در تکاپوی توضیح «هیچ»

احسان سنایی – در بخش قبلی این مقاله، گفتیم که پیش‌بینی‌های عجیب نظریه کوانتوم از رفتار ذرات زیراتمی به تأیید تجربه‌ای رسیده‌اند و لذا:

“… هیچ چیز از جهان ریز ذره‌ها بعید نیست. اما واقعاً این‌ها چه ربطی به جهان آشنای پیرامون ما دارد؟ این جهان هم از الکترون‌ها و پروتون‌ها و سایر ذرات زیراتمی شکل گرفته؛ حال‌آنکه محال است اصل علیت در آن نقض بشود. فیزیکدان کمی فکر می‌کند و دعوت‌مان می‌کند تا دور میزش بنشینیم. او از قبل یک حسگر ذره‌ای طراحی کرده که به محض ثبت الکترون، به جای بوق زدن، یک چکش ایستاده را رها می‌کند. او تفنگ الکترونی را خاموش می‌کند و این حسگر را به جای یکی از دو حسگر ذره‌ای واقع در اطراف شکاف‌ها می‌گذارد. بعد، از توی کشو یک مین ضدنفر را با کمال احتیاط خارج می‌کند و آن را دقیقاً زیر چکش ایستاده می‌گذارد. اگر فیزیکدان، تفنگ الکترونی را دوباره به راه بیاندازد، از آنجاکه دیدیم حسگرها همزمان فعال نمی‌شوند؛ دو سرنوشت کاملاً متفاوت پیش روی ما خواهد بود. شاید حسگر صوتی بوق بزند و هیچ اتفاقی نیفتد، و شاید هم حسگر چکشی فعال شود (که در اینصورت هردوی‌مان از بین می‌رویم). می‌پرسیم: نظریه کوانتوم چه می‌گوید؟ فیزیکدان می‌گوید: هیچ”. (نگاه کنید به اینجا)

در تکاپوی توضیح «هیچ»

پس نظریه کوانتوم راجع به سرنوشت مین و البته سرنوشت ما سکوت می‌کند. در واقع آزمایش خیالی بالا را «اروین شرودینگر» (Erwin Schrödinger)، فیزیکدان برجسته اتریشی برای یک گربه‌ی بخت‌برگشته طراحی کرده بود و به همین واسطه هم این معضل را گاهی به «گربه شرودینگر» ارجاع می‌دهند. منظور او و دانشمندان دیگری نظیر اینشتین از طرح چنین مبحثی این بوده که نظریه کوانتوم، به‌واسطه همین ناتوانی (که بوی مرگ و زندگی هم می‌دهد)، نظریه جامع و مانعی برای توصیف جهان منطقی پیرامون‌ ما نیست و هنوز پیشرفت‌های زیادی می‌طلبد. اما برعکس، فیزیکدانانی همچون نیلز بور و «ورنر هایزنبرگ» (Werner Heisenberg)، نظریه کوانتوم را ناقص نمی‌‌شمردند؛ بلکه می‌گفتند نه‌تنها یک الکترون، بلکه حسگر چکشی و کلیه اجسام ماکروسکوپیک جهان هم با تابع موج توصیف می‌شوند. به عبارت دیگر، این ذات طبیعت است که هیچگونه توضیح قطعی‌‌ای راجع به انفجار مین نمی‌دهد و تنها می‌تواند احتمال وقوعش را برای‌مان پیش‌بینی کند. حسگر چکشی به‌محض فعال‌سازی تفنگ الکترونی، «تصادفاً» یکی از احتمالات موجود (یعنی انداختن، یا نیانداختن چکش) را برمی‌گزیند و لذا تابع موجش تنها به یکی از همین دو حالت خاص فرومی‌پاشد؛ اما به نحوی کاملاً تصادفی. با این حساب هیچ ابزاری نمی‌توان ساخت که ماهیت موجی و ذره‌ای الکترون را همزمان به ما نشان بدهد؛ چراکه ما با مبادرت به طراحی یک حسگر ذره‌ای، در واقع تابع موجش را چنان محدود می‌کنیم که فقط چهره‌ی ذره‌ای الکترون را به ما نشان خواهد داد. مثلاً اگر چکش را از حسگر باز کنیم و آن را محکم به روی مین بکوبیم، توابع موج حاکم بر مین و چکش را به قدری محدود کرده‌ایم که احتمال انفجار مین، مثلاً ٩٩ درصد می‌شود؛ اما هیچوقت این احتمال صد در صد نخواهد شد، چراکه طبیعت، «ذاتاً» احتمالاتی عمل می‌کند. شاید بپرسید حالا حق با آن ١ درصد است (که می‌گوید احتمال دارد اصلاً مین عمل نکند؛ یا ماهیچه دست‌مان ناگهان بگیرد و …)، یا ٩٩ درصد؟ بور و هایزنبرگ خواهند گفت: “تا چکش را نزنی، معلوم نمی‌شود؛ چون واقعیت، همان چیزی‌ست که تو خواهی دید”.

