نگاهی به كتاب فیزیك كوانتومی

معلم بزرگ فیزیك جی جی ساكورای در فصل اول یكی از بهترین كتاب های آموزشی مكانیك كوانتومی مكانیك كوانتومی مدرن , ذیل مبحث اندازه گیری می نویسد «برای راهنمایی ابتدا به سخن استاد بزرگ, دیراك می پردازیم كه می گوید هر اندازه گیری, همیشه باعث می شود كه سیستم به یكی از ویژه حالت های متغیر دینامیكی كه اندازه گیری می شود, برود »

معلم بزرگ فیزیك جی جی ساكورای در فصل اول یكی از بهترین كتاب های آموزشی مكانیك كوانتومی (مكانیك كوانتومی مدرن)، ذیل مبحث اندازه گیری می نویسد: «برای راهنمایی ابتدا به سخن استاد بزرگ، دیراك می پردازیم كه می گوید هر اندازه گیری، همیشه باعث می شود كه سیستم به یكی از ویژه حالت های متغیر دینامیكی كه اندازه گیری می شود، برود.» مكانیك كوانتومی در ابتدای قرن بیستم كشف و تدوین شد. مسائلی كه فیزیكدانان با روش های كلاسیك (مكانیك نیوتنی و الكترومغناطیس كلاسیك) قادر به حل آنها نبودند و به فاجعه ای برای فیزیك تبدیل شده بود، با روش های پدیده شناختی ای كه پلانك، اینشتین، رادرفورد، بور و... بنیان گذاشتند، حل شد. این روش های پدیده شناختی راهنمای نسل بعدی فیزیكدانان برای تدوین دقیق اصول موضوعه این علم شد.هایزنبرگ، دیراك، پائولی و شرودینگر اساسی ترین سهم را در ساخت مكانیك كوانتومی داشتند.

• سرشت آماری

مكانیك كوانتومی در توصیف جهان زیراتمی، موفقیت چشمگیری داشت. اوج توان مكانیك كوانتومی در مسائلی مثل طیف اتم های هیدروژن گونه یا ساختار فوق ریزمكانیك آشكار می شود. اما موفقیت های چشمگیر این علم هرگز مانع آن نشد كه فیزیكدانان عمیقی كه به تاثیر فلسفی حرف هایشان به شدت توجه می كردند، از نگاه های مشكوك به نتایج فلسفی مكانیك كوانتومی باز بمانند.

در مكانیك كوانتومی برای حل مسائل با نتایجی آماری مواجه می شویم. به این صورت كه معادله ای كه دینامیك ذرات را توصیف می كند یعنی معادله موج شرودینگر سرشتی آماری دارد. یعنی حل مسئله را دقیق به ما نمی گوید. بلكه احتمال قرارگرفتن ذره در هر حالت را بیان می كند. مثلاً در حل مسئله اتم هیدروژن به ما نمی گوید كه مدار یا مسیر الكترون چگونه است بلكه تنها احتمال قرار گرفتن الكترون را در هر اربیتال های مختلف بیان می كند. همزمان با موفقیت مكانیك كوانتومی در توجیه پدیده ها، عده زیادی از فیزیكدانان كه پدر معنوی آنها نیلز بور بود، ادعا كردند كه مكانیك كوانتومی پایان راه است و ما توصیفی كامل تر از توصیف احتمالی برای پدیده های زیراتمی نخواهیم داشت. چون نیلز بور در كپنهاگ (دانمارك) زندگی و تدریس می كرد، به این دیدگاه، مكتب كپنهاگی مكانیك كوانتومی می گویند. نمونه این سخنان آن چیزی بود كه استاد ساكورای از دیراك نقل كرده بود.

