چه چیزی واقعی است؟ / فیزیک کوانتومی

فیزیک کوانتومی: چه چیزی واقعی است؟

عبارات مهم : فیزیک هسته ای – آزمایشگاه

اوون مارونی فیزیکدان دانشگاه آکسفورد انگلستان تاسف می خورد که فیزیکدانها سالهای زیادی را سرگرم پرسشها بیهوده بودند. وی می گوید از زمانی که نظریۀ کوانتوم در اوایل سال ۱۹۰۰ میلادی شکل گرفت، فیزیکدانان مدام چنین حرف هایی می زدند: «نظریۀ کوانتوم چقدر عجیب هست، چگونه باعث می شود ذرات در یک لحظه در بسیاری جهات حرکت کنند یا اینکه در یک لحظه در جهت و خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت بچرخند؟»

چه چیزی واقعی است؟ / فیزیک کوانتومی

نظریۀ کوانتوم

مارونی می گوید:« حرف زدن چیزی را ثابت نمی کند و اگر ما داریم به همه می گوییم که نظریۀ کوانتوم عجیب است بهتر این هست، برویم و خودمان امتحان کنیم و ببینیم آیا واقعا اینطور است یا خیر! در غیر این صورت ما کار علمی انجام نمی دهیم بلکه فقط داریم یک سری امواج با مزه روی یک تخته سیاه را توضیح می دهیم.»

فیزیک هسته ای | آزمایشگاه | فیزیک اتمی | استاندارد | دانشگاه | انیشتین | آزمایش | چرا ، لیکن و چگونه

این بیانات باعث شد “مارونی” و اعضایش به منظور یافتن حقیقت ِ تابع موج، یک سری آزمایشات را طراحی کنند. یک اصل راز آلود (تابع موج) که در قلب اعجاب کوانتوم قرار دارد. تابع موج روی کاغذ یک مولفۀ ریاضی است که در فیزیک با حرف یونانیΨ (بخوانید سای-psi) نشان داده می شود و جهت توصیف واکنش‌ها کوانتومی ذرات استفاده می شود. بسته به آزمایش، تابع موج به فیزیکدانان اجازه می دهد که به وسیله ِ آن بتوانند احتمال حضور الکترون در هر نقطۀ خاص و یا جهت اسپین یا چرخش آن (بالا یا پایین) را محاسبه کنند. ولی ریاضیات به ما نمی گوید که تابع موج خودش چیست. آیا یک معیار فیزیکی است؟ یا یک ابزار محاسباتی که بخاطر جهل انسانها از دنیا اطرافشان شکل گرفته است؟

آزمایشات بسیار ماهرانه ای در حال انجام است و این آزمایشات باید یک پاسخ منطقی، بدهند. ولی محققان خیلی خوش شانس هستند، لیکن به پاسخ نزدیک هستند و اگر این اتفاق بیفتد آنها می توانند به سوالاتی پاسخ بدهند که دهه ها بی پاسخ مانده هست. سوالاتی از این قبیل: آیا یک ذره می تواند در یک لحظه در مکان های مختلفی باشد؟ آیا دنیا پیوسته خودش را به دنیا های موازی تبدیل می کند که هر یک حاوی ورژن دیگری از ماست؟ آیا اصلا چنین چیزی واقعا وجود دارد؟ الساندرو فدریزی، فیزیکدان دانشگاه کویینزلند استرالیا می گوید: پرسش های مختلفی به وسیله افراد ِ مختلفی در جایی بیان شده، ولی آنچه که واقعا واقعیت دارد، چیست؟

