با وجود آنکه تقریبا یک قرن از تولد از نظریه کوانتوم می‌گذرد، اما متأسفانه دانشمندان هنوز از درک مفهوم آن عاجزند و تاکنون اتفاق نظری درباره‌ی تفسیر آن از واقعیت هستی وجود ندارد. به همین دلیل برخی فیزیکدانان در پی تولد دوباره و در واقع بازسازی نظریه کوانتوم از یک سری اصول موضوعه ساده هستند تا بتوانند مفهوم عمیق آن را دریابند و ظاهرا خیلی هم موفق بوده‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…
بعضی فیزیکدانان معتقدند ما باید با این واقعیت که مکانیک کوانتومی مرموز و عجیب است کنار بیاییم؛ بنابراین ذرات می‌توانند در یک زمان، در دو مکان باشند یا در فواصل خیلی زیاد می‌توانند بلافاصله جابه‌جا شوند. گذشته از این‌ها موفقیت مکانیک کوانتومی در محاسبه مشاهدات تجربی و آزمایشگاهی در مورد ذرات زیراتمی، اتم‌ها و مولکول‌ها و نور بسیار درخشان است. اما بعضی دیگر از دانشمندان عمیق‌تر می‌اندیشند و می‌خواهند بفهمند چرا مکانیک کوانتومی چنین شکلی دارد. آن‌ها بر اساس یک سری اصول ساده به بازسازی نظریه کوانتوم می‌پردازند. اگر این تلاش‌ها موفق باشد ممکن است ابهامات مکانیک کوانتومی برطرف شود و ما درنهایت مفهوم عمیق آن را دریابیم، اما هیچ تضمینی هم وجود ندارد که مکانیک کوانتومی به جای ریاضیات پیچیده، چیز ساده و واضحی در دل خود داشته باشد. با این حال حتی اگر دانشمندان در بازسازی نظریه کوانتوم موفق نباشند ممکن است راهی برای رسیدن به نظریه‌ای ورای مکانیک کوانتومی باز کنند. لوسین هاردی، فیزیکدان نظری مؤسسه فیزیک نظری در واترلو کانادا و از پیشگامان بازسازی نظریه کوانتوم است. به عقیده او بازسازی نظریه کوانتوم می‌تواند در رسیدن به یک نظریه گرانش کوانتومی به ما کمک کند.
مبانی سست مکانیک کوانتومی
نظریه کوانتوم در فرآیند تلاش برای درک چگونگی برهمکنش اتم‌ها و مولکول‌ها با تابش پدید آمد؛ پدیده‌هایی که فیزیک کلاسیک نمی‌تواند آن‌ها را توضیح دهد. از لحاظ تجربی، انگیزه‌ی زیادی برای کشف این نظریه وجود داشت و به نظر می‌رسید قواعد آن با مشاهدات سازگار هستند. فرمول‌های ریاضی این نظریه در قرن بیستم پایه‌ریزی شدند و معادله اروین شرودینگر برای محاسبه خواص احتمالاتی ذرات کوانتومی به کار برده شد. در این معادله، ذره با یک تابع موج توصیف شده که همه اطلاعات در مورد ذره را در بر می‌گیرد. در اصل، این عبارت ریاضی، حقیقت دوگانگی موج-ذره دنیای کوانتومی را منعکس می‌کند. برای دانستن احتمال مشاهده ذره در مکانی خاص، باید مجذور تابع موج را محاسبه کنیم. احتمال اندازه‌گیری برخی خواص قابل مشاهده دیگر را می‌توان با استفاده از یک موجود ریاضی به نام عملگر برای تابع موج یافت.
این قاعده محاسبه احتمالات، در واقع یک حدس شهودی بود که توسط فیزیکدان آلمانی ماکس بورن مطرح شد. به نظر می‌رسد مکانیک کوانتومی به طور گسترده‌ای از این قوانین قراردادی ساخته شده و نه از قواعد عجیب و غریب. قوانینی مانند ارتباط خواص عملگرهای ریاضی با خواص قابل مشاهده سیستم. این چارچوب پیچیده فاقد تفسیر یا توجیه فیزیکی واضحی است.
این پیچیدگی را با قوانین بنیادی یا اصول موضوعه نظریه نسبیت خاص اینشتین مقایسه کنید. قبل از نظریه اینشتین، مجموعه‌ای نامرتب از معادلات برای توصیف نحوه رفتار نور از دیدگاه یک ناظر متحرک وجود داشت. او ابهام ریاضی را با دو اصل ساده و شهودی برطرف کرد: اول اینکه سرعت نور ثابت است و دوم اینکه قوانین فیزیک برای دو ناظر که با سرعت ثابت نسبت به هم در حرکت هستند، یکسان است. این دو اصل نه تنها ساده هستند بلکه مفهوم فیزیکی واضحی دارند. آیا نظریه کوانتوم هم چنین اصول ساده و واضحی دارد؟ فیزیکدان برجسته جان ویلر ادعا می‌کند:
اگر ما واقعا نقطه مرکزی نظریه کوانتوم را بدانیم می‌توانیم آن را در جمله‌ای ساده بیان کنیم به طوری که هر کس بتواند آن را درک کند.
برخی از بازسازان نظریه کوانتوم بر این باورند که تنها با بازسازی نظریه کوانتوم از نو یعنی با برهم زدن کارهای بوهر، هایزنبرگ و شرودینگر می‌توان،چنین تعبیر ساده‌ای را پیدا کرد.
بازسازی نظریه کوانتوم
یکی از اولین تلاش‌ها در بازسازی نظریه کوانتوم در سال ۲۰۰۱ توسط هاردی انجام شد. او هر چه با مکانیک کوانتومی مرتبط است مانند جهش کوانتومی، دوگانگی موج-ذره و عدم قطعیت را نادیده گرفت و در عوض روی احتمال تمرکز کرد: به طور خاص، احتمالاتی که حالات ممکن یک سیستم را به شانس مشاهده هر سیستم در یک اندازه‌گیری مربوط می‌کند. هاردی فهمید این روش احتمالاتی برای رسیدن به نظریه کوانتوم کافی است. او فرض کرد هر سیستم می تواند با یک سری ویژگی و مقادیر ممکن برای این احتمالات توصیف شود، مثلا در پرتاب سکه پرتاب شده، شیر یا خط، مطرح است. سپس احتمالات را برای اندازه گیری مقادیر یک مشاهده در نظر گرفت. شما می‌توانید تصور کنید هر حالت مجزای سیستم همیشه می‌تواند با یک اندازه‌گیری یا مشاهده مشخص شود و این امر برای اشیا در فیزیک کلاسیک درست است.
در مکانیک کوانتومی ذره علاوه بر اینکه می‌تواند در حالت‌های مجزا باشد (مانند شیر یا خط در یک سکه)، می‌تواند در برهم‌نهی از آن‌ها هم باشد یا به بیان دقیق‌تر در ترکیبی از این حالت‌ها باشد. یعنی یک بیت کوانتومی یا همان کیوبیت نه تنها می‌تواند در حالت‌های دوتایی ۰ یا ۱ باشد بلکه در یک حالت ترکیبی از این دو هم می‌تواند باشد. اما اگر شما این کیوبیت را اندازه‌گیری کنید، نتیجه فقط یکی از دو حالت ۰ یا ۱ خواهد بود. در واقع اندازه گیری‌ها فقط یکی از حالت‌های ممکن را نتیجه می‌دهد و این راز مکانیک کوانتومی است. به طور کلی مقادیر رمز شده در تابع موج، بیشتر از آن چیزی است که در آزمایش بدست می‌آید. قوانین احتمالاتی هاردی این ویژگی بیت‌های کوانتومی را برآورده می‌کند.
هاردی نشان داد ساده‌ترین نظریه ممکن برای توصیف چنین سیستمی، مکانیک کوانتومی با همه پدیده‌های مختص به خودش مانند تداخل موج‌گونه و درهم‌تنیدگی است. این یافته نشان می‌دهد نظریه کوانتوم، ذاتا احتمالاتی است. در واقع نظریه کوانتوم را می‌توان به عنوان یک نظریه احتمالاتی تعمیم یافته، جدا از کاربرد آن در فیزیک در نظر گرفت. این رویکرد احتمالاتی هیچ فیزیکی را در نظر نمی‌گیرد، بلکه فقط به بررسی نحوه ارتباط ورودی با خروجی می‌پردازد. در یک نظریه احتمالاتی تعمیم یافته، معلوم نیست سیستم فیزیکی ما چیست و در نتایج هم تأثیری ندارد؛ بلکه فقط حالت‌ها و اندازه‌گیری‌ها را به هم مربوط می‌کند.
ایده بعدی برای همه روش‌های بازسازی کوانتومی ، فهرست کردن احتمال‌هایی است که یک کاربر به هر کدام از نتایج اندازه‌گیری‌های قابل انجام روی سیستم اختصاص می‌دهد. این فهرست، حالت سیستم است. اجزای دیگر راه‌هایی هستند که می‌توان حالت‌ها را به یکدیگر تبدیل کرد و احتمال اینکه خروجی‌ها، ورودی‌های معینی را بگیرند.
برای تمیز دادن نظریه کوانتوم از یک نظریه احتمالاتی تعمیم یافته به قیدهای خاصی روی نتایج ممکن و احتمالات اندازه‌گیری، نیاز است، اما این قیدها منحصربفرد نیستند. بنابراین بسیاری از نظریه‌های احتمالاتی ممکن، کوانتومی به نظر می‌رسند. پس چگونه این دو را از هم تشخیص دهیم؟ به عقیده برخی فیزیکدانان، ما می‌توانیم به دنبال نظریه‌های احتمالاتی مشابه با نظریه کوانتوم باشیم که در موارد خاصی با آن فرق دارد. کشف چنین چیزی (که ورای مکانیک کوانتومی است) امکان پذیر است و در واقع مکانیک کوانتومی احتمالا تقریبی از یک نظریه جامع‌تر است. این نظریه می‌تواند از تناقض در نظریه کوانتوم به وجود آید همان طور که نظریه کوانتوم از مشاهدات متناقض با فیزیک کلاسیک پدید آمد.
در قسمت دوم به بیان اصول موضوعه ساده‌ای که در مورد اطلاعات بوده و با آن‌ها می‌توان نظریه کوانتوم را بازسازی کرد می‌پردازیم. دیپ لوک را دنبال کنید…
