برخی از گیج‌کننده‌ترین مسائل فیزیک، در قلمروی نظریه کوانتومی جای دارند. این گیج‌کنندگی را می‌توان به وضوح در مشهورترین آزمایش فکری کوانتومی یعنی آزمایش فکری گربه شرودینگر و همچنین در پارادوکس سیاه‌چاله و گم شدن اطلاعات در تبخیر آن دید. در نوشتار زیر که ترجمه‌ای مقاله‌ای از وب‌سایت ناتیلوس است، دنیل سودارسکی (Daniel Sudarsky) از دانشگاه ملی مکزیک، به این موضوعات بحث‌برانگیز می‌پردازد. با دیپ لوک همراه باشید…
ریچارد فاینمن می‌گوید:
من فکر می‌کنم می‌توانم با اطمینان بگویم که هیچ‌کس مکانیک کوانتومی را درک نمی‌کند.
بیشتر فیزیکدان‌ها به این موضوع عادت کرد‌ه‌اند. شکی نیست که نظریه کوانتوم در سطح تجربی موفق است، اما وقتی آن را بیش از ابزاری برای محاسبه احتمالات نتایج آزمایشگاهی و به عنوان توصیف اساس جهان خارج در نظر بگیرید با مشکل جدی مفهومی مواجه خواهید شد.
مشکل اصلی این است که به نظر می‌رسد نظریه کوانتومی در مورد آنچه که ما اندازه‌گیری می‌کنیم است و نه در مورد آنچه که در جهان وجود دارد. برخی ممکن است فکر کنند که این امر، خوب است، چون این نظریه فقط «اطلاعات ما» را در مورد جهان نشان می‌دهد، اما این امر تنها زمانی منطقی خواهد بود که چیزی در مورد جهان وجود داشته باشد و ما بتوانیم از آن مطلع شویم، که باید در شرایط عمومی، توسط این نظریه مشخص شود. درک چگونگی برخورد با این مشکل مفهومی، مستلزم این است که با جزئیات بیشتری به این نظریه نگاه کنیم.
با توجه به نظریه کوانتومی، حالت کلی یک سیستم (موقعیت یا سرعت ذره) مقادیر مشخصی ندارد. این ابهام به عنوان «عدم قطعیت کوانتومی» و متاسفانه همچنین به عنوان «افت وخیز کوانتومی» شناخته می‌شود. نظریه کوانتومی ارائه شده در کتب درسی استاندارد شامل دو قاعده متمایز برای تکامل حالت یک سیستم فیزیکی است. یکی از آن‌ها که توسط برنده جایزه نوبل فیزیک امسال، یعنی راجر پنروز (Roger Penrose) به آن اشاره شد، فرآیند U است. معادله شرودینگر نشان می‌دهد که تعیین دقیق حالت سیستم در زمان آینده (پیش‌بینی قطعی)، یا در زمان گذشته (بازگشت کامل)، با توجه به حالت کنونی سیستم، امکان‌پذیر است. اما این قاعده فقط تا زمانی برقرار است که سیستم تحت یک مشاهده قرار نگیرد.
قاعده دوم که با مشاهده یا اندازه‌گیری برخی از ویژگی‌های سیستم، وارد می‌شود، یک قاعده تصادفی است و توسط پنروز تحت عنوان فرآیند R نامیده می‌شود. مطابق این قاعده، در نتیجه اندازه‌گیری، حالت سیستم به یکی از حالت‌هایی که ویژگی مورد نظر دارای یک مقدار کاملاً مشخص است می‌رود. بطور کلی، این قاعده اجازه پیش‌بینی دقیق و ارزیابی حالت قبل از اندازه‌گیری یا مشاهده را نمی‌دهد. اما می‌توان از آن برای پیش‌بینی دقیق احتمالات، مقدار میانگین حاصل از تعداد زیادی تکرار آزمایش و نیز پراکندگی نتایج آماری استفاده کرد. منظور از پراکندگی نتایج آماری یعنی کمیتی که به لحاظ مقادیر عددی با سطحی از نامعینیت که در بالا ذکر شد، انطباق دارد.
یکی از مشکلات نظریه کوانتوم این است که ادعای این نظریه نسبت به آنچه در مورد ماهیت جهان (حداقل) زمانی که هیچ‌کس به آن نگاه نمی‌کند، مبهم است. آیا وارد کردن آگاهی برای منطقی کردن این نظریه لازم است؟ و اگر اینطور است، آیا شامل یک موش یا یک مگس می‌شود؟ به طور خاص، مشخصات آنچه که یک اندازه‌گیری را تشکیل می‌دهد بسیار مبهم است. شاید تنها لازمه آن دستگاه به اندازه کافی بزرگ باشد، اما چه اندازه بزرگ کفایت می‌کند؟ و چه اتفاقی در این مرز می‌افتد؟ این مسائل به عنوان مسئله اندازه‌گیری شناخته می‌شوند. چنین مشکلات مفهومی معمولاً توسط فیزیکدان ها نادیده گرفته می‌شوند.
یک استثنا توسط دیوید بوهم (David Bohm) ارائه شده‌است. او یک پیشنهاد را (که ابتدا توسط لویی دوبروی ارائه شد) بازکشف کرد که مشخصه‌ی دیگری از این نظریه را بدست می‌دهد: ذرات نقطه‌‌مانند که در تمام زمان‌ها دارای موقعیت و سرعت‌های معین هستند. در حالی که حالت کوانتومی به سادگی آن‌ها را در تکامل زمانی‌شان هدایت می‌کند (و یک گربه هرگز به طور همزمان مرده و زنده نیست). یک استثنای قابل توجه دیگر توسط طرفداران اصلاح نظریه ارائه گردید که فرآیندهای U و R را به یک تک‌قانون واحد تبدیل می‌کند و نیاز به معرفی مفهوم «اندازه‌گیری» در سطح بنیادی را برطرف می‌نماید. در این حالت، گربه شرودینگر می‌تواند زنده یا مرده باشد، حتی اگر کسی نگاه نکند.
این رویکرد اساس نظریات «فروپاشی خودبخودی» را تشکیل داده است که با اعمال چیزی شبیه به مجموعه‌ای از نسخه‌های مینیاتوری فرآیند R که به طور خودبخودی برای همه ذرات در سراسر فضازمان رخ می‌دهد، مشخص می‌شوند؛ یعنی بدون نیاز به اندازه‌گیری انجام می‌شوند. چیزی که بیشتر در مرز رخ می‌دهد، نظریه جهان‌های چندگانه است که مبتکر آن هیو اورت (Hugh Everett) است و در آن هر اندازه‌گیری به دو (یا چند) انشعاب از واقعیت تبدیل می‌شود؛ چیزی مانند به جهان‌های موازی همزمان.
تجزیه و تحلیل دقیق نشان می‌دهد که اساساً سه مسیر منطقی می‌تواند برای مقابله با این مسئله در نظر گرفته شود:
- اصلاح نظریه با اضافه کردن چیزی فراتر از حالت کوانتومی، مانند روش متغیر پنهان نظریه دوبروی
- اصلاح قواعد تحول زمانی نظریه با داشتن رویدادهای اندازه‌گیری‌مانندی که همیشه رخ می‌دهند، مانند نظریه‌های فروپاشی خودبخودی.
- به کلی حذف کردن فرآیند R که ما را به مسیر جهان های چندگانه می‌برد.
بسیاری از فیزیکدانان کوانتومی متقاعد شده‌اند که این مسئله (یا رویکردی که ممکن است در مورد آن اتخاذ شود)، بطور کلی وجود دارد، اما هیچ ارتباطی به چالش‌های حوزه‌های آن‌ها ندارد. دنیل سودارسکی می‌گوید:
من در میان گروه کوچکی از همکاران، دیدگاه کاملاً متفاوتی دارم و عقیده دارم که فروریزش خودبخودی، امیدوارکننده‌ترین راه برای رفع برخی از جدی‌ترین مشکلات پیش روی درک فعلی ما از قوانین و به ویژه شرایط آن‌هاست که در آن گرانش و نظریه کوانتومی باید با هم استفاده شوند.
ویژگی اصلی کیهان‌شناسی، همان طور که عموماً آن را درک می‌کنیم، دورانی است که به عنوان تورم شناخته می‌شود. تصور می‌شود که تورم در اولین ثانیه‌های بعد از دوران پلانک که خود یک نظام مرموز است، رخ داده است. در عصر پلانک، گرانش کوانتومی حاکم است و مفهوم فضازمان احتمالا دیگر از اهمیت و کاربرد چندانی برخوردار نیست (گرانش کوانتومی به نظریه‌ای اشاره دارد که اصول اساسی نسبیت عام، یعنی بهترین نظریه گرانشی که داریم و نظریه کوانتومی را به طور هماهنگ ترکیب می‌کند). در این نظام تورمی، مفاهیم متداول فضازمان، کافی است. علاوه بر این، تصور می‌شود که گرانش توسط نسبیت عام به خوبی توصیف شده است و ماده با همان نوع نظریه‌هایی که ما در شرایط فیزیک ذرات معمولی استفاده می‌کنیم (مانند مواردی که به طور تجربی در مکان‌هایی مانند سرن یا در مطالعات پرتوهای کیهانی با انرژی بالا کشف شده‌اند) توضیح داده می‌شود.
تفاوت اصلی این است که نوع ماده‌ای که در دوره تورم تصور می‌شود غالب است، نوعی میدانی است که به نام تورم شناخته می‌شود. این میدان، کمی شبیه میدان الکترومغناطیسی، اما بسیار ساده‌تر است؛ زیرا فاقد جهت گیری ذاتی یا اسپین است. ویژگی اصلی آن دوره، این است که جهان تحت تاثیرات گرانشی میدان تورمی، به صورت بسیار سریع و شتابان (با ضریب انبساط کلی حداقل یک میلیون تریلیون تریلیون بار؛ ۱۰ به توان ۳۰) منبسط می‌شود. در نتیجه، انحنای فضایی جهان به صفر می‌رسد و تمام انحرافات از همگنی و همسان‌گردی کاملا تضعیف می‌شوند. انحراف‌های باقی مانده (۱۰ به توان ۹۰-)، آنقدر کوچک هستند که برای سادگی آن‌ها را صفر در نظر می‌گیریم.
دوره تورم با ازبین رفتن میدان تورم به پایان می‌رسد و جهان را با تمام ماده‌ای که امروز در آن می‌یابیم پر می‌کند: ماده‌ای معمولی مانند ماده سازنده یک صندلی یا منظومه شمسی؛ و نوع شگفت‌انگیزتری از ماده که می‌توانیم برای کسری از ثانیه با شتاب دهنده های قدرتمند ذرات، مانند سرن تولید کنیم و حتی ماده تاریک دست نیافتنی که به نظر می‌رسد قسمت اعظم کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را تشکیل می‌دهد. به عبارت دیگر، فرض می‌شود که پایان دوره تورمی منجر به نظامی شود که توسط کیهان شناسی سنتی انفجار بزرگ که به لحاظ تجربی موفق است، توصیف می‌شود و یک جهان در حال توسعه که سرشار از پلاسمای داغ (متکشل از تمام گونه‌های ذرات با فراوانی‌های منحصربه فردشان که اساسا توسط ملاحظات ترمودینامیکی کنترل می شوند) است؛ جهانی که با گسترش، سرد شده و منجر به تشکیل هسته‌های سبک (با کاهش دما تا حدود یک میلیارد درجه کلوین) و خیلی بعدتر، منجر به تشکیل اولین اتم‌ها (در حدود ۳۰۰۰ درجه کلوین) می‌شود. این مرحله اخیر همان مرحله‌ای است که فوتون‌های مربوط به تابش زمینه ریزموج کیهانی ساطع می‌شوند.
در تغییرات اندک الگوهای دمایی تابش زمینه ریزموج کیهانی می‌توان ردپای انحراف‌های اولیه از همگنی و همسان‌گردی را مشاهده کرد که تا زمان حال ادامه می‌یابد و کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات را که جهان فعلی ما هستند، تشکیل می‌دهد. نکته این است که جهان برای مدتی همگن و همسانگرد نبوده و نیست. از طرف دیگر با توجه به تورم، انبساط شدید جهان تمام ناهمگنی‌ها (اختلاف در شرایط بین مکان های مختلف) و ناهمسانگردی‌ها (اختلاف بین جهات مختلف) را کاملاً برطرف کرده است. این وضعیت از نظر فضازمان و تورم در حالت‌هایی که کاملاً همگن و همسانگرد هستند توصیف می‌شود.
ادامه دارد…
