مکانیک کوانتومی قطعی جایگزین خلف مکانیک کوانتومی احتمالاتی!

یکی از ویژگی های غیرقابل اجتناب و البته ناخوشایند مکانیک کوانتومی، غیر قابل پیش بینی بودن نتایج اندازه گیری های آن است. این غیرقابل پیش بینی بودن نتایج، به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ رخ می دهد. شهود انسانی به ما می گوید، تنها راه رسیدن به ویژگی غیرقابل پیش بینی بودن، استفاده از یک نظریه مبتنی بر احتمالات است، اما از آنجایی که شهود انسان، همیشه حقیقت را نشان نمی دهد، دانشمندی از دانشگاه آکسفورد، به تازگی مسیر دیگری برای رسیدن به این ویژگی غیرقابل پیش بینی بودن و از طریق یک نظریه مکانیک کوانتومی قطعی پیدا کرده است! با این حساب می توانیم از شر احتمالات، خلاص شده و با مکانیک کوانتومی قطعی ادامه راه را برویم. این فیزیکدان دانشگاه آکسفورد که کیارا مارلتو، نام دارد، روش جدیدش را بر مبنای نظریه ی ابر اطلاعات معرفی کرده است. نظریه ی ابراطلاعات دارای ماهیتی، غیراحتمالاتی (قطعی) است و می تواند جایگزین نظریه ی قدرتمند کوانتومی احتمالاتی شود. با دیپ لوک همراه باشید…

غیرقابل پیش بینی بودن

غیرقابل پیش بینی بودن آزمایش های کوانتومی، یکی از ویژگی های اصلی جهان کوانتومی است که آن را از دنیای کلاسیکی جدا می کند. یکی از مشهورترین مثال ها در این زمینه، آزمایش دو شکاف است: وقتی جریانی از ذرات (مثلا فوتون یا الکترون) از طریق دو شکاف کوچک در یک صفحه، فرستاده می شوند، هر ذره در یک مکان خاص روی پرده ی پشتی، ظاهر می شود. اگرچه می توانیم احتمال برخورد یک ذره به یک مکان خاص را محاسبه کنیم (احتمالات)، اما نمی توانیم پیش بینی کنیم یک ذره، در کجای پرده ظاهر خواهد شد (غیرقابل پیش بینی بودن)!

این رفتار احتمالاتی در سال ۱۹۲۶ و توسط فیزیکدان آلمانی، ماکس بورن وارد نظریه کوانتومی شد. طبق این قاعده که به قاعده بورن مشهور است، ما می توانیم احتمال یافتن یک شی کوانتومی را در یک مکان مشخص یا به طور بسیار عمومی تر، احتمال اینکه نتیجه ی هر اندازه گیری یک سیستم کوانتومی، چه خواهد بود محاسبه کنیم. (برای آشنایی بیشتر با مفهوم تابع موج، قسمت سوم کلاس درس مکانیک کوانتومی را مطالعه کنید)

قاعده ی بورن، یک بخش کاملا تصادفی است و از این نظر، یک بخش منحصربفرد در نظریه ی کوانتوم به حساب می آید. در واقع این قاعده، به یک نظریه ی قطعی اضافه شده است. از زمانیکه این قاعده برای اولین بار پیشنهاد شد، چالش های زیادی در مورد ماهیت احتمالاتی نظریه ی کوانتوم رخ داد. دانشمندان همیشه می خواستند بدانند آیا می توان ویژگی غیرقابل پیش بینی بودن را بدون در نظر گرفتن چنین قاعده ای، از دل مکانیک کوانتوم بیرون کشید؟ واضح است که نظریه ی کوانتوم بدون قاعده ی بورن، کاملا غیراحتمالاتی خواهد بود. این نظریه ی غیراحتمالاتی، نظریه کوانتومی یکانی یا مکانیک کوانتومی قطعی نام دارد. مشکل اصلی این نظریه، آن است که در نگاه اول به نظر می رسد با مشاهدات غیرقابل پیش بینی مکانیک کوانتومی، سازگار نیست. اما دانشمندان در نظریه ی تازه ای به نام ” رویکرد تصمیم-نظری ” سعی کرده اند این سازگاری را ایجاد کنند. این رویکرد توسط دیوید والاس پیشنهاد شد. رویکرد تصمیم-نظری نشان می دهد که یک موجود آگاه که فقط نظریه ی کوانتوم یکانی (مکانیک کوانتومی قطعی) را می شناسد، (اما قاعده ی بورن را نمی داند)، همان پیش بینی هایی را خواهد کرد که ما با قاعده ی بورن انجام می دهیم. این رویکرد، متکی بر بدیهیات ذهنی نیست و به همین دلیل قبول آن دشوار است.

مکانیک کوانتومی قطعی

در مقاله ی جدید، مارلتو بر رویکرد تصمیم-نظری تمرکز کرده و نتیجه ی جالبی بدست آورده است: او ثابت کرده که می توانیم با یک نظریه مکانیک کوانتومی قطعی (یا نظریه کوانتوم معین)، همان نتایج غیرقابل پیش بینی نظریه کوانتوم احتمالاتی را محاسبه کنیم، یعنی با این نظریه مکانیک کوانتومی قطعی می توانیم نتایج آزمایش دو شکاف را مانند قبل بدست آوریم. به دو نکته باید توجه کنیم:

۱- این پژوهش نشان می دهد که ویژگی غیرقابل پیش بینی بودن در نظریه ی های قطعی هم ظاهر می شود و این نتیجه ی مستقیمی از عدم امکان تکثیر مجموعه های خاصی از حالات است. ظهور ویژگی غیرقابل پیش بینی بودن در یک نظریه قطعی ممکن است در ابتدا تعجب برانگیز باشد، اما نکته کلیدی آن است که درک کنیم که غیرقابل پیش بینی بودن، فقط به معنای غیرممکن بودن ساخت یک ماشین پیشگو نیست. (ماشین پیشگو می تواند نتیجه یک اندازه گیری را با دقت قابل اطمینانی، پیش بینی کند). این غیرممکن بودن (درست مانند قضیه تکثیر نشدن) به هیچ ساختار احتمالاتی نیاز ندارد! بنابراین احتمال ها، فقط در الگوهای تکراری آزمایش ها ظاهر می شوند.

۲- این پژوهش، رویکرد تصمیم-نظری را به قاعده ی بورن در نظریه ی کوانتومی، تعمیم می دهد، چرا که این رویکرد، کلید سازگاری نظریه مکانیک کوانتومی قطعی بدون استفاده از قاعده ی بورن است. کار مارلتو نشان می دهد اکثر فرضیات رویکرد تصمیم-نظری، آنطور که قبلا تصور می شد، نبوده، بلکه این رویکرد از ویژگی های فیزیکی نظریات ابراطلاعات پیروی می کند.

به طور کلی، نتایج جدید نشان می دهد که برای توضیح آزمایش هایی که دهه ها فیزیکدانان را بهت زذه کرده، (یعنی همان آزمایش هایی که با تکرار شرایط و اندازه گیری های یکسان، هر بار نتیجه ی متفاوتی تولید می کنند و بنابراین کاملا تصادفی هستند) لازم نیست که قاعده بورن یا هر قاعده ی احتمالاتی دیگر را وارد ماجرا کنیم. (برای مطالعه تخصصی تر، می توانید کتاب نظریه کوانتوم و حد تصادفی آن را مطالعه کنید و به ویژه، از مقدمه زیبای آن، غافل نشوید)

ممکن ها و غیرممکن ها

مارلتو این پژوهش را مبتنی بر کار قبلی خودش و دیوید داچ در آکسفورد، انجام داده است. آنها، نظریه ی کوانتومی را به صورت یک نظریه ی ابراطلاعات و تحت یک چارچوب جدید که نظریه ی سازنده ی اطلاعات نام دارد، دوباره فرمول بندی کردند. دو سال پیش، وقتی مارلتو و داچ، نظریه ی سازنده ی اطلاعات را پیشنهاد کردند، در واقع آنها به دنبال راهی برای ارتباط دادن اطلاعات کوانتومی و کلاسیکی تحت چارچوب عمومی یکسانی بودند و در پایان، چیزی که آنها ارائه دادند، مجموعه اصولی بود که می توان آنها را اصول بنیادین فیزیک، تصور کرد. اصل بنیادین نظریه ی سازنده ی اطلاعات، می گوید هر قاعده ی فیزیکی باید به صورت یک عبارت که می گوید کدام کارهای فیزیکی، ممکن و کدامیک، غیرممکن هستند، قابل بیان باشد. مثلا یک نمونه کار ممکن در پردازش اطلاعات، سوییچ کردن یک حالت به هر حالت دیگر است و برعکس، یک مثال از یک کار غیرممکن، تولید یک کپی یکسان از هر حالت ناشناخته است.

نظریه ی سازنده، هر قانون فیزیکی را به طور خاص، تعیین نمی کند، بلکه در عوض، به عنوان مکمل و زیربنایی برای تمام قوانین فیزیک (هم قوانین معلوم و هم قوانین نامعلوم) در نظر گرفته می شود؛ مثل وقتی که بگوییم تمام قوانین فیزیک باید از قانون بقای انرژی و جرم پیروی کنند. این در حالیست که برخی قوانین خاص، برای پیش بینی نتایج در موقعیت های خاص، فرمول بندی شده اند، مثلا پیش بینی مسیر یک پرتابه، مسیر جریان آب یا مسیر الکتریسیته. این قوانین خاص در واقع، راهی برای آزمایش نظریه سازنده، فراهم می کنند. البته راه اصلی برای آزمایش نظریه ی سازنده، آزمایش نظریه هایی است که مطابق با اصول آن است. بنابراین نظریات ابراطلاعات می تواند یک رقیب جدی برای نظریه کوانتوم احتمالاتی به حساب بیاید. ویژگی امیدبخشی که باعث می شود این نظریه بر نظریه کوانتوم احتمالاتی، ترجیح داده شود، قطعی و موضعی بودن آن است. در واقع نظریات ابراطلاعات می تواند اطلاعات کوانتومی و کلاسیکی را تحت چارچوب یکسانی، متحد کند.

دانلود مقاله ی اصلی به صورت PDF