بن بست کوانتومی؟ من فقط می‌خواهم بدانم از چه ساخته شده‌ام

صد سال پیش در سال ۱۹۲۲، نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی و یکی از بنیانگذاران نظریه کوانتومی، جایزه نوبل را برای خدماتش در تحقیق در مورد ساختار اتم ها دریافت کرد. اکنون در سال ۲۰۲۲، مایکل بروکس (MICHAEL BROOKS) در نوشتار زیر که ترجمه‌ی مقاله‌ای با همین عنوان از وب‌سایت ناتیلوس است، می‌خواهد بداند آیا کشفیات در مورد ساختار اتم‌ها می‌تواند کمک کند تا بفهمیم ما از چه چیزی ساخته شده‌ایم. به نظر می‌رسد نظریه کوانتومی پاسخی را نوید می‌دهد که اکنون، حداقل به شکلی که ما قادر به درک آن باشیم، نمی‌تواند ارائه دهد. درست همانطور که بور گفت: «زمانی که صحبت از اتم‌ها می‌شود، فقط می‌توان زبان شعر را استفاده کرد». پس آیا زمان آن فرا رسیده که بپذیریم به یک بن بست کوانتومی رسیده‌ایم؟ آیا باید به ریاضیات بازگردیم؟ با دیپ لوک همراه باشید…

بور اغلب به عنوان بنیانگذار نظریه کوانتومی شناخته می‌شود و یکی از ابر قهرمانان آن به شمار می‌رود. درست است که کوانتوم اسرار آمیز و جذاب است، درست مانند تابلوی لبخند مونالیزا، با این حال، به نظر می‌رسد چیزی نگران‌کننده در مورد لبخند کوانتومی وجود دارد. هر چه به صورت نظری یا تجربی آن را بررسی می‌کنیم، به سرعت به بن‌بست می‌رسیم. در اصل ما نمی‌توانیم از هیچ یک از نتایج استفاده کنیم تا بگوییم نتیجه درست و نهایی چیست.

مشکل با معادله موج معروف اروین شرودینگر آغاز می‌شود. فرض بر این است که همه چیزهای کوانتومی را می‌توان از نظر ریاضی به گونه‌ای مدل سازی کرد که گویی یک موج هستند. معادله شرودینگر موفقیت بزرگی است. برای مثال به ما اجازه می‌دهد تا پیش‌بینی کنیم زمانی که یک اتم با انرژی الکترومغناطیسی تحریک شود چه نورهای رنگی‌ای از آن ساطع می‌‌گردد.

با این حال، کاربرد زیبای این معادله، که هر روز توسط فیزیکدانان در سرتاسر جهان به کار می‌رود، سکوت مبهم آن را در مورد ماهیت واقعی اتم‌هایی که رفتارشان را با موفقیت توصیف می‌کند، پنهان می‌نماید. در حالی که اینشتین برای اثبات اینکه نور از ذراتی تشکیل شده است که ما فوتون می‌نامیم، جایزه نوبل دریافت کرد؛ معادله شرودینگر، نور و در واقع هر چیز دیگری را به عنوان تابش موج‌مانند توصیف می‌کند. آیا نور و ماده می‌توانند هم ذره و هم موج باشند؟ یا هیچ کدام؟ نمی‌دانیم.

ما ندانستن پاسخ این سوال را با داستان‌های ساختگی که به عنوان تفسیر شناخته می‌شود، می‌پوشانیم. یک چینش آزمایشگاهی کلاسیک وجود دارد که الهام‌بخش بیشتر این داستان‌هاست. این آزمایش که به عنوان آزمایش دو شکاف شناخته می‌شود، شامل یک جسم کوانتومی منفرد است که به سمت یک جفت دهانه شلیک می‌شود که ابعاد فیزیکی آن‌ها متناسب با جرم و سرعت (تکانه) جسم است. در انتهای آزمایش، یک آشکارساز وجود دارد که مکان نهایی جسم اصلی را ثبت می‌کند.

