چرا کوانتوم «نسبی» است؟
نگاهی متفاوت به دنیای کوانتومی
هیچ چیز حقیقتا وجود ندارد، مگر در نسبت با دیگر چیزها. اگر بتوانیم این تصور را ملکه ذهن خود کنیم می‌توانیم کار خودرا برای فهمیدن دنیای کوانتوم شروع کنیم.
کارلو روولی فیزیکدان ایتالیایی و نویسنده کتاب‌های پرفروش علمی در آخرین کتاب خود به نام “Helgoland” به سراغ مکانیک کوانتومی و تفسیر رابطه‌ای از کوانتوم رفته است. در مقاله‌ی پیش رو روولی بطور خلاصه دیدگاه و تفسیر خود از مکانیک کوانتومی را بیان می‌کند.
اینجا یک صندلی در مقابل من است. یک صندلی چوبی قرمز رنگ که چهارپایه دارد یک نشیمن‌گاه و یک تکیه گاه. آیا صندلی به خودی خود وجود دارد؟ معلوم است بله وجود دارد بدون توجه به وجود من. ولی صبرکنید ما آنرا صندلی می‌نامیم چرا که “ما” روی آن می‌نشینیم.
آیا صندلی بدون وجود ارتباطی با ما مفهومی خواهد داشت؟ بدون انکه انسانی باشد که روی آن بنشیند؟ شاید نه، اما حتی اگر کسی از عملکرد صندلی خبر نداشته باشد، هنوز اجزای آن وجود خواهند داشت برای مثل همان چوب قرمز صیقل خورده‌ای که از آن ساخته شده است. شاید باید پرسید قرمز به چه معنی است؟ قرمز اشاره‌ای است به تعاملاتی میان چوب، پراکندگی نور از سطح آن و بعضی گیرنده‌های خاص در چشمان ما. گرچه اکثر حیوانات رنگ را به شیوه‌ای که ما مشاهده می‌کنیم نمی‌بینند. صرف نظر از آن، اتم‌های چوب چه با عدم حضور گیرنده‌های نور در چشم ما وجود خواهند داشت یا نوری که ممکن است از اتم‌ها پراکنده شود. اگر به اندازه کافی عمیق شویم، اشیا خصوصیاتی پیدا خواهند کرد که از هرچیز دیگری مستقل می‌شوند، درست است؟ خب شاید نه!
فیزیک کوانتوم که عجیب‌ترین و پیچیده‌ترین رفتارهای جهان فیزیکی را در پایه‌ای ترین سطوحی که می‌شناسیم توصیف می‌کند، ممکن است برعکس آن را به ما بگوید. اشیاء مشخصه مخصوص به خودشان را ندارند: مشخصات آنها تنها به واسطه ارتباط آنها با چیزهای دیگر معنی می‌پذیرد، درست مثل اینکه اگر کسی نباشد که برروی صندلی بنشیند چیزی به اسم صندلی وجود ندارد و نمی‌تواند چیزی به این اسم را ببیند. کنار آمدن با چنین ایده‌ای شاید ماهیت مرموز دنیای کوانتومی را روشن‌تر کند، حتی ممکن است منجر به درک بهتر رازهایی همچون مبنای تجربه‌ی آگاهانه ما بشود، هرچند کم!
نظریه کوانتوم حتی با وجود سپری کردن یک قرنِ کاملاً موفق همچنان به صورت معمایی حل نشده باقی‌مانده است، این نظریه به طور معمول در فیزیکِ ماده چگال، هسته‌ای، ذرات بنیادی در شاخه‌هایی چون اخترفیزیک، شیمی، الکترونیک و چیزهای دیگر به کار می‌رود و هرگز تا کنون چنین خواهان نداشته است. اما اگر شما درنگی داشته باشید و دوباره به این فکر کنید که این نظریه دقیقاً در مورد ذات دنیا چه چیزی به ما می‌گوید امکان ندارد حیرت‌زده نشوید. این موضوعی است که در دپارتمان‌های فلسفه و فیزیک مورد بحث‌های زیادی قرار می‌گیرد. به طور خاص یک سؤال مهم برای شروع این است که «تابع موج» یا مترادف انتزاعی آن «حالت کوانتومی» چیست؟
برای مثال تابع موج یک الکترون موجودی است که در فضا پراکنده شده و ما می‌توانیم از آن برای محاسبه احتمال پیدا کردن الکترون در مختصات داده شده، استفاده کنیم. این تعریف اغلب در آموزش مکانیک کوانتوم مطرح می‌شود. اما آیا تابع موج یک تصویر اصیل و دقیق از واقعیت است؟ یا تنها ابزاری است که به ما می‌گوید چه چیزی ممکن است در آینده اتفاق بیفتد؟ مثل پیش‌بینی آب‌وهوا که به ما کمک می‌کند متوجه شویم کجا باران خواهد آمد؟
به کارگیری تابع موج به‌عنوان یک چیز واقعی در دنیای ما مشکلاتی را ایجاد می‌کند. در عملیات‌های ریاضی تابع موج هنگام اندازه‌گیری، پرش می‌کند (یا اصطلاحاً در نظریه در خود فرومی‌ریزد). زمانی که ما یک الکترون را در جایی مشاهده کنیم در همان لحظه عملکرد تابع موج در آن نقطه متمرکز می‌شود. اما چرا باید برای طبیعت مهم باشد که یک نفر چیزی را اندازه می‌گیرد؟
دشواری این مسأله توسط مثال مشهور فیزیک‌دانی به اسم اروین شرودینگربه صورت تصویری بیان شده بود. قبل از این که ما گربه را مشاهده کنیم تابع موج گربه می‌تواند بیان‌کننده هریک از حالت‌های خواب یا بیداری گربه باشد (در نسخه اصلی شرودینگر گزینه‌های موجود برای گربه مرده یا زنده است اما می‌دانید که زیاد خوب نیست که درمورد مرگ گربه‌ها شوخی کنیم) چنین برهم‌نهی میان خواب و بیداری گربه، هسته اصلی اثرات کوانتومی‌ای است که تداخل نام دارد که اگر گربه بیدار یا خواب باشد اتفاق نمی‌افتد. اما گربه در چنین برهم‌نهی‌ای چه احساسی خواهد داشت؟ شما اگر در چنین موقعیتی بودید چه احساسی داشتید؟
ایده‌های مختلفی تلاش می‌کنند رفتار ذاتی عجیب در این تصویر تابع موج را قابل قبول نشان دهند. همه آنها به تفسیرهایی منتهی می‌شوند که بسیار پیچیده هستند. برای مثال تفسیری از «چندجهانی»ها موجود است که ادعا می‌کند گربه در هر دو حالت خواب و بیداری است اگر شما به آن نگاه کنید واقعیت به دو جهان موازی تقسیم می‌شود که در آنجا دو نسخه واقعا همانند از شما در دو حالت مختلف خواب یا بیداری گربه را می‌بیند.
ایده «متغیرهای نهان» فرض می‌کند بعضی اثرات فیزیکی ریسمان‌ها را بازی می‌دهند و آنچه رخ می‌دهد را تعیین می‌کنند – اما در یک سطح غیر موضعی از واقعیت عمل می‌کنند که برای ما قابل دسترسی نیست. تفسیرهای فروریختگی (رمبش) فیزیکی پیش‌بینی می‌کنند که این فروریختن ارتباطی با مشاهده ما ندارد بلکه مربوط به پدیده‌هایی طبیعی است که در همه زمان‌ها در حال اتفاق افتادن است که البته تا کنون هرگز مشاهده نشده است.
برای همه این نتیجه‌گیری‌های پیچیده یک جایگزین وجود دارد. برای فهمیدن آن یادآوری دو مورد در تاریخ به ما کمک خواهد کرد. اولین مورد این است که زمانی که شرودینگر تابع موج را در سال ۱۹۲۶ معرفی می‌کرد مکانیک کوانتومی در باشکوه‌ترین وضعیت خود قرار داشت. البته بدون وجود تابع موج. بعد از پیشرفت‌های اولیه توسط ورنر هایزنبرگ فرمول‌بندی نظریه توسط ماکس بورن به همراه هایزنبرگ و پاسکال جردن و همچنین بطور مستقل توسط پاول دیراک تکمیل شد.
این فرمول بسیار ظریف است. می‌توان آن را به این صورت خلاصه کرد که بگوییم یک سیستم کوانتومی توسط همان متغیرها و معادلات فیزیک کلاسیکی عمل می‌کنند به‌علاوه یک معادله اضافه دیگر:
xp – px = ih
در اینجا x مکان و p تکانه سیستم است i جذر ریشه ۱- است و h ثابت پلانک از بنیادی‌ترین ثابت‌های طبیعت است که وسعت قلمروی کوانتومی را تعریف می‌کند.
به‌صورت مجازی همه پدیده‌هایی که توسط مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌شوند از اصل معروف عدم قطعیت هایزنبرگ تا بمب اتم، از لیزر تا کامپیوترهای کوانتومی همه از این معادله پیروی می‌کنند که ضرب حالت‌ها در دو مقدار فیزیکی در ترتیب‌های متفاوت نتیجه‌های متفاوتی در پی دارد. به این بیان، این نظریه در مورد تابع موج نیست. در مورد واقعیت‌ها است. الکترون اینجاست، الکترون آنجاست، گربه خوابیده، گربه بیدار است.
شرودینگر با معرفی تابع موج قدرت پیش‌بینی کردن را به نظریه اضافه نکرد. بلکه با تعریف تابع موج به مجسم‌سازی این پدیده کمک نمود. برای مثال اوربیتال‌های موجی شکلی که در اطراف هسته اتم هستند که شاید شما آنها را در کتاب‌های شیمی مشاهده کرده باشید.
اما مجسم‌سازی می‌تواند گمراه‌کننده نیز باشد. ایده‌های پیش-کپرنیکی در مورد اجرام سنگینی که به دور زمین می‌چرخیدند یا ایده‌های قرن ۱۹ در مورد گرما و کالری برای مجسم‌سازی بسیار آسان بودند ولی زمانی برای ما کاملا شفاف شدند که آنها را کنار گذاشتیم. مورد تاریخی دوم، روشی است که نیلز بور یکی دیگر از پایه‌گذاران فیزیک کوانتوم، برای توضیح اینکه کوانتوم مکانیک چه به ما می‌گوید، به کار برد. او می‌نویسد: توصیف یک سیستم کوانتومی را نمی‌توان از ابزاری که آن را اندازه می‌گیرد جدا دانست.
این روش که پس‌زمینه گرایی نامیده می‌شود، به صورت صحیحی هسته نظریه را نگه می‌دارد، اما فرمول‌بندی بور از آنجا که می‌گوید ابزار اندازه‌گیری را یک ضرورت می‌داند گمراه‌کننده است. در دوره بور سیستم‌های کوانتمی فقط در آزمایشگاه‌های فیزیک‌دانان مطالعه می‌شدند، اما امروزه یعنی بعد از یک قرن پر از موفقیت ما اطمینان داریم که نظریه کوانتوم بر همه ارکان کیهان استوار است. برای مثال همسایه نزدیک ما یعنی کهکشان اندرومدا جایی است که ما نمی‌توانیم مطمئن باشیم آیا کسی در حال “اندازه‌گیری” است یا خیر.
مفهوم تابع موج را که آینه‌ایی از واقعیت است را رها کنید، و آن‌وقت است که می‌توانیم فیزیک کوانتوم را درک کنیم.
مشاهدات پس‌زمینه‌گرایی بور باید تعمیم داده شود و ضرورت اندازه‌گیری نیز حذف شود. این هدف زمانی می‌تواند انجام شود که بگوییم توضیح یک سیستم فیزیکی نمی‌تواند جدا از سیستم‌های فیزیکی درگیر با آن باشد. مفهوم تابع موج را که آینه ایی از واقعیت است را رها کنید، و این بیان را جدی بگیرید تا راهی برای درک کردن فیزیک کوانتوم داشته باشیم. خصوصیات یک سیستم کوانتومی فقط در نقطه‌ای قابل‌تعریف خواهد بود که در تعامل با چیز دیگری باشد و فقط به واکنش‌ها اشاره داشته باشد. یک الکترون همانند یک موج میان یک واکنش و واکنش بعدی در حال گسترش نیست چرا که اصلاً هیچ موقعیت مشخصی ندارد.
شرودینگر بعدها از این ایده که واقعیت توسط تابع موج او تعریف می‌شود دست کشید: او نوشت بهتر است که یک ذره را نه به‌عنوان یک موجود همیشگی بلکه به‌عنوان یک رویداد آنی در نظر بگیریم. گاهی اوقات این رویدادها زنجیره‌هایی را شکل می‌دهند که توهم دائمی بودن را ایجاد می‌کنند. یک ذره دنباله‌ای از برهم‌کنش‌های لحظه‌ای و مستقل است. موقعیت و یا هر مشخصه از آن تنها در چارچوب یک برهمکنش وجود دارد.
علاوه بر این، خصوصیات یک سیستم مطلق نیستند: آنها در نسبت با سیستم برهمکنش کننده می‌باشند. این فرض که آنها می‌توانند متعلق به یک سیستم منفرد باشند اشتباه است. در قلمرو کوانتوم همه حقیقت‌ها، حقیقت‌های نسبی هستند. برای مثال پرسیدن وضعیت مطلق گربه شرودینگر منطقی نیست. با توجه به وضعیت خودش گربه یا بیدار است یا خواب باتوجه به وضعیت مشاهده‌گر که خارج از جعبه‌ای است که گربه در آن پنهان شده است می‌تواند هیچکدام از آن دو گزینه درست نباشد. تا زمانی که گربه با مشاهده‌گر هیچ برهم‌کنشی نداشته باشد سؤال پرسیدن از وضعیت گربه معنایی ندارد.
این بیان هسته اصلی تفسیر رابطه‌ای مکانیک کوانتومی است. من ایده اصلی را در سال ۱۹۹۶ مطرح کردم و به تدریج این ایده توجه‌ها را به خود جلب کرد، ابتدا فیلسوفان و سپس تعداد روزافزونی از فیزیک‌دانان این ایده را توسعه داده‌اند و روشن کرده‌اند. این ایده از چندجهانی، متغیرهای نهان و چنین مشکلاتی اجتناب می‌کند به این قیمت که قبول کنیم خصوصیات همه چیز نسبی می‌باشد: یعنی چیزها چگونه باهم اندرکنش می‌کنند نه این که واقعاً چه هستند.
این خوانش از پدیده‌های کوانتومی، ما را از شر تصورات گمراه‌کننده اندازه‌گیری‌ها و مشاهده‌گرها خلاص می‌کند تصوراتی که مانند یک مه باعث نفهمیدن نظریه می‌شدند. خصوصیات یک سیستم، زمانی تعیین می‌شود که سیستم با هر سیستم دیگری در ارتباط باشد، فارغ از این که سیستمِ برهمکنش کننده چه سیستمی باشد با این حقیقت که ما سیستمی خاص که مشاهده‌گر باشید نداریم. مشخصات با این روش فهمیده می‌شوند گرچه این هم فقط در نسبت با سیستم متقابل قابل تعریف است و هیچ تاثیری برای سیستم‌های دیگر درجهان ندارد.
صندلی پدیده‌ای است که با محیط اطراف تعامل دارد صحبت درمورد خصوصیات صندلی توسط خودش زمانی که با هیچ چیز دیگری در ارتباط نیست یک عمل بی‌معنی است. همه خصوصیاتی که ما برای توصیف مشخصات صندلی استفاده می‌کنیم مثل رنگ، راحتی، وزن از طریق تعامل با چیز دیگری ممکن شده است و همین‌طور برای خصوصیات اتمِ تنها یا ذرات بنیادینی که صندلی را شکل داده‌اند نیز می‌توانیم همین را بگوییم.
تفسیر رابطه‌ای می‌تواند اسرار مختلف دنیای کوانتوم را برملا کند. همچون پدیده‌های عجیبی مانند درهم‌تنیدگی که در آن به نظر می‌رسد دو ذره در فواصل بسیار زیاد با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند چنان که از دیدگاه نسبیتی چنین ارتباط سریعی بین دو ذره وجود ندارد. دررابطه با هر ذره هیچ حقیقتی که بتواند درمورد اتفاقی که برای ذره دیگر بیفتد وجود ندارد. تنها زمانی ارتباط واقعی بین دو طرف درست می‌شود که این ارتباط جنبه علنی پیدا کند که در این شرایط هم هیچ ارتباط فوری از راه دور وجود نخواهد داشت.
سؤال ممنوعه
نسبی بودن واقعیت‌ها با برخی آزمایش‌ها به زیبایی به تصویر کشیده شد. ممکن است که بتوان یک شرایط پیچیده در آزمایشگاه را مشابه سناریوی گربه شرودینگر شبیه‌سازی کرد. نتایج این را نشان می‌دهد که در نگاه تکنیکی و دقیق واقعیت‌هایی وجود دارد که برای گربه درست به نظر می‌رسد ولی برای یک مشاهده‌گر خارجی خیر. اما چرا ما نسبی بودن واقعیت‌ها را در زندگی روزمره متوجه نمی‌شویم. چرا وقتی سیستم‌های کوانتومی را بزرگ‌نمایی می‌کنیم و با دقت بررسی می‌کنیم این حقیقت برجسته و مشکل‌ساز می‌شود؟ دلیل آن پدیده‌ای است که به‌خوبی توسط نظریه کوانتوم پیش‌بینی‌شده است: ناهمدوسی. این مورد یک پدیده فراگیر است که هر زمانی که تعداد زیادی از ذرات درگیر شوند باعث از بین‌رفتن اثرات کوانتومی می‌شوند.
سال گذشته من و همکارم اندره دی بیاجو در دانشگاه ساپینزا در رم، نشان دادیم که ناهمدوسی واقعیت‌های نسبی را پایدار می‌کند و اثرات تداخل کوانتومی را چنان کاهش می‌دهد که به‌قدری دقیق هستند که عملاً غیرقابل‌مشاهده می‌شوند. از آنجا که لازم است تعدادی از جزئیات بیش از حد دقیق را برای مشاهده آنها اعمال کنیم برای اینکه تداخلی که می‌توانست باعث آشکار شدن نسبی بودن واقعیت‌ها بشود، وابستگی به سیستم‌های درگیر نامرتبط به نظر می‌رسد. در مورد مثال گربه جلوگیری از تداخل میان گربه خوابیده و گربه بیدار این اجازه را به ما می‌دهد که بگوییم گرچه وضعیت گربه نسبت به ما معلوم می‌شود، نسبت به هر سیستم دیگری نیز می‌تواند آشکار شود و هیچ مشاهده‌ای نمی‌تواند تفاوتی را ایجاد کند.
تفسیر نسبیتی به این معنی نیست که هر مشاهده‌گر در دنیای خود منزوی است بلکه پایداری‌ای وجود دارد که واقعیت را برای همه تقریباً یکسان نشان می‌دهد. از همه مهم‌تر همه مشاهده‌گرها یک سیستم فیزیکی هستند و در نتیجه توانایی تعامل دارند.
آنها به‌سادگی می‌توانند از یکدیگر بپرسند که چه چیز را مشاهده کرده‌اند و نظریه این توافق را پیش‌بینی می‌کند. پارادوکس تنها در صورتی ظاهر می‌شود که این واقعیت را نادیده بگیریم که هرگونه تعامل میان مشاهده‌گرها در واقع یک تعامل کوانتومی است و درنتیجه به دلیل اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که می‌گوید مشخصات یک جسم کوانتومی نمی‌تواند به‌دقت اندازه‌گیری شود یک برهمکنش تنها اصلاً کافی نمی‌باشد. همان‌طور که در ابتدای مقاله اشاره شد، فهمیدن اینکه جنبه‌های جهان نسبیتی هستند مورد تازه‌ای نیست. زیست‌شناسی، روان‌شناسی، اقتصاد و بسیاری از علوم بیشتر بر روی روابط تمرکز دارند تا موجودیت‌ها. در حال حاضر فیزیک پر از مفاهیم نسبیتی است مانند سرعت که تنها در مقایسه با چیز دیگری تعریف می‌شوند. پتانسیل الکتریکی یا گرانشی و جهت‌گیری در فضا تنها چند مثال ازاین‌دست هستند.
ما به دنیایی از چیزهای مطلق فکر می‌کنیم زیرا این‌طور تجربه کرده‌ایم.
درگذشته به نظر می‌رسید دنیای فیزیکی یک زیرمجموعه غیر نسبی را ایجاد کرده است که در آن، همه خواص مواد، مطلق هستند. اما به نظر من در مکانیک کوانتوم این‌چنین نیست، دنیا توسط روابطی به هم مرتبط شده است که تا کوچک‌ترین موجودات فیزیکی عالم نیز با آن ها قابل توضیح باشد.
درک جهان با تمرکز بر روابط و نه موجودیت‌ها، می‌تواند به ما کمک کند تا مسائل مهم و جدید دیگر را از مسائل دیگر جدا کنیم، برای مثال ماهیت آگاهی. اگر به این فکر کنیم که جهان فیزیکی ما توسط سنگ‌های کوچک که هرکدام خصوصیات منحصر به فرد خودشان را دارند تشکیل شده است، باید بگوییم که تغییر دیدگاه از این نوع نگاه به سمت تجربه درونی پدیده‌های ذهنی بسیار تغییر بزرگی است.
اما اگر ماهیت فیزیکی جهان از نظر چگونگی تأثیر سیستم‌های فیزیکی ساده و پیچیده، بر یکدیگر بهتر توصیف شوند. شاید این تفاوت فاحش تقلیل یابد و این اختلاف کمتر به چشم آید: محصولات ذهنی فقط پدیده‌های پیچیده‌ای هستند که توسط برهم‌کنش‌های غنی و درهم پیچیده‌ای میان‌مغز و دنیا به یکدیگر بافته و متصل شده‌اند.
تعصب متافیزیکی که ما در قدیم داشتیم این بود که حقیقت فیزیکی توسط برخی اجزای بنیادی که دارای خصوصیات مطلق بودند ساخته شده است. مسئله‌ای که نظریه کوانتوم آن را زیر سؤال می‌برد. من فکر می‌کنم این درست است که بگوییم این تعصب متافیزیکی در محدوده تجربه روزمره ما شکل گرفت و تکامل‌یافته است. ما به دنیایی با شرایطی که در آن همه اشیا خصوصیات مطلق دارند عادت کرده‌ایم به این دلیل که این چیزی است که ما تجربه کرده‌ایم به لطف پایداری‌ای که توسط ناهمدوسی ایجاد شده است. اما ما نباید آنچه را که درمورد طبیعت کشف کرده‌ایم مجبور کنیم تا همسو با این پیش‌داوری‌های ما باشد بلکه این تعصبات ماست که باید همسو با طبیعت اصلاح شود.
نظریه‌ی کوانتومی، درک ما از حقیقت فیزیکی را به روش‌هایی که حتی عمیق‌تر از انقلاب کوپرنیک است، تغییر داده است، زمانی که فهمیدیم ما روی یک تخته‌سنگ چرخان زندگی می‌کنیم هضم کردن کامل این حقیقت از کوپرنیک قرن‌ها به طول انجامید و ما تازه در حال فراگیری کامل مفاهیم انقلاب کوانتومی هستیم.
