اندازه گیری کوانتومی و ماهیت مرموزش؛ داستان دوم: جبرگرایی کلاسیکی را دور بیندازید!

دانشمندان تفسیر جدیدی از فیزیک کلاسیک بدون استفاده از اعداد حقیقی پیشنهاد کرده‌اند. این مطالعه‌ی جدید، نگرش سنتی فیزیک کلاسیک را بعنوان یک نظریه‌ی جبری، به چالش کشیده است. در داستان اول اندازه‌ گیری کوانتومی ، به نظریه مسیر کوانتومی پرداختیم، اما در داستان دوم خواهیم دید که شاید مسئله اندازه‌گیری کوانتومی، یک مسئله واقعا کوانتومی نباشد، بلکه مدت‌ها پشت فرضیات فیزیک کلاسیک مخفی بوده است! با دیپ‌لوک همراه باشید …

در فیزیک کلاسیک، معمولا فرض بر این است که اگر مکان و سرعت جسمی را بدانیم، می‌توانیم مسیر حرکت آن را پیش‌بینی کنیم. یک هوش برتر که دانش تمام اشیای موجود حاضر را داشته باشد، می‌تواند با قطعیت و با دقت بینهایت، آینده و حتی گذشته‌ی جهان را بداند. پیر سیمون لاپلاس این استدلال را نشان داد. این استدلال که بعدها در اوایل دهه ۱۸۰۰ جبر لاپلاسی نامیده شد، برای نشان دادن مفهوم جبرگرایی در فیزیک کلاسیک استفاده گردید. به طور کلی اعتقاد بر این است که جبرگرایی تنها با پیدایش فیزیک کوانتومی به چالش کشیده شد. دانشمندان دریافتند که هیچ چیزی را نمی‌توان با قطعیت بیان کرد و ما فقط می‌توانیم احتمال رفتارهای خاص چیزها را محاسبه کنیم.

اما آیا فیزیک کلاسیک واقعا کاملا جبرگرایانه است؟ فلاویو دل سانتو (Flavio Del Santo) و نیکلاس گیسین (Nicolas Gisin) در مقاله‌ی جدیدی تحت عنوان «فیزیک بدون جبرگرایی: تفسیرهای جایگزین فیزیک کلاسیک» به این پرسش پاسخ داده‌اند. آن‌ها بر اساس کارهای قبلی گیسین نشان داده‌اند که تفسیر معمول فیزیک کلاسیک بر اساس فرض‌های ضمنی اضافی بنا شده است.

وقتی ما چیزی، مثلا طول یک میز را با استفاده از یک خط‌کش اندازه‌گیری می‌کنیم، یک مقدار را با دقتی محدود بدست می‌آوریم که به معنای تعداد محدودی از ارقام است. حتی اگر ما از یک ابزار دقیق‌تر استفاده کنیم، فقط تعداد ارقام بیشتری بدست خواهیم آورد، اما همچنان تعداد ارقام محدودی. با این وجود، فیزیک کلاسیک فرض می‌کند که حتی اگر ما نتوانیم آن اعداد را اندازه‌گیری کنیم، تعداد نامحدودی از ارقام از پیش تعیین شده وجود دارند. این بدان معنی است که طول میز همیشه کاملا مشخص است.

بازی پین-بورد (pin-board) را تصور کنید که تخته‌ی بازی آن بطور متقارن از پین‌ها پر شده است. زمانی که یک توپ کوچک از بالای تخته سرازیر می‌شود، به پین‌ها برخورد کرده و به یکی از سمت‌های چپ یا راست هر یک از آن‌ها تغییر مسیر خواهد داد. در یک دنیای جبرگرایانه، داشتن دانش کامل از شرایط اولیه‌ای (مکان و سرعت) که توپ وارد بازی شده، مسیری را که توپ بین پین‌ها دنبال خواهد کرد، بدون ابهام تعیین می‌کند. فیزیک کلاسیک فرض می‌کند که اگر ما نتوانیم در تکرارهای متفاوت بازی، مسیر یکسانی را بدست بیاوریم، تنها به این خاطر است که در عمل قادر به ایجاد شرایط اولیه کاملا یکسان نیستیم. یکی از دلایل این امر برای مثال می‌تواند این باشد که ما یک ابزار اندازه‌گیری بی‌نهایت دقیق برای ایجاد مکان اولیه‌ی توپ، هنگام ورود به بازی نداریم.

نویسندگان این مقاله جدید، نگرش دیگری را پیشنهاد می‌کنند: بعد از یک تعداد مشخص از پین‌ها، حرکت بعدی توپ حتی به لحاظ نظری نیز واقعا تصادفی است، نه به خاطر محدودیت‌های ابزارهای اندازه‌گیری که در اختیار ما هستند. توپ در هر برخورد، یک میل ذاتی برای پریدن به سمت راست یا چپ دارد و این انتخاب از قبل تعیین نمی‌شود. برای تعداد کمی از برخوردهای ابتدایی، مسیر توپ می‌تواند با قطعیت مشخص شود، به این معنی که تمایل توپ برای رفتن به یک سمت صد درصد، و برای سمت دیگر صفر درصد است. با این وجود، بعد از چند پین، انتخاب جهت، از پیش تعیین‌شده نمی‌باشد و تمایل برای هر سمت، به تدریج به پنجاه درصد می‌رسد. در این صورت، می‌توان تصور کرد که هر رقم از طول میزی که اندازه‌گیری می‌کنیم نیز، با فرایندی مشابه، انتخاب مسیر چپ و راست در هر برخورد توپ با پین‌ها تعیین می‌شود. بنابراین، طول میز نیز بعد از تعداد مشخصی از ارقام، دیگر مشخص نمی‌شود.

بنابراین مدل جدیدی که توسط محققان تعریف شده، نسبت دادن معمول یک معنای فیزیکی را به اعداد حقیقی ریاضی (اعدادی با تعداد ارقام نامحدود از پیش تعیین شده) رد می‌کند. این تفسیر جدید بیان می‌کند که بعد از تعداد معینی از ارقام، مقادیر آن‌ها کاملا تصادفی می‌شود و تنها تمایل کمیت‌ها برای گرفتن یک مقدار خاص، به خوبی قابل تعریف است.

این تفسیر منجر به نگرش‌های جدیدی در رابطه‌ی بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی می‌شود. در حقیقت، اینکه یک کمیت نامعین چه زمانی، چگونه و تحت چه شرایطی یک مقدار معین را اختیار می‌کند، یک سوال چالش‌برانگیز و همچنان داغ در فیزیک کوانتومی است که به نام مسئله اندازه‌ گیری کوانتومی شناخته می‌شود. این مسئله به این حقیقت مربوط می‌شود که در جهان کوانتومی، مشاهده‌ی حقیقت بدون تغییر آن امکان‌پذیر نیست. در واقع، مقدار یک اندازه‌گیری روی یک شی کوانتومی، تا زمانی که اندازه‌گیری توسط مشاهده‌کننده انجام نشده باشد، مشخص نیست. از طرفی دیگر، این مطالعه‌ی جدید نشان می‌دهد که شاید دقیقا همین مسئله همواره در پشت قواعد اطمینان‌بخش فیزیک کلاسیک پنهان بوده است.