ذره فوتون از سمت چپ گسیل شده و با آئینه برخورد می‌کند.
فوتون با ۵۰ درصد احتمال به طرف آشکارساز A و با ۵۰ درصد احتمال به طرف آشکارساز B می‌رود. (این تعریفِ "نیمه شفاف" است.) قوانین
نظریه کوانتوم به ما می‌گوید که فوتون هر دو راه را می‌رود و تا زمانی که مشاهده (اندازه‌گیری)
نشده است در حالت مختلط، در حالت برهم‌نهی superposition state، است ـ یک احتمال برای فوتون، در راه بودن به طرف A و یک احتمال در راه بودن به طرف B است و این زمانی هم صدق می‌کند که A و B بسیار دور از
هم باشند. به‌محض آن‌که یکی از آشکارسازها واکنش نشان دهد، می‌دانیم که فوتون حالا
در این آشکارساز است (و ما آن را در آشکارساز دیگر مشاهده نخواهیم کرد). اصل بقاء
انرژی هیچ‌گونه تردیدی در اینکه فوتون، حامل انرژی، تمام وقت وجود دارد نمی‌گذارد.
اما تا زمان اندازه‌گیری معلوم نیست که فوتون کجاست ـ ما می‌توانیم بگوئیم فوتون
هم‌زمان در هر دو جا می‌باشد، تا لحظه‌ای که آن را مشاهده (اندازه‌گیری) نکرده‌ایم.
فوتون مطمئنا "آنجا"، ", „da „there“ است ـ اما پرسش این است که "آنجا" کجاست؟ (در این‌جا نباید مرتکب این
اشتباه شد که خیال کنیم مسئله مربوط به ناتوانی ما در تعیین مسیر فوتون می‌شود. برهم‌نهی
واقعا واقعی و تجربی قابل اثبات است ـ این را می‌توان از طریق آئینه‌ی دومی که دو
مسیر فوتون را دوباره بهم می‌رساند نشان داد).
ابژکت‌ها در نظریه کوانتوم توسط تابع موجی‌شان توصیف می‌شوند
با این تعبیر که وقتی مشاهده (اندازه‌گیری) نمی‌شوند با یک احتمال (with a probability, mit einer Wahrscheinlichkeit) در جاهای مختلف هستند. اما در زمان اندازه‌گیری،
تابع موج بی‌درنگ فرومی‌ریزد (collapsed, kollabiert) و احتمال
حضور آن‌ها در محل اندازه‌گیری برابر با ۱ و در بقیه جاها مساوی با صفر می‌شود.
فروپاشی تابع موج ’آنی‘ است، به این دلیل که وقتی ابژکتی اندازه گیره‌گیری می‌شود
نمی‌تواند مدت زمانی طول بکشد تا احتمال بودن آن در جای دیگر به صفر برسد و در محل
اندازه‌گیری مساوی با ۱ بشود. البته فروپاشی ’غیرآنی‘ تابع موج را میشد پذیرفت
اگر نظریهای به نام نظریه نسبیت مطرح نبود. در نظریه نسبیت حداکثر سرعت، سرعتِ
نور می‌باشد. نظریه کوانتوم فروپاشی تابع موج را ’آنی‘، بی‌نهایت سریع، می‌پندارد.
این پنداشت البته صریحا ناقض نظریه نسبیت نیست، به این دلیل که تابع موجِ در حالِ
فروپاشی قادر به انتقالِ سیگنالی نمی‌باشد.«۱۰
پرسش مهمی که در رابطه با آزمایش توضیح داده شده، و کلا هر
آزمایش دیگری، بایستی مطرح کرد این‌است‌که بدانیم منظور از ’اندازه‌گیری‘ چیست؟ و
آیا ابزار اندازه‌گیری در حین عمل سنجش کمیتِ ابژکت مورد نظر، به‌ویژه در دنیای
کوانتوم، را تغییر می‌دهند یا خیر؟ و اگر تغییر می‌دهند، که می‌دهند، آیا اصولا راهِ
گربزی برای برطرف کردن این معضل وجود دارد؟ این مطلبی است بسیار پیچیده و نیازمند
بررسی و توضیح جداگانه.