طرحی از نحوه توجیه آزمایش ذهنی گربه شرودینگر توسط تعبیر جهان‌های چندگانه نظریه کوانتوم. در این آزمایش، یک منبع رادیواکتیو (که آهنگ واپاشی‌اش تابع قوانین کوانتومی، و لذا غیرقابل پیش‌بینی است)، به یک حسگر چکشی متصل شده تا به محض وقوع واپاشی چکش را رها کند. در اینصورت شیشه زهری که روبروی گربه قرار دارد، خواهد شکست و بدین‌ترتیب گربه خواهد مرد. اما سؤال شرودینگر از نظریه کوانتوم این است که سرنوشت قطعی گربه بعد از گذشت مدتی مشخص چه خواهد بود؟ پاسخ نظریه کوانتوم این است که گربه با احتمالاتی که در طول زمان تغییر می‌کند، هم مرده است و هم زنده. توجیهی که تعبیر جهان‌های چندگانه برای این گزاره فراهم آورده می‌گوید: گربه در یک جهان زنده می‌ماند و در یک جهان خواهد مرد

عقاید بور و هایزنبرگ و جمع دیگری از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم را به اصطلاح «تعبیر استاندارد»، یا پیرو نام محل هم‌اندیشی فیزیکدانانی که به این تعبیر شکل بخشیدند، «تعبیر کُپنهاگی» نظریه کوانتوم هم می‌نامند. اما اینشتین با چنین تعبیری مخالف بود و به «تعبیر آماری» این نظریه که توسط «ماکس بورن» (Max Born) ارائه شده بود، بیشتر گرایش داشت. اگر از او می‌پرسیدیم که چه بر سر مین و ما خواهد آمد؛ می‌گفت اگر تابع موج حسگرمان بگوید احتمال مرگ و زندگی تان ٥٠-٥٠ است؛ در واقع دارد می‌گوید اگر ١٠٠ حسگر داشتیم، در ٥٠ تایشان انفجار رخ می‌داد و در باقی موارد هم هیچ اتفاقی نمی‌افتاد. پس نظریه کوانتوم، فقط به درد توصیف رفتار یک مجموعه از سیستم‌های فیزیکی (مثلاً چندین حسگر مشابه) می‌خورد؛ نه یک سیستم تنها. از این‌رو نظریه کامل‌تری را باید ارائه داد تا رفتار یک سیستم تنها را نیز به قطعیت برایمان معلوم کند.

«جان فون‌نیومن» (John von Neumann)، ریاضیدان بزرگ مجار، از طرفی معتقد بود که نه‌تنها یک الکترون، و نه‌تنها اجسام ماکروسکوپیک (مثل حسگر ما)؛ بلکه کل جهان هستی تحت سیطره یک تابع موج واحد است. از آنجا که برای فروپاشی تابع موج و رسیدن به یک نتیجه قطعی هم باید چیزی وجود داشته باشد که دست‌کم خودش تحت سیطره تابع موج نباشد (یعنی تماشاگر فروپاشی تابع موج باشد)، پس این «ذهن» انسان است که تعیین می‌کند چه چیزی واقعیت دارد. هرآنچه که بیرون از ذهن ماست، در یک سوپرپوزیشن چندحالتی واقع شده است. مثلاً فرض کنید مین را دوباره با احتیاط به درون کشو برمی‌گردانیم و تفنگ الکترونی‌مان را هم کوک می‌کنیم تا ١٠ دقیقه دیگر عمل کند. فون نیومن می‌گوید با خروج از اتاق، بعد از ١٠ دقیقه نباید پرسید آیا چکش افتاده یا نه؟ چون چکش، هم افتاده و هم ایستاده (درست مثل الکترون که هم موج است و هم ذره). فقط زمانی این وضعیت دوگانه، به شکل «افتاده» یا «ایستاده» فروپاشیده می‌شود که درب اتاق را باز کنیم و آن را با چشم خودمان ببینیم. این تعبیر، اصطلاحاً «تعبیر ذهنی» نظریه کوانتوم نامیده می‌شود.

جان فون نیومن؛ واضع تعبیر ذهنی نظریه کوانتوم

تعبیر دیگری که بد نیست اشاره‌ای هم به آن داشته باشیم، «تعبیر جهان‌های چندگانه»ی نظریه کوانتوم است که می‌گوید تابع موج هرگز فروپاشیده نمی‌شود، بلکه تمام احتمالاتش عملاً محقق می‌شوند، اما ما تنها یکی از آنها را می‌بینیم. آنچه که نمی‌بینیم، در جهان‌های موازی دیگری رخ داده که قادر به خبر گرفتن از آنها نیستیم. این تعبیر که توسط فیزیکدان آمریکایی، «هوگ اورت» (Hugh Everett) مطرح شده؛ می‌گوید ازآنجاکه حسگر ما پای دو حالت را بیشتر پیش نمی‌کشد (یعنی انفجار، یا عدم انفجار مین)؛ پس یکی از این دو که عملاً بعد از روشن شدن تفنگ الکترونی محقق نمی‌شود، در جهان دیگری محقق شده که همان لحظه از جهان ما منشعب شده بود. پس طبق این تعبیر، بالاخره ما زنده می‌مانیم، حتی هم اگر در این دنیا نباشیم.

تنوع تعابیری که از نظریه کوانتوم ارائه شده، به قدری زیاد است که اشاره به یکایک‌شان، مقاله‌ مجزایی را می‌طلبد. اما هدف ما در این‌جا تنها اشاره مختصری به گستره توضیحاتی بود که فیزیکدانان بزرگ جهان برای حل معضل محاسبه و همچنین تعیین سرنوشت مین و چکش ارائه کرده‌اند. اگر شما هم تعجب کرده‌اید که چگونه تعابیری مثل «تعبیر ذهنی» یا «تعبیر جهان‌های چندگانه» ممکن است سر از مباحث کاملاً علمی و جدی درآورده باشند، در این احساس‌تان با اکثر دانشمندان هم‌عقیده‌اید. این دانشمندان به تبعیت از عقاید فیلسوف اتریشی، «کارل پوپر» (Karl Popper) می‌پرسند: “بر فرض هم اگر تعبیر ذهنی، یا جهان‌های چندگانه صحیح باشد، چطور می‌شود این موضوع را به اثبات رساند؟” در تعبیر استاندارد، دست‌کم می‌توان گفت اگر حسگری می‌ساختیم که همزمان ماهیت موجی و ذره‌ای یک الکترون را به ثبت می‌رسانْد، دیگر این تعبیر (یا دست‌کم بخشی از این تعبیر) اعتباری نداشت (چراکه طبق تعبیر استاندارد، محال است الکترون را در یک لحظه به شکل موج و ذره ببینیم). در واقع هفت سال پیش، شهریار افشار، استاد فیزیک دانشگاه روئن آمریکا موفق به طراحی چنین آزمایشی در خصوص ماهیت موجی-ذره ای واحدهای سازنده نور – یا فوتون‌ها – شد. گرچه هنوز بحث و جدل‌ها بر سر صحت آزمایش افشار ادامه دارد، اما مشخص شده که تعبیر استاندارد، «بطلان‌پذیر»تر از تعابیری مثل تعبیر جهان‌های چندگانه است. بطلان‌پذیریْ همان معیار هوشمندانه‌ای‌ست که پوپرْ آن را تضمین‌گر قوام و جدیت یک نظریه علمی معرفی کرده بود. مثلاً شهرت و اعتبار نظریه نسبیت عام اینشتین، مدیون ده‌ها آزمایشی‌ست که در طول یک قرن، از هر سو به سمتش حمله برده‌اند و با این وجود هنوز هیچ لطمه‌ای ندیده است. اما شما هیچ آزمایشی را سراغ دارید که بتواند مثلاً صحت تعبیر جهان‌های چندگانه را ثابت کند؟

تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم

در سال ١٩٨٣، «تامس گولد» (Thomas Gold)، ستاره‌شناس نام‌آشنای آمریکایی، کنفرانسی راجع به «ماهیت علم» برگزار کرد، که کیهان‌شناسان و فیزیکدانان بزرگی از جمله «هرمان بوندی» (Hermann Bondi)، «سابرامانیان چاندراسکار» (Subramanian Chandrasekhar – برنده نوبل ١٩٨٣)، «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman – برنده نوبل ١٩٦٥)، «مارتین هارْویت» (Martin Harwit)، «راجر پنروز» (Roger Penrose)، «فیلیپ موریسون» (Philip Morrison) و جان ویلر (John Wheeler) نیز در آن شرکت داشتند. در آن کنفرانس، دیوید لیزر (David Layzer) برای نخستین بار فرضیه‌ای را مطرح کرد که بعدها سنگ بنای «تعبیر کیهان‌شناختی» نظریه کوانتوم شد.

این تعبیر هم مثل تعبیر آماری می گوید “نظریه کوانتوم، نظریه‌ای برای توصیف رفتار یک مجموعه از سیستم‌های فیزیکی (مثلاً چندین حسگر مشابه) است؛ نه رفتار یک سیستم تنها”. اما لیزر همچون اینشتین نمی‌گوید “پس نظریه کوانتوم، یک نظریه ناقص است”؛ بلکه می‌گوید این قوانین آماری هستند که بر کل جهان حکم می‌کنند، چراکه ما اصلاً «یک سیستم تنها» یا اصطلاحاً «بی‌در رو» در جهان پیدا نمی‌کنیم. از این لحاظ او با فون‌نیومن هم موافق است که کل جهان هستی تحت سیطره تنها یک تابع موج واحد است. اما لیزر برخلاف او ذهن انسان را هم در زمره این مجموعه می‌آورد و لذا تمام درها را به روی فروپاشی تابع موج جهان می‌بندد. به عبارت دیگر، تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم رویهمرفته می گوید: “جهان تحت سیطره تنها یک تابع موج پایدار است، که پدیده‌ها را به صورت آماری توصیف می‌کند“.

اگر یادتان باشد، تابع موج توپ فوتبال این بود: “توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد”. طبق تعبیر کیهان‌شناختی نظریه کوانتوم، اگر از تابع موج کل جهان بپرسیم: توپ کجاست؟ به همان شکل خواهد گفت: “توپ به همان جایی رفته که باید احتمالاً رفته باشد”. اگر بخواهیم واضح‌تر برایمان توضیح بدهد، مثلاً خواهد گفت: “٣٢ درصد احتمال دارد که توپ به «این» طرف برود، و ٦٨ درصد هم به «آن» طرف”. به نظر شما، اگر تابع موج جهان می‌گفت “توپ ١٠٠ درصد به «این» طرف می‌رود”، هم هیچ گره‌ای از کارمان باز می‌شد؟ البته که خیر؛ چون ما می‌خواهیم بدانیم «این» طرف به چه معناست. تعبیر کیهان‌شناختی خواهد گفت: به هیچ معنا! چراکه کلماتی مثل «چپ و راست» و «بالا و پایین»، مثلاً برای فرد فیلمبرداری که صحنه گل را به ما نشان می‌دهد و همچنین تماشاگران و بازیکنانی که در جای‌جای استادیوم به توپ خیره شده‌اند، معانی مختلفی دارد. حال تصور کنید که تابع موج جهان، تمام این زوایا را زیر پوشش خود دارد. پس این تابع موج، هیچ سمت و سویی را نمی‌تواند «تشخیص» بدهد.

