ترجمه : مهدى صارمى فر-زهرا بخشى

نيم نگاه

تأثير گذشته و آينده بر حال

آلبرت اينشتين برخلاف بسيارى از معاصرانش گمان مى كرد كه روزى نظريه كوانتومى نيز در جايگاهى قرار مى گيرد كه امروزه مكانيك كلاسيك قرار دارد يعنى تقريبى از يك تئورى كامل تر. امروزه پژوهشگران آمادگى پذيرش چنين نظريه اى را دارند. اينشتين به چنان جايگاهى در فيزيك رسيده كه گمان اين كه ممكن است اشتباه كرده باشد، بى احترامى به او به نظر مى آيد. حتى شهرت "اشتباه بزرگ اينشتين" صرفاً قابل اعتماد بودن وى را تقويت مى كند. براى مثال اشتباه احتمالى او مشاهدات نجومى را بسيار خوب توضيح مى دهد.۱ در جايى كه بسيارى از غيرمتخصصان فيزيك فكر مى كنند كه با اشتباه خواندن نظرات اينشتين به وى بى احترامى كرده اند، طيف غالب فيزيكدانان نظرى، درستى احتمالى نظريه وى در خصوص آينده مكانيك كوانتومى را تعجب آور مى دانند.با اين كه هيچ كس در بزرگى اينشتين شك ندارد، اما فيزيكدانان و مورخان علم نمى دانند كه در بين سال هاى ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ چه اتفاقى براى او افتاد كه او از نظريه كوانتوم كه خود نقش بسزايى در تحكيم آن داشت، روى گرداند.

در كتاب هاى درسى و زندگى نامه ها، از اينشتين به عنوان پدر خسته كوانتوم ياد شده است. در سال ۱۹۰۵ او با نوشتن مقاله اى در توجيه اثر فوتوالكتريك با استفاده از كوانتوم هاى انرژى پلانك، در معرفى مفاهيم بنيادين مكانيك كوانتومى تلاش فراوان كرد. اما با جا افتادن هر چه بيشتر اين تئورى همه تلاش هايى كه براى تائيد اين نظريه كرده بود را بى اهميت خواند. او در اثبات نظريه نوين كوانتومى نه تنها تلاش زيادى نكرد بلكه به نوعى با اصول اين نظريه مخالف بود و در جهت از بين بردن آن تلاش بسيار كرد. پيش زمينه هاى فلسفى _ ذهنى وى باعث شده بود كه در مخالفت با نظريه مكانيك كوانتومى نوين۲ اين عبارت معروفش را به كار ببرد كه: "خداوند براى اداره دنيا تاس نمى ريزد." چنين به نظر مى رسد كه عقلانيت علمى او رو به افول بوده است! برخلاف روند كلى مكانيك كوانتومى، اينشتين دهه هاى پايانى عمرش را صرف جست وجو براى يافتن يك نظريه وحدت يافته فيزيكى كرد كه حتى امروزه هم يك روياى دوردست به نظر مى رسد. نظريه پردازان امروزى فيزيك به خصوص كسانى كه روى نظريه "ريسمان" كار مى كنند، پس از مطالعه گفته هاى اينشتين، به ظاهر عهد كرده اند كه در راهى كه وى قدم گذاشت، هرگز وارد نشوند. تصور آنها بر اين است كه در جايى كه صحبت از نظريه نسبيت عام (كه گرانش را توضيح مى دهد) و فيزيك كوانتومى (كه ساير نيروهاى طبيعت را توضيح مى دهد) است، اين نسبيت است كه بايد به نفع كوانتوم از صحنه خارج شود. با اين كه نسبيت عام كه شاهكار اينشتين است، به طور مطلق اشتباه نيست، اما نهايتاً از آن به عنوان يك تخمين بسيار عالى از يك نظريه كامل تر "گرانش كوانتومى" ياد مى شود. 

* نظريه هاى ردشده

در سال هاى اخير، وقتى فيزيكدانان نتايج پايه اى مكانيك كوانتومى را مورد مطالعه قرار دادند، پيش بينى اينشتين درباره آينده آن را بسيار تحسين كردند. كريستوفر فاشس از آزمايشگاه بل مى گويد: "آلبرت، بيشتر از آنچه كه گفته شده، عميق و سريع مشكلات اساسى مكانيك كوانتومى را ديده و شناخته است." حتى طيفى [البته كمترى] از فيزيكدانان با نظريات اينشتين موافق بوده و معتقدند كه سرانجام مكانيك كوانتومى بايد جاى خود را به يك تئورى اساسى تر بدهد. رافائل بوسو از دانشگاه كاليفرنيا در بركلى (UCB)  مى گويد: "ما نبايد بر اين باور باشيم كه مكانيك كوانتومى مى تواند همه چيز را اثبات كند." اينها جملاتى بسيار مهم در عصر ما هستند زيرا مكانيك كوانتوم موفق ترين نظريه علمى در توجيه ساختارهاى طبيعت در طول تاريخ علم بوده است. مكانيك كوانتومى جانشين همه نظريات كلاسيك شده و البته گرانش تنها حوزه اى از فيزيك نظرى است كه از آثار مكانيك كوانتومى در امان بوده است.

بيشتر فيزيكدانان معتقدند كه سرانجام طى گذر زمان همه نظريه هاى فيزيكى از اصول اساسى مكانيك كوانتومى پيروى خواهند كرد. گذشته از اينها در نظريه نسبيت عام نيز لغزش هايى پيدا شده است. براى مثال پيش بينى نسبيت عام از آنچه كه در سياهچاله ها مى گذرد بسيار ناقص است و عملاً چيزى نمى گويد. يك راه طبيعى براى غلبه بر اين لغزش ها و كاستى هاى نسبيت عام، بردن اين نظريه به سمت يك تئورى كوانتومى گرانش است مانند نظريه ريسمان. اما البته در مكانيك كوانتومى هم مشكلاتى ديده مى شود كه آلبرت اينشتين جزء اولين كسانى بود كه به اين نواقص پى برد. براى مثال كوانتوم هيچ دليلى براى وقوع برخى پديده هاى فيزيكى ارائه نمى دهد و فقط احتمال وقوع آنها را پيش بينى مى كند و همچنين راهى براى رسيدن به خواص درونى اشيا معرفى نكرده و در اين مورد ساختار معقول محكمى ندارد.۳ به علاوه، زمان و مكان در نظريه مكانيك كوانتومى متعلق به دوران قبل از نظريه نسبيت خاص اينشتين است. براى مثال مكانيك كوانتومى مى گويد كه حجم يك سطل ۸ ليترى، ۸ برابر يك سطل يك ليترى است. اين در زندگى روزمره صادق است.

اما نبايد نظريه نسبيت خاص اينشتين براى سطلى كه با سرعت خاصى در حال حركت نسبت به ما است، اين سطل ۸ ليترى تنها براى ۴ ليتر آب گنجايش دارد. اين محدوديت به حد هولوگرافيك مشهور است. وقتى كه يك سطل پر است، اضافه كردن آب به آن تنها باعث سرريز شدن ماده داخل آن مى شود. اين نه تنها شكست نظريه نسبيت نيست، بلكه نقص مكانيك كوانتومى را نشان مى دهد.۴

*حركت براونى

حركات ذرات گرد و غبار به نظر تصادفى مى آيند، اما بنا به آنچه كه اينشتين نيز در سال ۱۹۰۵ گفته در واقع اين حركات ناشى از حركت مولكول هاى هوا هستند كه معادلات مكانيك كلاسيك بر آنها حاكم است. معادلات مكانيك كوانتومى نيز تشابه مرموزى با نظريه جنبشى گازها و تعابير احتمالاتى به كار رفته در مكانيك آمارى دارند.۶ در بعضى از فرمول هاى مكانيك آمارى، ثابت پلانك كه ثابت اصلى نظريه كوانتومى است، نقش رياضى دما را برعهده دارد، در واقع مثل اين مى ماند كه بگوييم، مكانيك كوانتومى حركت بعضى گازها و به طور كلى مولكول ها را در دماى پائين به خوبى شرح مى دهد. 
وقتى فيزيكدانان با تئورى هايى مانند نظريه متغيرهاى نهان روبه رو مى شوند، قبل از اين كه به طور كامل بتوانند آنها را به طور تجربى مورد آزمايش قرار دهند، اين نظريات را با معيارهاى عملى (Pragmatic)  مى سنجند. آيا اين نظريه به طور عملى به دردبخور است؟ براى مثال در طول تكامل نظريه ريسمان به قوانين فيزيكى و رياضياتى فراوانى دست يافته ايم كه حتى اگر اين نظريه توسط تجربه هم رد شود، چيز زيادى از دست نرفته است.

بسيارى از فيزيكدانان با استفاده از همين منطق پراگماتيستى، نظريه متغيرهاى نهان را رد مى كنند. آنها معتقدند كه تئورى هايى كه با استفاده از متغيرهاى نهان سعى در توجيه پديده ها دارند، توانايى پيش بينى حوادث جديد را نداشته، هيچ قانون محكم فيزيكى معرفى نكرده و نمى توانند نتايج كوانتوم را بدون استفاده از قوانين رد شده كلاسيك كه استفاده از آنها در نظريات جديد توصيه نمى شود، توصيف كنند. خود اينشتين پيش از بى اساس خواندن نظريه متغيرهاى نهان آنها را به دقت مورد مطالعه قرار داد. او نتيجه گرفت كه نقايص مكانيك كوانتومى را نمى توان با عناصر كلاسيك برطرف كرد. وى بر اين باور بود كه براى كامل كردن نظريه مكانيك كوانتومى بايد ساختارهاى فيزيكى را به طور كامل دوباره مطالعه كرد.

بلاسون و همكارانش پس از مطالعه دقيق اين نظريه نشان دادند كه يك نوسانگر هماهنگ خطى كوانتومى (كه نمونه كوانتيده يك پاندول است) از يك جفت نوسانگر تحريك شده با اصطكاك ساخته شده است. هر نوسانگر به تنهايى از قوانين كلاسيك پيروى مى كند اما در جايى كه اين نوسانگر ها به هم متصل مى شوند، ديگر از قوانين مكانيك كوانتومى پيروى مى كنند. برنت مولر از دانشگاه دوك و همكارانش ثابت كرده اند كه يك سيستم فيزيكى كلاسيك پنج بعدى مى تواند در فضاى چهار بعدى رفتارى كوانتومى داشته باشد. ون دو بروك معتقد است كه يك منبع نيروى اصطكاك باعث تبديل يك سيستم كلاسيك به يك سيستم كوانتومى مى شود. اين كار ممكن است توسط گرانش انجام شود.
 

* پيوستگى زمانى

بسيارى از فيزيكدانان و فلاسفه علم، معتقدند كه مكانيك كوانتومى عجيب به نظر مى آيد زيرا كه ما معتقديم كه فقط گذشته بر حال تاثير گذار است. اما اگر آينده نيز بر حال تاثير گذار بود، پاسخ چه بود؟ در اين صورت، كيفيت احتمالاتى مكانيك كوانتومى مى تواند ناشى از غفلت ما از آينده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. اين تصور طى چند دهه گذشته توسط مارك هادلى از دانشگاه وارويك انگلستان قوت گرفته است. وى مى گويد: "در نظريه نسبيت عام همان قدر كه گذشته موثر است آينده نيز تاثير دارد و طبيعى است كه گذشته و آينده هر دو در حال تاثير گذارند." هادلى مى گويد: "مشاهدات آتى نشان خواهد داد كه آينده نيز يكى از متغير ين نهان است."
هادلى مدعى است كه منطق بنيادين مكانيك كوانتومى، چيزى خارج از نظريه نسبيت نيست. او يكى از نظرات اينشتين را كه در دهه ۱۹۳۰ روى آن كار مى كرده زنده كرده است. اين نظريه مى گويد: ذرات بنيادى چيز هايى نشسته روى فضا _ زمان نيستند بلكه خود فضا - زمان هستند. آنها تكه هايى چسبيده به محور زمان نيستند بلكه گره هايى بافته شده پشت سر هم روى محور زمان اند. اما اين نظر زياد مورد قبول نبود زيرا همسانگردى خاص ذرات كوانتومى را نمى توانست شرح دهد. اما هادلى مدعى است كه اين مشكل را حل كرده است. آنچه كه از گفته هاى هادلى و هوفت برداشت مى شود اين است كه در تلاش هاى اين دو مزيت نسبت به تلاش هاى گذشته روى متغير هاى نهان ديده مى شود. اول اينكه ارتباط دادن بين واقعيت مشاهده شده كوانتومى و فيزيك كلاسيك بسيار سخت است. البته اين سختى به شدت مورد علاقه فيزيكدانان است، زيرا آنها معتقدند كه يك تئورى بنيادى بايد سخت باشد. آنها مى گويند مفاهيم بايد به حدى باارزش باشند كه بتوان آنها را روى پيراهن ها چاپ كرد و در عين حال بايد به حدى عجيب باشند كه كسى نتواند ادعا كند كه مفهوم آن را سريع فهميده است. دوم اين كه نظرات اين دو فيزيكدان، حوادثى قابل تحقيق و آزمايش را پيش بينى كرده اند. براى مثال ون دوبروك معتقد است كه ميدان هاى قوى گرانشى خواص كوانتومى را تغيير مى دهند.

جالب است كه نظريات مشابه ديگرى در روند كلى همين تئورى ها به وجود آمده اند. در تئورى ريسمان يك سيستم كوانتومى از نظر رياضى مى تواند برابر يا متفاوت با يك سيستم كلاسيك باشد. برخى از اين دوگانگى ها شامل سيستم هاى مكانيك آمارى هستند كه مشابه روش تحقيق مولر و همكارانش هستند. عده كمى از نظريه پردازان ريسمان، پا را فراتر گذاشته و مى گويند كه سيستم كوانتومى بى اغراق، يك سيستم كلاسيك است. اما برين  گرين از دانشگاه كلمبيا در نيويورك مى گويد: "مشاهده و مطالعه اين برابرى ها، تفاوت و در نتيجه اصول زيربنايى مكانيك كوانتومى را شرح مى دهد." برگرفته از اين نظريه كه مكانيك كوانتومى را مى توان از نسبيت به دست آورد، اخيراً بوسو اصل عدم قطعيت  هايزنبرگ را از مفهوم "حد هولوگرافيك" استخراج كرده است.

آنچه در اينجا گفته شد، نشان مى دهد كه فيزيكدانان نظريه متغيرهاى نهان را وزنه اى بزرگ مى دانند. فيزيك كوانتومى مانند جنگلى مملو از حيوانات عجيب و مرداب هاى پايان ناپذير است و سعى در تبديل اين نظريه به نظريه كلاسيك مانند تلاش براى تبديل جنگل آمازون به يك باغ  سنگى تفريحى است. به جاى بازسازى و آسيب رساندن به طبيعت آن بايد سعى در جداكردن آن از فيزيك كلاسيك و پيداكردن اصول بنيادى آن كرد. اين هدف اصلى فاشس و همكارانش در روند كلى مطالعه ساختارى مكانيك كوانتومى بوده است.

فاشس و همكارانش بر اين باورند كه بيشتر تئورى كوانتومى درونى است. آنها مى گويند: تئورى كوانتوم خواص خارجى سيستم هاى فيزيكى را شرح نمى دهد بلكه سعى در توصيف دانشى دارد كه فيزيكدانان آن را مورد مطالعه قرار داده اند. پس از اين كه اينشتين درهم تنيدگى حالت هاى كوانتومى (رابطه  فوق نورى دو ذره دور از هم) را مورد انتقاد قرار داد ۸ به چنين نتيجه اى دست يافت. رابطه فيزيكى در واقع چيزى جز دانش فيزيكدانان درباره دو ذره نيست۹. گذشته از همه اينها، اگر در واقع چيزى به اسم رابطه فيزيكى وجود داشت، مى توانستيم علائمى را با سرعت بيش از سرعت نور ارسال كنيم كه نقيض يكى از اصول موضوعه نسبيت خاص است. براى مدت ها، فيزيكدانان معتقد بودند كه اندازه گيرى يك سيستم كوانتومى باعث از بين بردن همه احتمالات و قرارگرفتن سيستم در يك حالت خاص مى شود.۱۰ فاشس مى گويد اين فقط عدم قطعيت ما در مورد سيستم است كه از بين مى رود. راه حل براى از بين بردن عدم قطعيت، اين است كه از ويژگى هاى درونى تئورى بگذريم تا بتوانيم ويژگى هاى واقعى خارجى را مورد مطالعه قرار دهيم. عدم قطعيت در مكانيك كوانتومى با عدم قطعيت در مكانيك كلاسيك متفاوت است و همين تفاوت، راهنمايى است براى فهميدن چگونگى رخداد حادثه. از نظر مكانيك كلاسيك، يك گربه يا زنده است يا مرده.

  ديدگاه اينشتين نسبت به مكانيك كوانتومى

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40