گزینه‌ی دوبروی
ـ بوهم
مفهوم‌های ناروشن و تعبیرهای مختلف از مکانیک کوانتومی
فیزیکدانانی را بر آن داشت تا آلترناتیوی ارائه دهند که عاری از مشکل تعبیر مفهوم‌ها
باشد. یکی از این فیزیکدان‌ها دیوید بوهم David Bohm، فیزیکدان و
فیلسوف آمریکایی (۱۹۹۲ـ۱۹۱۷)، بود که مستقل و بی‌‌اطلاع از کارهای سال ۱۹۲۷ لویی
دوبروی، فیزیکدان فرانسوی (۱۹۷۸ـ۱۸۹۲؛ نظریه موج خودران،Pilot wave
theory, Theorie der
Führungswelle ) در سال ۱۹۵۲ نظریهای ارایه نمود که تحت نام مکانیک
بوهمی (مکانیک دوبروی ـ بوهمی) معروف شده است.
بوهم مکانیک خود
را یک نظریه علّی، حتمی و غیرمحلی (Pilot wave theory) از ذرات میداند. توسعه تابع موج در این مکانیک از طریق معادله شرودینگر و معادلات
حرکتی مختصات مکان سیستم‌های کوانتومی مربوطه بررسی می‌شود. یعنی، در مکانیک بوهمی
خواص موجی و ذره‌ای مکمل هم محسوب نشده و هر ذره در هر زمان، مکان تعریف شده‌ی خود
را دارد چه در حالت مشاهده و چه در حالت عدم اندازه‌گیری. به این ترتیب در مکانیک دوبروی
ـ بوهمی عباراتِ احتمالی همان معنا را دارند که از فیزیک آماری کلاسیک می‌شناسیم. البته
ما می‌دانیم که در فیزیک کلاسیک شرایط اولیه‌ی سیستم‌ها دقیقا شناخته شده نیستند۱۱.
در نتیجه نمی‌توان مشکلات مکانیک کوانتومی را در نظریه دوبروی ـ بوهم برطرف شده دانست.
در واقع از نگاه معرفت‌شناسی نظریه دوبروی ـ بوهم تفسیری دترمینیستی از مکانیک
کوانتومی است. در این‌صورت طبیعی است که این مکانیک مشکلات تعبیری مکانیک کوانتومی
را نداشته باشد. مکانیک دوبروی ـ بوهمی منتقدان زیادی دارد و انتقادها از آن نیز
بسیار گوناگون هستند. بیشترین انتقادها اما مربوط می‌شود به ’غیرمحلی‘ بودن این
نظریه که طبق آن، ابژکت‌ها می‌توانند در فاصله‌های دلخواه (برای مثال مبلیاردها
کیلومتر) دور ازهم و در عین حال توان تاثیرگذاری بر حرکت یکدیگر را دارا باشند.۱۲
تذکر: تفسیر مکانیک دوبروی ـ بوهمی تنها تفسیر از
مکانیک کوانتومی نیست. تفسیرهای دیگری مانند نظریهی ’دنیاهای چندگانه‘
(many-world
interpretation) نیز وجود
دارند که از تشریح آن‌ها در این‌جا صرف‌نظر می‌شود.
اصولا چرا گزینه‌‌ای دیگر؟
مکانیک کوانتومی و ’تفسیر احتمالی‘ آن از پدیده‌های فیزیکی
به‌شکل عالی با نتایج تجربی هم‌خوانی دارد. تلفیق این نظریه با نظریه نسبیت خاص به
’نظریهی مکانیک کوانتومی نسبیتی (ذرات)‘ و ’نظریه کوانتومی نسبیتی (میدان‌ها)‘ انجامیده
است. این نظریهها در مجموع به‌عنوان ’نظریه اساسی برای توصیف طببعت‘ شناخته می‌شوند
و در عمل نیز صحت خود را نشان داده و ما را با جنبه‌های گوناگون اسرار طبیعت آشنا کرده‌اند.
با این حال تفسیر مفهوم‌های مکانیک کوانتومی از جمله تفسیر ’مفهوم واقعیت‘
ناروشن هستند. ناروشنی در تفسیر مفهوم‌های مکانیک کوانتومی درک صحیح این نظریه را دشوار
نموده و سبب اظهار نظرهايی مانند ’هیچ‌کس از ما آن را درست نمی‌فهمد‘ از جمله از
جانب پایه‌گذاران آن مانند نیلز بوهر، ورنر هایزنبرگ و یا ریچارد فایمن شده است. ناروشنی‌ها
در مفهوم‌های نظریه کوانتوم باعث شده است که فیزیکدان‌هائی آن را ناکامل ارزیابی و
نیازمند تجدید نظر بدانند و یا حتی خواهان نظریه بنیادی‌تری شوند.
EPR ، دوبروی ـ بوهم ، بل
تا اواخر دهه‌ی سوم قرن گذشه نظریه مکانیک کوانتومی بهطور صوری
(فرمال) تکمیل شده بود و انسان توانست با بهره‌جوئی از این نظریه در کوتاه‌ترین
زمان به گسترده‌ترین و شگفت‌انگیزترین دست‌آوردهای علمی ـ فنی در تاریخ خود نایل آید.
به این ترتیب مکانیک کوانتومی در عمل کارایی خود را به بهترین وجه نشان داده است. با
این همه نکات انتقادی مقالهی سال ۱۹۳۵ EPR حتی ده‌ها سال پس از انتشار آن مورد توجه فیزیکدان‌ها بود
بی‌آن‌که پاسخ مناسبی دریافت کند. در دهه‌ی شصت میلادی قرن گذشته بحث تعبیر مفهوم‌های
مکانیک کوانتومی دوباره پی‌گیری می‌شود، عمدتا از جانب گروهی از فیزیکدانان جوان. در
سال ۱۹۶۴جان استوارت بل John Stewart Bell، فیزیکدان
ایرلند شمالی (۱۹۹۰ـ۱۹۲۸)، دو مقاله منتشر می‌کند که هر دو مورد توجه خاص قرار می‌گیرند.
پیش از پرداختن به این دو مقاله لازم است دو مطلب ذکر شده در بالا، از مقالهی EPR و مکانیک بوهم، را یادآوری کنم:
در مقالهی EPR می‌خوانیم:
"اگر بتوان اندازه‌ی یک کمیت فیزیکی را با قطعیت (یعنی با احتمال ۱) پیش‌گوئی
کرد، بدون آن‌که سیستم را مختل نمود، در این‌صورت عنصری از واقعیت فیزیکی وجود
دارد که با کمیت فیزیکی مزبور مطابقت می‌کند." این شرط استدلال EPR را با خواستِ
’محلی‘ بودن‘localitiy
requirement) ) پیوند می‌دهد.
یعنی، مقالهی EPR امکان تاتیرگذاری با سرعت بی‌نهایت (آنی) را نمی‌پذیرد.۱۲
در مقابل بوهم مکانیک خود را ’غیرمحلی‘ میداند، یعنی امکان
تاثیرگذاری آنی را می‌پذیرد. به این معنا که اندازه‌گیری روی یکی از دو ذره جفتِ
درهم‌تنیده کوانتومی روی ذره‌ی دیگر تاثیر می‌گذارد حتی اگر این دو در فاصله‌های غیرقابل
تصور دور از هم باشند.۱۲
حال نگاه کوتاهی داریم به دو مقالهی جان بل۱۳. بل
در مقالهی اول نشان می‌دهد که "اثبات جان فون نویمان John von Neumann، ریاضی‌دان مجاری ـ آمریکايی (۱۹۵۷ـ۱۹۰۳)، در غیرممکن بودن
’متغیرهای پنهان‘ برای توضیح فیزیک کشف نشده در پشت مکانیک کوانتومی که می‌توانست
مشکل تعبیر مفهوم‌ها را تا حدودی به شیوه معمول حل کند متکی به فرض‌های غیرقابل
قبول است."۳
تذکر: "تئوری‌های متغیر پنهان پیشنهادی است
برای ارائه توضیحات جبرگرایانه از پدیده‌های مکانیک کوانتومی، که از طریق معرفی
موجودیت‌های فرضی غیرقابل روئیت است."۸
مقالهی دوم بل به خاطر آن‌که "امکان تایید تجربی
(آزمایش) مکانیک کوانتومی در یک نقطه انتقادی را می‌داد معروفیت خاصی پیدا
کرد"۳ و به نام قضیه بل (Bell’s Theorem, Bell’sche Ungleichung) شهرت یافته است. قضیه
بل مربوط به یک سری اندازه‌گیری‌های درهم‌تنیده‌ی کوانتومی۵ ذراتِ
جفت (Quanten-Verschränkung,
Quantum entanglement) می‌شود. این
قضیه نظر EPR را رد می‌کند و درک دقیقی از ’غیرمحلی‘ (Nichtlokalität, Nonlocality) بودن مکانیک کوانتومی ارائه می‌دهد. قضیه بل نشان می‌دهد که
غیرممکن است یک نظریه ’محلی‘ داشت و هم‌زمان پیش‌بینی‌های خاصی از مکانیک
کوانتومی را پذیرفت.
"گرچه گزاره‌های مکانیک کوانتومی در آزمایش‌هايی که
بعدها انجام شد (برای اکثر شرکت کنندگان همان‌گونه انتظار داشتند) تایید شدند، اما
به‌نظر می‌رسد همین بحث باعث شد که فیزیکدان‌های زیادی از عجیب و غریب بودن اساسی
مکانیک کوانتومی آگاه شوند."۳
سخن پایانی
تعبیرها و نقطه نظرهای ذکر شده نشان می‌دهند که فیزیک
کوانتومی در حین برخورداری از توان کاربردی بسیار بالا در عرصه‌های گوناگون علمی ـ
فنی از مفاهیم تعریف شده‌ی دقیقی، به‌ویژه مفهوم واقعیت، برخوردار نیست. در فیزیک
کوانتومی بعکس فیزیک کلاسیک ’تابع موج‘ تعبیر واحدی ندارد و این یکی از مسائل مهمِ
ناروشن در نظریه کوانتوم است. به این معنا که فیزیکدانانی آن را یک ابژکت واقعی و فیزیکدانان
دیگری غیرواقعی می‌دانند. نتیجه: وقتی ’تابع موج‘ ابژکتی واقعی تلقی شود، مجاز
است ’غیرمحلی‘ تغییر کند. در این‌صورت و برای مثال فروپاشی آن برای ناظرانی در ’جهت
معکوس زمان‘ نمایان می‌شود (در این مطلب مفهوم هم‌زمانی در نظریه نسبیت خاص نقش بازی
می‌کند۱۹). برعکس وقتی ’تابع موج‘ ابژکت واقعی تلقی نشود به‌معنای آن است
که داریم دنیا را با چیزی توصیف می‌کنیم که در دنیای واقعی هیچ معادلی ندارد. این
وضعیت نیاز به به‌چالش کشیدنِ نظریات فیزیکدان‌ها از جانب فیلسوفانِ فیزیکدان را
به‌خوبی نشان می‌دهد و آن را به یک مسئله‌ی حاد مهم علمی تبدیل کرده است.
مراجع
1. Edson De Faria, Welington De Melo: Mathematical Aspects of
Quantum Field Theory, Cambridge University Press, New York, 2010
2. Kurt Baumann,
Roman U. Sexl: Die Deutungen der Quantentheorie, Springer Fachmedien, Wiesbadeb, 1984
3. H. Dieter Zeh:
Physik ohne Realität: Tiefsinn oder Wahnsinn?, Springer-Verlag, Berlin
Heidelberg, 2012
4. Hassan Bolouri: Wahrnehmung
und Erkenntnis
۴. حسن بلوری: هشت
جستار در باره‌ی فضا، زمان، ماده و مرزهای ادراک حسی، زنجان، نشر هزاره‌ی سوم،
۱۳۹۷
5. Anton
Zeilinger: Einsteins Spuk, Teleportation und weitere Mysterien der
Quantenphysik, Bertelsmann verlah, München, 3. Auflage 2007
6. Hassan Bolouri:
The Science of Thinking
۶. حسن بلوری:
علم اندیشیدن ـ ریشه‌ها و روش‌ها، زنجان، هزاره‌ی سوم، ۱۳۹۴
7. A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen: Can quantum-mechanical
description of physical reality be considered complete? In: Physical Review,
Band 47, 1935 (Online)
8. Wikipedia
– The Free Encyclopedia
۸. ویکی پدیا ـ دانشنامه‌ی آزاد: آزمایش فکری اینشتین، پودولسکی،
روزن؛ تفسیرهای مکانیک کوانتومی
9. Franco
Selleri: Die Debatte um die Quantentheorie, Friedr. Vieweg & SohnVerlag,
Braunschweig/Wiesbaden, 2. Auflage, 1984
10. Martin Bäker: Quantenmechanik
und Realität in: Science Blogs, Okt, 2012
11.
Hassan Bolouri: Principle of Causality?
۱۱. حسن بلوری: اصل
علیت؟، متشر شده در سایت‌های فارسی زبان، ماه ژانویه ۲۰۲۰
12. Oliver Passon:
Bohmsche Mechanik, Harri Deutsch Verlag, Frankfurt/ Main, 2. Auflage, 2010
13. John
Stewart Bell: Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanik, 2nd Edition,
Cambridge University Press, Cambridge 2004
14.
Hassan Bolouri: The Concept of Space
حسن بلوری: مفهوم فضا، منتشر شده
در سایت‌های فارسی زبان، ماه
جولای ۲۰۲۰
لینک تصویر ۱:
https://pixabay.com/de/illustrations/paradoxon-wahrheit-realit%C3%A4t-2953474/
لینک تصویر ۲:
https://scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2012/10/10/quantenmechanik-und-realitat/