سرگشتگی های مبهم

زمانی که نظریه ی کوانتومی نوین کشف شد، مسائلی که در مرکز توجه فیزیک بودند، به رفتار اتم ها و تابش مربوط می شدند. این دوره ی کشف نخستین در اواخر دهه ی 1920 و اوایل دهه ی 1930، دوره ی بهره برداری پایدار و تب آلودی را در پی داشت که در آن ایده های جدید را بر گسترده ی متنوعی از پدیده های فیزیکی دیگر اِعمال می کردند. مثلاً نظریه ی کوانتوم فهم جدید و معناداری نسبت به رفتار الکترون ها در درون جامدات بلوری به وجود آورد. زمانی شنیدم که پل دیراک از این دوره ی تحول سریع این گونه یاد می کرد که دوره ای بود که « انسان های درجه ی دوم، کار درجه ی اول انجام می دادند ». این کلمات اگر از زبان هر کس دیگری جاری می شد با تذکری که چندان با موافقیت همراه نبود، مواجه می شد. اما در مورد دیراک چنین نبود. شیوه ی سخن گفتن او در تمام عمر ساده گویی و حقیقت گویی بود و به این شیوه، آن چه را که مد نظر داشت، بی پیرایه و مستقیم بیان می کرد. مراد از کلماتش، بیان چیزی سرشار از ادراک بود که از آن بینش های بنیادین و اصیل سر بر می آورد.
این کاربرد موفقیت آمیز ایده های کوانتومی با شوری فروکش نشدنی ادامه یافته است. ما اکنون از این نظریه، با کارآیی یکسانی برای بحث درباره ی رفتار کوارک ها و گلوئون ها استفاده می کنیم و اگر به یاد آوریم که این اجزای تشکیل دهنده ی هسته، دست کم 100 میلیون بار کوچک تر از اتم هایی اند که پیشگامان را در دهه 1920 به خود مشغول کرده بودند، دستاوردی هیجان انگیز است.
فیزیکدانان می دانند چگونه کار خود را جمع بندی کنند و پی برده اند که پاسخ ها، کماکان با دقتی شگفت انگیز حاصل می شود. مثلاً، نظریه الکترودینامیک کوانتومی ( نظریه ی برهم کنش الکترون ها با فوتون ها ) نتایجی دارد که خطایش نسبت به نتایج آزمایش، معادل است با نسبت پهنای تار موی آدم به فاصله ی میان لس آنجلس و نیویورک!
داستان کوانتوم، اگر از این منظر به آن بنگریم، داستان بزرگ موفقیت، شاید بزرگ ترین داستان موفقیت در تاریخ علم فیزیک است. با این همه، کماکان تناقضی عمیق به جای خود باقی مانده است. فیزیکدانان، به رغم توانایی خود در انجام محاسبات، هنوز هم این نظریه را نمی فهمند. مسائل تفسیری جدی ای حل نشده باقی مانده و موضوع بحث و جدل مداومی هستند. این موضوع های بحث انگیز، به خصوص به دو مورد سردرگمی مربوط می شوند: معنای سرشت احتمالی نظریه و ماهیت فرآیند اندازه گیری.

احتمالات

احتمالات در فیزیک کلاسیک نیز وجود دارد و در آن جا، منشأ آنها در نظر نگرفتن برخی جزئیات رویدادهای جاری است. مثالی که می توانیم بیاوریم، پرتاب سکه است. هیچ کس شک ندارد که مکانیک نیوتونی تعیین می کند که سکه پس از آنکه پرتاب شد باید چگونه فرود بیاید – از دخالت مستقیم فورچونا ( 1 )، الهه ی بخت، سختی نیست – اما حرکت، نسبت به دقت و جزئیات دقیق شیوه ی پرتاب سکه بسیار حساس تر از آن است که به دنبال آن باشیم که دقیقاً پیش بینی کنیم که نتیجه چه خواهد بود. در عوض می دانیم که اگر سکه سالم باشد، نتایج یکنواخت خواهند بود، یک دوم برای شیرها و یک دوم برای خط ها. به همین نحو، برای تاس سالم، احتمال آنکه عددی خاص بیاید، یک ششم است. اگر کسی بپرسد احتمال آنکه 1 یا 2 بیاید، چقدر است، یک ششم است. اگر کسی بپرسد احتمال آنکه 1 یا 2 بیاید، چقدر است، فقط احتمال های جداگانه را با هم جمع می کنیم و به دست می آوریم 3/1. این قاعده ی جمع از آن روی صادق است که فرآیندهای پرتابی که به 1 یا 2 می انجامند، از هم متمایز و مستقلند. چون که اثری روی هم ندارند، فقط باید احتمال های حاصل را با هم جمع کرد. این امر بسیار ساده است. با این همه، در دنیای کوانتومی، موضوع فرق می کند.
ابتدا در نظر بگیرید که هم ارز کلاسیکی آزمایش کوانتومی با الکترون ها و دو شکاف چه خواهد بود. یک مثال از زندگی روزمره، پرتاب توپ تنیس به سوی نرده ای است که دو سوراخ دارد. احتمال معینی وجود دارد که توپ از یک سوارخ بگذرد و احتمال معنی وجود دارد که توپ از میان سوراخ دیگر بگذرد. اگر بخواهیم که این احتمال را بیابیم که توپ در سمت دیگر نرده به زمین بیفتد، چون توپ یا از این سوراخ می گذرد یا از سوراخ دیگر، فقط این دو احتمال را با هم جمع می کنیم ( همان طور که برای دو وجه تاس جمع کردیم ). در حالت کوانتومی، به دلیل آنکه اصل برهم نهی این امکان را فراهم می آورد که الکترون از هر دو شکاف بگذرد، موضوع متفاوت است. آن چه از نظر کلاسیکی احتمال های متقابلاً متمایزی است، از دیدگاه مکانیک کوانتومی در هم تنیده و درگیر می شوند.
در نتیجه، قوانین ترکیب احتمال ها در نظریه ی کوانتومی متفاوت است. اگر قرار باشد کسی عمل جمع را روی تعدادی امکان بینابینی مشاهده نشده انجام دهد، باید دامنه های احتمال را با هم جمع کند، نه خود احتمال ها را. در آزمایش دو شکاف باید دامنه ی مربوط به ( عبور از A ) را با دامنه ی مربوط به ( عبور از B ) جمع ببندیم. به یاد داشته باشید که احتمال ها با نوعی فرآیند مجذورسازی از روی دامنه ها محاسبه می شوند. اثر مجموع یابی قبل از مجذورسازی ایجاد چیزی است که ریاضی دانان آن را « جملات ضربی » می خوانند. می توان با بررسی معادله ی حسابی ساده ی زیر، تصوری از این ایده به دست آورد :

این 12 « اضافی »، جمله ی ضربی است.
شاید کمی اسرارآمیز به نظر بیاید. مفهوم اساسی این است: در جهان روزمره، برای دستیابی به احتمال نتیجه ی نهایی، باید احتمال های امکان های بینابینی مستقل را با هم جمع کنید. در دنیای کوانتومی، ترکیب امکان های بینابینی که مستقیماً مشاهده نمی شوند، به شیوه ای دقیق تر و پیچیده تر روی می دهد. به همین دلیل است که محاسبه ی کوانتومی شامل جمله ی ضرب می شود. چون دامنه های احتمال در واقع اعداد مختلط هستند، جملات ضرب شامل آثار فازی می شوند به نحوی که شاید، همان گونه که در آزمایش دو شکاف روی می دهد، تداخل ویرانگر یا سازنده به وجود بیاید.
خلاصه آن که، احتمال های کلاسیکی با بی اطلاعی و فقدان معرفت متناظرند و از طریق جمع ساده با هم ترکیب می شوند. احتمال های کوانتومی به طریقی فرّارتر و تجسم ناپذیرتر با هم ترکیب می شوند. در این حالت، پرسشی مطرح می شود: با این همه، آیا می شود منشأ احتمال های کوانتومی را جهل فیزیکدان نسبت به تمام جزئیات آن چه در جریان است، بدانیم، طوری که احتمال های اساسی نهفته ( که با شناخت دسترس ناپذیر اما کاملاً تفصیلی از آن چه در عالم واقع جریان دارد متناظرند ) باز هم به طور کلاسیکی با هم جمع شوند؟
در پس این پرسش، آرزوی مشتاقانه ی عده ای به بازگرداندن موجبیت به فیزیک نهفته است؛ حتی اگر ثابت شود که این موجبیتی از نوع نهان است. مثلاً، واپاشی هسته ی پرتوزا را ( یعنی هسته ای که ناپایدار و مستعد تجربه است ) در نظر بگیرید. تمام آن چه نظریه ی کوانتوم می تواند پیش بینی کند، احتمال وقوع این واپاشی است. مثلاً، می توان گفت احتمال آن که هسته ای خاص در ساعت آینده واپاشد، 1/2 است، اما نمی توان پیش بینی کرد که یک هسته ی خاص در آن ساعت واقعاً واپاشیده خواهد شد یا نه. با این همه، شاید آن هسته، ساعت درونی کوچکی داشته باشد که مشخص می کند دقیقاً در چه زمانی وامی پاشد، اما ما نمی توانیم آن را بخوانیم. در این صورت و اگر هسته های دیگر از آن نوع نیز ساعت های درونی خود را داشتند که تنظیمات متفاوت شان موجب می شد که در زمان های مختلفی وا بپاشند، آن گاه آن چه ما به عنوان احتمال مشخص کرده ایم تنها از جهل ما و ناتوانی در دستیابی به تنظیم های آن ساعت های درونی نهان، ناشی می شد. هر چند واپاشی ها به نظر ما کاتوره ای ( تصادفی ) بودند، اما در واقع جزئیاتی پنهان آنها را کاملاً معین می کردند. در این صورت، در واقعیت نهایی، احتمال کوانتومی تفاوتی با احتمال کلاسیک ندارد. نظریه هایی از این نوع را تفسیرهای متغیرهای نهان مکانیک کوانتوم می خوانند. آیا آنها واقعاً وجود دارند؟
جان فون نویمان، ریاضی دان برجسته، فکر می کرد نشان داده است که خواص نامعمول احتمال های کوانتومی حاکی از آن است که هرگز نمی توان آنها را پیامدی از عدم اطلاع نسبت به متغیرهای نهان دانست. اما او در برهانش اشتباهی کرده بود که آشکار شدنش سال ها طول کشید. بعداً خواهیم دید که تفسیری موجبیتی از نظریه ی کوانتوم وجود دارد که در آن، احتمال ها از عدم اطلاع به جزئیات ناشی می شوند. اما، این را نیز خواهیم دید که نظریه ای که از این جهت موفق است، ویژگی های دیگری دارد که آن را برای اکثریت فیزیکدانان غیرجذاب می کند.

