پیامدهای فیزیک کوانتومی

هر نظریه جدید خواه ناخواه با خود یکسری نگرشهای جدی نسبت به عالم به ارمغان میاورد چنانچه نسبیت جهان کوچک ما ر ا وسعت بخشید وافق محدود عالم ما را تا میلیاردها سال نوری گسترش داد سکون را از عالم ما گرفت و برای خلقت آن، نقطه آغاز متصور گردید زمان مطلق را که ا ز ازل تایم شده بود و قرار بود تا ابد تیک تاک کند را درهم شکست و سرعت‌ها را که فیزیک کلاسیک رها کرده بود سامان داد و در چارچوب سرعت نور مهار کرد فیزیک کوانتومی نیز با خود همانند نظریه نسبیت دیدگاههای جدیدی نسبت به عالم نه با مقیاس نسبیت بلکه در مقیاس بسیار کوچکتر (اتمی و زیر اتمی) ارائه نمود .ما که از دنیای کلان با فیزیک کلاسیک و نسبیت آگاهی رضایت بخشی کسب نمودیم تا قبل از پیدایش مکانیک کوانتومی تنها الکترون و هسته را می‌شناختیم آن هم در حد یک شناخت سطحی ویکسری روابط دست وپا شکسته که اوج آنها روابطی بود که بور فیزیکدان دانمارکی با زیرکی از تلفیق فیزیک کلاسیک با اصول موضوع خود به آنها دست یافت.
گرچه این روابط طیف حاصل از اتم هیدروژن را به خوبی توجیه می‌کرد ولی عملا برای سایر اتم‌های سنگین‌تر ناکارآمد وبی‌استفاده بود.فیزیک کوانتومی با پیدایش خود سه بمب اتم بر سرعالم فرو ریخت دوتای آنهادر ژاپن و سومی بر تفکر فلسفی فیزیکدانان .برای فیزیکدانانی که صدها سال با جبر نیوتنی یا اصل علیت خوگرفته بودند و وقوع هر معلولی را به یک علت خاص ربط می‌دانند بسیار بغرنج بود که دست از این تفکر بردارند چرا که این تفکر بخوبی با وقایع دنیایی قابل مشاهده منطق بود.گردش زمین تنها معمول نیروی گرانشی است که خورشید برآن وارد می‌کند، انحراف نور ستارگان دور دست از یک مسیر مستقیم، تنها معلول انحنای فضا – زمان است. پدیده تداخل معلول رفتار موجی نور می‌باشد و دامنه این تفکر جبریبه جائی رسید که لاپلاس ریاضیدان فرانسوی بیان نمود که حالت جهان معلول گذشته آن و علت آ‌ینده آن است. این تفکر به ما می‌گوید که با آگاهی از موقعیت کنونی زمین و خورشید نسبت بهم و سرعت چرخش زمین بدور خورشید می‌توان کسوف‌های آینده را دقیقا مشخص نمود حرکت سیارات وحتی ستارگان دنباله دار را با دقت فوق العاده تعیین کرد. بنابراین همه چیز از جبر نیوتنی یا اصل موجبیت یا علیت پیروی می کرد ولی به یکباره پیدایش فیزیک کوانتومی با اصل عدم قطعیتش همه چیز را بهم ریخت وسایه تردید و احتمال را بر دنیای زیر اتمی مسلط ساخت.غیر قابل پیش بینی بودن برخی از وقایع – تاثیر روش های اندازه‌گیری بر روی سیستمهای مورد آزمایش- ناتوانی مطلق دراندازه گیری همزمان متغیرها‌ی مکمل(چون تکانه و مکان ذرات یا خاصیت موجی و ذره‌ای فوتون) از جمله پیامدهای فیزیک کوانتومی بود. این فیزیک جدید به ما می‌‌گوید نمی‌توان با قطعیت مسیر یک ذره‌ای را بادانستن تمامی حالات کنونیش پیش‌بینی کرد، ما هرگز نمی‌توانیم بفهمیم در پدیده تداخل الکترون مورد نظر ما از کدام یک از دو شکاف دستگاه عبور کرده است.فیزیک کوانتومی همانند فیزیک کلاسیک و نسبیت این اجازه را به ما نمی‌دهد که با دانستن حالت کنونی یک سیستم با قطعیت از آینده آن صحبت کنیم.همه جا صحبت ازمیانگین‌ها و احتمال هاست و همین موضوع بود که اینشتین را وادار به بیان این جمله کرد : خدا هرگز تاس نمی‌اندازد ولی آیا طبیعت به راستی فرمانبردار مطلق خداست؟. آیا یک اتم اورانیوم هنگامی متلاشی می‌شود که از خدا فرمان بگیرد؟ و یا یک فوتون هنگام رسیدن به سر دو راهی شکاف‌ها منتظر فرمان خدا می‌ایستد که از کدام یک از شکاف‌ها بگذرد و بهمین خاطر ما قادر به تعیین محل آن نیستیم؟ یا اینکه طبیعت بعد از ساخته شدن توسط خدا رها شده است که ذرات آن هر گونه که دلشان بخواهند رفتار کنند این تفکر که نمی‌توان با قطعیت از رفتار آینده یک سیستم صحبت کرد و این اندازه‌گیری‌ها است که به پدیده‌ها رنگ واقعیت می‌بخشد به تفکر کپنها گی( Copenhagen interpretation )معروف است که بوهر سردمدار آن بود.این تعبیر از جهان اطراف ما به ما می‌گوید که تصور مکان و تکانه مشخص برای یک ذره همانند الکترون تا موقعیکه اندازه‌گیری نشده‌اند بی معناست در این اندازه گیری شی و دستگاه اندازهگیری توامان نتایج حاصل از اندازه‌‌گیری را مشخص می‌کنند. ولی آیا می‌توان پذیرفت که فرآیند اندازه‌گیری می‌تواند روی جهان تاثیر بگذارد آیا شلیک یک گلوله تا موقعی که گوشی صدای آن را نشنیده است(به عنوان دستگاه اندازه گیری) دارای صدا است آیا یک الکترون دارای بارالکتریکی است یا اینکه این دستگاه اندازه‌گیری است که برای الکترون باری مشخص در نظر می‌گیرد. کوانتوم فرآیند اندازه گیری را مختل کننده و تاثیرگذار فرض می‌کند تا جائیکه بور بانی تفکر کپنهاگی بیان می‌دارد که خواصی مانند ماهیت موجی یا ذره‌ای یک فوتون یا الکترون یا بار الکتریکی ، تکانه ، محل و سرعت یک ذره، تا هنگامی که اندازه‌گیری نشده‌اند وجود ندارد یا غیر واقعی هستند به عبارت کلی تر یک سیستم کوانتومی فاقد خواص است .اینشتین به واقعیت عینی معتقد بود، اینکه جهان فیزیکی مستقل از هر نوع فرآیند اندازه‌گیری است، و به این موضوع ایمان راسخ داشت. به عبارتی او تاثیر گذاری فرآیند اندازه گیری را بر پدیده‌های فیزیکی مردود می‌دانست و معتقد بود که ذرات زیر اتمی دارای وجودی مستقل از اندازه‌گیری هستند براستی آیا فیزیک کوانتوم آن گونه که اینشتین اعتقاد داشت ناقص است؟ ولی نتایج تمام آزمایشات به خوبی با محاسبات فیزیک کوانتومی مطابقت دارند گرچه فیزیک کوانتومی از پیش بینی رفتار یک فوتون یا یک هسته اتم رادیواکتیو به تنهایی عاجز است ولی به خوبی رفتار گروهی این ذرات را پیش بینی می‌کند. فیزیک کوانتومی نه تنها قادر به توصیف رفتار ذرات زیر اتمی است بلکه با تعمیم آن می‌‌توان رفتار اجرام ماکروسکوپی همانند یک توپ تنیس یا یک جسم قابل مشاهده دیگر را تعیین نمود و همین عامل موجب شده است تا فیزیکی کوانتومی را یک نظریه بنیادی که رفتار جهان را توصیف می کند در نظر بگیریم همانند فیزیک کلاسیک و نسبیت. 
پیامدهای فلسفی این علم جدید را می‌توان به گردن بور انداخت. بور به جای تکمیل و رفع نواقص آن که از دید اینشتین و حامیان او( EPR paradox )مطرح می‌گردید با قاطعیت شروع به دفاع فلسفی از این ایده جدید نمود او پدیده تکمیل یا اصل مکملیت( Principle of Complementarity) را که مبتنی بر اصل عدم قطعیت‌هایزنبرگ بود را برای تاثیر اندازه گیری بر سیستم کوانتومی مطرح کرد. بر اساس این اصل، اندازه گیری خاصیتی از یک سیستم است و درهنگام اندازه گیری یک خاصیت از یک سیستم اطلاعات مادر مورد سایر خاص آن سیستم از بین می‌رود مثلا اگر بنا باشد خاصیت موجی نور را اندازه گیری کنیم اطلاعات ما در مورد خاصیت ذره ای آن به کلی از میان می رود. همچنین در تعبیر کپنهاگی واقعیت تا هنگامی که اندازه‌گیری نشود وجود ندارد بر همین اساس تصور بار و تکانه و... برای یک الکترون تا هنگامیکه این کمیت‌ها اندازه‌گیری نشوند بی‌معنا خواهد بود در سال گذشته یک جوان ایرانی بنام پرفسور شهریار صدیق افشار با انجام آزمایشی بربخشی از اصل مکملیت بور خط بطلان کشید و سلطۀ هشتاد سالۀ آ‎ن بر فیزیک کوانتومی را در معرض تزلزل و تباهی قرار داد.


‎آزمایش افشار ( Afshar experiment):
بور در طول شکل گیری فیزیک کوانتومی بی مهابا از آن جانبداری می‌کرد هر جا به بن بست می‌رسید یا توسط منتقدان فیزیک کوانتمی به چالش کشیده می شد با بنا نهادن یک اصل فلسفی از ایده کوانتومی دفاع میکرد. وقتی سال 1935 اروین شرودینگر آزمایش گربه را پیش کشید( این آزمایش فکری به آزمایش گربه شرودینگر(Schrödinger's cat ) نیز معروف است) و در آن مسئله تاثیر اندازه‌گیری بر یک سیستم و اینکه چگونه صرف مشاهده می‌تواند زندگی یا مرگ گربه را رقم بزند، تناقض موضوع فرآ‎یند اندازه‌گیری در فیزیک کوانتومی را با درک عمومی بر ملا ساخت ولی این ادعا که اندازه‌گیری بر روی یک سیستم کوانتومی تاثیرگذر است جزء لاینفک فیزیک کوانتومی است که تاکنون هیچ آزمایشی آنرا نقض ننموده است ولی این موضوع که اندازه‌گیری خاصیتی از یک سیستم اطلاعات ما را در مورد سایر خواص آن سیستم از بین می‌برد.در ژوئیه 2004 با اعلام نتیجه آزمایشی که پروفسور افشار از دانشگاه روان انجام داد به چالش کشیده شد ایده ناتوانی در اندازه‌گیری همزمان متغیرهای مکمل که از اصل مکملیت بور استنتاج می‌شود به طرز جالبی توسط آزمایش افشار رد شده است.افشار طی انجام یک آزمایش به طور عملی موفق شد که همزمان ماهیت موجی و ذره‌ای نور را مورد اندازه‌گیری و مشاهده قرار دهد. نتیجه این آزمایش به طور آشکارا با اصل مکملیت در تناقض است بنابراین هواداران تعبیر کپنهاگی یا باید نتیجه این آزمایش را در قالب اصل مکملیت توجیه نمایند یا دست از حمایت از این اصل بردارند ولی آنگونه که مشخص است شق دوم محتمل تر به نظر می‌آید بر همین اساس تاریخ باردیگر درحال تکرارشدن است و نیمه اول قرن بیست ویکم همانند نیمه اول قرن بیستم شاهد جدل‌های تازه‌ای بین هواداران تعبیر کپنهاگی و هواداران واقعیت عینی (اینشتین نیز به واقعیت عینی معتقد بود و عقیده داشت که واقعیت‌ها مستقل از اندازه‌گیری هستند) خواهد بود.

آیا مکانیک کوانتومی یک نظریه کامل است؟
مکانیک کوانتومی به خوبی ما را در درک هرچه بهتر از ساختار وخواص اتمها ، مولکولها ، جامدات و رفتار ذرات زیر اتمی یاری داده است و هدایای گرانقدری نیز به ما اعطا نمود ترانزیستور-لیزر-تلویزیون-کامپیوتر – میکروسکوپ الکترونی – انرژی هسته‌ای و... همه و همه نتایج فیزیک کوانتومی است فیزیکی که بر پایه عدم قطعیت، احتمال ، میانگین و آمار بناشده است. نظریه کوانتومی که توسط پلانک و اینشتین ساخته و پرداخته گردید باسایه انداختن دیدگاه احتمال و عدم قطعیت برآن موجب نارضایتی و دلسردی اینشتین شد وراهش را از سایرین جدا کرد چراکه طرز فکری که نسبیت‌‌ها از آن تراوش کرده بودنند این اجازه را به اینشتین نمی‌داد که جهان عینی و علّی را رها کند و درسایه تردید و تزلزل در پی کشف حقایق عالم برآید ولی شاید اینشتین درست اندیشیده بود و این بور وهمفکران او بودند که در بکارگیری و تعمیم اصل عدم قطعیت راه را به بیراهه رفتند. همان طور که برای توجیه پدیدهای عالم ماکروسکوپی فیزیک کلاسیک به تنهایی ناقص و نارسا است شاید برای بررسی تمام جوانب عالم زیر اتمی فیزیک کوانتومی نیز به تنهایی کافی نباشد و آنجا که فیزیک کوانتومی دراندازه گیری همزمان تکانه و مکان ذره به بن بست می‌رسد شاید برای رهایی از این بن بست نمی‌بایست از اصل عدم قطعیت استفاده می‌کردیم بلکه باید مکانیک کوانتومی را کامل یا اصلاح می‌نمودیم یا با خلق روشهای نوین در رفع این معضل برمی‌آمدیم وبدین گونه با تدوین نظریه‌ای جدید از اتهام طبیعت به سردرگمی و دو شخصیتی (یک شخصیت علّی در توجیه وقوع رویدادهای ماکروسکوپی و دیگری شخصیت غیر قابل پیش‌‌بینی و غیر قطعی در رویدادهای زیر اتمی ) پرهیز می‌کردیم.
ولی در حال حاضر فیزیک کوانتومی با سرعتی متحیر کننده مسیر ترقی و شکوفایی خود را می‌پیماید بی‌آنکه درجاده هموار خود با مشکل مواجه شود. و تا موقعی که مشکلی ایجاد نشود( همانند مشکلات موجود در فیزیک کلاسیک که زمینه را برای تولد نظریه‌های نسبیت و کوانتوم فراهم نمود) دانشمندان نیازی به خلق نظریه‌ائی جدید یا ایجاد تغییری درآن نمی‌بینند.

نگاهی به آینده:
نسبیت و کوانتوم به خوبی نشان میدهند که اگر بخواهیم از اسرار درونی عالم آگاه شویم چه در ریزترین اجزاء آن و چه در بزرگترین اجسام آن(کهکشانها) باید دالان های پیچ در پیچ زیادی را طی کنیم، نسبیت عام ، اصول و معادلات فیزیک کوانتومی بردشواری این مسیر دلالت دارند ولی چیزی که مسلم است این است که هرچه به عمق این اسرار نفوذ می‌‌کنیم عدم قرابت و همخوانی آنها با عقل سلیم بیشتر می‌شود و شاید از ترکیب همین تضادهاست که واقعیت‌های قابل مشاهده شکل می‌گیرند و طبیعت در ظاهر (فیزیک کلاسیک) چنین ساده‌وبی آلایش به نظر می‌رسد.
شاید این گونه نیز نباشد و ما لقمه را دور سر خود پیچانده‌ایم اگر روزی انسان موفق به خلق یک نظریه‌ای شود که همه چیز را از اتم تا انحنای فضا- زمان تا خلقت عالم و حرکت با سرعت‌های فوق العاده و...را توضیح دهد آن هنگام خواهد بود( که ما می‌توانیم در مورد رفتار طبیعت قضاوت کنیم و او را به سادگی یا پیچیدگی متهم سازیم.ناتوانی نسبیت در تراکم های فوق العاده زیاد ماده و انرژی (لحظه‌آغاز خلقت کائنات و سیاهچاله‌ها) عدم توانایی فیزیک کوانتوم در پیش بینی رفتار یک ذره در مقیاس زیر اتمی به تنهایی و عدم آگاهی از ماهیت برخی از ذرات زیر اتمی (مانند نوترینو) ناتوانی نظریه‌‌های فعلی در آشکار ساختن وقایع ورویدادهای نخستین خلقت و بی اطلاعی از ماهیت برخی از پدیده‌های موجود در عالم همانند ماده تاریک و انرژی تاریک و برخی دیگر از معماهای کنونی همه وهمه به طور آشکار ناقص بودن نظریه‌های امروزی را نشان میدهند.گرچه نسبیت خاص و عام و فیزیک کوانتومی و کلاسیک مشکلات عدیده‌ای از پیش‌پای بشر برداشته‌اند و هرکدام مانند یک چراغ مسیر تاریک حرکت بشر را روشن نمودنند و رسیدن او را به جایگاه امروزی موجب شدند ولی برای گذر از مسیر پر رمز و راز و صعب العبور امروزین ما نیاز به یک نورافکن داریم نور افکنی که تمام زوایای پنهان طبیعت را روشن سازد و از ریزترین جزء طبیعت تا بزرگترین آنها را پوشش دهد ، دور نیست که این خواسته بشر با اتکا به اراده وهوشی که در او نسبت به سایر جانوارن وجود دارد عملی گردد.

منبع پارس اسکای

نقل از وبلاگ کوانتوم مکانیک

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات