کشف جدید کوانتوم: با تابع موج، خداحافظی و به جهان های موازی سلام کنید!

8

همه چیز از ۵ سال پیش و با یک سوال شیمی آغاز شد! زمانیکه Bill Poirier در مورد رفتار کوانتومی ملکول های پیچیده تحقیق می کرد و به شواهدی درباره ی جهان های موازی دست یافت. با دیپ لوک همراه باشید…

نمیدانم قصه ی آلیس در سرزمین عجایب را خوانده اید یا نه. اگرچه به نظر می رسد این قصه، یک داستان علمی تخیلی است، اما باید بگویم جهان کوانتومی واقعی خودمان، بسیار عجیب تر از سرزمینی است که آلیس در آن گم شد! مکانیک کوانتومی، قلمروی عجیبی از واقعیت است. ذرات در این سطح اتمی و زیراتمی، می توانند در آن واحد در دو مکان ظاهر شوند. از آنجایی که رفتار این ذرات، با احتمال و ابهامات زیادی همراه است، دانشمندان فقط می توانند چیزی که از نظر ریاضی اتفاق می افتد را با تابع موج توصیف کنند.

شیمی دانانی مثل Poirier که استاد شیمی دانشگاه تگزاس است، برای درک بهتر واکنش های شیمیایی، منظره ی تازه ای را کشیدند. علیرغم عدم قطعیت موقعیت ذرات، مکانیک موجی کوانتوم به دانشمندان اجازه می دهد تا پیش بینی های دقیقی انجام دهند. قواعد انجام این کار به خوبی شناخته شده است. اما Poirier فهمید که راه کاملاً جدیدی برای رسم منظره ی کوانتومی وجود دارد! جهان های موازی باید جای امواج را بگیرند! این نظریه که “جهان های چندگانه ی تعاملی” نامیده می شود، درست مثل افسانه های علمی است! این نظریه برای اولین بار در سال ۲۰۱۰، منتشر شد و منجر به بحث های زیادی شد. Poirier می گوید: در سال ۲۰۱۳ در سمپوزیومی در وین، من طرح خود را طی یک سخنرانی ارائه کردم. هیچ کس اعتراضی نکرد و این واقعاً مرا شگفت زده کرد، چرا که نشان می داد ریاضیات من اشتباه نبود”.

در این نظریه، Poirier فرض کرد ذرات کوچک جهان های چندگانه، از طریق برهمکنش با خودشان نفوذ می کنند و برهمکنش آنها، پدیده های جالب مکانیک کوانتومی را رقم می زند. مثلاً ذراتی که در آن واحد در چند مکان هستند یا از فواصل دور باهم ارتباط برقرار می کنند. ابهامی در این نظریه وجود ندارد و در هر جهان، ذرات در موقعیت های معینی قرار دارند. اما این موقعیت ها از جهانی به جهانی دیگر تغییر می کنند و به همین دلیل است که یک ذره را در آن واحد در چند موقعیت می ببینیم. بعلاوه ارتباط کوانتومی ذرات خیلی دور، چیزی که اینشتین آن را حرکت شبه گونه نام گذاری کرد، واقعاً ناشی از برهمکنش جهان های نزدیک است!

خداحافظی با موج؟!

نظریه ی جهان های چندگانه ی تعاملی ثابت نمی کند که موج کوانتومی وجود ندارد یا جهان های چندگانه وجود دارد. با اینکه نظریه ی موجی در اکثر جنبه ها، کامل و با تجربه سازگار است، اما نظریه ی جهان های چندگانه، ریاضیات متفاوتی را استفاده کرده و پیش بینی های تجربی درستی هم می کند. در این مقیاس نانو، ذرات مثل اجسام بزرگتر رفتار نمی کنند، اجسام دنیای ماکروسکوپی، مانند هواپیما یا سیبی که از درخت روی سر نیوتون افتاد، مکان معلومی دارند. اما در عوض زمانیکه دانشمندان به یک ذره ی کوانتومی نگاه می کنند، مثل یک ذره رفتار می کند و زمانیکه به آن نگاه نمی کنند، مثل یک موج رفتار می کند! این ذره می تواند در آن واحد در چندجا باشد. اینشتین در این مورد، جمله ی مشهوری دارد: “دوست دارم فکر کنم ماه آنجاست، حتی اگر من به آن نگاه نکنم!”

درهم تنیدگی کوانتومی

دانشمندان با چیزی که دقیقاً در این مقیاس کوچک اتفاق می افتد، توافق ندارند. اگرچه آنها با اطمینان نمی دانند چه چیزی اتفاق می افتد، اما حداقل می دانند چگونه رفتار موج مانند ذره ی کوانتومی را پیش بینی کنند. به همین دلیل، آنها از معادله ی شرودینگر استفاده می کنند، یک توصیف ریاضی که چگونگی حرکت موجی ذرات را در طول زمان توصیف می کند. اما پس از یافته ی جدید Poirier، نگاه جدیدی به وجود آمد.

اگرچه بعضی فیزیکدانان در مورد فلسفه ی مکانیک کوانتومی صحبت می کنند، اما شیمیدانی مانند Poirier، کمتر به فلسفه علاقه مند است و بیشتر به حل معادله ی موجی شرودینگر برای کمک به درک واکنش های شیمیایی علاقه دارد. Poirier می گوید: “در شیمی-فیزیک، ما به حل مسائل مقیاس های بزرگ و ملکول های پیچیده با بهترین دقت علاقه مندیم. ما به دنبال یافتن سرعت واکنش های شیمیایی، حالات کوانتومی مجاز یک ملکول و نشانه ی طیفی هر ملکول (برانگیختگی در اثر برهمکنش با نور) هستیم. برای پاسخ گفتن به این مدل سوالات، دقیقا به مکانیک کوانتوم نیاز داریم، اما حل مسائل مکانیک کوانتوم برای سیستم های بزرگ(بیشتر از ۳ ذره)، فوق العاده مشکل است. شیمیدانان از روش های سنتی مبتنی بر گرید برای حل تابع موج استفاده می کنند، اما ملکول های پیچیده تر، نیاز به محاسبات بسیار پیچیده تری دارند، مثلاً به ازای هر اتمی که به یک ملکول اضافه می شود، اعمال محاسباتی، ۱۰۰۰۰ بار بیشتر می شوند!

برای سرعت بخشیدن به محاسبات، شیمیدانان، از ایده ای مهندسانه استفاده می کنند، یعنی به نقاط گرید اجازه می دهند تا مثل یک مایع حرکت کرده و با موج کوانتومی جریان یابند. نقاط گرید، مسیرها را دنبال می کنند، درست مانند بازی بیس بال. شیمیدانان از این روش برای محاسبه ی حرکت موج کوانتومی  یا همان هیدرودینامیک کوانتومی استفاده می کنند. Poirier می گوید: ” ایده ی کلیدی من این بود که بفهمم مسیرهای کوانتومی تمام چیزی هستند که ما نیاز داریم!” نیازی نیست موج کوانتومی چگونگی حرکت مسیرها را به شما بگوید، بلکه مسیرها خودشان این اطلاعات را به شما می دهند. بنابراین شما برای هیچ چیز دیگری به موج، نیاز نخواهید داشت. در نتیجه هر سوال علمی را که می توان با دانستن حرکت موج، پاسخ داد، با دانستن حرکت مسیرها هم می توان پاسخ داد. بنابراین موج کاملاً غیر ضروری به نظر می رسد و نهایتاً می توان آن را دور انداخت.

پنجره ای رو به سرزمین عجایب!

مفهوم جهان های چندگانه  ی کوانتومی، آنقدرها هم جدید نیست. در سال های ۵۰ میلادی، یک دانشجوی لیسانس دانشگاه پرینستون که Hugh Everett نام داشت، توضیح مشابهی برای شگفتی مکانیک کوانتومی ارائه داد. نظریه ی جهان های چندگانه ی Everett، برپایه ی ریاضیات موجی کوانتوم است، بنابراین به روشنی معلوم نیست که این جهان ها از کجا آمده اند یا چگونه تعریف می شوند. به همین دلیل، منتقدان با این نظریه ی موافق نیستند. اما در رویکرد جهان های تعاملی Poirier، این جهان ها، درست از همان ابتدا با ریاضیات آغاز می شوند، بنابراین لازم نیست دانشمندان برای توضیح آن کار خاصی انجام دهند. Poirier می گوید: این نظریه به خوبی کار می کند چرا که مبتنی بر ریاضیات موجی نیست و از آن استفاده نمی کند. این جهان ها بر خلاف جهان های Everett، هیچ گاه چندشاخه  یا ادغام نمی شوند، بلکه با هم در تعامل اند. در حالیکه جهان های Everett، قادر به تعامل نبودند. در واقع نظریه ی جهان های چندگانه ی تعاملی، بیشتر شبیه گروهی از پرندگان، رفتار می کند تا درختی با بی نهایت شاخه!

Poirier ، مکانیک کوانتوم را بدون تابع موجی بنا می کند، یعنی ساختاری درونی درست می کند و سپس به شما می فهماند که تنها به یک داربست نیاز دارید و از دید کاربردی، ریاضیات کمتر، به معنی سادگی بیشتر است. این نظریه همچنین سوالات جالبی را در مورد فلسفه ی فیزیک موجی و اینکه اگر شما به آن نیاز نداشته باشید، به چه معناست، مطرح می کند. مسیرهای کوانتومی شاید بیشتر از یک ابزار محاسباتی باشند. آنها واقعاً توضیح می دهند که در سطوح کوانتومی چه می گذرد.

“مردم برای مدتی طولانی، در مورد اینکه تابع موج از نظر فلسفی چه معنایی دارد و اینکه چطور باید آن را تفسیر کرد، بحث کرده اند. اما حالا فهمیده ایم ممکن است تابع موج، راه کاملاً اشتباهی باشد. سوال بسیار اساسی تر این است که “حتی آیا تابع موج وجود دارد؟ و اگر نه، چه چیزی جای آن را می گیرد؟” در حال حاضر ما نمی توانیم به طور روشن بگوییم که تابع موج وجود ندارد. تنها چیزی که می دانیم این است که وجود آن لازم نیست، چرا که ما روش ریاضی ساده تری را یافته ایم که تمام اطلاعات لازم را به ما میدهد و چیزی که از این ریاضیات بدست می آید، جهان های موازی است.

Poirier می گوید: در جهان فیزیکی کلاسیکی ما آدم ها، هرچیزی از لحاظ سرعت و موقعیت در حالت معلوم و معینی است. به هواپیماها یا سیب هایی که از درخت (روی سر نیوتون مرحوم) می افتند، فکر کنید. ما به راحتی می توانیم جایی که اشیا هستند و جایی که خواهند رفت را محاسبه کنند. اما در مکانیک کوانتومی، دانشمندان مجبورند تسلیم شوند! آنها می توانند بفهمند ذرات کجا هستند یا کجا خواهند رفت، اما نه هر دو را! مسیر کلاسیکی با ویژگی های ذره ای معینش، جای خود را به تابع موج احتمال می دهد، یعنی دنیای عدم قطعیت ها! اما به شما مژده می دهم که در نظریه ی جهان های چندگانه ی تعاملی، حداقل بعضی از مفاهیم کلاسیکی، بازگردانده می شوند. مثلاً ذرات کوانتومی واقعاً ویژگی های معینی داشته و مسیرهای کوانتومی معینی را دنبال می کنند.

در حقیقت، خود رفتار کوانتومی را می توان به عنوان شاهد ذرات معینی از جهان های دیگر دانست. این افراطی ترین و جالب ترین بخش این نظریه است. حالا ما به جای یک موج، از مسیر استفاده می کنیم. باید بپرسیم این مسیرها واقعاً از نظر فیزیکی، به چه معناست. تنها تفسیر ملموس این است: هر مسیر به منزله ی یک جهان متفاوت است! در این جهان ها، هیچ چیزی، موج مانند یا نامعین نیست. هرچیزی، دقیق و معلوم است. در واقع رفتارها و عدم قطعیت های کوانتومی از تغییر طول این جهان ها،ناشی می شوند. عدم قطعیت در موقعیت ذره را می توان به عنوان برهمکنش بین  اینجهان ها درنظر گرفت.

ما شاهدی برای اینکه یک “من” یا “شما” ی دیگر حاضر است، نداریم. من نمی توانم بگویم کدام یک از آن جهان ها وجود دارند یا ندارند. طبق این نظریه، ما تنها با جهان هایی می توانیم مستقیماً تعامل کنیم که بسیار نزدیک به جهان خودمان هستند و البته به جز در مقیاس کوانتومی، به سختی می توانیم آنها را جدا از خودمان بدانیم. اما فعلاً هیچ شاهد مستقیمی در این مورد نداریم.

منبع: phys.org

زاده ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم، تکنولوژی، فوتبال و موسیقی (رپ/راک) بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز، بیگ تم و ماهنامه GB جی اس ام مشغول است.

گفتگو۸ دیدگاه

  1. علی خانلرخانی

    با سلام و احترام و تشکر از زحمت های شما. به نظر میرسد در متن به جای کلمه ی Grid از واژه ی “گراید” استفاده کرده اید که درست نیست و کلمه ی “گرید” درست است البته معادل فارسی آن “شبکه بندی” یا “مش بندی” هم کاربرد دارد.

    • ناهید سادات ریاحی

      سپاسگزارم دوست خوبم. بله کاملاً درست میفرمایید، عذرخواهی می کنم، ناشی از خستگی بوده. به هر حال اصلاح شد

    • ناهید سادات ریاحی

      سپاسگزارم دوست خوبم از لطفتون. قطعا دیپ لوک روز به روز با قدرت بیشتری به کارش ادامه میده…

  2. سید حسین مقیمی اصل

    ناهید سادات ریاحی سلام من علاقمند به مبحث مکانیک کوانتوم هستم. مبحث اصلی که در رشته مکانیک دنبال می کنم حل تمام مسایل مهندسی مکانیک با مکانیک پدیداری به جای مکانیک تحلیلی رایج در دانشگاه است.

  3. سلام لطفا نظرتونو در رابطه با نظریه زیست محوری رابرت لانزا در خصوص زندگی پس از مرگ بفرمایید

    • ناهید سادات ریاحی

      پروفسور لانزا طبق تفسیر چندجهانی مکانیک کوانتومی، نظریه ی خودش رو میده، از اونجایی که دانشمندان هنوز بر سر پذیرفتن یکی از تفسیرهای مکانیک کوانتومی، به اجماع نرسیدن، نمیشه این نظریه رو هم قطعی دونست (البته طبق قواعد کوانتومی منظورمه)

ارسال نظر


*