• تقلیل تابع موج

مكانیك كوانتومی به ما می گوید كه ذره هنگام رسیدن به مانع با چه احتمالی از آن عبور كرده و با چه احتمالی برمی گردد. اما اگر در دو طرف مانع یك آشكار ساز قرار دهیم، آنگاه به ما می گوید كه ذره قطعاً از مانع عبور كرده یا بازتاب پیدا كرده است. یعنی قبل از آزمایش تنها احتمال هر یك از دو حالت را داشتیم. پس تابع موج ها (كه وضعیت ذره را توصیف می كند) از دو جمله یكی برای عبور و دیگری برای بازتاب ذره تشكیل شده است. اما پس از آزمایش تابع موج ما فقط از یكی از این دو جمله تشكیل شده است. مكانیك كوانتومی قطعاً به ما نمی گوید كه كدام یك اتفاق می افتد بلكه این آزمایش است كه مشخص می كند كه سرانجام چه اتفاقی می افتد. به این پدیده، تقلیل تابع موج می گویند. حتی در وضعیت های وابسته به زمان، تابع موج با زمان گسترش می یابد. یعنی احتمال این كه ذره مسیر های دیگری را داشته باشد، بیشتر می شود، برای همین گروهی برخلاف شرودینگر كه در ابتدا فكر می كرد تابع موج سرشت سیستم را مشخص می كند، گفتند كه تابع موج تنها معرف دانش ما از سیستم كوانتومی است و ممكن است سیستم كوانتومی خواصی داشته باشد كه ما نسبت به آنها جهل داریم و این آزمایش است كه جهل ما را برطرف می كند و در نتیجه محدوده دانش ما را خاص تر می كند. (تقلیل می دهد) اما این تعبیر هم ظاهراً اشكالاتی دارد زیرا با وجود این كه ما شواهد تجربی متعددی از تداخل توابع موجود داریم (توابع موج هم می توانند مثل امواج الكترومغناطیسی با هم تداخل كنند) این دیدگاه نمی تواند آثار تداخلی توابع موج را توضیح دهد. در نخستین نگاه، ممكن است خواننده آگاه به این نتیجه برسد كه این دستگاه آزمایش است كه دارد تابع موج را تقلیل می دهد. اما فون نویمان نشان داد كه اگر دستگاه اندازه گیری خود توسط مكانیك كوانتومی توصیف شود، تقلیل تابع موج توسط آن مقدور نیست.

• مرز جهان كوانتومی و كلاسیك

در این صورت این سئوال پیش می آید كه پس فرق مكانیك كوانتومی و كلاسیك در كجا است و این دو در كجا از هم جدا می شوند؟ امكان دیگر این است كه تقلیل تابع موج رخ ندهد تا زمانی كه ما به آن دست یابیم. به عبارت دیگر این ناظر ذی شعور است كه تابع موج را تقلیل می دهد. نتیجه این است كه هرگز چیزی رخ نمی دهد مگر آنكه وارد مغز هشیار شود. یوگن ویگنر از بزرگترین طرفداران این نظر بود. البته لازمه حرف های فون نویمان هم چنین تصویری است. البته ویگنر بعدها نظرش را تعدیل كرد و گفت كه سیستم های پیچیده فاقد شعور هم می توانند سبب تقلیل تابع موج شوند. علت این تعدیل این بود كه به ویگنر یادآور شدند كه «پس در زمان های اولیه كه آزمایشگر ذی شعوری نبوده جهان چگونه شكل گرفته است؟»

• نظریه جهان های موازی

یكی از دانشجویان جان ویلر در سال ۱۹۵۷ هنگام تدوین رساله دكترایش به این نتیجه رسید كه اصلاً تقلیل تابع موج رخ نمی دهد. بلكه در لحظه آزمایش، جهان به مجموعه ای از جهان ها تجزیه می شود و هر جمله تابع موج، در یكی از این جهان ها قرار دارد. به همین دلیل به این نظر، تعبیرچندجهانی می گویند. در تعبیر چندجهانی، هرچه ممكن است رخ بدهد، رخ می دهد. مثلاً برای یك ذره اسپین یك دوم كه دو حالت بالا و پایین دارد، در لحظه آزمایش جهان به دو جهان موازی تبدیل می شود كه در هر كدام از آنها یكی از حالت های بالا یا پایین وقوع پیدا می كنند. همزمان آزمایشگر به دو آزمایشگر تبدیل می شود. یك آزمایشگر در یك جهان اسپین بالا را آشكار می كند و آزمایشگر دیگر در جهان دیگر اسپین پایین را.