موج ها و ذرات دو روی یک سکه هستند

چه چیزی واقعی است؟ / فیزیک کوانتومی

مباحثات اطراف اصل واقعیت به روزهای اولیه ارائه نظریه کوانتوم برمی گردد که بیان شد موج ها و ذرات دو روی یک سکه هستند. مثال کلاسیک آن آزمایش دوشکاف هست. در این آزمایش الکترون ها به طرف یک صفحه که دو شکاف طولی دارد شلیک می شوند و مشاهده می شود که الکترون ها از هر دو شکاف عبور کرده و دقیقا مثل اینکه یک موج نوری از شکاف ها گذشته باشد طرحی از تداخل امواج را در صفحه مقابلشان ایجاد می کنند. در سال ۱۹۲۶ اروین شرودینگر فیزیکدان اتریشی تابع موج را اختراع کرد تا چنین رفتاری را توصیف کند و برایش یک معادله تعریف کرد که فیزیکدانان به وسیله ِ آن بتوانند موقعیت ذره را محاسبه کنند.

جهالت، سعادت است

فیزیک هسته ای | آزمایشگاه | فیزیک اتمی | استاندارد | دانشگاه | انیشتین | آزمایش | چرا ، لیکن و چگونه

از جنبۀ عملکردی، ذات یا حقیقت ِ تابع موج اهمیتی ندارد. در سال ۱۹۲۰ میلادی کتاب مرجع کپنهاگی که تفسیر نظریۀ کوانتومی است به وسیله ِ فیزیکدانانی چون نیلز بور و ورنر هایزنبرگ توسعه یافت و آنها در این کتاب، «تابع موج» را فقط یک ابزار جهت آینده نگری نتیجه های خود تلقی کرده و به فیزیکدانان هشدار دادند که خودشان را دلواپس حقیقت واقعی نهفته در آن نکنند. جین بریکمونت، فیزیکدان آماری در دانشگاه لووین بلژیک می گوید: شما نمی توانید اکثر فیزیکدانان را بخاطر این جمله “ساکت شو و محاسبه کن” سرزنش کنید، لیکن تابع موج باعث پیشرفت های شگرفی در فیزیک هسته ای، فیزیک اتمی، فیزیک حالات جامد و فیزیک ذرات شده است هست. لذا مردم می گویند که دلواپس سوالات بزگ نباشید.

در سال ۱۹۳۰ آلبرت انیشتین تفسیر کپنهاگی را رد کرد

چه چیزی واقعی است؟ / فیزیک کوانتومی

اما به هر حال بعضی فیزیکدانان دلواپس این عنوان هستند. در سال ۱۹۳۰ آلبرت انیشتین تفسیر کپنهاگی را رد کرد نه تنها بخاطر اینکه به دو ذره اجازه می داد که تابع موجشان را درهم تنیده کنند، بلکه به این خاطر که موقعیتی را ایجاد می کرد تا اندازه گیری روی یک ذره به طور آنی خصوصیت ِ ذرۀ دیگر را با وجود فاصله ی بسیار زیاد آن دو، تعیین می کرد. انیشتین به جای اینکه “عمل شَبح وار در یک فاصله”(در هم تنیدگی ذرات) را بپذیرد ترجیح میداد این را باور کند که توابع موج ذرات ناکامل بوده هست. او پیشنهاد داد که ذرات ممکن است متغیرهای پنهانی داشته باشند که پیامد نهایی اندازه گیری را تعیین می کنند، ولی نظریه های کوانتومی آنها را به حساب نمی آورند.

آزمایشات بعد از آن نشان دادند که عمل شبح وار در یک فاصله (منظور همان ذرات در هم تنیده ای که در فواصل دور از هم قرار دارند ولی فواید مشابه از خود نشان می دهند) کاملا واقعی است و باعث شد فرضیه متغیرهای پنهانی انیشتین رد شود. ولی این دستاورد، فیزیکدانان را از ارائه بیانیات خودشان باز نداشت. این بیانیات منجر به ایجاد دو گروه شد. گروهی که با انیشتین موافق بودند و می گفتند تابع موج نمادی از جهل ماست – فیزیکدانان به آن «مدل تابع موج- معرفت شناختی» می گویند- و گروه دوم گروهی بودند که تابع موج را یک اصل واقعی می دانند که به آن «مدل تابع موج-اونتیک یا هستی شناختی» می گویند.

برای درک اختلاف این دو، آزمایش ذهنی ای که شرودینگر در نامه ای به انیشتین ارائه داد را در نظر بگیرید: «در یک جعبه در بسته گربه ای محصور شده است هست، در این جعبه یک ماده رادیواکتیو وجود دارد که احتمال تشعشع آن در عرض یک ساعت ۵۰% می باشد. در صورت تشعشع ماده رادیواکتیو چکش موجود در دستگاه حرکت کرده و شیشه حاوی سم را خواهد شکست و گربه مسموم شده است و می میرد. شرودینگر نوشت: چون فروپاشی ماده رادیواکتیو یک مناسبت کوانتومی میباشد، قوانین نظریه کوانتوم بر آن حاکم هست. بعد از گذشت یک ساعت، تابع موج داخل جعبه باید مخلوطی از گربۀ زنده و مرده باشد.»

آزمایش ذهنی ای که شرودینگر در نامه ای به انیشتین ارائه داد

“فردریزی” می گوید این یک حرف خام هست. در واقع در مدل تابع موج- معرفت شناختی، گربه درون جعبه یا زنده است یا مرده و ما این را نمیدانیم چون در جعبه بسته هست. ولی اکثر مدل تابع موج- هستی شناختی با تفسیر کپنهاگی موافقند که می گوید: تا زمانی که مشاهده گر در جعبه را باز نکند و نگاه نکند گربه داخل جعبه هم مرده است و هم زنده. و این جایی است که مباحثات به بن بست میخورد. کدامیک از نظریات کوانتوم درست است؟ این پرسش بسیار مشکل است که بخواهیم بطور آزمایشگاهی به آن پاسخ دهیم آیا که اختلاف بین مدل ها اندک هست. جهت قابل استفاده بودن (کارا بودن) آنها باید پدیده های کوانتومی یکسان را آینده نگری کنند ( مانند تفسیر بسیار موفق کپنهاگی).

“اندرو وایت” فیزیکدان دانشگاه کوئینزلند این قضیه را اینگونه عنوان می کند: «یک کوه بزرگ یکنواخت رو در نظر بگیرید که نه جای گذاشتن پا دارد و نه راهی که بتوان به آن افزایش کرد.» وی در سال ۲۰۱۱ منتشر شدن یک تئوری در مورد اندازه گیری های کوانتومی که به نظر می رسید تابع موج را به عنوان «مدل های ناشناخته» رد می کند، اوضاع را عوض کردن داد. به طور عمقی تر، اگرچه این تئوری، فضای جستجو داشت که نجات یابند ولی به فیزیکدانان الهام می کرد که بطور جدی تر در مورد تشکیل یک مباحثه اطراف سنجش واقعیت ِ “تابع موج” بیندیشند. مارونی تا آن وقت یک آزمایش را طراحی کرده بود که به طور اصولی باید کار می کرد. چندی بعد او و دیگران روش هایی را یافتند که آزمایشش را در عمل نیز کارا تر می کرد. آزمایش در سال ۲۰۱۴ به وسیله فردریزی، وایت و سایرین انجام شد.

برای اینکه ایدۀ این آزمایش را واضح کنیم تصور کنید که دو بسته کارت بازی داریم که در یک بسته فقط کارت های قرمز وجود دارند و در بستۀ دیگر فقط تک خال ها هستند. مارتین رینگبور فیزیکدان دانشگاه کویینزلند می گوید: «به شما یک کارت داده می شود و از شما می پرسند این کارت از کدام بسته آمده؟ خب اگر کارتی که به شما داده اند قرمز-تک خال باشد چه؟ این یک همپوشانی است و شما قادر نیستید بگویید آن کارت از کدام بسته آمده، ولی اگه این را بدانید که چه تعداد از هر نوع کارتی در هر بسته وجود دارد، میتوانید حساب کنید که هر چند وقت یک بار ممکن هست، چنین پدیدۀ عجیبی رخ دهد.

قرارگیری در یک موقعیت خطرناک

در سیستم های کوانتومی چنین ابهام های مشابهی رخ می دهد. جهت مثال، هر لحظه یک روش اندازه گیری منفرد ممکن نیست که تشخیص دهد یک فوتون چگونه قطبش(Polarization) می کند.- قطبش یکی از شاخصه های امواج عرضی است که جهتِ نوسان را در صفحهٔ عمود بر انتشار موج نشان می دهد.- وایت می گوید: در زندگی واقعی خیلی راحت است که بگوییم غرب کمی بالاتر از جنوب غرب است ولی در سیستم های کوانتومی به این سادگی نیست. طبق تفسیر کپنهاگی، هیچ اهمیتی ندارد که بپرسیم قطبش ذره چگونه رخ داد؛ لیکن این پرسش حداقل یک جواب ندارد، مگر تا زمانی که یک روش اندازه گیری دیگر بتواند دقیقا جوابش را بیابد. ولی مطابق با تابع موج به عنوان “مدل های ناشناخته”، پرسش کاملا بامعنی تلقی می شود. علتش فقط آزمایش کننده ها هستند که اطلاعات کافی از روش اندازه گیری که به پاسخ برسد، ندارند.(مثل بازیکن کارت باز). مشابه کارت ها، این امکان وجود دارد که تخمین بزنیم چقدر ابهام میتواند به وسیله چنین نادیده گیری توضیح داده شود و آن را به وسیله مقادیر بیشتری از ابهام که به وسیله سیستم استاندارد داده می شود مقایسه کنیم.

این چیزی بود که تیم فردیزی آزمون کردند. گروه، قطبش و دیگر شاخصه های فوتون های یک پرتو ِ نور را اندازه گیری کرده و پی بردند که سطحی از هم پوشانی وجود دارد که به وسیله ِ “مدل های ناشناخته” قابل توضیح نمی باشد. نتیجه های نشان می دهد اگر واقعیت عینی وجود داشته باشد بعد تابع موج نیز حقیقی می باشد. آندریا آلبرتی فیزیکدان دانشگاه بون آلمان می گوید: این بسیار حیرت آور است که شما بتوانید با یک آزمایش ِ راحت به یک حقیقت شگرف دست یابید.

اگر واقعیت عینی وجود داشته باشد بعد تابع موج نیز حقیقی می باشد

نتیجه هنوز قطعی نیست. چون آشکارسازها فقط یک پنجم فوتون های موجود در آزمایش را شناسایی و استفاده کردند، لذا تیم مربوطه به ناچار فرض کردند که فوتون های شناسایی نشده رفتاری مشابه با سایر فوتون ها دارند. این یک فرض بزرگ محسوب می شود. در حال حاضر گروه در حال کارکردن روی بستن شکاف نمونه گیری میباشد تا یک نتیجۀ قطعی تر حاصل شود. در همین وقت تیم ِ “مارونی” همراه با گروهی از محققان ِ دانشگاه ولز جنوبی در استرالیا در حال انجام آزمایشات مشابهی با یون ها (که ساده تر از فوتون ها مسیریابی می شوند) هستند.

حتی با وجود اینکه تلاش های آنها به موفقیت رسید و تابع موج به عنوان مدل واقعی مورد قبول واقع شد، با این حال آن مدل ها تنوعات زیادی دارند و آزمایشگران همچنان باید آنها را از هم جدا کنند. از نمونه نخستین چنین تفسیرهایی، در سال ۱۹۲۰ میلادی به وسیله ِ فیزیکدان فرانسوی “لویی دو بروی” انجام شد و در سال ۱۹۵۰ به وسیله “دیوید بوهم” فیزیکدان آمریکایی بسط داده شد. برحسب مدل های بوهم-بروی ذرات موقعیت ها و خصوصیات تعریف شده است ای دارند که به وسیله نوعی موج راهنما که اغلب با تابع موج شناسایی می شود، هدایت می شوند. این تئوری آزمایش دو شکاف را توضیح می دهد، به طوریکه که موج راهنما قادر است از هر دو شکاف گذشته و یک طرح از تداخل امواج را در صفحۀ مقابلش ایجاد کند، اگرچه الکترونی که راهنمایی می کند تنها از یک شکاف می گذرد.

در سال ۲۰۰۵ مدل های بوهم-بروی یک ارتقاء آزمایشگاهی از یک منبع غیر منتظره دریافت کردند. فیزیکدانان “امانوئل فورت” که اکنون در انیستیتوی لانگوین پاریس است و “یوس کودر” از دانشگاه دیدروت پاریس با دانشجویان مقطع لیسانس آزمایشگاه یک کار منصفانه و راحت ( از نظر خودشان) انجام دادند: آزمایشی بسازید که در آن ببینیم چطور قطرات روغن هنگامی که در یک سینی پر روغن می افتند با لرزش سینی با هم مخلوط می شوند. در کمال تعجب همگان، هنگامی که که سینی با فرکانس مشخصی تکان میخورد موج ها اطراف قطرات روغن شروع یه ایجاد شدن می کنند. فروت می گوید: قطرات خود رو بودند. آنها روی موج خود موج سواری یا حرکت می کنند. در واقع یک شی دوگانه بود که داشتیم به آن نگاه می کردیم. یک ذره که به وسیله ِ یک موج حرکت داده می شد. بعد از آن فورت و کودر نشان دادند که چنین امواجی می توانند ذرات را در آزمایش دوشکاف هدایت کنند (همانطور که با تئوری موج راهنما آینده نگری شده است بود) و نیز می توانند دیگر اثرات کوانتومی را هم تقلید کنند. فروت تذکر می دهد که این آزمایش اثبات نمی کند که موج راهنما در حوزه ی کوانتوم وجود دارد. ولی نشان می دهد که یک موج راهنما در مقیاس اتمی چطور کار می کند. وی افزود: «به ما گفته اند که چنین اثراتی به طور کلاسیک نمی توانند رخ دهند، ولی می بینیم که آنها واقعا وجود دارند.»

بخش دیگر مدل های بر پایه واقعیت در سال ۱۹۸۰ انجام شد و تلاش کرد تا خصوصیات متفاوت قابل ِ توجه اشیاء کوچک و بزرگ را توضیح دهد. آنجلو باسی فیزیکدان دانشگاه تریست ایتالیا می گوید:« آیا الکترون ها و اتم ها می توانند در یک لحظه در دو مکان حضور داشته باشند، ولی اشیایی چون میز، صندلی، گربه و مردم نمی توانند؟» مطابق با مدل های فروپاشی، تابع موج ذرات واقعی است ولی می تواند به طور خود به خودی خصوصیات کوانتومی اش را از دست داده و ذره را به یک مکان منفرد بشکند. مدل ها ایجاد می شوند بنابراین احتمال این اتفاق جهت یک ذره منفرد بسیار ناچیز هست، لذا اثرات کوانتومی در مقیاس اتمی غالب هست. ولی احتمال فروپاشی در ذره هایی که باهم هستند (در کنار هم قرار می گیرند) به طور چشمگیری زیاد کردن می یابد. بنابراین اشیاء ماکروسکوپی خصوصیات کوانتومی ارزش را از دست داده و به طور کلاسیک واکنش‌ها می کنند.

یک روش این است که به واکنش‌ها کوانتومی اشیاء بزرگ و بزرگتر نگاهی بیندازیم. اگر نظریه کوانتومی درست باشد، هیچ محدودیتی وجود ندارد. فیزیکدانان تاکنون آزمایش «تداخل دو شکاف» را با مولکول های بزرگ انجام داده اند. ولی اگر مدل های فروپاشی درست باشد، اثرات کوانتومی در بالاتر از یک جرم خاصی ظاهر نخواهند شد. گروه های مختلفی در حال برنامه ریزی جهت جستجوی این حد برش (cut off) در حال استفاده از اتم ها، مولکول ها، دسته های فلزی و ذرات نانو هستند. آنها امیدوارند که در یک دهه به نتیجه برسند. مارونی می گوید: « آنچه که در مورد تمام این آزمایشات عالیست این است که ما نظریۀ کوانتوم را با دقیق ترین آزمون ها که قبلا هرگز انجام نشده، مورد سنجش قرار می دهیم.»

جهان های موازی

مدل تابع موج واقعی هم اکنون مشهور و مورد توجه نویسندگان علمی- تخیلی قرار دارد. فرضیه دنیا های چندگانه در سال ۱۹۵۰ به وسیله هیو اورت (فارغ التحصیل دانشگاه پرینستون نیوجرسی) گسترش یافت. در تجسم “جهان های چندگانه” تابع موج، سیر واقعیت را به قدری عمیق کنترل می کند که هر موقع اندازه گیری کوانتومی انجام می شود، دنیا به کپی های موازی می شکند. در مثال گربه شرودینگر هنگامی که در جعبه را باز می کنید دنیا به دو دنیا موازی تقسیم می شود، در یک دنیا جعبه حاوی گربۀ زنده و در دنیا دیگر جعبه حاوی گربۀ مرده وجود دارد.

تشخیص بین دنیا های چند گانه ی اورت با مدل نظریه کوانتومی سخت است

تشخیص بین دنیا های چند گانه ی اورت با مدل نظریه کوانتومی سخت هست، لیکن آینده نگری های هر دو مشابه هم هستند. ولی سال ۲۰۱۴ “هاوارد وایزمن” از دانشگاه گریفیت و همکارش مدل دنیا های چندگانه قابل آزمون را ارائه کردند. چارچوب آنها حاوی تابع موج نبود، ذرات موجود در آزمایش از قوانین کلاسیک مثل قانون حرکت نیوتن اطاعت می کردند. آثار عجیب روِیت شده است در آزمایشات کوانتومی به علت وجود نیروی دافع بین ذرات و همزادهایشان در دنیا های موازی، رخ می دهند.

وایزمن میگوید: نیروی دافعه بین ذرات باعث ایجاد امواجی می شود که از طریق دنیا های موازی گسترش می یابند. با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری بیش از ۴۰ دنیا متقابل، نشان داده اند که این مدل تقریبا تعدادی از اثرات کوانتومی را ایجاد می کند؛ از جمله مسیرهای ذره در آزمایش دو شکاف. با زیاد کردن تعداد دنیا ها، الگوی تداخلی زیاد شبیه آن چیزی که نظریه کوانتومی آینده نگری کرده، می شود. وایزمن می گوید: از آنجا که نظریه آینده نگری می کند نتیجه های ِ متفاوت بستگی به تعداد دنیا ها دارد، باید روش هایی ایجاد شوند که ببینند آیا مدل چند جهانی درست است یا خیر_ منظور این است که در این مدل تابع موج وجود ندارد و واقعیت تماما کلاسیک است.-

از آنجا که مدل وایزمن احتیاجی به تابع موج ندارد پایدار خواهد ماند، حتی اگر در آینده “مدل های ناشناخته” رد شوند. از دیگر مدل های ماندنی می توان به “تفسیر کپنهاگی” اشاره کرد که در حقیقت هیچ واقعیت عینی در آن وجود ندارد و فقط محاسبات در آن موجود هست. وایت گفت: این یک چالش منحصر بفرد هست. اگر چه هنوز هیچکس نمی داند چگونه آن را انجام دهد. آنچه واقعا حیرت آور است این است که آزمایشی را طراحی کنیم که ببنیم آیا واقعا واقعیت عینی ای آن بیرون است یا خیر؟ نظر شما چیست؟

منبع: bigbangpage.com- nature.com

واژه های کلیدی: فیزیک هسته ای | آزمایشگاه | فیزیک اتمی | استاندارد | دانشگاه | انیشتین | آزمایش | چرا ، لیکن و چگونه

چه چیزی واقعی است؟ / فیزیک کوانتومی