند. اما ریاضیات به ما نمی گوید که تابع موج خودش چیست. آیا یک معیار فیزیکی است؟ یا یک ابزار محاسباتی که بخاطر جهل انسانها از جهان اطرافشان شکل گرفته است؟

آزمایشات بسیار ماهرانه ای در حال انجام است و این آزمایشات باید یک پاسخ منطقی، بدهند. اما محققان خیلی خوش شانس هستند، زیرا به پاسخ نزدیک هستند و اگر این اتفاق بیفتد آنها می توانند به سوالاتی پاسخ بدهند که دهه ها بی پاسخ مانده است. سوالاتی از این قبیل: آیا یک ذره می تواند در یک لحظه در مکان های مختلفی باشد؟ آیا جهان پیوسته خودش را به جهان های موازی تبدیل می کند که هر یک حاوی ورژن دیگری از ماست؟ آیا اصلا چنین چیزی واقعا وجود دارد؟ الساندرو فدریزی، فیزیکدان دانشگاه کویینزلند استرالیا می گوید: پرسش های مختلفی توسط افراد ِ مختلفی در جایی بیان شده، اما آنچه که واقعا واقعیت دارد، چیست؟

مباحثات پیرامون اصل واقعیت به روزهای اولیه ارائه نظریه کوانتوم برمی گردد که بیان شد موج ها و ذرات دو روی یک سکه هستند. مثال کلاسیک آن آزمایش دوشکاف است. در این آزمایش الکترون ها به طرف یک صفحه که دو شکاف طولی دارد شلیک می شوند و مشاهده می شود که الکترون ها از هر دو شکاف عبور کرده و دقیقا مثل اینکه یک موج نوری از شکاف ها گذشته باشد طرحی از تداخل امواج را در صفحه مقابلشان ایجاد می کنند. در سال ۱۹۲۶ اروین شرودینگر فیزیکدان اتریشی تابع موج را ابداع کرد تا چنین رفتاری را توصیف کند و برایش یک معادله تعریف کرد که فیزیکدانان توسط ِ آن بتوانند موقعیت ذره را محاسبه کنند.

جهالت، سعادت است

از جنبۀ عملکردی، ذات یا حقیقت ِ تابع موج اهمیتی ندارد. در سال ۱۹۲۰ میلادی کتاب مرجع کپنهاگی که تفسیر نظریۀ کوانتومی میباشد توسط ِ فیزیکدانانی چون نیلز بور و ورنر هایزنبرگ توسعه یافت و آنها در این کتاب، «تابع موج» را فقط یک ابزار برای پیش بینی نتایج خود تلقی کرده و به فیزیکدانان هشدار دادند که خودشان را نگران حقیقت واقعی نهفته در آن نکنند. جین بریکمونت، فیزیکدان آماری در دانشگاه لووین بلژیک می گوید: شما نمی توانید اکثر فیزیکدانان را بخاطر این جمله “ساکت شو و محاسبه کن” سرزنش کنید، زیرا تابع موج باعث پیشرفت های شگرفی در فیزیک هسته ای، فیزیک اتمی، فیزیک حالات جامد و فیزیک ذرات شده است. لذا مردم می گویند که نگران سوالات بزگ نباشید.

اما به هر حال برخی فیزیکدانان نگران این موضوع هستند. در سال ۱۹۳۰ آلبرت اینشتین تفسیر کپنهاگی را رد کرد نه تنها بخاطر اینکه به دو ذره اجازه می داد که تابع موجشان را درهم تنیده کنند، بلکه به این خاطر که موقعیتی را ایجاد می کرد تا اندازه گیری روی یک ذره به طور آنی خصوصیت ِ ذرۀ دیگر را با وجود فاصله ی بسیار زیاد آن دو، تعیین می کرد. اینشتین به جای اینکه “عمل شَبح‌وار در یک فاصله”(در هم تنیدگی ذرات) را بپذیرد ترجیح میداد این را باور کند که توابع موج ذرات ناکامل هستند. او پیشنهاد داد که ذرات ممکن است متغیرهای پنهانی داشته باشند که پیامد نهایی اندازه گیری را تعیین می کنند، اما نظریه های کوانتومی آنها را به حساب نمی آورند.

آزمایشات پس از آن نشان دادند که عمل شبح‌وار در یک فاصله (منظور همان ذرات در هم تنیده ای که در فواصل دور از هم قرار دارند اما خواص مشابه از خود نشان می دهند) کاملا واقعی است و باعث شد فرضیه متغیرهای پنهانی اینشتین رد شود. اما این دستاورد، فیزیکدانان را از ارائه بیانیات خودشان باز نداشت. این بیانیات منجر به ایجاد دو گروه شد. گروهی که با اینشتین موافق بودند و می گفتند تابع موج نمادی از جهل ماست – فیزیکدانان به آن «مدل تابع موج- معرفت شناختی» می گویند- و گروه دوم گروهی بودند که تابع موج را یک اصل واقعی می دانند که به آن «مدل تابع موج-اونتیک یا هستی شناختی» می گویند.

برای درک اختلاف این دو، آزمایش ذهنی ای که شرودینگر در نامه ای به اینشتین ارائه داد را در نظر بگیرید: «در یک جعبه در بسته گربه ای محصور شده است، در این جعبه یک ماده رادیواکتیو وجود دارد که احتمال تشعشع آن در عرض یک ساعت ۵۰% می باشد. در صورت تشعشع ماده رادیواکتیو چکش موجود در دستگاه حرکت کرده و شیشه حاوی سم را خواهد شکست و گربه مسموم شده و می میرد. شرودینگر نوشت: چون فروپاشی ماده رادیواکتیو یک رویداد کوانتومی میباشد، قوانین نظریه کوانتوم بر آن حاکم است. پس از گذشت یک ساعت، تابع موج داخل جعبه باید مخلوطی از گربۀ زنده و مرده باشد.»

“فردریزی” می گوید این یک حرف خام است. در واقع در مدل تابع موج- معرفت شناختی، گربه درون جعبه یا زنده است یا مرده و ما این را نمیدانیم چون در جعبه بسته است. اما اکثر مدل تابع موج- هستی شناختی با تفسیر کپنهاگی موافقند که می گوید: تا زمانی که مشاهده گر در جعبه را باز نکند و نگاه نکند گربه داخل جعبه هم مرده است و هم زنده. و این جایی است که مباحثات به بن بست میخورد. کدامیک از نظریات کوانتوم درست است؟ این سوال بسیار سختی است که بخواهیم بطور آزمایشگاهی به آن پاسخ دهیم چرا که اختلاف بین مدل ها اندک است. برای قابل استفاده بودن (کارا بودن) آنها باید پدیده های کوانتومی یکسان را پیش بینی کنند ( مانند تفسیر بسیار موفق کپنهاگی).

“اندرو وایت” فیزیکدان دانشگاه کوئینزلند این قضیه را اینگونه عنوان می کند: «یک کوه بزرگ یکنواخت رو در نظر بگیرید که نه جای گذاشتن پا دارد و نه راهی که بتوان به آن صعود کرد.» وی در سال ۲۰۱۱ با انتشار یک تئوری در مورد اندازه گیری های کوانتومی که به نظر می رسید تابع موج را به عنوان «مدل های ناشناخته» رد می کند، اوضاع را تغییر داد. به طور عمقی تر، اگرچه این تئوری، فضای جستجو داشت که نجات یابند اما به فیزیکدانان الهام می کرد که بطور جدی تر در مورد تشکیل یک مباحثه پیرامون سنجش واقعیت ِ “تابع موج” بیندیشند. مارونی تا آن زمان یک آزمایش را طراحی کرده بود که به طور اصولی باید کار می کرد. چندی بعد او و دیگران روش هایی را یافتند که آزمایشش را در عمل نیز کارا تر می کرد. آزمایش در سال ۲۰۱۴ توسط فردریزی، وایت و سایرین انجام شد.

برای اینکه ایدۀ این آزمایش را واضح کنیم تصور کنید که دو بسته کارت بازی داریم که در یک بسته فقط کارت های قرمز وجود دارند و در بستۀ دیگر فقط تک خال ها هستند. مارتین رینگبور فیزیکدان دانشگاه کویینزلند می گوید: «به شما یک کارت داده می شود و از شما می پرسند این کارت از کدام بسته آمده؟ خب اگر کارتی که به شما داده اند قرمز-تک خال باشد چه؟ این یک همپوشانی است و شما قادر نیستید بگویید آن کارت از کدام بسته آمده، اما اگه این را بدانید که چه تعداد از هر نوع کارتی در هر بسته وجود دارد، میتوانید حساب کنید که هر چند وقت یک بار ممکن است، چنین پدیدۀ عجیبی رخ دهد.