ناهمدوسی

یک وجه از مسائلی را که در این مقاله بررسی می کنیم می توان با طرح این پرسش تعبیر کرد که چطور اجزای سازنده کوانتومی جهان مادی، مانند کوارک ها و گلوئون ها و الکترون ها که رفتارشان مبهم و نامعین است، جهان فیزیکی روزمره را پدید آورده اند که چنین واضح و مطمئن به نظر می رسد. برای فهم این واقعیت، همراه با تحولاتی که در 25 سال گذشته روی داده، گام مهمی برداشته شده است. فیزیکدانان پی برده اند در بسیاری موارد باید به محیطی که فرآیندهای کوانتومی واقعاً در آن روی می دهند، جدی تر از گذشته دقت کنند.
تفکر متعارف آن محیط را، جز برای موجودات کوانتومی که برهم کنش های شان موضوع بررسی صریح بود، تهی تلقی می کرد. در واقعیت بالفعل، این ایده آل سازی همیشه هم کارآمد نیست و در جایی که به کار نمی آید ممکن است از آن پیامدهای مهمی حاصل شود. آن چه مغفول مانده، حضور تقریباً همه جا گیر تابش است. آزمایش ها در دریایی از فوتون ها انجام می شود که برخی از آنها از خورشید گسیل می شوند و برخی ریشه در تابش پس زمینه ی کیهانی دارند. این تابش، از زمانی می آید که سن عالم تقریباً نیم میلیون سال بود و جهان برای آن که ماده و تابش از مخلوط جهانی قبلی خود جدا شوند، به قدر کافی سرد شده بود.
معلوم می شود که پیامدهای این تابش پس زمینه، عملاً در همه جا حاضر است و بر فازهای دامنه های احتمال مربوطه تأثیرگذار است. تأثیر به حساب آوردن این به اصطلاح « کاتوره ای سازی فازم ( 2 ) » در موارد معینی، از بین رفتن تقریباً کامل جملات ضربی در محاسبات احتمال کوانتومی است ( به بیانی غیردقیق، روی مثبت ها، با همان تعداد منفی میانگین گیری می کند و به این ترتیب، نتیجه ای نزدیک به صفر می دهد ). همه ی این اتفاقات، می توانند با سرعتی بسیار شگفت آور روی دهند. این پدیده را « ناهمدوسی » می خوانند.
ناهمدوسی از سوی بعضی ها به تصور این که سرنخی به ما می دهد تا چگونگی برقراری رابطه بین پدیده های کوانتومی میکروسکوپی و پدیده های کلاسیکی ماکروسکوپی را بفهمیم، مورد استقبال قرار گرفت. متأسفانه این فقط نیمی از حقیقت است. این پدیده می تواند کمک کند تا کاری کنیم که برخی احتمال های کوانتومی بیشتر شبیه احتمال های کلاسیکی به نظر برسند، اما آنها را به احتمال های کلاسیکی تبدیل نمی کند. هنوز سردرگمی اصلی در مورد آنچه « مسأله ی اندازه گیری » خوانده می شود، کماکان به جای خود باقی است .

مسأله ی اندازه گیری

در فیزیک کلاسیک، اندازه گیری بدون مسأله و مشکل است و صرفاً مشاهده امر واقع است. ممکن است از قبل قادر به کاری بیش از نسبت دادن احتمال 1/2 به شیر یا خط آمدن سکه نباشیم. اما اگر این چیزی است که ما می بینیم، فقط آن است که در واقع هم چنین است.
اندازه گیری در نظریه ی کوانتومی متعارف فرق می کند، زیرا اصل برهم نهی، احتمال های بدیل و در نهایت مانعه الجمع را درست تا لحظه ی آخر، هنگامی که ناگهان فقط یکی از آنها ( به عنوان فعلیتِ تحقق یافته در آن موقعیت ) پدیدار می شود، نگه می دارد. دیدیم که یکی از راه های اندیشیدن در این باره را می توان بر حسب فروپاشی بسته ی موج بیان کرد. احتمال الکترون در « این جا »، « آن جا » و « همه جا » پخش و متفرق بود، اما وقتی فیزیکدان با طرح این پرسش تجربی – که « تو کجا هستی؟ » آن را مورد خطاب قرار می دهد و پاسخ « این جا » را دریافت می کند، تمام احتمال ها به این تک فعلیت کاهش می یابد. پرسش بزرگی که در بحث ما تاکنون بدون پاسخ باقی مانده، این است: این اتفاق چگونه روی می دهد؟
اندازه گیری، رشته ای پیامدهای به هم بسته است که به وسیله ی آن، اوضاع و شرایط دنیای کوانتومی میکروسکوپی، سیگنال مشاهده پذیزی متناظری را در دنیای روزمره ی [ کلاسیک ] دستگاه اندازه گیری آزمایشگاه تولید می کند. می توانیم این نکته را با بررسی آزمایشی تا حدی ایده آل، اما نه گمراه کننده، که اسپین الکترون را اندازه گیری می کند، روشن کنیم. خاصیت اسپین متناظر با این است که الکترون ها چنان رفتار کند که انگار آهنرباهای ریزی هستند. به دلیل یک اثر کوانتومی تجسم ناپذیر ( که فقط باید از خواننده خواست آن را مسلم انگارد )، این آهنربای الکترونی فقط می تواند در دو جهت مخالف قرار گیرد که می توانیم آنها را برای راحتی، « بالا » و « پایین » بنامیم.
آزمایش با باریکه ای از الکترون ها انجام می شود که در آغاز قطبیده نیست، یعنی تعدادی از الکترون ها در حالت اسپین « بالا » هستند و
تعدادی هم در حالت اسپین « پایین ». الکترون ها را از میدان مغناطیسی ناهمگنی عبور می دهند. این الکترون ها به خاطر اسپین های شان، بنابر جهت اسپین، یا به بالا و یا به پایین منحرف می شوند. سپس، الکترون ها از دو آشکارساز، یا ، که در محل مناسب قرار گرفته اند ( احتمالاً، شمارگرهای گایگر ) عبور می کنند و پس از آن، آزمایشگر یک صدای تق را از این یا آن آشکارساز می شنود که عبور الکترون را با اسپین بالا یا پایین ثبت می کند. این روش کار را به نام دو فیزیکدان که برای بار اول چنین پژوهشی را انجام دادند، آزمایش اشترن – گرلاخ ( 3 ) می نامند. ( در واقع، آن آزمایش را با باریکه ی اتمی انجام دادند، اما این الکترون ها بودند که آن چه را روی می داد، کنترل می کردند ). چگونه باید آن چه را در جریان است، تحلیل کنیم؟
اگر اسین رو به بالا باشد، الکترون رو به بالا منحرف می شود، سپس از می گذرد، صداق تق می دهد و آزمایشگر صداق تق را می شنود. اگر اسپین رو به پایین باشد، الکترون رو به پایین منحرف می شود، سپس از می گذرد و صدای تق می کند، و آزمایشگر می شنود که این اتفاق روی داده است. می بینیم که در این تحلیل چه در جریان است. این آزمایش، به ما رشته ای از پیامدهای به هم بسته را نشان می دهد: اگر... آن گاه ... آن گاه... اما در موقعیت بالفعل اندازه گیری، فقط یکی از این رشته اتفاقات روی می دهد. چه چیزی موجب می شود که این رویداد خاص در این موقعیت خاص روی دهد؟ چه چیزی تعیین می کند که این بار پاسخ « بالا » خواهد بود و نه « پایین »؟
ناهمدوسی برای این پرسش، پاسخی به ما نمی دهد. آن چه انجام می دهد، محکم کردن حلقه ها در زنجیره های مجزاست که آنها را کلاسیک وارتر می کند، اما توضیح نمی دهد که چرا زنجیره ای یا رشته ای معین، در موقعیتی خاص امکان تحقق یافته است. اساس مسأله ی اندازه گیری، تلاش برای فهم منشأ این خاصیت است. ما انواع پاسخ هایی را که پیشنهاد شده اند، بررسی خواهیم کرد، اما خواهیم دید که هیچ یک از آنها به تنهایی قانع کننده یا عاری از سردرگمی نیستند. پیشنهادها را می توان تحت چند عنوان طبقه بندی کرد.

( 1 ) موضوع نامربوط

برخی مفسران می کوشند مسأله را با ادعای بی ربط بودن آن بررسی کنند. یکی از استدلال ها به نفع این موضع، حکم تحصل گرایانه ای است مبنی بر اینکه علم فقط درباره ی به هم پیوسته ساختن پدیده ها است و نباید سودای فهم آنها را در سر پرورانید. اگر بدانیم چگونه جمع های کوانتومی را انجام دهیم و اگر پاسخ ها به نحوی بسیار قانع کننده با تجربه سازگار باشند، در این صورت، این تمام چیزی است که باید بخواهیم. تقاضای بیش از این، از لحاظ عقلانی بسیار آزمندانه است. شکل پالایش یافته تری از تحصل گرایی را آن چه رویکرد « تاریخ های سازگار » نامیده می شود، نشان می دهد؛ رویکرد « تاریخ های سازگار » دستورالعمل هایی برای رسیدن به رشته هایی از پیش بینی های کوانتومی وضع می کند که به راحتی می توان آن ها را به مثابه ی نتایجی تفسیر و تعبیر کرد که با بهره گیری از دستگاه های اندازه گیری کلاسیکی حاصل می شوند.
استدلالی دیگر، که آن نیز تحت عنوان بی ربطی قرار می گیرد، این ادعاست که فیزیک کوانتوم اصلاً نباید به پرداختن به تک رویدادها اقدام کند، بلکه دغدغه ی اصلی آن باید « مجموعه ها » ( 4 ) یعنی خواص آماری مجموعه ای از رویدادها باشد. در این صورت، تبیین احتمالاتی خالص، تمام چیزی خواهد بود که آدمی حق دارد انتظار آن را داشته باشد.
استدلال سوم در این مقوله ی کلی، این است که تابع موج اصلاً مربوط به حالت های سیستم ( دستگاه ) فیزیکی نیست، بلکه مربوط به حالت های معرفت انسانی نسبت به این سیستم هاست. اگر کسی صرفاً از منظر معرفت شناختی فکر کند، آن گاه « فروپاشی »، پدیده ای جدل آمیز نیست: قبل از آن جاهل بودم؛ اکنون می دانم. اما بسیار عجیب به نظر می رسد که بازنمودآن چه ادعا می شود کاملاً در ذهن می گذرد، عملاً در معادله ای ظاهراً فیزیکی مانند معادله ی شرودینگر صدق می کند.
تمام این استدلال ها، وجهی مشترک دارند. نسبت به وظیفه ی علم فیزیک، این استدلال ها دیدگاهی حداقلی دارند. به خصوص، فرض می کنند که فیزیک به کسب فهم از خصلت تفصیلی فرآیندهای خاص فیزیکی، ربطی ندارد. این امر ممکن است باب طبع کسانی باشد که موضع فلسفی معینی دارند، اما برای ذهن دانشمند، که هدف بلند پروازنه اش، کسب حداکثر فهم دست یافتنی از آن چیزی است که در جهان مادی روی می دهد، خوشایند نیست. قانع شدن به کم تر از این خیانت است.

( 2 ) سیستم های بزرگ

البته، چهره های بنیان گذار مکانیک کوانتومی از مشکلاتی که اندازه گیری پیش پای نظریه می گذاشت، آگاه بودند. به خصوص، نیلر بور به این موضوع بسیار علاقمند شد. پاسخی که او یافت تعبیر کپنهاگی نام گرفت. نکته ی مهم و تعیین کننده آن بود که دستگاه اندازه گیری کلاسیکی نقش منحصر به فردی ایفا می کند. بور معتقد بود که دخالت این دستگاه های اندازه گیری بزرگ، اثری تعیین کننده بر جای می گذارند.
حتی قبل از آن که مسأله ی اندازه گیری مطرح شود، یافتن شیوه ای برای فهم این امر لازم بود که چگونه می توان از نظریه ی کوانتومی به موفقیت های بسیار چشمگیر مکانیک کلاسیک در توصیف فرآیندهایی که در مقیاس عادی روی می دهند، دست یافت. توصیف امر میکروسکوپی به بهای از دست دادن فهم امر ماکروسکوپی فایده ای نداشت. این شرط که آن را اصل انطباق می خواندند، تقریباً به توانایی درک این موضوع انجامید که سیستم های « بزرگ » ( که بزرگی آنها را ثابت پلانک تعبیر می کند ) باید چنان رفتار کنند که معادلات نیوتون با تقریب خوبی، آن ها را توصیف کنند. بعدها پی بردند که رابطه ی بین مکانیک کوانتومی و مکانیک کلاسیکی بسیار ظریف تر از آن چیزی است که این تصویر ساده نشان می دهد. بعداً خواهیم دید که پدیده هایی ماکروسکوپیکی وجود دارند که برخی خواص ذاتاً کوانتومی را نشان می دهند و مثلاً در کامپیوترهای کوانتومی، حتی امکان بهره گیری فن آورانه را نیز دارند. اما، این موارد در شرایطی که تا حدی استثنایی است مطرح می شوند و حرکت کلّی اصل انطباق در جهت صحیح بود.
بور تأکید می کرد که اندازه گیری شامل هم موجود کوانتومی و هم دستگاه اندازه گیری کلاسیک می شود و اصرار می کرد که باید درگیری متقابل این دو را یک امر واحد ( که آن را « پدیده » می خواند ) تلقی کرد. در این صورت، این که ویژگی نتیجه ای خاص دقیقاً در کجای زنجیره ی پیامدهای هم بسته ای قرار دارد که از یک سر تا سر دیگر امتداد دارند، پرسشی بود که تا زمانی که دو سر این رشته به طرزی جدایی ناپذیر به هم متصل بودند، می شد از آن اجتناب کرد.
در همان نظر اول، در این پیشنهاد نکته ای جذاب وجود دارد. اگر به آزمایشگاه فیزیک بروید، خواهید دید که پر از اسباب هایی است که بور از آنها سخن می گفت. با این همه، این پیشنهاد قدری مشکوک است و ویژگی دوگانی دارد. انگار موجودات جهان فیزیکی، از دو دسته متفاوت تشکیل شده اند: موجودات متغیر کوانتومی و دستگاه های اندازه گیری کلاسیک تعیین کننده. اما، در واقعیت بالفعل، یک جهان مادی واحد وجود دارد. آن دستگاه های کلاسیک، خود از اجزای کوانتومی ( در نهایت از کوارک ها، گلوئون ها، و الکترون ها ) تشکیل شده اند. تعبیر کپنهاگی اولیه نتوانست به این موضوع بپردازد که ابزار مشخص و معین چگونه می تواند از پایه ی کوانتومی نامعین و نامشخص به دست بیاید.
با همه ی این احوال، شاید بور و دوستانش به سوی راهی درست، حتی اگر نه باز هم به قدر کافی دقیق، در حرکت بودند. به نظر من امروزه اکثر فیزیکدانانی که در عرصه ی کوانتومی کار می کنند، آن چه را می توان تعبیر نوکپنهاگی نامید، می پسندند. در این دیدگاه، بزرگی و پیچیدگی دستگاه ماکروسکوپیکی چیزی است که به نحوی آن را قادر می سازد تا نقش تعیین کننده ایفا کند. یقیناً اینکه چگونه این امر روی می دهد اصلاً به قدر کافی فهمیده نشده است، اما دست کم می وان آن را با خاصیت دیگر سیستم های بزرگ ( که آن نیز به قدر کافی فهمیده نشده است ) هم بسته و لازم و ملزوم کرد. این حالت، برگشت ناپذیری ( 5 ) آن هاست.
با یک استثنا که در واقع برای بحث فعلی بامعنا نیست، قوانین فیزیکی برگشت پذیرند. برای اینکه معنای این موضوع را بفهمیم، بر خلاف هایزنبرگ فرض کنید می توان از دو الکترونی که بر هم کنش دارند، فیلمی ساخت. این فیلم اعم از آنکه در جهت عادی نمایش داده شود یا از آخر به اول، معنای یکسانی دارد. به بیان دیگر، در جهان خُرد ( 6 )، پیکان زمان ذاتی که آینده را از گذشته متمایز می کند، وجود ندارد. بدیهی است که در جهان کلان، ( 7 ) اوضاع خیلی فرق می کند. سیستم ها به تدریج کند می شوند و جهان روزمره برگشت ناپذیر است. واضح است که فیلمی که در آن توپ در حال جهش، هر بار که زمین می خورد بالاتر و بالاتر می رود، در جهت معکوس نمایش داده می شود. این، به خاطر قانون دوم ترمودینامیک است که بنابر آن، در سیستمی منزوی، انتروپی ( درجه ی بی نظمی ) هرگز کم نمی شود. دلیلش آن است که در مقایسه با شیوه های نظم دار بودن، برای بی نظم بودن راه های بسیار بیشتری وجود دارد، به نحوی که بی نظمی بی هیچ زحمتی برنده می شود. فقط به میزتان فکر کنید، که اگر گاهی آن را مرتب نکنید، چه روی می دهد.
اما اندازه گیری، ثبت برگشت ناپذیر سیگنال ماکروسکوپیکی اوضاع و شرایط چیزها در جهان خُرد است. بنابراین، با جهت ذاتی زمان عجین است: قبلاً نتیجه ای وجود نداشت، بعداً نتیجه یا وجود دارد. بنابراین، این فرض تا حدی پذیرفتنی است که فهم کافی از سیستم های بزرگ و پیچیده که برگشت ناپذیری آنها را به طور کامل توضیح دهد، ممکن است سرنخی ارزشمند در مورد ماهیت نقشی که آنها در اندازه گیری کوانتومی ایفا می کنند، در اختیار ما قرار دهد. اما، با سطح معرفت فعلی، این نه دستاوردی بالفعل، که آرزویی است اغراق آمیز.

( 3 ) فیزیک جدید

برخی گفته اند که حل مسأله ی اندازه گیری، تفکر عمیق تری را می طلبد، بیش از تعمیم بیشتر اصولی که برای علم آشنایند. گراردی ( 8 )، ریمر ( 9 ) و وبر ( 10 ) درباره این محورهای مبتکرانه، پیشنهاد مخصوصاً جالبی را مطرح کرده اند ( که به نظریه ی GRW معروف است ). آنان می گویند که خاصیت عمومی فروپاشی کاتوره ای تابع موج در فضا وجود دارد، اما آهنگ وقوع این اتفاق، به میزان ماده ی موجود بستگی دارد. برای موجودات کوانتومی، اگر به تنهایی در نظر گرفته شوند، این آهنگ کوچک تر از آن است که اثر شایان توجهی داشته باشد، اما در کنار مقادیر ماکروسکوپیک ماده ( مثلاً، یک قطعه از دستگاه اندازه گیری کلاسیکی )، چنان سریع شود که عملاً آنی است.
این پیشنهادی است که، علی الاصول، می توان آن را از طریق آزمایش های ظریفی بررسی کرد که هدف شان آشکارسازی سایر جلوه های این تمایل به فروپاشی است. اما بدون این تأیید تجربی، اغلب فیزیکدانان، نظریه ی GRW را خاص تر از آن می دانند که قانع کننده باشد.

( 4 ) شعور

در تحلیل آزمایش اشترن – گرلاخ، آخرین حلقه در زنجیره ی به هم پیوسته، ناظر انسانی بود که صدای تق شمارگر را می شنید. آخرین مرحله در هر اندازه گیری کوانتومی که از آن شناخت حاصل می شود، شعورانسانی است. شعور، تجربه ی فصل مشترک بین امر مادی و امر ذهنی است که در عین عدم درک کامل آن اما ( جز در نزد برخی فیلسوفان ) انکارناپذیر است. اثر داروها یا آسیب های مغزی روشن می کند که امر مادی می تواند روی امر ذهنی تأثیر بگذارد. چرا نباید انتظار داشت که امر ذهنی هم قدرتی در جهت معکوس داشته باشد و بر امر مادی اثر بگذارد؟ هنگامی که نیت ارادی بالابردن دست را اجرا می کنیم، ظاهراً چیزی مانند این روی می دهد، پس، شاید دخالت ناظر هشیار باشد که نتیجه اندازه گیری را تعیین می کند. در نخستین نگاه، این گفته تا حدی جذاب است و برخی فیزیکدانان بسیار برجسته از این دیدگاه حمایت کرده اند. با این همه، مشکلاتی جدی هم دارد.
در اغلب زمان ها و مکان ها، جهان هستی از هشیاری تهی بوده است. آیا باید فرض کنیم در سراسر این پهنه های وسیع زمان و مکان کیهانی، هیچ فرآیند کوانتومی به پیامدی معین ختم نشده است؟ فرض کنید کسی با کامپیوتر، آزمایشی کوانتمی می کرد و نتیجه آن روی کاغذ چاپ و سپس به طورخودکار، بدون آن که تا شش ماه بعد ناظری به آن نگاه کند، ذخیره می شد. آیا پس از گذشت آن شش ماه ( که ناظر با شعور سراغ نتیجه آزمایش می آید ) است که نقش معینی روی کاغذ چاپ می شود؟
این نتیجه گیری ها به طور مطلق ناممکن نیستند، اما بسیاری از دانمشندان اصلاً آنها را پذیرفتنی نمی دانند. اگر داستان غم انگیز گربه ی شرودینگر را در نظر بگیریم، مشکلات بیشتر تشدید می شود. حیوان بیچاره در جعبه ای گیر افتاده که در آن چشمه ی پرتوزایی هم هست که احتمال واپاشی آن در ظرف یک ساعت بعد، 50 – 50 است. اگر واپاشی روی دهد، تابش گسیلیده گازی سمی را رها می کند که بلافاصله گربه را می کشد. اِعمال اصول متعارف نظریه ی کوانتومی بر جعبه و محتویات آن، به این نتیجه می انجامد که در پایان ساعت، قبل از آنکه ناظری هشیار در جعبه را باز کند، گربه در وضعیت بر هم نهی منصفانه و متعادل « زنده » و « مرده » قرار دارد.
فقط پس از آنکه جعبه گشوده شود، فروپاشی امکان های مختلف پیش می آید و حاصل این امر یا کشف جسدی است که قطعاً در حال سردشدن است یا گربه ای شنگول. اما آیا حیوان، مطمئناً، بدون آن که به کمک انسانی برای رسیدن به این نتیجه نیازی داشته باشد، می داند که آیا زنده است یا خیر؟ بنابراین، شاید باید نتیجه بگیریم که شعور گربه به اندازه ی شعور انسان در تعیین نتایج کوانتومی مؤثر است. خب، این شعور تا کجا متوقف می شود؟ آیا کرم ها هم می توانند تابع موج را فروپاشند؟ آنها ممکن نیست دقیقاً باشعور باشند. اما آدمی به این فرض گرایش دارد که آنها هم این خاصیت معین و مشخص را دارند که یا زنده باشند و یا مرده. این نوع مشکلات اغلب فیزیکدانان را از باور به این که فرض نقشی منحصر به فرد برای هشیاری راهی برای حل مسأله ی اندازه گیری باشد، باز داشته است.

( 5 ) چند جهانی

پیشنهاد بازهم جسورانه تری ایده ی فروپاشی تابع موج را یک سره رد می کند. مخالفان ایده ی فروپاشی می گویند صورت بندی را باید جدی تر ازآن گرفت که فرضیه ی تغییر گسسته و خلق الساعه ی تابع موج بر آن تحمیل شود. در عوض باید قبول کرد که هر امکانی که می تواند روی دهد، روی می دهد.
خوب، پس چرا آزمایشگران احساس دیگری دارند و در یک موقعیت، الکترون را در « این جا » و نه در جای دیگر، می یابند؟ پاسخی که داده شده این است که دلیل این امر، دیدگاه بسیار محدود ناظر در این جهان است، اما واقعیت کوانتومی بسیار بزرگ تر از آن است که تصویری چنین محدود نشان می دهد. دو جهان وجود دارد که در یکی از آن ها گربه ی شرودینگر زنده است و یک جهان موازی با آن امام گسسته از آن هم وجود دارد که در آن گربه ی شرودینگر مرده است. به بیان دیگر، در هر آزمایش، واقعیت فیزیکی به انبوهی از جهان های مجزا تقسیم می شود که در هر یک از آن ها، آزمایشگران نتایج ممکن مختلف اندازه گیری را مشاهده می کنند. واقعیت، نه جهانی واحد که مجموعه ای از جهان هاست.
چون که اندازه گیری های کوانتومی در تمام اوقات روی می دهند، این پیشنهاد از لحاظ هستی شناسی، خیلی اسراف گرایانه است. ویلیام اُکامی ( 11 ) بیچاره ( که تصور می شود « تیغ » منطقی او فرض های اسراف گرایانه غیرلازم را می بُرد ) باید در گور خود از تصور این انبوه موجودات، بلرزد. راه دیگر برای درک این تکثیر پردامنه ی تصورناپذیر آن است که وقوع آن را نه در جهان بیرون و در کیهان، بلکه در درون و در حالت های ذهن/مغز ناظران بپنداریم. انجام این کار، رفتن از تعبیر چند جهانی به تعبیر چند ذهنی است، اما این حرکت چندان به کار کاهش در اسراف پیشنهاد نمی آید.
در ابتدا، تنها فیزیکدانانی که جذب این پیشنهاد شدند کیهان شناسان کوانتومی بودند که می خواستند نظریه ی کوانتوم را در مورد کل جهان هستی به کار ببرند. در حالی که هنوز درباره چگونگی ارتباط بین جهان خرد و جهان کلان سردرگم ایم، این بسط برای توصیف جهان نامتناهی، حرکتی جسورانه است که امکان پذیری آن ضرورتاً بدیهی نیست. اما اگر قرار بر انجام این کار باشد، شاید رویکرد چند جهانی تنها گزینه ای باشد که به کار گرفته شود، زیرا وقتی پای کیهان در میان است، جایی برای توسل علمی به آثار سیستم های بزرگ بیرونی یا شعور باقی نمی ماند. به نظر می رسد اخیراً گرایش فیزیکدانان دیگر به اتخاذ رویکرد چند جهانی، بیشتر شده است؛ اما برای بسیاری از ما، هنوز این رویکرد مانند آن است که برای شکستن فندق یقیناً سختِ کوانتوم، چکش عظیم متافیزیکی را به کار می گیریم.

( 6 ) موجبیت

در 1954، دیوید بوهم ( 12 ) تبیینی از نظریه ی کوانتوم را منتشر کرد که کاملاً علّی بود، اما دقیقاً همان نتایج تجربی مکانیک کوانتومی متعارف را پیش بینی می کرد. در این نظریه، احتمال ها فقط از بی اطلاعی نسبت به برخی جزئیات ناشی می شوند. این کشف شایان ذکر، جان بل ( 13 ) را به بررسی مجدد برهان فون نویمان برانگیخت که نتیجه اش پیدا کردن فرض معیوبی بود که این برهان غلط، برآن استوار شده بود.
بوهم با جدا کردن موج و ذره که تفکر کپنهاگی آنها را در قالب اصل مکملیت جدایی ناپذیر، در کنار هم نهاده بود، به این تبیین رسید. در نظریه ی بوهم، ذرات، آن قدر کلاسیک هستند که حتی خود نیوتون هم آرزویش را داشت. هنگامی که مکان یا تکانه ی آنها اندازه گیری می شود، فقط به آزمایش بستگی دارد که کدامیک از آنها را به صراحت باید اندازه گرفت. اما، غیر از این ذرات، یک موج کاملاً مجزا هم وجود دارد که شکل آن در هر لحظه اطلاعات کل محیط را در دل خود دارد. این موج مستقیماً قابل شناسایی نیست، اما پیامدهای تجربی دارد. چون طوری بر حرکت ذرات تأثیر می گذارد که اثرش بر آثار نیروهای متعارف که ممکن است بر ذرات وارد شود، افزوده می شود. این موج نهان ( که گاهی آن را « موج راهنما » یا منبع « پتانسیل کوانتومی » می خوانند ) به طرز محسوسی بر ذرات تأثیر می گذارد و به بروز آثار تداخلی و احتمال های مشخصه ی وابسته به آنها می انجامد. این آثار موج راهنما، مؤکداً علّی و موجبیتی هستند. هر چند پیامها به شدت پیش بینی پذیرند، اما به نحوی بسیار ظریف، به جزئیات نهایی موقعیت های بالفعل ذرات بستگی دارند و همین تغییرات جزئی است که ظاهری کاتوره ای را پدید می آورد. بنابراین، در نظریه ی بوهم، این موقعیت ذره است که به عنوان متغیر نهان عمل می کند.
برای فهم دامنه دارتر نظریه ی بوهم بهتر است که ببینیم آزمایش دو شکاف را چگونه شرح می دهد. به دلیل ماهیت تجسم پذیر ذرات، در این نظریه الکترون باید قطعاً از یکی از شکاف ها عبور کند. خوب، کجای برهان قبلی ما اشکال داشت که نمی توانست چنین باشد؟ آن چه گریز از نتیجه گیری قبلی را ممکن می کند، اثر تابع موج است. بدون وجود مستقل و تأثیر آن، در واقع، اگر الکترون از شکاف A عبور می کرد، شکاف B بلاموضوع بود و می توانست باز یا بسته باشد. اما در دل موج بوهم اطلاعاتی آنی درباره ی کل محیط نهفته است و بنابراین، شکل آن اگر B بسته باشد، نسبت به حالتی که B باز است، فرق می کند. این اختلاف برای طرز هدایت ذرات از سوی موج، پیامدهای مهمی دارد. اگر B بسته باشد، اغلب آنها [ الکترون ها ] به سوی نقطه ی مقابل A هدایت می شوند، اما اگر B باز باشد، اغلب آنها به سوی نقطه ی وسط صفحه ی آشکارساز هدایت خواهند شد.
شاید کسی تصور کند این روایت علیتی و تجسم پذیر از نظریه ی کوانتوم برای فیزیکدانان بسیار جذاب بوده است. [ اما ] در واقع، شما اندکی از آن ها جب آن شده اند. یقیناً این نظریه آموزنده و هشیارانه است، اما بسیاری احساس می کنند که هشیارانه تر از آن است که قانع کننده باشد. با خود رنگ و بویی از تصنع دارد که آن را غیر جذاب می کند. مثلاً، موج نهان باید دریک معادله ی موج صدق کند. این معادله از کجا می آید؟ پاسخ صادقانه این است که از باد یا، به عبارت دقیق تر، از ذهن شرودینگر. معادله ی بوهم برای رسیدن به نتایج صحیح باید معادله ی شرودینگر باشد، اما این از منطق درونی نظریه حاصل نمی شود و فقط راهبردی خاص است که برای ایجاد پاسخ هایی طراحی شده است که از لحاظ تجربی پذیرفتنی باشد.
مشکلات تکنیکی دیگری هم وجود دارد که موجب می شود نظریه از این هم کم تر قانع کننده باشد. یکی از چالش برانگیزترین آنها به خواص احتمالاتی مربوط می شود. باید اذعان کنم که تاکنون، برای سادگی کار، آنها را به درستی بیان نکرده ام. موضوع دقیقاً این است که اگر احتمال های اولیه ای که به تمایلات ذره مربوط می شوند با آن چیزی منطبق باشد که نظریه ی کوانتوم متعارف می گوید، انطباق میان این دو نظریه برای هر حرکت بعدی به قوت خود باقی خواهد ماند. اما باید از نقطه ی درستی شروع کنید. به بیان دیگر، توفیق تجربی نظریه ی بوهم ایجاب می کند که یا جهان اتفاقاً با احتمال های صحیح ( کوانتومی ) که در آغاز در آن وجود داشته آغاز شود یا، در غیر این صورت ، فرآیندی همگرایانه آن را به سرعت به آن جهت رانده باشد. این امکان اخیر ناپذیرفتنی نیست ( فیزیکدانان آن را « واهلش » ( 14 ) روی احتمال های کوانتومی می خوانند )، اما اثبات نشده و مقیاس زمانی آن نیز به طرزی قابل وثوق برآورده شده است.
هنوز هم در حالی که به انبوه خیره کننده ی پیشنهادهایی می اندیشیم که برای حل مسأله ی اندازه گیری مطرح شده اند و در بهترین حالت، فقط تا حدی قانع کننده اند، این مسأله ما را نگران می کند. از جمله ی گزینه هایی که مورد توجه قرار گرفتنه اند عبارتند از نادیده گرفتن ( نامربوط بودن )؛ فیزیک شناخته شده ( ناهمدوسی )؛ امیدواری به فیزیک ( سیستم های بزرگ )؛ فیزیک جدید شناخته نشده ( GRW )؛ فیزیک جدید نهان ( مکانیک بوهمی )؛ حدس متافیزیکی ( شعور، چند جهانی ). این داستانی است پیچیده، حکایتی که بازگو کردن آن فیزیکدانان را، با توجه به نقشی محوری که اندازه گیری در تفکر فیزیکی بازی می کند، صادقانه بگوییم، ما نظریه ی کوانتوم را آن طوری نمی فهمیم که مایلیم بفهمیم. می توانیم عملیات ریاضی را انجام دهیم و، به این معنی، پدیده ها را توضیح دهیم، اما آن چه را در جریان است واقعاً نمی فهمیم. برای بور، مکانیک کوانتومی ناعلیتی است؛ از دیدگاه بوهم، مکانیک کوانتومی علیتی است. از نظر بور، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اصل هستی شناختی عدم تعیّن است؛ در نزد بوهم، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اصل معرفت شناختی جهل است. درفصل آخر، باز هم به سراغ برخی از این مسائل متافیزیکی و تفسیری خواهیم رفت. در ضمن، یک پرسش نظری دیگر در انتظار ماست.

آیا حالت های برتری وجود دارند؟

در قرن نوزدهم، ریاضیدانانی مانند سرویلیام روان همیلتون، به برداشت هایی بسیار کلی از سیستم های دینامیکی نیوتونی دست یافتند. یکی از جنبه های نتایج این تحقیقات اثبات این نکته بود که برای صورت بندی دینامیک، راه های هم ارز زیادی وجود دارد. در تفکر فیزیکی غالباً مرسوم است که به تصویرسازی فرآیندها به همان نحوی که در فضا روی می دهند، نقش برتری داده شود، اما این امر اصلاً ضرورتی اساسی نیست. هنگامی که دیراک اصول کلی نظریه ی کوانتوم را تدوین کرد، این برابری دموکراتیک بین دیدگاه های متفاوت، در قالب دینامیک جدیدی که شکل گرفت، حفظ شد. تمام مشاهده پذیرها و ویژه حالت های متناظر با آن ها، تا آن جا که به نظریه ی بنیادی مربوط می شد، وضعیت برابری داشتند. فیزیکدانان، این اعتقاد را اینگونه بیان می کنند که « مبنای برتر » ( مجموعه ی خاصی از حالت ها، که با مجموعه ی خاصی از مشاهده پذیرها متناظر است و اهمیّت منحصر به فردی دارند ) وجود ندارد.
کلنجار رفتن با مسأله ی اندازه گیری، در ذهن برخی دانشمندان این پرسش را مطرح کرده که آیا این اصل عدم برتری را باید حفظ کرد یا خیر. در میان انواع پیشنهادهای مطرح شده، ظاهراً اغلب پیشنهادهایی که مخالف اصل عدم برتری هستند به برخی حالت ها، مثلاً حالت های نهایی فروپاشی یا حالت هایی که توهم حاصل از نظرگاه های فروپاشی را ایجاد می کنند، نقش خاصی می دهند: در بحث ( نو ) کپنهاگی که بر دستگاه اندازه گیری متمرکز است، هنگامی که آدم از عقربه ی روی ترازو یا مقیاس های روی فیلم عکاسی سخن می گوید، به نظر می رسد وضعیت فضایی نقش خاصی دارد. به همین نحو در تعبیر چند جهانی، همین حالت ها هستند که مبنای تقسیم جهان های موازی اند. در تعبیر شعور، احتمالاً آن حالت های مغزی که با این دریافت ها متناظرند مبنای برتر فصل مشترک ماده/ ذهن قرار می گیرند. در پیشنهاد GRW، فروپاشی به حالت های موضع فضایی اصل بدیهی پنداشته می شود؛ نظریه ی بوهم به مواضع ذره، که جزئیات دقیق آن متغیرهای نهانی مؤثر نظریه هستند، نقش خاصی می دهد. باید این نکته را هم یادآوری کنیم که ناهمدوسی پدیده ای است که در فضا روی می دهد. اگر این ها نشانه های راستین نیاز به تجدید نظر در تفکر دموکراتیک قبلی باشند، مکانیک کوانتوم هنوز هم می تواند باعث تجدید نظر دامنه دارتری در علم فیزیک شود.

پي‌نوشت‌ها:

1. Fortuna
2. Phase randomization
3. Stern-Gerlach experiment
4. ensembles
5. Irreversibility
6. Microworld
7. Macroworld
8. Ghirardi
9. Rimmer
10. Weber
11. William of Occam
12. David Bohm
13. John Bell
14. Relaxation

منبع مقاله:
پاکینگورن، جان؛ ( 1388 )، نظریه ی کوانتوم، ترجمه ی ابوالفضل حقیری، تهران: بصیرت، چاپ دوم