• خیال یا واقعیت

«خدا تاس نمی ریزد» این جمله ای بود كه آلبرت اینشتین در مخالفت با تعبیر احتمالاتی مكانیك كوانتومی بیان داشت. او كه تفكرات فلسفی عمیقی داشت به بسیاری از مشكلات مكانیك كوانتومی، از جمله مسئله تقلیل تابع موج واقف بود و به دنبال نظریه ای كامل تر از مكانیك كوانتومی می گشت كه بتواند توصیف كاملی از طبیعت ارائه كند و بر پایه احتمالات نباشد. آلبستر ری در كتاب «فیزیك كوانتومی، خیال یا واقعیت؟» اكثر مشكلات فلسفی پیش روی مكانیك كوانتومی را بیان كرده است. در فصل اول كتاب «فیزیك كوانتومی» چند مورد از اصول اساسی مكانیك كوانتومی كپنهاگی مثل اصل عدم قطعیت بررسی شده است. آزمایش EPR كه اینشتین، پودولسكی و روزن آن را به طور ذهنی ساخته اند در فصل دوم كتاب بررسی می شود. آزمایشی كه به زعم اینشتین نقص مكانیك كوانتومی را نشان می دهد. اما در مقابل جواب بور به نتایج آزمایش EPR هم در این كتاب بررسی شده است. فصول بعدی كتاب به مسئله تقلیل تابع موج و راهكارهایی مثل ناظر ذی شعور و تعبیر چندجهانی برای آن پرداخته اند. بحثی زیبا در مورد قضیه بل هم در این كتاب آمده است.

• نامساوی بل

قضیه بل یا نامساوی بل بیان می كند كه اگر راستای قطبیدگی نور را در سه راستا به ترتیب زیر بسنجیم: الف- عمود بر افق و با زاویه فی نسبت به افق، ب- عمود بر افق و با زاویه تتا نسبت به افق و ج- با زاویه تتا نسبت به چپ و فی نسبت به راست، در این صورت تعداد كل زوج هایی از فوتون ها كه برای آنها قطبش فوتون در راستای دوم مثبت باشد از مجموع تعداد زوج های فوتون در دو راستای دیگر بیشتر نیست. اما نكته جالب اینجاست كه ثابت می شود كه مكانیك كوانتومی با قضیه بل سازگار نیست. بنابراین مجبوریم بپذیریم كه یا مكانیك كوانتومی نتایج را به طور صحیح پیش بینی نمی كند یا یكی از فرضیات قضیه بل نادرست است. اگر بخواهیم بپذیریم كه ایراد از فرضیات قضیه بل است، باید بدانیم كه این فرضیات بسیار اساسی اند. در اثبات نامساوی بل از این فرض استفاده شده است كه اطلاع رسانی با سرعت بیشتر از سرعت نور نداریم (موضعیت). بقیه فرض ها هم، فرض هایی جز چند قاعده اصلی منطق ریاضیات نبوده است. اما می دانیم كه موضعیت از دل نسبیت خاص درآمده كه با دقیق ترین آزمایش ها در شتاب دهنده های ذرات بنیادی تایید شده است. این یكی از مهم ترین مسائل حل نشده مكانیك كوانتوم است كه هنوز هم افراد عمیق در حوزه فیزیك مثل راجر نیروز، فرارد ت هوفت و... را درگیر ساخته است.

كتاب «فیزیك كوانتومی: خیال یا واقعیت؟» كه از بهترین مراجع برای بررسی مشكلات پیش روی مكانیك كوانتومی در جهان است، در سال ،۱۳۷۴ توسط محمدعلی نوبری گومشی ترجمه شده است. ترجمه این كتاب بسیار زیبا، ساده و روان است و خواندن آن برای همه دانشجویان فیزیك و به ویژه علاقه مندان به بحث های مكانیك كوانتومی توصیه می شود. به طوری كه می توان گفت صحبت در باب مسائل فلسفی مكانیك كوانتومی بدون آشنایی دقیق و عمیق با مباحث مطرح شده در این كتاب، بدون نقص نیست.

مهدی صارمی فر