صد سال آشفتگی کوانتوم

مکانیک کوانتومی یکی از بنیادی ترین نظریه های فیزیک است که در اوایل قرت بیستم توسط فیزیکدان آلمانی ، ماکس پلانک، نطفه اش بسته شد. در حالی که از قبل این نظریه ، نظریه های پیشرفته تری مانند نظریه میدانهای کوانتومی ، گرانش کوانتومی ، نظریه ریسمان و ... تولید شده اند ولی اصل نظریه در ساده ترین شکل خود مشکلات تعبیری فراوانی دارد ، بطوریکه اگر از بزرگترین فیزیکدانها نیز خواسته شود جهان کوانتومی را تصویر کنند با مشکل مواجه خواهند شد. متاسفانه یا خوشبختانه نتایج این نظریه به اینجا ختم نمیشود و استلزامات آن در اغلب موضوعات فلسفی تاثیر مستقیم داشته است. در فلسفه ذهن که ثنویت ذهن – بدن گفته شده است ، در منازعه واقع گرایی – ضد واقع گرایی ، با استفاده از آن به نفع ضد واقع گرایی اقامه برهان شده است. در فلسفه ریاضی ، برهان هایی که علیه افلاطون گرایی آورده شده اند را از کار انداخته است ( طبق افلاطون گرایی موجودات ریاضی مستقل از ما وجود دارند و صدق گزاره ها در باب آنها نیز مستقل از ذهن و زبان است ). در متافیزیک علیت پسرو را که طبق آن ممکن است علت به لحاظ زمانی پس از معلول خود رخ دهد موجه جلوه داده است. منطق دو ارزشی که سیطره کامل بر گفتمان فلسفی داشته است را بی اعتبار و منطق کوانتومی را وارد میدان کرده است و بسیاری از نتایج دیگر.در این مقاله به این نظریه نگاهی اجمالی و کلی خواهیم داشت و نیز به راههایی برای برون رفت از مشکلات حاصل از آن میپردازیم.

نظریه کوانتوم در پی ناکارآمدی فیزیک کلاسیک برای توصیف مشاهدات آزمایشگاهی شکل گرفت. یکی از ویژگیهای اولیه این نظریه که در سالهای آغازین بروز کرد این بود که بسیاری از مقادیر فیزیکی ، مانند انرژی ، تکانه زاویه ای و ... گسسته اند. با بسط و توسعه ایده های اولیه توسط بور ، هایزنبرگ و شرودینگر اختلافهای بیشتری با فیزیک کلاسیک بروز کرد. از جمله این که جفتهایی از مقادیر فیزیکی وجود دارند که تواماً قابل اندازه گیری نیستند.و هر چه دقت اندازه گیری در مورد یکی بالاتر رود در مورد دیگری کمتر میشود. این اصل را امروزه با نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ میشناسیم و ایده کلی تر آن با نام اصل مکملیت توسط بور ارائه شد. سپس با کارهای دیراک و فون نویمان فرمالیسم دقیق نظریه طراحی شد و امروزه به عنوان یکی از موفق ترین نظریه های علمی از آن نام برده میشود. نظریه ای که تنها به پیش بینی میپردازد و از توصیف رفتار ذره قاصر است . همانطور که میدانید پدیده های مربوط به نور پدیده هایی هستند که رفتاری موج گونه دارند. به عنوان مثال اگر باریکه ای از نور را به صفحه ای بتابانیم که دو شکاف بسیار کوچک و نزدیک به هم داشته باشد مشاهده میکنیم که در پشت صفحه برخی نواحی تاریک هستند و برخی دیگر روشن. این به این دلیل است که نور یک پدیده الکترومغناطیسی است و امواج نوری در مکانهایی با یکدیگر تداخل میکنند و یکدیگر را از بین میبرند و در مکانهایی دیگر یکدیگر را تقویت میکنند. حال اگر به جای باریکه نور باریکه ای از الکترون بتابانیم چه انتظاری داریم؟ در وهله اول این انتظار را نداریم که رفتار موجی داشته باشند چرا که الکترونها ذره هستند و نه موج و ذره ای که در مکانی معین جایگزیده شده است نمی تواند با ذره دیگر که آن نیز جایگزیده شده است تداخل کند و اثر آنرا از بین ببرد. اما اگر آزمایش را ترتیب دهیم مشاهده میکنیم که باریکه الکترون نیز اثر تداخلی دارد. بنابراین بانیان نظریه کوانتوم شکل ریاضی نظریه را به شیوه ای طراحی کردند که عنصری موجی نقش اولیه را بر عهده داشته باشد که آنرا با نام " تابع موج" میشناسیم. نظریه کوانتوم بوسیله تابع موج تنها میتوانست توصیفی آماری درباره الگوی نقش بسته شده بر روی پرده ارائه دهد و پیش بینی کند که چه تعداد از الکترونها در کجای پرده اثر میگذارند. نقطه شروع مشکل در اینجاست :"تعبیر فیزیکی تابع موج چیست؟" یا بر چه چیزی در جهان خارج دلالت میکند؟ در آنزمان این سوال برای فیزیکدانان سوالی موجه بود چرا که تمامی عناصر وارد در نظریه های کلاسیک تعبیر تجربی داشتند و بر عنصری واقعی دلالت میکردند ، اما این سوال تقریبا 90 سال است که پاسخ قطعه دریافت نکرده است. شایع ترین پاسخی که در میان فیزیکدانان رواج داشت و در همان ابتدا توسط بور در کپنهاگ و همکارانش پذیرفته شد پاسخی حداقل است : تابع موج تنها میتواند احتمال نتیجه یک آزمایش را پیش بینی کند و لزوماً پاسخ یقینی برای نتایج حاصل از آزمایش ندارد. مانند آنکه نمیتواند پیش بینی کند که مسیر الکترونها از محل صدور باریکه تا محل برخورد با پرده چیست. مدافعان " تعبیر کپنهاگی " برای این پاسخ دلیل موجهی داشتند ، چرا که طبق نظریه آنها اصلا الکترونها مسیری ندارند. اگر الکترون دارای مسیر باشد پس در هر لحظه بطور همزمان دارای مقدار قطعی مکان و تکانه است ، در حالیکه اصل عدم قطعیت داشتن مقدار قطعی مکان و تکانه را ممنوع میکرد. اما آیا میتوان فرض کرد که نظریه کوانتوم کامل نیست و روزی خواهد رسید که نظریه ای کاملتر ظهور کند و نتایج قطعی پیش بینی کند؟ مدافعان تعبیر کپنهاگی اظهار میکردند که نظریه کوانتوم چه به لحاظ پیش بینی و چه به لحاظ توصیفی کاملترین نظریه است و علی الاصول امکان ندارد که نظریه ای کاملتر از آن وجود داشته باشد. بزرگترین منتقد این تعبیر انیشتین بود و مهمترین انتقادی که وی در باب این نظریه داشت به این دلیل بود که تعبیر کپنهاگی با واقع گرایی سازگار نیست. در کلی ترین حالت بر اساس واقع گرایی، واقعیتی عینی و مستقل از مشاهده کننده وجود دارد که علم تلاش دارد آنرا همانطور که هست توصیف کند و بشناسد. اما ببینیم که تعبیر کپنهاگی چگونه با واقع گرایی در تقابل است. فرض کنید که آشکار سازهایی را در دو شکاف نصب کنیم بطوریکه معلوم کند که فلان الکترون از فلان شکاف عبور کرده است. در این صورت میتوانیم بگوییم که الکترون در فاصله میان آغاز گسیل و پرده، مسیر داشته است. اما همانطور که نظریه پیش بینی میکند و آزمایش نیز تایید میکند اگر آشکار سازها را نصب کنیم طرح تداخلی ، دیگر ، طرح تداخلی قبلی نیست و تغییر کرده است. بنابراین هر گونه مشاهده و آزمایش در میان مسیر گسیل تا پرده ، حالت اولیه باریکه الکترون را تغییر میدهد و پدیده ای که مشاهده میشود به این بستگی خواهد داشت که چه چیزی مشاهده شده باشد. طبق تعبیر کپنهاگی قبل از آزمایش نمیتوان از مسیر الکترون صحبت کرد و نظریه کوانتوم نیز تنها در باب مشاهدات و ظواهر است نه در باب واقعیت مستقل از مشاهده کننده ، چرا که ذره قبل از مشاهده اصلا خصوصیتی فیزیکی مانند مسیر ندارد. میتوان در اینجا یک قیاس دو وجهی ترتیب داد که یا مکانیک کوانتومی را ناقص نتیجه دهد و یا آنرا نظریه ضد واقع گرایانه. اگر واقعیتی وجود داشته باشد پس نظریه کوانتوم ناقص است چرا که آن واقعیت را نمیتواند مستقل از مشاهده توصیف کند ، اگر واقعیتی مستقل از مشاهده وجود ندارد پس نظریه کوانتوم ضد واقع گرایانه است و تنها ابزاری است برای پیش بینی و حل کردن معادلات ریاضی و به لحاظ تجربی بیمعنا. این نتایج ضد واقع گرایانه پاشنه آشیل واقع گرایان شد و نقطه قوت ابزار گرایان. ابزارگرایانی که اظهار میکردند نظریه های فیزیک ربطی به جهان واقع ندارند و صرفا در باب ظواهر جهان به پیش بینی میپردازند ، اکنون نظریه ای در دست دارند که مهر تایید بر ابزارگرایی آنها میگذارد. برای یک ابزارگرا اهمیتی ندارد که عناصر نظریه بصورت معقولی به عناصر جهان خارج ارتباط پیدا کند. بنابراین نظریه کوانتوم نیز مشکل تعبیری نخواهد داشت. اما واقع گرایان راههای متفاوتی را پیش گرفتند. بسیاری از آنها اظهار داشتند که نظریه کوانتوم یک نظریه کامل نیست و نظریه زیرکوانتومی وجود دارد که تمامی نتایج تعبیر کپنهاگی را در بر خواهد داشت. مکانیک بوهمی که توسط دیوید بوهم در دهه 1950 پیشنهاد شد از این دست نظریه هاست. شماری دیگر که نمی خواستند وجود متغیرهای نهان ، که رکن اساسی مکانیک بوهمی است ، را بپذیرند ادعا میکردند که مکانیک کوانتومی به این جهت با واقع گرایی در تعارض است که از منطق کلاسیک و دوارزشی استفاده میکند. به عنوان نمونه پاتنم در مقاله "آیا منطق تجربی است؟" از کنار گذاشتن منطق کلاسیک و بکارگیری منطقی جدیدتر یعنی منطق کوانتومی دفاع میکند. به هر حال حل مشکل تعبیری مکانیک کوانتومی نه تنها با علایق متفاوت فیزیکدانان بلکه با ذائقه های فلسفی فیلسوفان نیز گره خورده است.

منبع : وبلاگ شگفتیهای فیزیک

کد:

http://physics-zpnu.blogfa.com