جهان كوانتومي - بخش ششم: اصل عدم قطعيت

اصل عدم قطعيت

اگر اصرار داشته باشيد كه از آنچه آشناست جدا نشويد ، در فهميدن نظريه كوانتومي شكست خواهيد خورد . واقعيت اين است كه قوانين عادي در جهان كوانتومي به كار نمي آيند.
بنابر يكي از تفسيرهاي فيزيك كوانتومي ، با هر انتخاب ما جهان چند شاخه ميشود و هريك از هستي هاي ما در يكي از اين جهان هاي موازي به حيات ادامه ميدهد.

نخستين توصيف اصل مشهور عدم قطعيت در سال 1927 صورت پذيرفت . در اين سال يك فيزيكدان آلماني به نام "ورنر هايزنبرگ" ثابت كرد كه ميتوان سرعت يا مكان يك الكترون را اندازه گرفت ، اما هردو اندازه گيري را همزمان نميتوان انجام داد . به بيان دقيقتر ، هايزنبرگ ثابت كرد كه هرچه اندازه گيري مكان الكترون بهتر انجام شود ، دقت اندازه گيري سرعت آن پايين خواهد آمد و برعكس . اندازه گيري در واقع يك نوع سازش است و اين شما (آزمايشگر) هستيد كه بايد تصميم بگيريد چه چيزي را اندازه گيري كنيد و پيامدهاي آنرا نيز بايد بپذيريد.
همانند بسياري از پديده هاي ديگر در نظريه كوانتومي ، اصل عدم قطعيت نيز از عنصر احتمالي ناشي ميشود . هايزنبرگ در اين انديشه بود كه بتواند مكان و سرعت يك الكترون را تنها با برخورد با يك فوتون اندازه گيري كند . اما هنگاميكه يك فوتون با يك الكترون برخورد ميكند ، تنها يك پيامد قابل پيش بيني وجود ندارد ، بلكه به جاي آن گستره اي از پيامدهاي محتمل را خواهيم داشت . برداشت ويژگي هاي الكترون از رفتار فوتوني كه به آن برخورد ميكند نيز بايد به گستره اي از احتمالات – نه به يك نتيجه – بينجامد . به اين ترتيب ميرسيم به اصل عدم قطعيت.

ريشه هاي اين مفهوم با اندكي تفاوت ، شبيه است به آزمايش "توماس يانگ" در سال 1801 كه ميخواست نشان دهد نور موج است نه ذره . يانگ با تاباندن نور به دو شكاف موازي نزديك به هم بر يك صفحه كدر ، نوارهاي تاريك و روشني مشاهده كرد كه بصورت نقشي تداخلي ، در محلي كه نور به ديوار پشت صفحه برخورد ميكرد ، ايجاد شده بودند .او چنين استدلال كرد كه اگر نور از ذراتي كه به خط مستقيم حركت ميكنند تشكيل شده باشد ، بايد از ميان شكافها عبور كند و فقط دو خط نوراني روي ديوار ديده شوند . اما از آنجا كه نور يك موج است ، ستيغ ها و پاستيغ هاي آن پس از گذر از شكافها ميتوانند يكديگر را تقويت يا حذف كنند و به اين دليل بخشهايي از ديوار روشن و بخشهاي ديگر تاريك است.
اكنون ميرويم به سراغ فوتونها . فوتونها به مانند ذره اند و بنابراين بايد دو نقطه نوراني ايجاد كنند . ولي ضمنا برخلاف گلوله هاي كلاسيكي ، مانند موج با يكديگر برهمكنش دارند . فوتونها ذراتي با ويژگيهاي موج مانندند و يا اگر خوشتان نمي آيد ، ميگوييم آنها موجهايي هستند كه همانند زنجيره اي از ذرات رفتار ميكنند . دقيقا مانند آينه نيمه نقره اندود در تداخل سنج كه فوتونها را "دو نيم ميكرد" ، شكافهاي يانگ نيز هر فوتون را به دو بخش تقسيم ميكنند كه اين دو بخش در پشت صفحه با يكديگر تداخل ميكنند تا نقشي نواري روي ديوار بوجود آورند . اين "پاره" هاي فوتوني قابل آشكارسازي نيستند: چنانچه آشكارسازهايي پشت صفحه و در بالاي شكافها قرار دهيد تا ببينيد فوتونها چه مسيرهايي را مي پيمايند ، آنگاه نتيجه عمل شما نقشهاي تداخلي را از بين خواهد برد! اگر بخواهيد رفتار فوتونها را همانند ذراتي در نظر بگيريد كه از ميان يكي از شكافها ميگذرند ، نوارهاي تاريك و روشن حاصل از رفتار موجي را از دست خواهيد داد . در عوض ف ميتوانيد فوتونها را با رفتاري همانند موج و يا رفتاري همانند ذره درنظر بگيريد ، اما در نظر گرفتن همزمان هر دو رفتار امكانپذير نيست.
اين باور عمومي ، يكي ازكيفيتهاي تعيين كننده جهان كوانتومي است . به خاطر بياوريد كه چگونه در باطل نماي EPR ، بر پايه احتمال ، اينكه يكي از فوتونها بر جفت دور از خودش اثر لحظه اي داشته باشد وجود داشت . از هر دو فوتون درهم تنيده ، احتمال چندين پيامد بالقوه انتظار ميرود . اين پيامدها را تا زمانيكه واقعا مورد اندازه گيري قرار نگيرند نميتوان تثبيت كرد . اما ميدانيم هنگاميكه چيزي را براي اندازه گيري انتخاب كرديم ، بايد از دستيابي به آگاهي ديگر چشم پوشي كنيم.
مشهور است كه انيشتن نميتوانست اين نظر را بپذيرد كه خلقت جهان اتفاقي است . البته تنها وجود احتمالات نبود كه او را عصباني ميكرد ، بلكه تمام نتايج درهم و برهمي كه از آن ناشي ميشد نيز باعث ناراحتي او بود . تعداد نسبتا زيادي از فيزيكدانها نيز با عقيده انيشتن مبني بر اينكه چيزي در نظريه كوانتومي وجود دارد كه نميتواند كاملا درست باشد موافق بودند . در طول ساليان متمادي ، اين فيزيكدانها نظريه هاي مبتكرانه اي براي رفع مشكلات موجود ارائه كردند . در سال 1952 يك فيزيكدان امريكايي به نام "ديويد بوهم" كه با انيشتن نيز كار كرده بود ، نسخه اي از مكانيك كوانتومي را ارائه كرد كه به نظر ميرسيد نگراني انيشتن را برطرف خواهد كرد.
در نظريه بوهم ، ذرات كوانتومي داراي "متغيرهاي پنهان" هستند ، متغيرهاي پنهاني كه سرشتهاي ذاتي آنها را تشكيل ميدهند و براي هر ذره ، اختصاصي و معين اند . هنگاميكه روي هريك از آنها دست به اندازه گيري ميزنيد ، اين متغيرهاي پنهان با ابزارهاي اندازه گيري شما برهم كنش ميكنند تا نتيجه اي حاصل شود . در مجموعه اي از ذرات كوانتومي ، هرقدر كه با دقت مرتب شده باشد ، همواره گستره اي از متغيرهاي پنهان وجود دارد كه دقيقا مثل يك گاز معمولي عمل ميكند ، بطوريكه برخي از اتمها با سرعت بيشتر و برخي ديگر با سرعتي كمتر از ميانگين حركت ميكنند.
در اين نسخه از نظريه كوانتومي ، بدليل اينكه ذراتي كه مورد اندازه گيري قرار ميگيرند داراي گستره اي از سرشت هاي ذاتي هستند ، اندازه گيري ها نيز به گستره اي از پيامدها منتهي ميشوند . اصل عدم قطعيت هنوز هم سازگار است . از لحاظ علمي ، نظريه بوهم دقيقا معادل نظريه كوانتومي معمولي است . در واقع ، اين نظريه يك "بازسازي" و "بازتعبير" رياضي از معادلات استاندارد است و بنابراين به همان نتايج منجر ميشود.
اما موضوع آزاردهنده اي در آن نهفته است: نظريه كوانتومي داراي مجموعه اي از سرشت هاي كاملا ناكلاسيكي است ، بنابراين اگرچه بوهم تلاش كرد تا تعريفي كلاسيكي را به ذرات كوانتومي بازگرداند اما نظريه او نميتواند واقعا يك نظريه كلاسيكي باشد و اينچنين هم نيست.
بعنوان مثال ، در مورد آزمايش دو شكاف يانگ ، بنابر نظريه بوهم يك فوتون حتما از ميان يكي از شكافها عبور ميكند . اگر چنين است ، پس چرا اين فوتون يك نقش تداخلي را در سمت ديگر ايجاد ميكند؟ پاسخ اين سوال چيزي است كه "موج راهنما" ناميده ميشود . به عقيده بوهم ، در آزمايش يانگ هم موج و هم ذره هردو وجود دارند، ولي با سرشتهاي متفاوت . موج راهنما – دقيقا همانند يك موج كلاسيكي – با گذر از ميان دو شكاف ، يك نقش تداخلي ايجاد ميكند . سپس ذره به دنبال اين موج راهنما راه مي افتد (و به همين دليل ، اين موج راهنما خوانده ميشود).
انرژي و جهت فوتونهايي كه بصورت يك زنجيره از ميان شكافها عبور ميكنند اندكي باهم تفاوت دارند ؛ و درست همانند تيله اي كه روي كارتن موجداري قرار گرفته باشد ، مسيرهاي متفاوتي را – بسته به چگونگي آغاز حركتشان – به دنبال موج راهنما مي پيمايند . فوتونها با راهنمايي موج راهنما به صفحه ميرسند و نقش تداخلي مورد نظر شكل ميگيرد.
همه چيز مرتب به نظر ميرسد . اما مشكل بزرگ ، توضيح اين مسئله است كه اين موج راهنما چيست و چگونه فوتونها را راهنمايي ميكند . اين موج نميتواند يك موج كلاسيكي باشد كه براي راهنمايي فوتونها به آنها نيرو وارد كند زيرا در آنصورت انرژي فوتونها تغيير خواهد كرد ؛ در حاليكه در واقعيت چنين چيزي رخ نميدهد.
طبيعت عجيب موج راهنما در آزمايش EPR بيشتر مشخص ميشود . در اين آزمايش موج راهنما اطلاعات را – بدون كم و كاست – از يكي از ذرات درهم تنيده به ذره ديگر ميفرستد و به اين ترتيب اندازه گيريهاي انجام شده روي اين دو جفت ذره همواره درست از آب درمي آيد . اما موج بايد اين كار را كاملا آني انجام دهد . موج راهنما تجسم فيزيكي مفهوم قديمي "كنش از دور" است و اين دقيقا همان چيزي است كه انيشتن سعي ميكرد از آن فرار كند.
پنج سال پس از ارائه نسخه متغيرهاي پنهان نظريه كوانتومي از سوي بوهم ، فيزيكداني از دانشگاه پرينستون يه نام "هيو اورت" (Evert) انديشه كاملا نتفاوتي در سر مي پروراند . در آزمايش  EPR، بطور مثال ، ممكن است شما بدانيد كه يكي از فوتونهاي موجود در يك جفت فوتون بصورت قائم قطبيده شده است ، بنابراين فوتون ديگر بايد بصورت افقي قطبيده شده باشد . اما قطبش فوتونها بسادگي ميتواند عكس اين حالت هم باشد . سوال اين است كه چرا يكي از احتمالات به وقوع مي پيوندد ولي احتمال ديگر نه . حرف اورت اين بود كه هردو احتمال قطعا روي ميدهند ، اما در "جهان هاي مختلف" . او مسئله را به اين صورت بيان كرد كه هرگاه يك اندازه گيري كوانتومي انجام ميگيرد ، جهان هاي مختلف از هم "جدا" ميشوند و براي هريك از پيامدهاي ممكن يك جهان وجود خواهد داشت . ما به ايت دليل يك نتيجه خاص را مي بينيم كه در جهاني زندگي ميكنيم كه اين نتيجه در آن روي ميدهد . در جهان هاي ديگر ، همتايان ما يكي ديگر از نتايج را ميبينند و چنين چيزي در هر تعداد جهاني كه شما دوست داشته باشيد روي ميدهد.
جهان هاي بيشمار اورت ، در محتواي شيوه نظريه كوانتومي هيچ تغييري ايجاد نميكند . اگر دوست داشته باشيد ميتوانيد آنرا تعبيري متافيزيكي از همان نظريه قديمي درنظر بگيريد . حتي در اين مورد كه آيا اين "جهان هاي ديگر" واقعي هستند يا نه ، ميتوان بحث كرد . اما نگاه كردن به جهاني غير از جهان خود ، به معناي اصل عدم قطعيت خواهد بود . بعنوان مثال ، چنين چيزي به اين معناست كه ميتوان سرعت يك الكترون را در يك جهان و موقعيت آنرا در جهاني ديگر اندازه گرفت و سپس نتايج بدست آمده در اين دو جهان را با هم تركيب و به اين وسيله بر محدوديت هايزنبرگ غلبه كرد.
بنابراين به محض اينكه يك اندازه گيري اين جهان هاي جدا از هم را توليد كند ، آن جهان ها بايد دقيقا و كاملا جدا از هم باقي بمانند . آيا اين جهان ها واقعي هستند؟ اين شما هستيد كه در اين مورد تصميم ميگيريد . بحث در مورد "تفسير" هاي نظريه كوانتومي بحث تازه اي نيست و ممكن است گروهي به بي نتيجه بودن آن معتقد باشند زيرا همه آن گفته ها به نتايج عملي يكساني ميرسند . در واقع ، اين سوالي است كه پاسخ آن به شما برميگردد كه چه تصوير ذهني از جهان كوانتومي را دلپذير مي يابيد.
در هر حال اثبات اينكه نظريه كوانتومي با فيزيك كلاسيك تفاوت بنيادي دارد ، امكانپذير بوده است . در سال 1964 ، "جان بل" به يك قضيه ساده و جالب دست يافت كه اكنون به نام او خوانده ميشود . اين قضيه مربوط به آزمايش EPR است كه در آن ، طبق معمول جفتهايي از ذرات كه درهم تنيده اند به جهات مختلف فرستاده ميشوند . بل در مورد اين مسئله مي انديشيد كه اگر در دو آزمايش مجبور نباشيم همواره قطبش فوتون را در يك جهت از پيش تعيين شده اندازه گيري كنيم بلكه بين زواياي مختلف ، يكي را بصورت تصادفي براي اندازه گيري قطبش انتخاب كنيم ، چه روي خواهد داد.
از ديدگاه كلاسيكي ، وقتيكه دو ذره EPR در مسيرهاي جداگانه روانه ميشوند ، نميتوانند بر يكديگر تاثير بگذارند . مطابق نظريه كوانتومي ، ارتباط شبح گون باقي ميماند  ، اما صحبت درباره چگونگي اين ارتباط و يا يافتن راهي براي سنجيدن آن مشكل است . قضيه بل در واقع همين كار را انجام ميدهد . اين قضيه ميگويد كه در يك رشته از اندازه گيري هاي انجام شده بر جفت ذره هاي متوالي ، تفاوتهاي آماري بين تصاوير كوانتومي و كلاسيكي پديدار ميشوند . ذرات كوانتومي بيشتر از ذرات كلاسيكي به هم وابسته اند و اين نتيجه را ميتوان با انجام آزمايشهاي رياضي ساده روي نتايج بدست آمده از يك رشته اندازه گيري انجام شده بر جفتهاي EPR ، بدست آورد.
بل كميتي رياضي را به فرمول درآورد كه بنابر نظريه كوانتومي ، مقدار آن از مقاديري كه تمامي تصاوير كلاسيكي دراختيار ميگذارند بزرگتر است . بيست سال طول كشيد تا قضيه بل با موفقيت به محك زده شود . انجام آزمايشهاي مورد نياز با دقت و قابليت اطمينان كافي در اين خصوص كاري دشوار بود . اما در سال 1982 "آلن آسپه" از دانشگاه پاريس موفق به انجام آن شد.
پاسخ درست را نظريه كوانتومي داد كه اگر هيچ خاصيتي نداشت ، حداقل موجب شد تا تمامي آرزوهاي فروخفته كساني كه در انتظار بازگشت فيزيك كلاسيك به اوج شكوه اوليه اش بودند ، فروبريزد . علاوه بر اين ، آزمايش قضيه بل توسط آسپه نشان داد كه هر تلاشي براي بازسازي مكانيك كوانتومي به عنوان يك نظريه شبه كلاسيكي ، محكوم به شكست است . نظريه كوانتومي چيزي كاملا متفاوت است و همواره متفاوت خواهد ماند.
در اصل ، ماهيت اين تفاوت ، مفهومي است كه " ناجايگزيدگي" (Non-locality) خوانده ميشود . فيزيك كلاسيك ، قانون شديدا جايگزيده اي از علت و معلول را به نمايش ميگذارد . چيزي كه در نقطه A روي ميدهد ، تنها در نقطه A ميتواند اثر احظه اي داشته باشد و اگر اين اثر در نقطه B احساس شود ، يك تاثير فيزيكي بايد از A به B رفته باشد كه اين عمل مستلزم صرف زماني معين است.
نظريه كوانتومي ناجايگزيده است . در آزمايش EPR اندازه گيري در نقطه A ، يك اثر ناپيدا ، لحظه اي ، و (بنابر قضيه بل) قابل اندازه گيري در نقطه B دارد . بحث در مورد اينكه آيا عاملي فيزيكي (مادي) از A به B ميرود يا نه ، همواره بوجود داشته و هنوز به نتيجه مشخصي نرسيده است . در نظريه بوهم ، موج راهنما اين اثر لحظه اي را منتقل ميكند . در نگرش اورت ، ناجايگزيدگي در جهان هاي بيشمار پاشيده شده است . به هر شكل كه به آن نگاه كنيد ، ناجايگزيدگي ، حتما در جهان كوانتوم به وقوع مي پيوندد و هيچ راهي براي فرار از آن وجود ندارد.