انقلاب در نظریه كوانتوم

« تفسیر كپنهاك » از نظریه كوانتوم از هنگامی كه برای اولین بار در ۷۰ سال پیش تكوین یافت, عامل اختلاف نظر فراوان بین فیزیكدانان و فیلسوفان بوده است

آیا تفسیر كپنهاك بی اعتبار می شود

« تفسیر كپنهاك » از نظریه كوانتوم از هنگامی كه برای اولین بار در ۷۰ سال پیش تكوین یافت، عامل اختلاف نظر فراوان بین فیزیكدانان و فیلسوفان بوده است.

«نیلس بور» فیزیكدان دانماركی، معمار اصلی این نظریه، واكنش نمونه ای به این نظریه را چنین خلاصه كرده است: «هر كسی از نظریه كوانتوم تكان نخورد آن را نفهمیده است.» اینشتین این نظریه را به خاطر استلزامات احتمال گرایانه اش دوست نمی داشت، اما علت عدم تمایلش این هم بود كه اعتقاد داشت وظیفه علم فراهم آوردن دانشی از جهان است كه مستقل از مشاهده گران و اعمال مشاهده گرانه شان باشد و این چیزی بود كه تعبیر كپنهاكی از نظر كوانتوم به وضوح آن را رد می كرد.

«بور» اصرار داشت كه تنها طریق معنادار بودن ریاضیات نظریه كوانتوم این است كه فرض كنیم هیچ چیز تا هنگامی كه اندازه گیری نشود وجود ندارد. ما نمی توانیم درباره واقعیت عینی مستقل از مشاهده گران سخن بگوییم زیرا مشاهدات ما آنچه را كه خواهیم دید متفاوت خواهد كرد.معمار دیگر نظریه كوانتوم، اروین شرودینگر تحت تاثیر این تعبیر قرار نداشت. او آزمایش فكری مشهوری را طرح كرد «كه امروزه به آن آزمایش گره شرودینگر می گویند» تا یاوگی ذاتی این تعبیر را روشن كند [آزمایشی كه امروزه به نحوی متناقض به معرف این تعبیر بدل شده است] او اتاقی در بسته را تصور كرد كه حاوی گربه ای زنده و نمونه كوچكی از یك ماده رادیواكتیو به صورت ماشه ای متصل به یك محفظه سیانید است. همه این اجزا برای این چیده شده تا احتمال اینكه ماشه رادیواكتیو آزادی سیانید و نهایتاً مرگ گربه را باعث شود، ۵۰-۵۰ باشد. عقل سلیم به ما می گوید كه گربه درون جعبه یا مرده است یا زنده، بسته به اینكه ماشه رادیواكتیو عمل كرده باشد یا نه.

اما بر اساس تعبیر كپنهاك فرد نمی تواند چنین چیزی بگوید مگر هنگامی كه یك مشاهده گر واقعاً به درون جعبه نگاه كند و «ببیند» كه گربه مرده است (یا زنده). تا آن هنگام گربه را می توان در یك زمان هم مرده «و» هم زنده شمرد.

واضح است كه چنین وضعیتی حالتی غیرعادی از امور است، با این حال این تعبیر بخشی از اصول پذیرفته شده علمی در ۸۰ سال گذشته بوده است. اما احتمالاً این اعتبار دیگر ادامه نخواهد یافت، اگر ثابت شود كه نتایج آزمایش بحث برانگیز فیزیكدان شهریار افشار معتبر است. یكی از خصلت های عجیب واحدهای ساختمانی واقعیت این است كه تحت برخی شرایط به صورت ذره عمل می كند، در حالی كه تحت شرایط دیگر خواص موج مانند آشكاری دارد. این وضع را روشن تر از همه می توان در آزمایش «شكاف دوتایی» double-slit experiment نشان داد كه در آن الكترون ها به سوی یك حائل فلزی نازك با دو شكاف باریك روی آن پرتاب می شوند. الكترون ها از یكی از این شكاف ها می گذرند و به یك صفحه پوشیده از فسفر برخورد می كنند. برخورد الكترون ها با این صفحه جرقه ای نورانی به وجود می آورد كه به وسیله یك شناساگر ثبت می شود.

این آزمایش در سه مرحله انجام می شود. در مرحله اول، تنها یكی از شكاف ها گشوده است و الكترون ها الگویی روی صفحه تشكیل می دهند كه مشابه آنی است كه هنگام شلیك گلوله به یك هدف دیده می شود. تمركزی از اصابت ها كه روی قسمتی از صفحه كه به تدریج هنگامی كه فرد از مركز دور می شود محو می شود. در مرحله دوم این آزمایش، شكاف اول بسته می شود، شكاف دوم باز می شود و الكترون ها الگویی روی صفحه تشكیل می دهند كه مشابه الگوی مشاهده شده در مرحله اول است، اما تمركز یافتن «اصابت ها» در موقعیتی متفاوت در صفحه انجام می گیرد كه با موقعیت متفاوت شكاف دوم روی حائل فلزی تطبیق می كند.تا اینجا همه چیزها مطابق روال معمول است. موضوع وقتی جالب می شود كه هر دو شكاف حائل فلزی را باز می كنید و الكترون ها را به سمت صفحه آشكاركننده شلیك می كنید. اگر الكترون ها همیشه مانند ذره عمل می كردند (همچنان كه در مراحل ۱ و ۲ این گونه هستند)، شما انتظار داشتید كه تركیبی از نتایج مرحله ۱ و ۲ را ببینید. به این معنی كه صفحه باید دو ناحیه تمركز «اصابت ها» مربوط به الكترون هایی كه از میان دو شكاف می گذرند داشته باشد. اما شما چیز دیگری را مشاهده می كنید. آنچه مشاهده می كنید یك الگوی تداخلی كلاسیك است، مانند طرحی كه هنگام برخورد دو موج آب به وجود می آید. به عبارت دیگر مجموعه ای از اوج و فرودهای «اصابت ها» را روی صفحه می بینید، كه با الگوی اصابت حاصل از پرتاب شدن ذراتی ساده از میان دو شكاف متفاوت است. به نظر می رسد الكترون ها هنگامی كه از تفنگ الكترونی شلیك می شوند رفتار ذره ای دارند و هنگامی كه مسیرشان را با اصابت بر صفحه فسفری به پایان می رسانند نیز ذره هستند، اما در مسیر حركتشان بین این دو نقطه خودشان را به نوعی از موج تغییر شكل می دهند.براساس چنین آزمایش هایی ممكن است به نظر رسد كه الكترون ها می توانند هم موج و هم ذره باشند، اما «بور» اعتقاد داشت كه محتمل است كه آنها چیزی مطلقاً متفاوت باشند، چیزی آن قدر بدیع كه نه تجربه های عادی روزمره ما به ما امكان توصیف یا فهم آن را بدهد و نه تجهیزات آزمایشگاهی ما توان احاطه كامل بر آن را داشته باشد. یك موجودیت كوانتومی هنگامی كه اندازه گیری می شود یا مانند ذره یا مانند موج رفتار خواهد كرد. «بور» استدلال می كرد كه طریقه ای كه شما آزمایش خود را ترتیب می دهید است كه تعیین می كند شما چه نوع رفتاری را مشاهده كنید و همزمان و در یك آزمایش هر دو رفتار را نخواهید دید. او این وضعیت را «اصل مكملیت» principle of conplementarity نامید. اینشتین به این اصل اعتراض داشت اما نمی توانست به طور تجربی آن را نقض كند. اكنون به نظر می رسد شهریار افشار از عهده این كار برآمده است.

آزمایش افشار كه اخیراً در مجله نیوساینتیست توصیف شده است، گونه ای از همان آزمایش «شكاف های دوتایی» است. نور لیزر روی دو سوراخ ریز روی یك صفحه مات تابانده می شود. در طرف دیگر این صفحه یك عدسی وجود دارد كه نوری را كه از هر یك از این سوراخ های ریز می گذرد، می گیرد (یك صفحه مات دیگر مانع رسیدن پرتوهای دیگر نور به عدسی می شود) و شعاع های در حال پراكندگی را روی یك آینه دوباره متمركز می كند. این آینه هر یك از این شعاع ها را به یك كشف كننده فوتون جداگانه بازتاب می دهد. به این ترتیب افشار می تواند میزان فوتون های بیرون آمده از هر سوراخ را ثبت كند. بر طبق اصل مكملیت، چنین وضعی به معنای آن است كه نباید هیچ شاهدی از الگوی تداخلی وجود داشته باشد. اما به نظر افشار [بر اساس نتایج این آزمایش] چنین الگویی وجود دارد، همچنان كه او به طور خاص این آزمایش را برای آزمودن حضور همین الگو طراحی كرده است. به گفته افشار: «این آزمایش مكملیت را زیر پا می گذارد... به نظر می آید چیزی كه همه به آن اعتقاد داشتند و هیچ كس در ۸۰ سال گذشته در مورد آن تردیدی به خرج نمی داد، اشتباه باشد» هنگامی كه افشار برای تكرار آزمایش اش در ابتدای سال جاری میلادی به دانشگاه هاروارد دعوت شد نتایج مشابهی را به دست آورد و اكنون كار او برای انتشار پس از مرور به وسیله دانشمندان دیگر پذیرفته شده است. این مرحله یقیناً آزمونی حساس برای پژوهش اوست و معین خواهد كرد كه آیا نظرات او به وسیله جامعه گسترده تر علمی پذیرفته می شود یا نه، گرچه عده ای از فیزیكدانان از هم اكنون پشتیبانی از نظرات او را آغاز كرده اند.

افشار مطمئن است كه پژوهش او مورد قبول قرار خواهد گرفت و برای بسیاری این آزمایش مایه آسودگی خاطر خواهد بود. به گفته افشار: «بسیاری از فیزیكدانان نظرات بور را یا مبهم یا غیرقابل پذیرش یافته بودند، اما تا به حال كسی نتوانسته است در یك آزمایش بی پایه بودن مكملیت را نشان دهد.»

با این حال پیش از آغاز جشن گرفتن برای پیروزی ظاهری عقل سلیم بر غرابت كوانتومی، باید یادآور شد كه برای مثال ما هنوز در موقعیتی می مانیم كه در آن یك ذره، یك موج است و یك موج یك ذره، بخشی از معضل لاینحل نظریه كوانتوم ممكن است به آهستگی در حال گشوده شدن باشد، اما بیشتر بقیه آن به همان اندازه ۸۰ سال قبل كاملاً پیچیده باقی می ماند.

نوشته: ماتیو ایردیل

ترجمه: علی ملائكه