قرارگیری در یک موقعیت خطرناک

در سیستم های کوانتومی چنین ابهام های مشابهی رخ می دهد. برای مثال، همیشه یک روش اندازه گیری منفرد ممکن نیست که تشخیص دهد یک فوتون چگونه قطبش(Polarization) می کند.- قطبش یکی از ویژگی‌های امواج عرضی است که جهتِ نوسان را در صفحهٔ عمود بر انتشار موج نشان می‌دهد.- وایت می گوید: در زندگی واقعی خیلی ساده است که بگوییم غرب کمی بالاتر از جنوب غرب است اما در سیستم های کوانتومی به این سادگی نیست. طبق تفسیر کپنهاگی، هیچ اهمیتی ندارد که بپرسیم قطبش ذره چگونه رخ داد؛ زیرا این سوال حداقل یک جواب ندارد، مگر تا زمانی که یک روش اندازه گیری دیگر بتواند دقیقا جوابش را بیابد. اما مطابق با تابع موج به عنوان “مدل های ناشناخته”، سوال کاملا بامعنی تلقی می شود. علتش فقط آزمایش کننده ها هستند که اطلاعات کافی از روش اندازه گیری که به پاسخ برسد، ندارند.(مثل بازیکن کارت باز). مشابه کارت ها، این امکان وجود دارد که تخمین بزنیم چقدر ابهام میتواند توسط چنین نادیده گیری توضیح داده شود و آن را توسط مقادیر بیشتری از ابهام که توسط سیستم استاندارد داده می شود مقایسه کنیم.

این چیزی بود که تیم فردیزی تست کردند. گروه، قطبش و دیگر ویژگی های فوتون های یک پرتو ِ نور را اندازه گیری کرده و پی بردند که سطحی از هم پوشانی وجود دارد که توسط ِ “مدل های ناشناخته” قابل توضیح نمی باشد. نتایج نشان می دهد اگر واقعیت عینی وجود داشته باشد پس تابع موج نیز حقیقی می باشد. آندریا آلبرتی فیزیکدان دانشگاه بون آلمان می گوید: این بسیار حیرت آور است که شما بتوانید با یک آزمایش ِ ساده به یک حقیقت شگرف دست یابید.

نتیجه هنوز قطعی نیست. چون آشکارسازها فقط یک پنجم فوتون های موجود در آزمایش را شناسایی و استفاده کردند، لذا تیم مربوطه به ناچار فرض کردند که فوتون های شناسایی نشده رفتاری مشابه با سایر فوتون ها دارند. این یک فرض بزرگ محسوب می شود. در حال حاضر گروه در حال کارکردن روی بستن شکاف نمونه گیری میباشد تا یک نتیجۀ قطعی تر حاصل شود. در همین زمان تیم ِ “مارونی” همراه با گروهی از محققان ِ دانشگاه ولز جنوبی در استرالیا در حال انجام آزمایشات مشابهی با یون ها (که آسان تر از فوتون ها مسیریابی می شوند) هستند.

حتی با وجود اینکه تلاش های آنها به موفقیت رسید و تابع موج به عنوان مدل واقعی مورد قبول واقع شد، با این حال آن مدل ها تنوعات زیادی دارند و آزمایشگران همچنان باید آنها را از هم جدا کنند. از نمونه اولین چنین تفسیرهایی، در سال ۱۹۲۰ میلادی توسط ِ فیزیکدان فرانسوی “لویی دو بروی” انجام شد و در سال ۱۹۵۰ توسط “دیوید بوهم” فیزیکدان آمریکایی بسط داده شد. برحسب مدل های بوهم-بروی ذرات موقعیت ها و خصوصیات تعریف شده ای دارند که توسط نوعی موج راهنما که اغلب با تابع موج شناسایی می شود، هدایت می شوند. این تئوری آزمایش دو شکاف را توضیح می دهد، به طوریکه که موج راهنما قادر است از هر دو شکاف گذشته و یک طرح از تداخل امواج را در صفحۀ مقابلش ایجاد کند، اگرچه الکترونی که راهنمایی می کند تنها از یک شکاف می گذرد.