شاید در نگاه نخست، این تعبیر، گنگ‌ترین و بطلان‌ناپذیرترین تعبیری باشد که تاکنون شنیده‌اید. اما خوشبختانه یک پیش‌بینی بزرگ هم دارد: اگر تنها یک تابع موج بر جهان حکم کند و جهان هم فاقد مرز باشد، آنگاه عباراتی مثل «این طرف» و «این‌جا» برایش بی‌معنی‌اند؛ چراکه این تابع موج، اصلاً قابلیت تشخیص هیچ نقطه یا جهت خاصی از فضا را ندارد. پس ما به هر طرف از جهان که بنگریم و در هر جایش که بایستیم، باید چشم‌انداز مشابهی ببینیم (درست مثل اینکه مه سنگینی جهان را فراگرفته باشد). کافی‌ست سرتان را نیم‌دور بچرخانید تا چنین تعبیری باطل شود. اما پیش از این کار، بهتر است از یک کیهان‌شناس هم مسأله را جویا شویم؛ چراکه آنها بالغ بر ٨٠ سال است که می‌گویند: جهان در مقیاس‌های بزرگ، در همه‌جا و از همه‌سو یکسان دیده می‌شود.

ادامه دارد …

در همین زمینه:

بخش اول: راز ژرف ماده

بخش دوم: شعبده‌های زیراتمی

توضیحات تصاویر:

۱ – نیلز بور و آلبرت اینشتین، دو تن از بنیانگذاران نظریه کوانتوم در جریان مباحثات معروف بور-اینشتین که محترمانه تا پایان عمر اینشتین ادامه یافت. او معتقد بود که نظریه کوانتوم، نظریه کاملی نیست و باید در آن تجدید نظر شود. اما به اعتقاد نیلز بور، این نظریهْ کامل است و این ماییم که باید از ذهنیت سنتی‌مان راجع به فیزیک کلاسیک، رویگردان شویم. بعدها مشخص شد که حق با بور بوده است. این عکس را پاول ارنفست (Paul Ehrenfest)، فیزیکدان اتریشی (که نقش مهمی را هم در پیشبرد نظریه کوانتوم ایفا کرد)، در خانه خود واقع در شهر لیدن هلند؛ حین مباحثه این دو فیزیکدان بزرگ قرن بیستم گرفته است (مربوط به سال ۱۹۲۵)

۲ – طرحی از نحوه توجیه آزمایش ذهنی گربه شرودینگر توسط تعبیر جهان‌های چندگانه نظریه کوانتوم. در این آزمایش، یک منبع رادیواکتیو (که آهنگ واپاشی‌اش تابع قوانین کوانتومی، و لذا غیرقابل پیش‌بینی است)، به یک حسگر چکشی متصل شده تا به محض وقوع واپاشی چکش را رها کند. در اینصورت شیشه زهری که روبروی گربه قرار دارد، خواهد شکست و بدین‌ترتیب گربه خواهد مرد. اما سؤال شرودینگر از نظریه کوانتوم این است که سرنوشت قطعی گربه بعد از گذشت مدتی مشخص چه خواهد بود؟ پاسخ نظریه کوانتوم این است که گربه با احتمالاتی که در طول زمان تغییر می‌کند، هم مرده است و هم زنده. توجیهی که تعبیر جهان‌های چندگانه برای این گزاره فراهم آورده می‌گوید: گربه در یک جهان زنده می‌ماند و در یک جهان خواهد مرد / منبع: دایره‌المعارف ویکی

۳ – جان فون نیومن؛ واضع تعبیر ذهنی نظریه کوانتوم / منبع: LANL