آیا از نظر فیزیک کوانتوم، جهان واقعی است؟

تفسیر استانداردِ مکانیک کوانتومی (مشهور به تفسیر کپنهاگی از مکانیک کوانتومی) تاکید زیادی بر عمل اندازه‌گیری دارد. قبل از اندازه‌گیری، سیستم‌های کوانتومی در  به طور هم‌زمان در حالت‌های متعددی وجود دارند. پس از اندازه‌گیری، سیستم به یک مقدار مشخص «فروپاشی می‌کند»، بنابراین طبیعی است که بپرسیم زمانی که اندازه‌گیری انجام نمی‌شود واقعاً چه اتفاقی رخ می‌دهد. پاسخ روشنی برای این سؤال وجود ندارد و ایده‌های مختلف ممکن است در مسیرهای هول‌انگیزی پیش بروند.

یکی از اولین درس‌هایی که فیزیکدانان در اوایل قرن بیستم در آغاز بررسی سیستم‌های زیراتمی آموختند این بود که ما در یک جهان قطعی (معین) زندگی نمی‌کنیم. به عبارت دیگر، ما نمی‌توانیم نتیجه هر آزمایش را دقیقاً پیش‌بینی کنیم.

به عنوان مثال، اگر باریکه‌ای از الکترون‌ها را از میان یک میدان مغناطیسی پرتاب کنید، نیمی از الکترون‌ها به یک جهت خمیده می‌شوند و نیمی دیگر در جهت مخالف خمیده می‌شوند. در حالی‌که می‌توانیم توصیف‌های ریاضیاتی درباره این‌که الکترون‌ها به‌صورت گروهی کجا می‌روند، بسازیم، تا زمانی که آزمایش انجام دهیم، نمی‌توانیم بگوییم که هر الکترون منفرد چه جهتی را پیش خواهد گرفت.

در مکانیک کوانتومی، این پدیده به عنوان «برهم‌نهی» شناخته می‌شود. برای هر آزمایشی که ممکن است به نتایج تصادفی متعدد منجر شود، قبل از این‌که اندازه‌گیری کنیم، گفته می‌شود که سیستم در حالت برهم‌نهی همه حالت‌های ممکن به طور همزمان قرار دارد. هنگامی که ما اندازه‌گیری انجام می‌دهیم، سیستم به یک حالت واحد که مشاهده می‌کنیم «فروپاشی می‌کند».

در مکانیک کوانتومی ابزارهایی وجود دارد تا کمی از این هرج و مرج خلاص شویم. مکانیک کوانتومی به جای ارائه پیش‌بینی‌های دقیق برای توصیف تحول یک سیستم، به ما چگونگی تحول برهم‌نهی حالت‌ها (که نشان‌دهنده‌ی همه نتایج مختلف است) را توضیح می‌دهد. هنگامی که ما اندازه‌گیری می‌کنیم، مکانیک کوانتومی احتمال به دست آوردن یک نتیجه نسبت به نتایج دیگر را می‌دهد.

و تمام! مکانیک کوانتومی استاندارد در مورد اینکه این برهم‌نهی واقعاً چگونه کار می‌کند و چگونه اندازه‌گیری عمل فروپاشی برهم نهی را به یک نتیجه واحد انجام می‌دهد، سکوت می‌کند.

گربه شرودینگر

اگر این خط فکری را به نتیجه‌ی منطقی خود برسانیم، مسأله‌ی اندازه‌گیری مهم‌ترین عمل در جهان است. اندازه‌گیری احتمالات مبهم و نامشخص را به نتایج عینی تبدیل می‌کند و یک سیستم کوانتومی عجیب و غریب را به نتایج قابل راستی آزمایی تغییر می‌دهد که می‌توانیم آن را با حواس خود تفسیر کنیم.

اما وقتی ما سیستم‌های کوانتومی را اندازه‌گیری نمی‌کنیم، برای این سیستم‌ها چه معنایی دارد؟ واقعا کیهان چگونه به نظر می‌رسد؟ آیا همه چیز واقعا وجود دارد اما ما به سادگی از آن غافلیم، یا این‌که واقعاً تا زمانی‌ که اندازه‌گیری صورت نگیرد، حالت تعریف شده‌ای وجود ندارد؟

از قضا، اروین شرودینگر، یکی از بنیان‌گذاران نظریه‌ی کوانتومی (این معادله‌ی شرودینگر است که به ما می‌گوید چگونه برهم‌نهی در زمان تحول خواهد یافت)، علیه این خط فکری انتقاد کرد. او آزمایش فکری معروف خود را که اکنون به عنوان گربه شرودینگر مشهور است، توسعه داد تا نشان دهد مکانیک کوانتومی چقدر مضحک است.

در اینجا یک نسخه‌ی بسیار ساده شده از این آزمایش فکری را بیان می‌کنیم. یک گربه (زنده) را در یک جعبه قرار دهید. همچنین در جعبه نوعی عنصر رادیواکتیو قرار دهید که به یک کلید برای انتشار گاز سمی متصل است. مهم نیست چگونه این کار را انجام می‌دهید؛ نکته این است که برخی از اجزای عدم قطعیت کوانتومی را وارد وضعیت کنیم. اگر مدتی صبر کنید، با اطمینان نمی‌دانید که عنصر رادیواکتیو واپاشی کرده است یا نه، بنابراین نمی‌دانید که آیا سم آزاد شده است یا خیر و در نتیجه آیا گربه زنده مانده است یا مرده است.

در خوانش دقیق از مکانیک کوانتومی، گربه در این مرحله نه زنده است و نه مرده. بلکه در یک برهم‌نهی کوانتومی از حالت‌های زنده و مرده قرار دارد. تنها زمانی که جعبه را باز کنیم با اطمینان متوجه خواهیم شد، و این باز کردن در جعبه است که اجازه می‌دهد آن برهم‌نهی حالت‌ها به یک حالت مشخص فرو بریزد و گربه (ناگهان) در یکی از دو حالت وجود داشته باشد.

شرودینگر از این استدلال برای بیان شگفتی خود استفاده کرد که این می‌تواند یک نظریه منسجم برای جهان باشد. آیا واقعاً باید باور کنیم که تا زمانی‌که در جعبه را باز نکنیم، گربه واقعاً «وجود» ندارد (حداقل به معنای معمول که چیزها همیشه یا قطعا زنده یا قطعا مرده هستند، نه این‌که هم‌زمان هم مرده و هم زنده هستند)؟ برای شرودینگر، این خیلی دور از ذهن بود، و او مدت کوتاهی پس از آن، کار روی مکانیک کوانتومی را رها کرد.

عدم انسجام (ناهمدوسی)

یک پاسخ به این وضعیت عجیب این است که به این نکته اشاره کنیم که جهان بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپی) ما از مکانیک کوانتومی تبعیت نمی‌کند. از این گذشته، نظریه‌ی کوانتومی برای توضیح دنیای زیراتمی توسعه یافته است. قبل از این‌که آزمایش‌هایی داشته باشیم که نشان دهد اتم‌ها چگونه کار می‌کنند، نیازی به برهم‌نهی، احتمالات، اندازه‌گیری یا هر چیز دیگری که مربوط به کوانتوم باشد، نداشتیم. ما فقط فیزیک معمول را داشتیم.

بنابراین منطقی نیست که قوانین کوانتومی را در جایی که مربوط نیست، اعمال کنیم. نیلز بور، یکی دیگر از بنیانگذاران مکانیک کوانتومی، ایده «ناهمدوسی» (عدم انسجام) را برای توضیح این‌که چرا سیستم‌های زیراتمی از مکانیک کوانتومی تبعیت می‌کنند، اما سیستم‌های ماکروسکوپی نه را پیشنهاد داد.

در این دیدگاه، آن‌چه ما به عنوان مکانیک کوانتومی درک می‌کنیم برای سیستم‌های زیراتمی درست و کامل است. به عبارت دیگر، چیزهایی مانند برهم‌نهی واقعا برای ذرات ریز اتفاق می‌افتد. اما چیزی شبیه یک گربه در یک جعبه قطعاً یک سیستم زیراتمی نیست. گربه از تریلیون‌ها ذره منفرد ساخته شده است که همگی مدام در حال ارتعاش، برخورد هستند.

هر بار که دو ذره به یکدیگر برخورد می‌کنند و با هم برهم‌کنش می‌کنند، می‌توانیم از مکانیک کوانتومی برای درک آن‌چه  که در حال رخ دادن است استفاده کنیم. اما هنگامی‌که هزاران یا یک میلیارد یا تریلیون تریلیون ذره وارد شوند، مکانیک کوانتومی معنای خود را از دست می‌دهد – یا اصطلاحا «ناهمدوس» می‌شود – و فیزیک ماکروسکوپی معمول جای آن را می‌گیرد.

در این دیدگاه، یک الکترون تنها – و نه یک گربه – در یک جعبه می‌تواند در یک برهم‌نهی عجیب و غریب از حالت‌ها وجود داشته باشد.

با این‌حال، این داستان محدودیت هایی هم دارد. مهم‌تر از همه، ما هیچ مکانیزم شناخته شده‌ای برای تبدیل مکانیک کوانتومی به فیزیک ماکروسکوپی نداریم، و نمی‌توانیم ابعاد یا وضعیت خاصی را تعیین کنیم که در آن گذار از مکانیک کوانتومی به فیزیک بزرگ‌مقیاس یا بالعکس اتفاق می‌افتد. بنابراین، با وجود این‌که بر روی کاغذ خوب به نظر می‌رسد، این مدل برای ناهمدوسی (عدم انسجام) پشتوانه محکمی ندارد.

پس آیا زمانی که ما به جهان نگاه نمی‌کنیم باز هم واقعیت وجود دارد؟ ظاهرا پاسخ نهایی به این سؤال وابسته به تفسیر ما از مکانیک کوانتومی است.