معمای واقعیت کوانتومی: از تفسیر کپنهاگی تا دنیاهای چندگانه

گفتیم که حفره عمیقی در قلب فیزیک کوانتومی وجود دارد که معضل اندازه گیری یکی از ملموس‌ترین نمودهای آن است. و پرسیدیم که بالأخره تکلیف‌مان با معادله شرودینگر چیست؟

پاسخ واقع‌گرایانه این است که فیزیک‌دانان اغلب فیزیک کوانتومی را فیزیک اجسام بسیار ریز قلمداد می‌کنند. ما معمولاً چنین فکر می‌کنیم که معادله شرودینگر برای اجسام بزرگ‌تر صادق نیست – اجسامی نظیر میز و صندلی و هر چیز دیگری که در زندگی روزمره می‌بینیم. این مسئله باعث می‌شود این‌طور فرض نماییم که اجسام بزرگ‌تر از قوانین نیوتن پیروی می‌کنند و هنگامی که یکی از این همین اجسام با شیئی از دنیای ریز کوانتومی وارد تعامل می‌شود، معادله شرودینگر نیز رنگ می‌بازد. این فرض اغلب می‌تواند ما را به پاسخ مورد انتظارمان برساند. ولی با این وجود، هیچ فیزیک‌دانی قلباً باور ندارد که اساس کار جهان این شکلی باشد. مطالعات صورت گرفته در طی چند دهه اخیر نشان داده است که فیزیک کوانتومی برای اجسام بزرگ‌تر نیز صادق است و امروزه کم‌تر کسی پیدا می‌شود که حاکمیت آن را بر هر جسمی با هر اندازه‌ای زیر سؤال ببرد. شاید این نکته را فراموش کرده باشیم که فیزیک کوانتومی در عرصه کیهان‌شناسی فیزیکی به شکلی کاملاً موفق توانسته بزرگ‌ترین جسم ممکن را توصیف نماید؛ که جهان ماست.

ولی اگر فیزیک کوانتومی واقعاً در تمامی مقیاس‌ها نمود پیدا می‌کند، معضل اندازه گیری این وسط چه می‌گوید و چگونه می‌توان به آن پاسخ داد؟ در دنیای کوانتوم چه می‌گذرد؟ قبل‌ها پاسخ استاندارد این بود که چیزی به اسم معضل اندازه گیری وجود ندارد؛ چرا که وقتی کسی حواسش به چیزی نیست بی‌معنی است اگر بخواهیم راجع به رویدادهای در حال اتفاق سؤال کنیم. رویدادهای در حال جریان، هنگامی که توجه کسی معطوف به آن نیست، مشاهده ناپذیر محسوب می‌شوند و صحبت کردن راجع به مشاهده‌ناپذیرها بی‌معنی است. گزاره فوق به تفسیر کپنهاگی (Copenhagen interpretation) فیزیک کوانتومی شهرت یافته است. دلیل نامگذاری آن هم به محل تولد نیلز بور (Niels Bohr)، فیزیک‌دان دانمارکی، باز می‌گردد. بور پدرخوانده فیزیک کوانتومی بود و بیشترین نقش را در شکل‌گیری تفسیر کپنهاگی داشت.

علی‌رغم وجه تسمیه خود که اغلب موجب شده به عنوان پاسخی پیشفرض به سؤالات بی‌پاسخ کوانتومی محسوب شود، تفسیر کپنهاگی رسایی کافی را در خود نمی‌بیند. این تفسیر قادر به توضیح دادن رویدادهای در حال جریان در دنیای فیزیک کوانتوم نبوده و قادر نیست توجیهی در رابطه با علت کارآمد بودن فیزیک کوانتومی ارائه دهد. شاید به این دلیل که نمی‌تواند به نمونه‌هایی شبیه به ساختارهای ریاضی‌وار – که قلب این نظریه را تشکیل می‌دهد – را در دنیای واقعی پیدا کرده و به آن اشاره کند. منطق الزام‌آوری مبنی بر بی‌معنی خواندن اجسام مشاهده‌ناپذیر وجود ندارد. حتی خود کلمه “مشاهده‌ناپذیر” خیلی بهتر از واژه “اندازه‌گیری” تعریف نشده است. از همین رو، بی‌معنی خواندن چیزهای مشاهده ناپذیر نه تنها احمقانه است، بلکه گنگ و نامفهوم نیز می‌باشد. همین مبهم بودن است که از آغاز به تفسیر کپنهاگی کمک کرده؛ به طوری که امروزه، تفسیر کپنهاگی به نوعی برچسب فراگیر برای توصیف نمودن تعدادی از ایده‌های متناقض مربوط به فیزیک کوانتومی تبدیل شده است.

علی‌رغم تمام این مشکلات، تفسیر کپنهاگی در جامعه فیزیک قرن بیستم غالبیت داشته است. دلیل آن هم این است که تفسیر نیلز بور بدون پیش پا کشیدن سؤالات پاسخ داده نشده، امکان انجام محاسبات دقیق را فراهم می‌آورد. با این حال، طی سه دهه اخیر، تفسیر کپنهاگی به حاشیه رانده شده است. خیلی از فیزیک‌دانان ادعای حمایت از آن را دارند – و آن طور که نتایج پایش‌ها نشان می‌دهد اکثر فیزیک‌دانان هم‌چنان آن را دنبال می‌کنند – ولی امروزه گزینه‌های جدیدتری وارد کار شده که بسیار خوب نیز حمایت می‌شوند.

مقاله مرتبط: با نظریه‌هایی که دنیای علم را متحول کرده‌اند، آشنا شوید!

یکی از مشهورترین گزینه‌های جدید تفسیر دنیاهای چندگانه (Many-worlds Interpretation) می‌باشد که معتقد است معادله شرودینگر همیشه حاکم بوده و تابع موج نیز دچار فروپاشی نمی‌شود؛ بلکه در عوض، جهان به طور مداوم تقسیم شده و تمامی پیامدهای محتمل برای تمامی رویدادها در جایی از این مولتی ورس (multiverse) به وقوع می‌پیوندد.

مقاله مرتبط: فرضیه چندجهانی: تئوری علمی یا دیوانگی ابطال‌ناپذیر؟

نظریه موج خودران (Pilot-wave theory) نیز از گزینه‌های مطرح به حساب می‌آید. بر اساس این نظریه، ذرات کوانتومی متحرک توسط موج‌ها هدایت می‌شوند که در ادامه می‌توانند تأثیرات سریع تر از نور (faster-than-light) روی امواج دوردست اعمال کنند. (باید توجه داشت که این نوع از تأثیر نمی‌تواند برای ارسال انرژی و یا سیگنال با سرعتی سریع‌تر از نور استفاده شود.).

این دو نظریه با این که دو تصویر بسیار متفاوت از واقعیت ترسیم می‌کنند، ولی هر دو با ریاضیات حاکم بر مکانیک کوانتومی هم‎‌خوانی کامل دارند. تعدادی از نظریه‌های دیگر هم وجود دارند که به بعد ریاضی فیزیک کوانتومی توجه ویژه نشان داده‌اند؛ مانند نظریه گیراردی-ریمینی-وبر (Ghirardi-Rimini-Weber) یا فروپاشی خودبخودی. بر اساس این نظریه، فروپاشی تابع موج هیچ‌گونه ارتباطی به اندازه گیری پیدا نمی‌کند و رویدادی طبیعی است که به صورت تصادفی به وقوع می‌پیوندد.

شمار زیادی از گزینه‌های دیگر نیز وجود دارد. مبانی کوانتوم (quantum foundations) یکی از رشته‌های پویایی است که به حل نمودن معضل اندازه گیری و پاسخ به سایر سؤال‌های مرتبط با فیزیک کوانتومی می‌پردازد. حفرۀ فیزیک کوانتومی هم‌چنان باپرجاست – ولی طی سال‌های گذشته کلی نظریه جذاب مطرح شده که به بخشی از این سوالات پاسخ می‌دهند. شاید این ایده‌های جدید بتوانند به حل نمودن و پیشبرد سایر مسائل فیزیکی نیز کمک کنند؛ مانند نظریه گرانش کوانتومی یا نظریه همه چیز (theory of everything) که غایی‌ترین هدف فیزیک‌دانان بعد از آلبرت اینشتین بوده است.