هنگامی که صحبت از مکانیک کوانتوم می‌شود، افراد بدون لحظه‌ای که می‌گویند، زیاد می‌شوند: این که ذرات در آن واحد می‌توانند در هر مکان حضور داشته باشند. توضیحات بیشتر در این خصوص را از قلم یک فیزیک دان بهنام سابین هاسن‌فلدر در مقاله زیر میخوانیم.

مکانیک کوانتوم دنیایی عجیبی دارد. اگر به یک شی نگاه کنید تغییر می‌شود. اگر با سرعت حرکت آن اطلاع داشته باشید نمی‌توانید مکان آن را مشخص کنید. همچنین این به نظر می‌رسد که اندازه‌گیری‌هایی را که در گذشته انجام شده، می‌توان بعداً حذف کرد. ذرات گاهی اوقات مانند رفتار می‌کنند و همزمان می‌توانند در دو مکان حضور داشته باشند. گربه ها ممکن است هم زنده و هم مرد باشند. اینها چیزهایی است که هنگام صحبت در مورد مکانیک کوانتوم به ذهنمان خطور می‌کند. اما آیا واقعاً همه این موارد اتفاق می‌افتد؟

مکانیک کوانتوم درکل یک نظریه شگفت انگیز و معتبر است که از تمام آزمون های طراحی شده برای سنجش اعتبار آن برآمده است. این نظریه مقدمه پیشرفت‌های فناوری‌های قرن گذشته بوده است چراکه تجهیزات الکترونیکی بدون داشتن سطح انرژی مجزا، که به‌لطف مکانیک کوانتوم از آن‌ها، چه عملکردی می‌توانستند داشته باشند؟ ما به روش‌های ریاضی برای توضیح مکانیک کوانتوم دست پیدا کنیم، اما هنوز بعد از یک قرن بحث و مناظره به‌طور دقیق نمی‌دانیم که ریاضیات مکانیک کوانتوم چه معنی می‌تواند داشته باشد.

مقاله مرتبط:

برای مثال این ایده را در نظر بگیرید: ذرات می‌توانند در آن واحد در هر مکانی حضور داشته باشند. ما می‌دانیم که ذرات می‌توانند در یک لحظه در یک مکان حضور داشته باشند، مثلاً یک الکترون با برخورد به یک نقطه خاص از خود به جا می‌گذارد. همان‌طور که انتظار داریم می‌توانم از این ذرات در مکانیک کوانتوم به‌عنوان بخشی از راه‌حل‌های احتمالی استفاده کنم.

اما مکانیک کوانتوم یک نظریه خطی است. به این معنا که اگر ذرات منفرد در مکانهای خاص حضور داشته باشند، در این صورت باید مجموع ذرات نیز همین رفتار را داشته باشند. ما به این مجموع ذرات، برهم‌نهی می‌گوییم. اکنون به یک ذره در یک مکان مشخص به‌اضافه‌ای همان ذره در مکانی دیگر چه باید گفت؟ در این وضعیت دو ذره، چون در آن صورت آن‌ها را با دستیابی به توصیف می‌کردیم نه جمع. در این صورت اگر بگوییم در این وضعیت مجموع دو ذره وجود دارد آیا به‌معنی وجود هم‌زمان ذره در هر مکانی است؟ این عبارت است که زیاد به‌گوش می‌رسد شاید واقعاً اینطور باشد.

اما برهم‌نهی واقعاً چیست؟ برهم‌های یک روش ریاضی برای توصیف پدیده‌های این است که مشاهده می‌کنیم. ما به برهم‌نهی نیاز داریم چون این پدیده می‌تواند ویژگی‌های موج‌های ذرات را توضیح دهد. تداخل موج‌ها در سطح آب‌مانند پدیده‌های خنثی‌شوندگی هنگام تداخل نقطه‌ی اوج یک با پایین‌ترین نقطه‌ای دیگر یک پدیده کوانتومی نیست، بلکه فیزیکدانان به آن پدیده کلاسیک می‌گویند. اما آنطور که به نظر می‌آید ذرات منفرد نیز می‌توانند با خود تداخل پیدا کنند. وقتی یک ذره‌ای منفرد از نور، به‌نام فوتون، از داخل دو شکاف باریک در یک صفحه یا شکاف دوبل، عبور می‌کند نتیجه همانی است که انتظار داریم: ظهور یک نقطه نورانی در پرده‌ای قرار گرفته در پشت صفحه. اما اگر همین کار را برای عکس‌های بیشتر انجام می‌دهد با گذشت زمان یک الگوی تداخلی از نقاط نورانی به‌شکل شکاف دوبل روی پرده شکل می‌گیرد.

ذرات منفرد نیز می‌توانند با خود تداخل پیدا کنند

تنها روش توضیحی به‌وجودن الگوی تداخلی می‌دهد که بگوییم هر ذره از مجموع، یا برهم‌نهی، دو مسیر تشکیل می‌شود که یکی از آن‌ها از شکاف سمت چپ و دیگری از شکاف در سمت راست عبور می‌کند. پس شاید راحت تر باشد اینطور بگویم که یک ذره از هر دو مسیر عبور می کند.

اما به دو دلیل از این استفاده نمی‌کنم. دلیل اول این است که برهم‌نهی در فضای واقعی وجود ندارد. برهم‌نهی در یک ساختار ریاضی انتزاعی تعریف می‌شود که به آن فضای هیلبرت می‌گویند. این فضای ریاضی هیچ شباهتی به فضای موجود ندارد. به‌همین دلیل نمی‌توانیم کلمات مناسبی برای توصیف آن پیدا کنیم. این فضای انتزاعی به این دنیا تعلق ندارد و کلا چیز دیگری است.

برهم‌نهی‌های بعدی این است که با وجود مشکلی در تعریف ریاضی نمی‌توان آن‌ها را مشاهده کرد. وقتی ما به یک ذره نگاه می‌کنیم آن را در یک مکان مشخص می‌بینیم. ذره می‌تواند در یک مکان خاص قرار داشته باشد یا باشد. اگر بخواهیم با استفاده از اندازه‌گیری بفهمیم که عکس‌ها از کدام شکاف گذشته است، الگوی تداخلی ناپدید می‌شود. پس چرا باید بگویم که یک ذره از هر دو مسیر می‌کند در حالی‌که نمی‌توانم ذره را هنگام انجام این کار مشاهده کنیم؟

ذرات کوانتومی

پس به ناچار باید حقیقت را گفت نسبتاً خسته‌کننده این است که برهم‌نهی‌ها تنها ساختارهای ریاضی با ویژگی‌های خاص هستند و ما در دنیای واقعی نمی‌توانیم آن‌ها را بتوانیم از این‌رو تشابه و استعاره‌های مورد استفاده برای توصیف آن‌ها نادرست استفاده کنیم. مکانیک کوانتومی برای ما عجیب و غیرقابل‌درک به نظر می‌رسد به این دلیل که سعی کنید با همان کلمات آن را توصیف کنید که برای تجربه‌های زندگی روزمره استفاده می‌شود. همین موضوع منشأ مقالات علمی محبوب در مورد ویژگی‌ها و آزمایش‌های عجیب مکانیک کوانتوم است، مانند مقالاتی که درمورد جداسازی ویژگی‌های یک شی از خود آن‌گونه جداسازی خنده‌ها از گربه‌های کوانتومی چشر (گربهی چشر نام یک شخصیت خیالی در داستان آلیس در سرزمین عجایب است) نوشته شده است. انجام شده یا آزمایش‌هایی است که به‌ظاهر نشان می‌دهد چیزی به‌نام وجود ندارد. این مقالات و نتیجه‌گیری‌ها نه‌تنها برای شما بلکه برای من نیز بی‌معنی به نظر می‌رسند. و دلیل آن نیز ساده است: این حرف‌ها واقعاً بی‌معنی هستند.

اینجا باید اعتراف کنم که من یک ابزارگرا هستم. فکر نمی‌کنم که ریاضیات نظریه‌های ما به‌خودی‌خود واقعی باشند. برای من راحت تر است که بگویم ریاضیات ابزاری برای توصیف طبیعت هستند و نه بیشتر. من مشکلی با برهم‌نهی‌ها در فضای ریاضی انتزاعی ندارم، البته تا زمانی که پیش‌بینی‌های خوبی از مشاهدات ما ارائه‌دهنده باشد. کاری که به‌خوبی انجام می‌شود.

مقاله مرتبط:

اما من نویسنده‌ای علمی نیز هستم و به همین دلیل می‌توانم اشکال کار را برای تشخیص دهم: پرت کردن تفسیر ریاضی پیچیده به‌سمت خوانندگان از همه‌جا بی‌خبر روش خوبی برای جمع‌آوری مخاطب نیست. هدف ما توضیح مفاهیم ریاضی ازطریق ابزارهای ریاضی است و شاید این کار خسته‌کننده به قیمت دست دادن خوانندگان تمام شود. برخی از تلاش‌ها می‌توانند تا با فاصله گرفتن از نوشتار علمی و خودداری از استفاده دقیق از عباراتی مانند برهم‌کاری و فضای هیلبرت، آن را در تیتر مقالات خود از گربه‌های کوانتومی چشر و عبارات پوچ دیگر استفاده کنند. این یک دوراهی گیج‌کننده است: از یک سو استفاده از عبارات علمی و دقیق اما خسته‌کننده برای مخاطبان عادی و ازسوی دیگر از تیترهای اغواکننده به‌قیمت سردرگمی آن‌ها و دور شدن از نگارش علمی. اما اعتراف کنم که من باید گاهی از عبارت‌هایی مانند «هم‌زمان در دو مکان» استفاده کنم و در آینده نیز استفاده خواهم کرد چراکه همه خواننده‌های من با این عبارات آشنا هستند.

بااین‌حال باید هرازچندگاهی از عبارت‌های علمی در مقالات استفاده شود تا خوانندگان در بلندمدت با این عبارات آشنا شوند. این اتفاق پیش از این نیز روی داده است؛ اکنون عباراتی مانند میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و حتی الکترومغناطیس برای ما نامأنوس مخالف. این عبارات نیز ماهیت‌های ریاضی انتزاعی دارند که در تجربیات مستقیم ما نمی‌گنجد. اما الکترومغناطیس به یکی از بخش‌های اصلی آموزش دبیرستانی تبدیل می‌شود از این‌رو حرف زدن در مورد آن برای ما راحت و قابل فهم است.

با اقدام به اندازه‌گیری کوانتومی محو می‌شوند

دلیل دیگری نیز وجود دارد که چرا نباید وانمود کرد عدم در پیدا کردن کلامی مناسب برای توصیف ریاضیات یک معمای اسرارآمیز است، چراکه این کار توجه ما را از مشکل واقعی مکانیک کوانتوم منحرف می‌کند. شاید با خود فکر کنید که من از آن دسته افرادی که دوست دارند از کلمات استفاده کنند و ساعاتی را سر خود را پایین بیاورید و حساب کنید. اما دقیقاً به‌همین دلیل است که من مشکل دیگری با مکانیک کوانتوم دارم. مکانیک کوانتوم به ما می‌گوید که هنگام گرفتن چه اتفاقی می‌افتد. اما توضیح نمی دهد که اندازه گیری چیست. منانتوانیم “رحههههههمههههههههههههههههههههههههههمهمههههههههههههههههرههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههههه

عدم توانایی ما در درک ناپدید شدن پدیده‌های کوانتومی به‌خوبی توسط اروین شرودینگر و گربه‌ی مشهور او به‌تصویر کشیده شده است. شرودینگر پیشنهاد طرح آزمایشی را داد که در آن یک اتم که احتمال آن پنجاه درصد است می‌تواند باعث آزادسازی یک داروی سمی شود و درنهایت باعث مرگ شود یا نشود. این ایده می‌دهد که برهم‌نهی‌ها در غیاب عمل اندازه‌گیری می‌توانند تا حد ماکروسکوپیک برجسته شوند. اما هیچگاه نمی توانی را که همزمان زنده و مرده است، درون جعبه پیدا کنی. پس قضیه از چه قرار است؟

مقاله مرتبط:

پاسخ استاندارد برای این معما این است که وضعیت در حال اندازه گیری ادامه دارد. این اندازه گیری توسط ما انجام نمی شود؛ بلکه توسط مولکولهای هوا یا حتی تشعشعات ساطع شده در پسزمینه ریزموجهای کیهانی انجام می شود. بر اساس این پاسخ اندازه گیری ها باعث ناپدیدشدن سریع پدیده های کوانتومی می شوند. در واقع این پاسخ بیشتر شبیه به داستان سرایی است که از راه حل های ریاضی نگرفته است. برای شخص کم‌حرف و محاسبه‌گری مثل من این یک مشکل واقعی است.

درنهایت به‌نظر من داستان‌های اسرارآمیز را در مورد کوانتوم در رسانه‌ها ترویج می‌کند. بله، مکانیک کوانتوم عجیب است؛ اما وانمود نکنیم که کوانتوم عجیب‌تر از آن چیزی است که واقعاً هست.

اگر دوست داشتی امتیاز دادن یادت نره!