ما تمایل داریم این آزمایش را از طریق دیدگاه معادله موج شرودینگر تفسیر کنیم. صحبت از شی، به معنای تصور کردن آن به عنوان یک ذره است. اما برای توضیح مشاهدات بعدی، آن را یک موجود موج‌مانند در نظر می‌گیریم. بنابراین ما می‌گوییم که یک جسم کوانتومی می‌تواند از هر دو شکاف به طور همزمان عبور کند، درست مانند یک موج آب. سپس جسم به صورت دو موج مجزا از شکاف‌ها خارج می‌شود. همانطور که این‌ها به سمت آشکارساز حرکت می‌کنند، با یکدیگر ملاقات کرده و الگویی ایجاد می‌کنند که مشخصه امواج در حال تعامل است.

الگوی تداخل، یک الگوی شانه‌مانند متناوب از تاثیرات الکترون با چگالی بالا و پایین است که شما از چپ به راست در سراسر آشکارساز مشاهده می‌کنید. امواج، برای مثال امواج آب، الگوهای تداخلی ایجاد می‌کنند. بنابراین، ما استدلال می‌کنیم، قطعا چیزی شبیه به موج در مورد شی کوانتومی وجود دارد. با این حال، الگوی تداخل بلافاصله در آشکارساز ظاهر نمی‌شود. جسم کوانتومی منفرد در آشکارساز به صورت یک ذره در یک مکان واحد ظاهر می‌شود. سپس این فرآیند را تکرار می‌کنیم و شی بعدی، در مکان دیگری در آشکارساز ظاهر می‌شود. برای مثال، پس از یک میلیون آشکارسازی، ما شاهد یک الگوی تداخل واضح هستیم.

فیزیکدان برنده جایزه نوبل، ریچارد فاینمن (Richard Feynman) می‌گفت که این آزمایش، تنها راز فیزیک کوانتومی را در خود دارد. اگر اشیا فقط ذراتی باشند که از میان شکاف‌ها، مانند یک توپ گلف، به خوبی برخورد می‌کنند هیچ الگوی تداخلی وجود نخواهد داشت. چگونه این اشیا منفرد می‌دانند که باید بخشی از ساختار الگوی تداخلی باشند؟ چه چیزی باعث می‌شود که یک ذره در منطقه با چگالی بالا شناسایی شود، اما هرگز در مناطق ممنوعه شناسایی نشود؟

اگرچه داستان مرسوم در مورد آزمایش دو شکاف این است که تک الکترون از هر دو شکاف به طور همزمان در یک حالت برهم‌ نهی موج عبور می‌کند، اما شما مجبور به پذیرش این توضیح نیستید. بور گفت که شما می توانید در مورد این پدیده کاملا بی‌طرف باشید و بپذیرید که پس از شلیک الکترون به شکاف‌ها و قبل از اینکه آشکارساز موقعیت نهایی خود را به ما بگوید، چیزی نمی‌توانیم در مورد آن بگوییم. این یکی از تفاسیری است که به عنوان تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی شناخته شده است.

شما همچنین مجبور نیستید بپذیرید که الکترون از شکاف‌ها می‌گذرد. برخی از طرفداران نظریه چند جهانی ادعا می‌کنند که الکترون از شکاف چپ و راست می‌گذرد، اما این اتفاق در نسخه‌های مختلف واقعیت می‌افتد. الگوی تداخل، نتیجه تداخل بین این واقعیت‌های مختلف است. هر چقدر هم که این موضوع عجیب به نظر می‌رسد، می‌تواند روشی مفید برای تفکر باشد. به عنوان مثال دیوید دوچ (David Deutsch)، استاد فیزیک دانشگاه آکسفورد، توانست طرح اولیه محاسبات کوانتومی را تصور کند.

راه دیگر این است که فرض کنیم عوامل پنهانی وجود دارند که ما نمی‌توانیم بطور کامل به آن‌ها دسترسی داشته باشیم. دیوید بوهم (David Bohm) پیشنهاد کرد که یک ذره با یک موج خودران همراه است که مسیر آن را از طریق آزمایش دو شکاف هدایت می‌کند و الگوی تداخل را ایجاد می‌کند. اکثر فیزیکدانان به شما خواهند گفت که این نوع تفسیر متغیر پنهان از نظریه کوانتومی با ترکیبی از نتایج تجربی و اثبات‌های ریاضی رد شده است.

چه می‌شود اگر در جهانی زندگی کنیم که در آن فردی که آزمایش‌ها را انجام می‌دهد متوجه نشود که واقعا در انتخاب‌هایی که می‌تواند درباره نحوه اجرای آزمایش انجام دهد، محدود است؟ این ابرجبرگرایی است، که تفسیری از نظریه کوانتومی نیست. بیشتر چارچوبی از نحوه عملکرد جهان است که مشاهدات کوانتومی تجربی، ممکن است از آن بیرون بیایند. در این طرح، بین حالت‌های کوانتومی دستگاه آزمایشی، از جمله مکانیسم تزریق الکترون و مکانیسم تشخیص آن، ارتباطات نامشخصی وجود دارد.

این اتصالات پنهان‌، شبیه مجموعه‌ای از رشته‌های مخفی هستند که همه تجهیزات را به هم متصل می‌کنند و پاسخ‌دهی به این سوال را که آیا تنظیمات آشکارساز بر خواص الکترون تاثیر گذاشته است یا خیر، برای آزمایش‌کننده غیرممکن می‌سازد. در نتیجه، سناریوی آزمایش را تغییر داده است. با ابرجبرگرایی، تشخیص اینکه آزمایش دقیقا چگونه انجام می شود برای آزمایشگر غیرممکن می شود.

همه این سناریوها یک فرض ضمنی دیگر دارند: اینکه علت همیشه مقدم بر معلول است. تجربه ما از زمان این است که فقط در یک جهت حرکت می‌کند، اما این محدودیتی نیست که اجسام کوانتومی تجربه کنند. این بدان معناست که ما می‌توانیم آزمایش دو شکافی را از طریق علیت معکوس تفسیر کنیم، که به موجب آن جریان‌های کنش غیرشهودی به این معناست که آنچه شبیه اثرات بعدی به نظر می‌رسد، در واقع شرایط اولیه‌ را ایجاد می‌کند.

برخی معتقدند که وضعیت یک الکترون ممکن است هم از حالت گذشته و هم از حالت آینده آن تحت تاثیر قرار گیرد. این کار راهی برای هر الکترون فراهم می‌کند تا الگوی تداخل آشکار ساز را ایجاد کند، علیرغم اینکه ظاهرا راهی برای دانستن اینکه باید پایان یابد، وجود ندارد. طیف گسترده‌ای از تفسیرهای ارائه شده توسط فیزیکدانان و فیلسوفان نشان می‌دهد که هیچ پاسخ درستی وجود ندارد. فیزیکدانان علاقه‌مند عمدتا بر اساس سلیقه‌ی خود انتخاب می‌کنند که کدام یک را قبول کنند.

می‌توان اطمینان حاصل کرد که آزمایش‌های بیشتر به ما این امکان را می‌دهد که بتوانیم بین آن‌ها یکی را انتخاب کنیم. با این حال، دلیل ضعیفی وجود دارد که فکر کنیم چنین خواهد شد. به نظر می‌رسد برخی از آزمایش‌های افریم اشتاینبرگ (Aephraim Steinberg)، فیزیکدان نظریه کوانتومی از دانشگاه تورنتو، از ایده امواج خودران پشتیبانی می‌کنند. اغلب ذکر می‌شود که اشتاینبرگ مسیرهای به اصطلاح بوهمی را که اجسام کوانتومی از طریق آزمایش دو شکاف دنبال می‌کنند، آشکار کرده است. اما او تردید دارد. او گفته است:

نمی‌خواهم آزمایش‌های خود را به عنوان اندازه‌گیری مسیرهای بوهمی بدانم.

در عوض، او بیان می‌کند که آن‌ها به سادگی ویژگی‌های سیستم‌های کوانتومی را اندازه‌گیری می‌کنند که من انتظار دارم هر توضیحی زیربنایی آن را بازتولید کند. به عبارت دیگر، این شواهد تجربی برای تفسیر قابل استفاده است. برای برخی از تفسیرها، شواهد تجربی وجود ندارد. برای مثال ایده جهان‌های چندگانه، اجازه هیچ تعامل معناداری بین دنیاها را نمی‌دهد. منظور این است که هرگز راهی برای بیان تجربی وجود نخواهد داشت که آیا این یک دیدگاه معقول است یا خیر.