در سال ۲۰۰۵ مدل های بوهم-بروی یک ارتقاء آزمایشگاهی از یک منبع غیر منتظره دریافت کردند. فیزیکدانان “امانوئل فورت” که اکنون در انیستیتوی لانگوین پاریس است و “یوس کودر” از دانشگاه دیدروت پاریس با دانشجویان مقطع لیسانس آزمایشگاه یک کار منصفانه و راحت ( از نظر خودشان) انجام دادند: آزمایشی بسازید که در آن ببینیم چطور قطرات روغن وقتی در یک سینی پر روغن می افتند با لرزش سینی با هم مخلوط می شوند. در کمال تعجب همگان، وقتی که سینی با فرکانس مشخصی تکان میخورد موج ها اطراف قطرات روغن شروع یه ایجاد شدن می کنند. فروت می گوید: قطرات خود رو بودند. آنها روی موج خود موج سواری یا حرکت می کنند. در واقع یک شی دوگانه بود که داشتیم به آن نگاه می کردیم. یک ذره که توسط ِ یک موج حرکت داده می شد. پس از آن فورت و کودر نشان دادند که چنین امواجی می توانند ذرات را در آزمایش دوشکاف هدایت کنند( همانطور که با تئوری موج راهنما پیش بینی شده بود) و نیز می توانند دیگر اثرات کوانتومی را هم تقلید کنند. فروت تذکر می دهد که این آزمایش اثبات نمی کند که موج راهنما در حوزه ی کوانتوم وجود دارد. اما نشان می دهد که یک موج راهنما در مقیاس اتمی چطور کار می کند. وی افزود: « به ما گفته اند که چنین اثراتی به طور کلاسیک نمی توانند رخ دهند، اما می بینیم که آنها واقعا وجود دارند.»

بخش دیگر مدل های بر پایه واقعیت در سال ۱۹۸۰ انجام شد و سعی کرد تا خصوصیات متفاوت قابل ِ توجه اشیاء کوچک و بزرگ را توضیح دهد. آنجلو باسی فیزیکدان دانشگاه تریست ایتالیا می گوید:« چرا الکترون ها و اتم ها می توانند در یک لحظه در دو مکان حضور داشته باشند، اما اشیایی چون میز، صندلی، گربه و مردم نمی توانند؟» مطابق با مدل های فروپاشی، تابع موج ذرات واقعی است اما می تواند به طور خود به خودی خصوصیات کوانتومی اش را از دست داده و ذره را به یک مکان منفرد بشکند. مدل ها ایجاد می شوند بنابراین احتمال این اتفاق برای یک ذره منفرد بسیار ناچیز است، لذا اثرات کوانتومی در مقیاس اتمی غالب است. اما احتمال فروپاشی در ذره هایی که باهم هستند (در کنار هم قرار می گیرند) به طور چشمگیری افزایش می یابد. بنابراین اشیاء ماکروسکوپی خصوصیات کوانتومی شان را از دست داده و به طور کلاسیک رفتار می کنند.

یک روش این است که به رفتار کوانتومی اشیاء بزرگ و بزرگتر نگاهی بیندازیم. اگر نظریه کوانتومی درست باشد، هیچ محدودیتی وجود ندارد. فیزیکدانان تاکنون آزمایش «تداخل دو شکاف» را با مولکول های بزرگ انجام داده اند. اما اگر مدل های فروپاشی درست باشد، اثرات کوانتومی در بالاتر از یک جرم خاصی ظاهر نخواهند شد. گروه های مختلفی در حال برنامه ریزی برای جستجوی این حد برش ( cut off) در حال استفاده از اتم ها، مولکول ها، دسته های فلزی و ذرات نانو هستند. آنها امیدوارند که در یک دهه به نتیجه برسند. مارونی می گوید: « آنچه که در مورد تمام این آزمایشات عالیست این است که ما نظریۀ کوانتوم را با دقیق ترین آزمون ها که قبلا هرگز انجام نشده، مورد سنجش قرار می دهیم.»

جهان های موازی

مدل تابع موج واقعی هم اکنون مشهور و مورد توجه نویسندگان علمی- تخیلی قرار دارد. فرضیه جهان های چندگانه در سال ۱۹۵۰ توسط هیو اورت (فارغ التحصیل دانشگاه پرینستون نیوجرسی) گسترش یافت. در تجسم “جهان های چندگانه” تابع موج، سیر واقعیت را به قدری عمیق کنترل می کند که هر موقع اندازه گیری کوانتومی انجام می شود، جهان به کپی های موازی می شکند. در مثال گربه شرودینگر وقتی در جعبه را باز می کنید جهان به دو جهان موازی تقسیم می شود، در یک جهان جعبه حاوی گربۀ زنده و در جهان دیگر جعبه حاوی گربۀ مرده وجود دارد.

تشخیص بین جهان های چند گانه ی اورت با مدل نظریه کوانتومی سخت است، زیرا پیش بینی های هر دو مشابه هم هستند. اما سال ۲۰۱۴ “هاوارد وایزمن” از دانشگاه گریفیت و همکارش مدل جهان های چندگانه قابل آزمون را ارائه کردند. چارچوب آنها حاوی تابع موج نبود، ذرات موجود در آزمایش از قوانین کلاسیک مثل قانون حرکت نیوتن اطاعت می کردند. آثار عجیب روِیت شده در آزمایشات کوانتومی به علت وجود نیروی دافع بین ذرات و همزادهایشان در جهان های موازی، رخ می دهند.

وایزمن میگوید: نیروی دافعه بین ذرات باعث ایجاد امواجی می شود که از طریق جهان های موازی گسترش می یابند. با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری بیش از ۴۰ جهان متقابل، نشان داده اند که این مدل تقریبا تعدادی از اثرات کوانتومی را ایجاد می کند؛ از جمله مسیرهای ذره در آزمایش دو شکاف. با افزایش تعداد جهان ها، الگوی تداخلی بیشتر شبیه آن چیزی که نظریه کوانتومی پیش بینی کرده، می شود. وایزمن می گوید: از آنجا که نظریه پیش بینی می کند نتایج ِ مختلف بستگی به تعداد جهان ها دارد، باید روش هایی ایجاد شوند که ببینند آیا مدل چند جهانی درست هست یا خیر_ منظور این است که در این مدل تابع موج وجود ندارد و واقعیت تماما کلاسیک است.-

از آنجا که مدل وایزمن احتیاجی به تابع موج ندارد پایدار خواهد ماند، حتی اگر در آینده “مدل های ناشناخته” رد شوند. از دیگر مدل های ماندنی می توان به “تفسیر کپنهاگی” اشاره کرد که در حقیقت هیچ واقعیت عینی در آن وجود ندارد و فقط محاسبات در آن موجود است. وایت گفت: این یک چالش منحصر بفرد است. اگرچه هنوز هیچکس نمیداند چگونه آن را انجام دهد. آنچه واقعا حیرت آور است این است که آزمایشی را طراحی کنیم که ببنیم آیا واقعا واقعیت عینی ای آن بیرون هست یا خیر؟ نظر شما چیست؟

سمیر  الله وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: nature.com

image_pdfimage_print
(17 نفر , میانگین : 4٫65 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=65570

سمیر الله وردی

کارشناس عمران، علاقمند به نجوم، کیهان شناسی، فیزیک و تکنولوژی های جدید می باشد و بعنوان نویسنده علمی- نجومی در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۵ پاسخ‌ها

  1. M hk گفت:

    ممنون از مطلب کاملتون

  2. علی گفت:

    من حس میکنم شاید کوانتوم صرفا یه مدلسازی ریاضی از یه واقعیت ناشناخته علمی بزرگتر هست.

  3. Arman گفت:

    کوانتوم مثل باتلاق میمونه برا علاقه منداش یه باتلاقه لذت بخش من به شخصه وقتی معادله شرودینگر رو تو مختصات کروی حل میکنم لذت میبرم. ریاضیاته درهم برهمی داره اما جالبه تو اینجور مباحثش هم اونقدر اطلاعاتم دقیق نیس اما گربه شرودینگر به نظر من محتمل تر و منطقی تره

  4. هارپ گفت:

    هیچ بحثی عجیب تر و جالب تر از بحث جهان های موازی نیست

  5. Amir گفت:

    به نظرم درک ما از کوانتوم به ابزار درک ما از هستی وابسته است. ابزار انسانی درک ما از هستی حواس ما و مغز هستند که در مورد حواس با اطمینان می توان گفت که برای درک کوانتوم فرگشت نیافته اند اما در مورد مغز چنین اطمینانی وجود ندارد. گذشته از ساختار فیزیکی مغز تعیین کننده دیگری نیز وجود دارد ابزار ریاضی و منطقی ما از درک هستی که حاصل چند هزار سال زندگی انسان هوشمند است. آیا این ابزار ریاضی مناسب درک ماهیت کوانتوم هست یا نه؟ مادامی که جامعه بشری صرفا به داشته های ریاضی و منطقی ارسطویی وابسطه است و آن را در مدارس تدریس می کند به نظر میرسد درک ماهیت کوانتوم سخت باشد. توجه داشته باشید هیچ کدام از ما در کودکی درکی بر مبنای ریاضیات موجود از هستی نداریم و این درک ناشی از یادگیری است.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *