کیاران لی، نویسنده‌ی این مقاله، محقق کوانتوم در کالج دانشگاهی لندن است.
اعترافی در محضرتان دارم: من از فیزیک کوانتوم خسته شده‌ام. این اعتراف برای یک فیزیکدان عجیب است، ولی موفق‌ترین نظریه‌ی فیزیک مدرن کم‌کم جذابیتش را برای من از دست می‌دهد. شاید برای لذت بردن از کنش شبح‌وار یا تصادفی بودن آن، زیادی بزرگ شده باشم. البته احتمال دیگری هم هست، علیرغم موفقیت‌های بسیار و راهی که با آن تصور عمومی را قبضه کرد، نشانه‌هایی وجود دارد مبنی بر این که مکانیک کوانتوم آنقدر که برخی باور دارند تصویر درستی از واقعیت ارائه نمی‌دهد.
چیزی که واقعاً مرا به هیجان بیاورد، نظریه‌ای است که شاید چیزی بیشتر از یک تقریب برای نظریه‌ای عمیق‌تر و یکپارچه‌تر ولی خارج از دسترس ما نباشد. شواهد؟ سؤال‌هایی بنیادین وجود دارند که فیزیک کوانتوم به سادگی جواب می‌دهد: نمی‌دانم. همچنین پیش‌بینی‌هایی از برخی نظریات می‌شنویم که با اساس فرضیات کوانتوم تطابق ندارد. در ادبیات این نظریه، اگر وجود داشته باشد، دیگر چیز عجیب و غریبی درباره‌ی فیزیک کوانتوم وجود ندارد، دنیا دیگر جایی نیست که علت بر معلول تقدم داشته باشد و اطلاعات می‌توانند برای همیشه گم شوند. فیزیک کوانتوم خودش مسیر رسیدن به چنین نظریه‌ای است ولی باید برای این کار به پیش رفت.
برای فراتر رفتن از فیزیک کوانتوم، ابتدا باید به تولد این نظریه توجه کنیم. در آغاز قرن بیستم، قبل از این که اصلاً واژه‌ی “کوانتوم” مصطلح شود، دیدگاه گسترده‌ای بین صاحب نظران وجود داشت که می‌گفت فیزیک، کم و بیش کامل شده است. در اوایل همین قرن، لرد کلوین، اعلام کرد که فیزیک تقریباً کامل شده است و فقط اسرار کوچکی باقی مانده که از آن‌ها بی‌خبریم.
پنج سال از این اظهار نظر نگذشته بود که سر و کله فیزیک کوانتوم پیدا شد و دقیق‌ترین تصویر ما را از واقعیت کوچک‌ترین چیزها ارائه داد. این نظریه پیش‌بینی‌های عجیب و غریبی با خود آورد که در فیزیک کلاسیک غیرممکن به نظر می‌رسند: دانستن مکان یک شیء شما را از اندازه‌گیری تکانه‌ی آن بازمی‌دارد و ذراتی با فاصله‌های دور از هم می‌توانند به قدری سریع با هم به تبادل اطلاعات بپردازند که بیشتر از سرعت نور است.
پس چرا کسی وقوع این انقلاب را پیش‌بینی نمی‌کرد؟ خوب، بیشتر اثرات کوانتومی در زندگی روزمره‌ی ما غیر قابل مشاهده اند. با زوم اوت از مقیاس ذره‌ای به سطح انسانی، فیزیک کوانتوم به فیزیک کلاسیک تقلیل می‌یابد. ما باید صبر می‌کردیم تا ابزارهای آزمایشگاهی کنترل کافی را بر طبیعت به دست بیاورند تا ویژگی بی‌ثبات کوانتومی آن را نشان دهیم. اگر فیزیک کوانتوم خودش محصول انقلاب است، هر نظریه‌ای در آینده به طور مشابهی باید در مقیاس آزمایشگاهی به فیزیک کوانتوم تقلیل یابد.
بیشتر بخوانید:
- آزمایش بزرگ بل فرضیه اینشتین را در مورد در هم تنیدگی کوانتومی نقض نمود
- معمای واقعیت کوانتومی: نقض معادله شرودینگر و ظهور معضل اندازه گیری
- آخرین جستجوهای هاوکینگ: نجات نظریه‌ی کوانتوم از دست سیاه‌چاله‌ها
- ماشین زمان کوانتوم: چگونه آینده می‌تواند چیزی را که اکنون اتفاق می‌افتد تغییر دهد؟
برخلاف تصور، بهترین نشانه‌هایی که ما درباره‌ی ناکامل بودن نظریه کوانتوم دیدیم، مربوط به فیزیک در مقیاس‌های بسیار بزرگ است. برای رسیدن به واقعیت در مقیاس کهکشان‌ها، ما ناچاریم دست به دامان نسبیت عام شویم؛ نظریه‌ای برای گرانش که در ۱۹۱۵ توسط اینشتین ارائه شد. با این که نسبیت عام و فیزیک کوانتوم هر دو موفق ظاهر شده‌اند، ولی اساساً با همدیگر ناسازگارند.
یکی از مشکلات در ارتباط با سیاه‌چاله‌ها می‌باشد. سیاهچاله نهادیست با جذب گرانشی بسیار قوی که حتی نور هم نمی‌تواند از کشش آن فرار کند. اگر ذره‌ای کوانتومی به درون آن کشیده شود، اطلاعات ویژگی‌های آن به راحتی ناپدید می‌گردد. این عمیقاً عجیب است: معمولاً، هر اطلاعات گمشده‌ای در مکانیک کوانتوم را می‌توان با وسیع کردن دیدگاه پیدا کرد. در واقع فیزیک کوانتوم می‌گوید اطلاعات هیچ وقت گم نمی‌شوند، فقط در جای اشتباهی به دنبال آن‌ها می‌گردیم. اطلاعات درباره‌ی خصوصیات فیزیکی یک ذره‌ی گمشده در سیاهچاله را نمی‌توان یافت، حتی اگر کل جهان را وارد محاسبات کنیم. این پارادوکس اطلاعات سیاه چاله‌ها، فیزیکدانان زیادی از جمله استیون هاوکینگ فقید را آزار داده است.
مشکل به همین جا ختم نمی‌شود. علّیت را در نظر بگیرید. بیشتر افراد فکر می‌کنند که تقدّم علت بر معلول چیزی بدیهی و از ابتدائیات جهان است. شاید فکر کنیم که این اثر در همه مکان‌ها و زمان‌ها اعمال می‌شود. به جای آن، نسبیت عام به هر مشاهده‌کننده‌ای، مفهوم خاصی از حال و آینده می‌دهد و بر اساس آن، افراد مختلف می‌توانند درباره‌ی ترتیب وقایع خاص با هم موافقت نداشته باشند.
برخلاف نسبیت عام، مکانیک کوانتوم قائل بر ترتیب ثابت علّی از نگاه مشاهده‌گران متفاوت است. برای تطبیق این نظریات ناسازگار، هر نظریه‌ای که فراتر از مکانیک کوانتوم باشد، باید مفهوم علیت را در نظر ما تغییر دهد.
غرائب غیرقابل پیش‌بینی
شاید مایی که پیگیر چنین نظریه‌ای هستیم خوش‌شانس باشیم که در دهه‌ی گذشته محققانی مثل لوسین هاردی در مؤسسه‌ی پریمیتر برای فیزیک نظری در کانادا مرزهای فیزیک کوانتوم را جابه‌جا کرده‌اند. آن‌ها با پیچ و تاب دادن به مفاهیم استاندارد ما، دیدگاه تازه‌ای از نظریه‌ها را مطرح نموده‌اند که در نگاه اول، شاید با واقعیت فیزیکی ما ارتباطی نداشته باشد ولی برخی از واقعیت‌های کوانتومی را حفظ کرده و اجازه می‌دهد به طور کامل نظریه‌های پسا کوانتومی ممکن مورد بررسی قرار گیرند.
همکار چندین و چند ساله‌ی من، جان سلبی (John Selby) در مؤسسه‌ی پریمیتر و من، از این‌ها استفاده کردیم و به اکتشافی جالب دست یافتیم. برای یافتن نظریه‌ای که به مکانیک کوانتوم تقلیل می‌یابد (همان طور که خود نظریه‌ی کوانتوم به فیزیک کلاسیک تقلیل پیدا می‌کند) ما اثبات کردیم که یا باید مفهوم علیّت را رها کرد، یا مفهوم پایداری اطلاعات، و یا هر دو را.
با این که فیزیک کوانتوم اغلب عجیب و غریب خوانده می‌شود، ولی با این دو پیش‌داوری ما درباره‌ی دنیای طبیعی کاری نداشته است. اکنون معلوم می‌شود که برای نائل شدن به نظریه‌ای بهتر درباره‌ی واقعیت، ما نیاز داریم به دنبال غرائبی باشیم که مکانیک کوانتوم پیش‌بینی نکرده است.
ابرهایی که در افق فیزیک کوانتوم است، شاید جلودار نظریه‌ی نهایی جایگزین آن باشد.
کاری که رافائل سورکین، محقق گرانش کوانتومی در مؤسسه‌ی پریمیتر، در دهه‌ی ۱۹۹۰ انجام داده، به ما کمک کرد تا نظریه‌ی جانشین را کمی شبیه‌سازی کنیم. سورکین یکی از تست‌های معیار در فیزیک کوانتوم، به نام آزمایش دو شکاف را در نظر گرفت. در این آزمایش ذرات یکی پس از دیگری به صفحه‌ای پرتاب می‌گردد که مانعی با فقط دو شکاف در برابر آن قرار دارد. اگر با عقل سلیم پیش برویم، در پایان آزمایش دو اثر شبیه آن شکاف‌ها باید روی صفحه دیده شود؛ چون این دو تنها محل عبور ذرات بوده است. ولی این اتفاق نمی‌افتد: تداخل کوانتومی سبب می‌شود الگویی روی صفحه شکل بگیرد که مثل یک بمباران موجی است. سورکین محاسبه کرد که اگر شکاف سومی اضافه گردد، مکانیک کوانتوم پیش‌بینی می‌کند که شبیه الگوهایی برای ترکیب هر دو شکاف با همدیگر است.
به عبارتی دیگر، هیچ اثر اسرارآمیزی با اضافه کردن شکاف سوم اضافه نمی‌شود ولی علت آن مشخص نیست. به همین شیوه، آزمایش‌ها برای بزرگی هر فرضیه‌ای مرز تعیین کرده‌اند، ولی از مشخص کردن دلیل آن عاجزند.
سلبی، من و همکارانمان نشان داده‌ایم که هر کدام از این اثرات باید پایداری اطلاعات را خدشه‌دار کند. به کلماتی دیگر، آن‌ها می‌توانند نشانه‌های نظریه‌ی پسا کوانتوم باشند.
البته درباره‌ی این که این نظریه چه خواهد بود هنوز تصمیم گرفته نشده ولی از یک چیز مطمئن هستیم: اگر فکر می‌کنید مکانیک کوانتوم عجیب است، هنوز خیلی چیزها را ندیده‌اید.