آزمایش‌های جدید هر از گاهی اتفاق می‌افتند، اما به ندرت تفاوتی ایجاد می‌کنند. و یکی از آن‌ها ایده‌ای بود که مرا مجاب کرد. در اواخر سال ۲۰۲۱، کولم براکن (Colm Bracken) از دانشگاه مینوت در ایرلند، یونته هانس (Jonte Hance) از دانشگاه بریستول، و سابین هوسنفلدر (Sabine Hossenfelder) از موسسه مطالعات پیشرفته فرانکفورت، یک مجموعه آزمایش پیشنهاد کردند که به نظر آن‌ها می‌توانست ابرجبرگرایی و علیت معکوس را متمایز کند. این مجموعه، شامل آزمایش دو شکاف با برخی زنگ‌ها و سوت‌های اضافه‌شده است که تلاش می‌کنند یک پارادوکس منطقی را در مفهوم تاثیرات بازگشت زمانی مهندسی کنند.

اما محققان ادعا می‌کنند که نتیجه برای هر کسی که به نظریه‌های چند جهانی، کپنهاگ یا موج خودران اعتقاد دارد، تفاوتی نخواهد داشت. این فقط دامنه گزینه‌ها را حداکثر یک بار کاهش می‌دهد. و طرفداران علیت معکوس شک دارند که حتی این کار را انجام دهد. بطور خلاصه این آزمایش نیز درست مثل همه آزمایش‌های دیگر ما را به جایی نمی‌رساند. آیا من به دنبال چیزی دست نیافتنی هستم؟

کاوش در فیزیک کوانتومی واقعا بسیار دشوار است. بنا به ضرورت، این یک علم تجربی است که از مقیاس تجربه بشری بسیار دور است. اما ذکر این نکته نیز آموزنده است که یک قرن پیشرفت تکنولوژی، در پاسخ به سوال من کمکی نکرده است. بطور اساسی ما چیزی بیشتر از آنچه بور، انیشتین، شرودینگر و هایزنبرگ در مورد ماهیت واقعی واقعیت انجام دادند، نمی‌دانیم. ما فناوری‌های جالب و معماهای فلسفی ایجاد کرده‌ایم، اما چیزهای دیگر کم است. آیا واقعا می‌توان فهمید که جهان از چه چیزی ساخته شده است؟ امید من این است که این امکان وجود داشته باشد. اما من گمان می‌کنم که ممکن است به یک محور بنیادی نیاز باشد. شاید تنها راه پیش رو، بازگشت به عقب باشد. منظور بازبینی ریاضیات پشت نظریه کوانتومی است.

این شیوه پیش‌تر کار کرده است. وقتی علم گیر کرده بود، مردم با ابداع روش‌های جدید دستکاری اعداد یا با وام گرفتن تکنیک‌های ریاضی از حوزه‌های دیگر، راه‌های پنهانی را باز کرده‌اند. حساب دیفرانسیل و انتگرال نیوتن و لایبنیتس، جبر بابلیان و اختراع اعداد منفی چینی و هندی نمونه‌های خوبی را ارائه می‌دهند. مانند نسبیت عام، اینشتین موانع خود را در زمینه توصیف منحنی فضازمان با قرض گرفتن حساب تانسوری که توسط ریاضیدانان محض و بدون هیچ کاربردی در ذهن ایجاد شده بود، حل کرد. بنابراین، آیا ریاضیات جدید راه حلی است که فیزیک کوانتومی نمی‌داند به آن نیاز دارد؟ هاسنفلدر می‌گوید:

احتمالا ما به ریاضیات جدید برای حل این مشکل نیاز داریم.

او فکر می‌کند که راه‌حل‌ها، ممکن است از دستیابی بهتر به ریاضیات نظریه آشوب حاصل شود. همکار او، تیم پالمر از آکسفورد، در بررسی ابرجبرگرایی فکر می‌کند که مکانیک کوانتومی از نظریه‌ای عمیق‌تر ناشی می‌شود که شامل جاذبه‌های آشوبی است. همچنین او پیشنهاد می‌کند، ممکن است از رویکردهای جدید برای فرار به عنوان مواد کوانتومی، استبداد پیکان زمان، از رویکردهای جدید حاصل شود. هاسنفلدر توضیح می‌دهد:

تمامی نظریه‌‌های فعلی، با معادلات دیفرانسیل کار می‌کنند و شما یک حالت اولیه و سپس یک قانون تکامل دارید. من فکر نمی‌کنم این برای هر نظریه کوانتومی کار کند.

برای این منظور، هاسنفلدر از معادله موج شرودینگر اجتناب کرده و با رویکردی ریاضی به نام انتگرال مسیر، کار می‌کند که نسبت به جریان زمان انعطاف‌پذیرتر است. او بیان می‌کند:

من نمی‌دانم که آیا این در نهایت به نتیجه می‌رسد یا خیر. شاید ما واقعا به چیز دیگری نیاز داشته باشیم.

امیلی آدلام (Emily Adlam)، فیزیکدان دانشگاه وسترن انتاریو نیز با نیاز ما به ریاضیات جدید، موافق است . او فکر می‌کند که بهترین مسیر رو به جلو، ممکن است کنار گذاشتن رویکرد استقرایی مطرح کردن مولفه‌های کوچک‌تر باشد. در عوض، او پیشنهاد می‌کند که ما باید سعی کنیم جهان کوانتومی را به روشی جامع‌تر درک کنیم. او می‌گوید:

روش‌های ریاضی که ما در حال حاضر در فیزیک استفاده می‌کنیم، برای این نوع توصیف کلی‌نگر کافی به نظر نمی‌رسند، بنابراین به احتمال زیاد ریاضیات جدیدی مورد نیاز خواهد بود. اما لازم نیست کاملا جدید باشند. ریاضیات زیادی وجود دارد که توسط ریاضیدانان محض توسعه یافته است که هنوز هیچ کاربردی در فیزیک پیدا نکرده‌اند. بنابراین من فکر می‌کنم در واقع بسیار محتمل است که ریاضیات مورد نیاز ما در حال حاضر در دنیای ریاضیات محض وجود داشته باشد، و ما هنوز نحوه اعمال آن را در فیزیک ندیده‌ایم. به عبارت دیگر، اگر برای نسبیت کار کند، شاید بتواند برای نظریه کوانتومی کار کند.

بسیاری از دانشمندان در این مورد با من مخالفند. به عنوان مثال، ولاتکو ودرال (Vlatko Vedral) از آکسفورد، مردد است. او به من گفت:

به نظر من ریاضیات مورد نیاز برای فیزیک کوانتومی، که همان جبر خطی است، بطور کامل و خوبی کار می‌کند.

او مانند بور فکر می‌کند که هر مشکلی از محدودیت‌های زبان ناشی می‌شود. او خاطر نشان کرد:

نه ”یا”، نه ”و” منظور ما از برهم نهی کوانتومی را توصیف نمی‌کند. شاید بجای ریاضیات، این زبان ما باشد که باید تکامل یابد تا جهان کوانتومی را به درستی منعکس کند.

دوچ نیز در مورد ناخرسندی من از درک ما از ماهیت واقعیت می‌گوید:

ممکن است کسی به همان صورت بگوید، ما ممکن است بدانیم سگ‌ها چه شکلی هستند و چگونه رفتار می‌کنند، اما نمی‌دانیم که سگ در واقع چیست. او می‌گوید سگ‌ها مجموعه‌ای از اتم‌ها هستند، و اتم‌ها مجموعه‌ای از کوارک‌ها و لپتون‌ها هستند و می‌توان آن‌ها را با میدان‌های کوانتومی توصیف کرد. دیگر چه چیزی می خواهید؟ حتی هوسنفلدر نیز بطور کامل قانع نشده است. او به من گفت:

فکر نمی‌کنم وظیفه علم باشد که به این سوال پاسخ دهد که واقعیت هر چیزی چیست.

او فکر می‌کند که علم فقط با توصیف آنچه ما مشاهده می‌کنیم ارتباط دارد.

من چه هستم؟ من خوشه‌ای از اجسام کوانتومی وصف‌ناپذیر کوچک هستم که منتظر شورش جدیدی در ریاضیات است تا حقیقتم را فاش کند.

 

• منبع : nautil.us