مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت یازدهم

پارادوکس‌های کوانتومی

اصول و قواعد حاکمانه نظریه‌ی کوانتومی در نگاه نخست مضحک‌اند. ویژگی‌های ظاهراً عجیب و متناقص نور دلیلی بر این مدعایند. قدر مسلم،  این اصول مستقیماً از ریاضیات نظریه‌ی کوانتومی به دست می‌آیند. نور تحت شرایطی خاص مانند ذره و تحت شرایطی دیگر مانند موج رفتار می‌کند. کمی از خصوصیات هر کدام را داراست و با این حال نه کاملاً ذره است و نه کاملاً موج.

فقط نور نیست که اینگونه رفتار می‌کند. در سال ۱۹۲۴، فیزیک‌دان فرانسوی، لویی دوبروی، پیشنهاد کرد ماده زیراتمی یعنی ذراتی همچون الکترون هم باید خصوصیات موجی داشته باشند. از دید یک آزمون‌گرا، الکترون‌ها به وضوح ذره بودند، نه موج. هر ناظر غیر تخصصی هم می‌توانست ببیند که وقتی الکترون‌ها با شتاب حرکت می‌کردند، ردی جزئی در بخار موجود در اتاقک ابر از خود به جای می‌گذاشتند. این مسیرها آشکارا رد قطعات بسیار کوچک ماده بودند: ذرات نه امواج.

اما نظریه‌ی کوانتومی پا را از عقل سلیم فراتر می‌گذارد.

گرچه شناخت این اثر با الکترون‌ها دشوارتر از نور است، الکترون‌ها علاوه بر رفتار ذره‌گونه، بدون شک از خود رفتار موجی نیز نشان می‌دهند. در سال ۱۹۲۷ فیزیک‌دانان انگلیسی باریکه‌ای از الکترون‌ها را به سمت یک بلور نیکل شلیک کردند. با جهیدن الکترون‌ها از اتم‌های منظم قرارگرفته در فضای بلور و حرکت از میان حفره‌های موجود در شبکه‌ی بلور، طوری رفتار کردند انگار در یک آزمایش یانگ ازمیان شکاف‌ها عبور کرده‌اند. الکترون‌ها بی‌تردید با یکدیگر تداخل می‌کنند و الگوی پراش به وجود می‌آورند. حتی اگر اطمینان حاصل کنید که تنها یک الکترون در هر زمان به شبکه‌ی بلوری اصابت می‌کند، الگوی پراش همچنان پابرجا می‌ماند. این الگو را نمی‌توان با الکترون‌هایی که از برخورد به یکدیگر وامی‌جهند، به وجود آورد. این رفتار با آنچه شما از ذرات انتظار دارید تطابق ندارد.

الگوی پراش علامتی غیر قابل تردید و کاملاً محرض برای موج پیوسته هموار است، نه ذرات جامد گسسته‌ از هم.

الکترون‌ها به نوعی مانند نور هر دو رفتار موجی و ذره‌ای را از خود بروز می‌دهند، هرچه ویژگی‌های امواج و ذرات متقابلاً با هم در تعارض‌اند.

این ماهیت دو وجهی ذره‌-موجی برای اتم‌ها و حتی مولکول‌ها نیز به همان اندازه نور و الکترون‌ها برقرار است. اشیای کوانتومی می‌توانند علاوه بر ذرات مانند امواج هم رفتار کنند. آنها هم خصوصیات موجی دارند و هم خصوصیات ذره‌ای. در آن واحد ویژگی‌هایی دارند که نمی‌توان آنها را از یک موج و یا یک ذره تمیز داد. یک الکترون، فوتون و یا اتم، هم ذره‌ است و هم موج. و نه ذره است و نه موج. این پیامد غیر قابل اجتناب ریاضیات مکانیک کوانتومی است که آنرا دوگانگی موج-ذره می‌نامند.

دوگانگی موج-ذره، پیامدهای بسیار خارق‌العاده‌ای دارند. می‌توانید کارهایی را با آن انجام دهید که از منظر قوانین فیزیک کلاسیک انجامشان غیر ممکن است. و ریشه این رفتار به ظاهر غیر ممکن در ریاضیات مکانیک کوانتومی نهفته است. مثلاً ماهیت موج‌گونه الکترون به شما این امکان را می‌دهد تا تداخل‌سنجی از الکترون‌ها بسیازید، درست مانند تداخل‌سنج نوری. این سازواره در هر دوحالت یک چیز است. در تداخل‌سنج ماده-موج باریکه‌ای از ذرات، مانند الکترون‌ها، به سمت سامانه شکاف باریکه‌ شلیک شده و در یک زمان به دو جهت می‌رود. وقتی این باریکه‌ها مجدداً در هم ادغام می‌شوند، یا همدیگر را تقویت می‌کنند یا حذف که وقوع هر کدام به اندازه نسبی دو مسیر بستگی دارد. اگر تداخل‌سنج را درست تنظیم کنید، هرگز الکترونی را در آشکارساز نمایان نخواهید کرد، زیرا باریکه‌هایی که از دو مسیر می‌آیند، به طور کامل یکدیگر را حذف می‌کنند. چنین فرایند حذفی به هر طریق رخ می‌دهد و اهمیتی هم ندارد که باریکه‌ی الکترونی چقدر ضعیف باشد یا تعداد کمی الکترون به شکافنده باریکه اصابت کنند.  در واقع، اگر سازه آزمایش را درست ترتیب دهید، حتی اگر یک تک الکترون وارد تداخل‌سنج شود و به شکاف باریکه برخورد کند، هرگز الکترونی خورجی از سمت دیگر را آشکار نخواهید کرد.

عقل سلیم خواهد گفت که ذرات نامرئی مانند الکترون باید در هنگام ورود به شکافنده انتخابی انجام دهند:

ذره مجبور است یا مسیر A و یا مسیر B را انتخاب کند یا به سمت راست برود یا به سمت چپ. اما هر دو غیر ممکن است. این کار باید یک تصمیم‌گیری کاملاً دودویی باشد. می‌توانید عدد صفر را به مسیر A و عدد یک را به مسیر B اختصاص دهید.

الکترون‌ ما در مسیر انتخاب‌شده حرکت خواهد کرد. با این کار انتخاب خود را انجام می‌دهد، یا صفر یا یک و آنگاه در تداخل‌سنج به آشکارساز اصابت خواهد کرد. چون تنها یک تک الکترون از میان تداخل‌سنج عبور می‌کند، هیچ چیزی نباید با آن تداخل کند. به عبارتی هیچ ذره‌ای مانع آن نیست. بدون توجه به اینکه آیا این الکترون مسیر صفر را انتخاب می‌کند یا مسیر یک را، باید در سوی دیگر در آشکارساز بدون هیچ اشکال و مزاحمتی نمایان شود، الگوی تداخل باید از بین برود. هیچ ذره‌ دیگری وجود ندارد که با این الکترون تداخل کند، اما چنین چیزی روی نمی‌دهد. باز عقل سلیم ناکام می‌ماند.

حتی وقتی یک تک الکترون در یک زمان وارد تداخل‌سنج می‌شود، الگوی تداخل تشکیل می‌شود. مثل اینکه به نوعی جلوی الکترون را می‌گیرد. چیزی مانع از آن می‌شود تا الکترون به طرق مشخص از شکافنده بیرون آمده و به نقطه‌ای از آشکارساز برخورد کند اما آن چیز چه می‌تواند باشد؟ هرچه باشد الکترون تنها چیزی است که وارد تداخل‌سنج می‌شود؟

قبول پاسخ این به ظاهر پارادوکس دشوار است. به علاوه مجبور خواهید بود برای یک لحظه ناباوری خود را موقتاً کنار بگذارید چرا که این مسئله کلاً غیر ممکن به نظر می‌رسد. قوانین مکانیک کوانتومی، متهم را لو می‌دهند.

شیئی که حرکت الکترون را مسدود می‌کند، خود الکترون است. وقتی الکترون به شکافنده‌ی باریکه برخورد می‌کند، در آن واحد از هر دو مسیر عبور می‌کند. الکترون یکی از دو مسیر صفر یا یک را انتخاب نمی‌کند. در عوض به طور همزمان از هر دو مسیر رد می‌شود. هرچند الکترون خودش نامرئی است. در یک زمان هم از سمت راست عبور می‌کند و هم از سمت چپ.

الکترون که با دو انتخاب اختصاصی متقابل مواجه شده، هر دو را بر می‌گزیند.

در مکانیک کوانتومی، این اصل را  اصل برهم‌نهی می‌نامند. یک شیء کوانتومی مانند یک فوتون یا الکترون یا اتم می‌تواند به طور کلاسیکی دو کار متضاد را همزمان انجام دهد یا به عبارت دقیق‌تر، به طور همزمان در دو حالت متقابلاً اختصاصی کوانتومی قرار داشته باشد.

یک الکترون در آن واحد می‌تواند در دو مکان باشد. فوتون را می‌توان در یک زمان هم به صورت افقی و هم به صورت عمودی پولاریزه کرد. اتم می‌تواند در یک لحظه هم رو به بالا و هم رو پایین باشد. به بیان فنی‌تر، اسپین آن می‌تواند بالا و پایین باشد. به علاوه به بیان نظریه‌ی اطلاعات،‌یک شی‌ء کوانتومی می‌تواند همزمان هم صفر و هم یک باشد.

این بدان معنی نیست که مقداری بین صفر و یک اختیار شود، مثلا ۰/۵.

اگر بر حسب یک جهت به ماجرا نگاه کنیم، درک آن ساده‌تر می‌شود. اگر صفر نشانه‌ی چپ و یک نشانه‌ی راست باشد، آنگاه ۰/۵ نشانه‌ی جهت مستقیم خواهد بود. اما یک برهم‌نهی از صفر و یک همزمان هم چپ است و هم راست. چیزی که از نظر یک شی‌ء کلاسیک مثلا یک انسان غیر ممکن است.

ادامه دارد …

منبع: کتاب کشف رمز عالم، مقدمه‌ای بر نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی، نوشته‌ی چارلز سیف، ترجمه‌ی دکتر میثم تهرانی

نقل از بیگ بنگ

مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ:

 بخش 1 - بخش 2- بخش 3- بخش 4 - بخش 5- بخش 6 - بخش 7- بخش 8  بخش 9- بخش 10 - بخش 11- بخش 12- بخش 13 - بخش 14 - بخش 15

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات