فیزیکدانان هنوز بر سر اینکه واقعاً چه اتفاقی در حال رخ دادن است، اختلاف نظر دارند.
بر اساس گزارشی که چهارشنبه در مجله علمی معتبر Nature منتشر شد، با وجود اینکه نظریه مکانیک کوانتومی در طول قرن گذشته زندگی روزمره ما را دگرگون کرده، هنوز نمیدانیم این نظریه چگونه کار میکند.
عبارت معروف “خفه شو و فقط حساب کن!” یکی از نقلقولهای مشهور در فیزیک کوانتومی است که ناامیدی دانشمندان را در مواجهه با یکی از بزرگترین پارادوکسهای علمی جهان به تصویر میکشد.
در طول صد سال گذشته، معادلات مبتنی بر مکانیک کوانتومی همواره با دقت بالا رفتار اجسام بسیار ریز را توصیف کردهاند.
اما هنوز هیچکس نمیداند در ورای این ریاضیات، در واقعیت فیزیکی چه رخ میدهد.
از کجا شروع شد؟
ماجرا از اوایل قرن بیستم آغاز شد، زمانیکه دانشمندان متوجه شدند قوانین کلاسیک فیزیک برای ذرات کوچکی مثل اتمها کاربرد ندارند.
بهطرز عجیبی، فوتونها و الکترونها همزمان مانند ذره و موج رفتار میکنند. آنها حتی میتوانند همزمان در چند مکان مختلف باشند و چند انرژی یا سرعت مختلف داشته باشند!
در سال ۱۳۰۳، اروین شرودینگر (فیزیکدان اتریشی) و ورنر هایزنبرگ (فیزیکدان آلمانی) مجموعهای از ابزارهای ریاضی پیچیده طراحی کردند که مکانیک کوانتومی را بر اساس احتمال توصیف میکردند. این توابع موجی امکان پیشبینی نتایج اندازهگیری ذرات را فراهم کردند.
همین معادلات زمینهساز توسعه بسیاری از فناوریهای مدرن شدند، از جمله لیزرها، چراغهای LED، دستگاههای MRI، و ترانزیستورهایی که در رایانهها و گوشیهای همراه استفاده میشوند.
اما پرسش اصلی همچنان پابرجاست: واقعاً چه چیزی در دنیای پشت ریاضیات در جریان است؟
گربهای گیجکننده
برای بزرگداشت صدمین سال شکلگیری مکانیک کوانتومی، ماه گذشته بیش از هزار فیزیکدان برجسته جهان در جزیره هلیگولند آلمان، جایی که هایزنبرگ معادله معروفش را نوشت، گرد هم آمدند.
از میان آنها، ۱۱۰۰ نفر در نظرسنجی مجله Nature شرکت کردند. نتایج این نظرسنجی نشان داد که اختلافنظر چشمگیری در میان فیزیکدانان درباره تفسیر واقعیت در نظریه کوانتوم وجود دارد.
بیش از یکسوم (۳۶ درصد) از پاسخدهندگان، طرفدار تفسیر مشهور “کپنهاگی” بودند که رایجترین برداشت از مکانیک کوانتومی است.
در فیزیک کلاسیک، هر چیز دارای ویژگیهای مشخصی مثل موقعیت یا سرعت است — چه ما آن را اندازه بگیریم یا نه.
اما طبق تفسیر کپنهاگی (که توسط هایزنبرگ و نیلز بور در دهه ۱۲۹۸ ارائه شد)، این در قلمرو کوانتومی صادق نیست.
بر اساس این نظریه، تنها زمانیکه یک ناظر ذره کوانتومی را اندازهگیری میکند، آن ذره در یکی از حالتهای ممکن “ثابت” میشود. این فرآیند با عنوان “فروریزش تابع موج” شناخته میشود.
نماد مشهور این مفهوم، گربه شرودینگر است — گربهای در جعبه که تا زمانیکه در آن را باز نکردهاید، همزمان زنده و مرده است.
فیلسوف فیزیک، دسیو کراوزه از برزیل، در گفتوگو با Nature گفت: «تفسیر کپنهاگی سادهترین مدلی است که در اختیار داریم.»
او افزود: «با وجود اینکه این تفسیر ایراداتی دارد — مثلاً توضیح نمیدهد چرا اندازهگیری باعث این فروریزش میشود — اما سایر گزینهها ایرادهای بدتری دارند.»
ورود جهانهای موازی
اما اکثریت دانشمندان شرکتکننده از دیگر نظریهها حمایت کردند.
۱۵ درصد از آنها به تفسیر “جهانهای متعدد” (Many-Worlds Interpretation) رأی دادند؛ نظریهای که میگوید ما در یک جهان چندگانه (مولتیورس) زندگی میکنیم.
طبق این نظریه، تابع موج هیچگاه فرو نمیریزد. بلکه بهجای آن، جهان در هر وضعیت ممکن، به یک جهان موازی جدید منشعب میشود.
در نتیجه، وقتی یک ناظر موقعیت ذرهای را اندازه میگیرد، فقط در جهان خودش آن موقعیت را میبیند — در حالیکه در جهانهای دیگر، موقعیتهای دیگر محقق شدهاند.
شان کارول، فیزیکدان نظری آمریکایی در این نظرسنجی گفت: «این دیدگاه نیازمند بازتعریف کامل شهود ما از جهان است — اما به نظر من این همان چیزی است که از یک نظریه بنیادی انتظار داریم.»
سؤالهای بیپاسخ
دانشمندان بر سر بسیاری از پرسشهای بزرگ این حوزه هنوز اختلاف نظر دارند.
مثلاً:
آیا مرزی مشخص بین دنیای کوانتومی و دنیای کلاسیک وجود دارد که قوانین فیزیک در آن تغییر میکنند؟
۴۵ درصد گفتند بله، و دقیقاً همین تعداد هم گفتند خیر.
فقط ۲۴ درصد مطمئن بودند که تفسیر انتخابیشان درست است.
و سهچهارم آنها معتقد بودند که در آینده نظریهای جامعتر جایگزین مکانیک کوانتومی خواهد شد.
