نظریه‌ی کوآنتوم حقیقت جهان را بیان می‌کند یا آنچه ما از جهان می‌دانیم؟

فیزیک‌دان‌ها می‌دانند چطور از نظریه‌ی کوانتوم استفاده کنند، تلفن و کامپیوترهایتان این موضوع را به خوبی اثبات می‌کنند. اما توانایی استفاده از این نظریه‌ تفاوت دارد با درک جهانی که شرح می‌دهد، یا حتی درک اینکه ابزارهای ریاضیاتی‌ای که دانشمندان در این نظریه استفاده می‌کنند چه معنایی دارند. یکی از این ابزارهای ریاضی که فیزیک‌دان‌ها مدت‌هاست بر سرش بحث دارند، به اسم «حالت کوانتومی» شناخته می‌شود.

یکی از چشمگیرترین ویژگی‌های نظریه‌ی کوانتوم این است که محاسباتش، عملا تحت هر شرایطی، محتمل و غیرقطعی‌ست. اگر در آزمایشگاه آزمایشی انجام دهید و برای محاسبه‌ی نتایج اندازه‌گیری‌های مختلف‌تان از نظریه‌ی کوانتوم استفاده کنید، این نظریه در بهترین حالت می‌تواند بهتان چندین احتمال بدهد، مثلا پنجاه درصد شانس این است که این نتیجه را بگیرید و پنجاه درصد ممکن است نتیجه‌ی دیگری به دست بیاید. نقش حالت کوانتومی در این نظریه، قطعیت دادن، مشخص کردن یا دست‌کم کدگذاری کردنِ این احتمالات است. اگر حالت کوانتومی را بلد باشید، آن‌وقت می‌توانید احتمال هر نتیجه‌ی ممکن در هر آزمایش ممکنی را محاسبه کنید.

اما آیا حالت کوانتومی در نهایت جنبه‌ای عینی از واقعیت را بهمان می‌نمایاند؟ یا روشی‌ست که به واسطه‌اش خصیصه‌ای از خودمان را می‌شناسیم؟ یعنی بهمان می‌گوید یک فرد می‌تواند چه چیزی از واقعیت «بداند». این پرسش از ابتدای پیدایش نظریه‌ی کوانتوم وجود داشته اما به تازگی دوباره بر سر زبان‌ها افتاده و به مجموعه‌ای از آراء نظری تازه و حتی آزمایش‌های تجربی دامن زده.

برای متوجه شدن اینکه حالت کوانتومی چطور نشان‌دهنده‌ی دانسته‌های یک شخص است، مورد دیگری را که در آن از احتمالات استفاده می‌کنیم در نظر بیاورید. پیش از اینکه دوستتان تاسی بیاندازد شما حدس می‌زنید که چه عددی خواهد آمد. اگر دوستتان یه تاس معمولی شش‌وجهی بیاندازد، می‌گویید ۱۷ درصد (یک به شش) احتمال دارد که حدس‌تان درست باشد. در اینجا احتمالی که می‌دهید درواقع چیزی درباره‌ی شما نشان می‌دهد: اینکه شما چه اطلاعاتی نسبت به تاس دارید. مثلا فرض کنید که وقتی او تاس را می‌اندازد شما پشت‌تان به اوست و دوست‌تان نتیجه را می‌بیند – مثلا شش آمده- اما شما نه. تا جایی که به شما برمی‌گردد، نتیجه نامعلوم است، حتی با اینکه دوستتان آن را می‌داند. به احتمالاتی که عدم قطعیت یک نفر را نشان می‌دهند، حتی با اینکه واقعیتی بیرونی وجود دارد، شناخت‌شناسانه (epistemic) گفته می‌شود، که از واژه‌ای یونانی به معنای دانش می‌آید.

این یعنی شما و دوست‌تان می‌توانید احتمالاتی متفاوت را در نظر بگیرید بدون اینکه هیچ‌کدام‌تان در اشتباه باشید. شما می‌گویید احتمالا اینکه تاس عدد شش را نشان بدهد، ۱۷ درصد است، درحالی که دوستتان که از پیش نتیجه را می‌داند، می‌گوید شش بودن نتیجه صددرصد است. این یعنی هر کدام شما اطلاعات متفاوتی دارید، و احتمالات نشان‌دهنده‌ی میزان اطلاعات شماست. تنها احتمال اشتباه این است که کسی بگوید، محال است تاس عدد شش را نشان بدهد.

طی حدودا پانزده سال گذشته، برای فیزیک‌دان‌ها این سوال مطرح بوده که آیا حالت کوانتومی را باید به همین طریق شناخت‌شناسانه دانست یا نه. فرض کنید واقعیتی درباره‌ی ساختار جهان وجود دارد، چیزی مثل شکل آرایش اجزا در فضا، یا حتی نتیجه‌ی قطعی در بازی تاس، اما شما از آن خبر ندارید. حالت کوانتومی، با این رویکرد، تنها راهی برای دسته‌بندی دانش ناکافی‌مان درباره‌ی ساختار جهان است. با توجه به برخی وضعیت‌های فیزیکی، ممکن است بسته به اطلاعاتی که دارید بتوانید حالت کوانتومی را به چند طریق به‌کار ببرید.

اینطوری فکر کردن به حالت کوانتومی جذاب است؛ به این دلیل که اندازه‌گیری سیستم باعث می‌شود حالت آن سیستم تغییر کند، یعنی از حالتی که همه‌ی نتایج ممکن احتمالی غیر صفر دارند، به حالتی که تنها یک نتیجه محتمل و رخ‌دادنی است. این تا حد زیادی مثل همان تاس انداختن است، در بازی تاس در آخر می‌دانید که نتیجه شش بوده است.

عجیب است اگر فکر کنید که صرفا به‌خاطر اینکه شما چیزی را اندازه‌گیری کرده‌اید، جهان تغییر می‌کند، اما این اگر صرفا دانش شما را تغییر می‌دهد، آن‌وقت موضوع دیگر آنقدرها عجیب نیست. یکی دیگر از دلایلی که می‌توان حالت کوانتومی را شناخت‌شناسانه دانست این است که نمی‌توان تنها با یک آزمایش فهمید که حالت کوانتومی قبل از آزمایش چه بوده. این جنبه هم به بازی تاش شباهت دارد. مثلا تصور کنید که دوست دیگری برای بازی می‌آید و اصرار دارد که احتمال اینکه نتیجه شش بشود، تنها ده درصد است، ولی شما هنوز بر ۱۷ درصدتان پافشاری می‌کنید. آیا تنها یک آزمایش می‌تواند نشان دهد چه کسی درست می‌گوید؟ نه.

دلیلش این است که نتیجه‌ی واقعی -که مثلا شش آمده– با احتمالی که هر دو داده‌اید همخوانی دارد(اما در تکرار بازی، یکی از دو احتمال دقیق‌تر است.) نمی‌توان با قاطعیت فهمید که حق با کدام‌تان بوده. براساس رویکردهای شناخت‌شناسانه به نظریه کوانتومی، دلیل اینکه شما نمی‌توانید با تجربه و آزمایش اکثر حالت‌های کوانتومی را از هم تمیز بدهید، دقیقا به‌خاطر شبیه بودنش به بازی تاس است. احتمال‌های برای موقعیت فیزیکی واقعی وجود دارد اما با انواع حالت‌های کوانتومی همخوانی دارد.

راب اسپکنز، فیزیکدان موسسه‌ی پریمتر در مطالعات نظری در واترلوی اوناریتو، در سال ۲۰۰۷ مقاله‌ای تاثیرگزار منتشر کرد درباره‌ی «نظریه‌ی اسباب‌بازی» که طراحی شده تا نظریه‌ی کوانتوم را تقلید کند. نظریه‌ی اسباب‌بازی نظریه‌ی کوانتوم نبود، چون به سیستم‌های بی‌اندازه ساده محدود می‌شد، مثلا سیستم‌هایی که در نهایت دو مقدار احتمالی در خواص‌شان وجود دارد، مانند «قرمز» یا «آبی» در رنگ‌شان، یا «بالا» یا «پایین» در جهت‌شان. اما مانند نظریه‌ی کوانتوم این نظریه‌ هم شامل حالت‌هایی می‌شد که می‌توانند در محاسبه‌ی احتمالات به کار گرفته شوند. و پیش‌بینی‌هایش تا حد زیادی شبیه نظریه‌ی کوانتوم بود، دست‌کم در مورد این سیستم‌های ساده.

نظریه‌ی اسباب‌بازی اسپکنز هیجان‌انگیز بود چرا که درست مثل نظریه‌ی کوانتوم، حالت‌هایش معمولا «غیرقابل‌ تشخیص» بودند، و این غیرقابل‌ تشخیص بودن را می‌شد به‌طور کامل با سازگاری مشترکشان با وضعیت فیزیکیِ تحت مطالعه توضیح داد. به بیان دیگر، نظریه‌ی اسباب‌بازی شباهت زیادی به نظریه‌ی کوانتوم داشت و حالت‌هایش آشکارا شناخت‌شناسانه بودند. از آنجایی که غیرقابل‌ تمیز بودن حالت‌های کوانتومی، برای کسانی که به رویکرد شناخت‌شناسانه تمایل دارند، توضیح پذیرفته‌شده‌ای نیست –مسئله این است که آیا می‌توانند اصلا به توضیحی برسند یا نه– اسپکنز و دیگران این را شاهدی متقن بر این گرفتند که حالت کوانتومی هم ممکن است شناخت‌شناسانه باشد، تنها کافی‌ست نظریه‌ی اسباب‌بازی به سیستم‌های پیچیده‌تری توسعه پیدا کند. از آن زمان این موضوع به طوفانی از پژوهش‌ها دامن زده، بعضی فیزیک‌دان‌ها تلاش کرده‌اند کار اسپکنز را گسترش بدهند تا کل پدیده‌ی کوانتوم را شامل شود، و دیگران سعی در ثابت کردن اشتباه او داشته‌اند. تا اینجا به‌نظر می‌رسد که مخالفان دست بالا را گرفته‌اند. برای مثال بحث‌های زیادی بر سر مقاله‌‌ای انجام گرفته که فیزیک‌دان‌های نظری متیو پیوسی، جاتان برت، و تری رادولف در سال ۲۰۱۲ در نشریه‌ی نیچر فیزیکز منتشر کردند و ثابت کردند که اگر آزمایش‌های فیزیکی همیشه مستقل از هم انجام‌ بگیرند، هیچ ابهامی نسبت به حالت کوانتومی «درست»ی که توضیح‌شان می‌دهد وجود نخواهد داشت. دیگر حالت‌های کوآنتومی اشتباه خواهند بود، همانطور که نمی‌توان فکر کرد شانس شش آمدن در تاسی که انداخته‌ایم و شش آمده، صفر درصد است. مقاله‌ی دیگری نوشته‌ی جاناتان برت، اریک کاوالکنتی، ریموند لل و اوون مارونی که سال ۲۰۱۴ در فیزیکال ریویو لترز منتشر شد که نشان می‌داد هیچ راهی وجود ندارد که بتوان نظریه‌ی اسباب‌بازی اسپکنز را طوری گسترش داد که با سیستم‌هایی که خواص‌شان می‌تواند سه مقدار یا بیشتر از آن –مانند رنگ «آبی»، «قرمز» و «سبز» به‌حای تنها «آبی» و «قرمز»-  داشته باشد، تطبیق پیدا کند، چون در این صورت محاسبات نظریه‌ی کوانتوم نقض می‌شود. نویسنده‌های متن آزمایش‌هایی را پیشنهاد دادند که می‌توانست تفاوت میان محاسبات نظریه‌ی کوانتوم و محاسبات دیگر رویکرد‌های شناخت‌شناسانه را نشان دهد، و تا اینجا تمام آزمایش‌های انجام‌شده همه با نظریه‌ی کوانتومِ استاندارد هم‌سو بوده‌اند. به بیان دیگر، به‌نظر می‌رسد که نمی‌توان حالت کوانتومی را شناخت‌شناسانه دانست، چرا که همه‌ی نظریه‌های شناخت‌شناسانه، پیشنهاد‌های متفاوتی با نظریه‌ی کوانتوم داشته‌اند.

خب آیا این نتیجه‌ها، این ایده که حالت کوانتومی یکی از ویژگی‌های ذهنیِ ماست را نقض می‌کند؟ خب راستش هم آره و هم نه. استدلال‌هایی که علیه رویکردهای شناخت‌شناسانه آورده می‌شود، برهان‌های ریاضیاتی‌اند که در یک چارچوب مشخص فکری درباره‌ی نظریه‌های فیزیکی اثبات شده‌اند. این چارچوب که نگاه تازه‌ای به رویکردهای شناخت‌شناسانه دارد و از سوی اسپکنز و همکارانش ایجاد شده، فرض‌های بنیادی زیادی را شامل می‌شود. یکی از فرض‌ها این است که جهان همیشه در حالتی اونتیک‌ است، یعنی در یک حالت فیزیکی معین، فارغ از آنچه ما درباره‌اش می‌دانیم و می‌تواند با نظریه‌ی کوانتوم منطبق باشد یا نباشد، یکی دیگر از فرض‌ها این است که محاسبات نظریه‌های فیزیکی محاسباتی انجام می‌دهند که می‌توانند با استفاده از روش‌های نظریه‌ی احتمالاتِ استاندارد، توضیح داده شوند. این‌ها فرضیاتی بحث‌برانگیز نیستند، اما این به معنای درست بودنشان هم نیست. نتایج نیچر فیزیکز و فیزیکز ریویو لترز نشان می‌دهد که هیچ نظریه‌ای در این چارچوب نمی‌تواند باشد که به همان شیوه‌ی نظریه‌ی اسباب‌بازی اسپکنز شناخت‌شناسانه باشد، و همزمان با نظریه‌ی کوانتوم هم مطابقت کند.

قطعی بودن یا نبودن این حرف، به نگاه شما به چارچوب‌ها برمی‌گردد. و در این مورد، نظریات متفاوتی وجود دارد. برای مثال، اوون مارونی، فیزیکدان و فیلسوفی از دانشگاه آکسفورد و یکی از نویسندگان مقاله‌ی چاپ شده در فیزیکال ریویو لترز، در ایمیلی توضیح داد که: «قابل‌اعتنا‌ترین مدل‌های شبه‌شناخت‌شناسانه» -مدل‌هایی که می‌توانند با چارچوب اسپکنز همخوانی داشته باشند- «کم کم بی‌اعتبار دانسته می‌شوند.» در همین راستا، مت لیفر، فیزیک‌دانِ دانشگاه چپمن که نوشته‌های زیادی درباره‌ی رویکردهای شناخت‌شناسانه به حالت کوانتومی دارد، می‌گوید همان یک مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۲ در نیچر فیزیکز منتشر شد، در ماجرا را می‌بندد، البته اگر بخواهید فرض اینکه محاسبات با هم درارتباط نیستند را بپذیرید (که لیفر به گفته‌ی خودش اغلب همین کار را می‌کند.)

خود اسپکنز، با احتیاط بیشتری دراین‌باره حرف می‌زند. او می‌پذیرد که این نتایج محدودیت‌های بزرگی برای رویکردهای شناخت‌شناسانه به حالت کوانتومی ایجاد می‌کنند. اما تاکید دارد که این نتایج همه در چارچوب او ثابت شده‌اند، و به عنوان مبتکر این چارچوب، بلافاصله اشاره می‌کند که محدودیت‌های خودش را هم دارد، مانند فرضیاتش درباره‌ی احتمالات. و به این طریق از نظر او، رویکردهای شناخت‌شناسانه به حالت کوانتومی مشوق‌های زیادی دارند، اما اگر قرار باشد موفقیتی پیدا کنند، فرضیات اساسی درباره‌ی نظریه‌های فیزیکی که بدون به چالش کشیدن از سوی اکثر فیزیک‌دان‌ها پذیرفته‌شده‌اند، باید مورد بازنگری قرار گیرند.

با این حال چیزی که به‌نظر بدیهی می‌آید این است که در مسائل پایه‌ای نظریه‌ی کوانتوم، پیشرفت‌هایی اتفاق افتاده است. خیلی از فیزیک‌دان‌ها تمایل دارند پرسش‌هایی که درباره‌ی معنای حالت‌های کوانتومی وجود دارد را صرفا تفسیری یا بدتر از آن «فلسفی» بدانند، چرا که به مشکلاتی که با آن‌ها درگیرند، مانند طراحی شتاب‌دهنده‌ی ذرات، یا ساختن لیزرهای بهتر ارتباط پیدا نمی‌کنند. اینکه بگویید مسئله‌ای «فلسفی» است، باعث می‌شود خارج از دایره‌ی ریاضی و فیزیک تجربی به‌نظر بیاید. اما کار بر روی رویکردهای شناخت‌شناسانه نشان می‌دهد که چنین تصوری تا چه حد اشتباه است. اسپکنز و همکارانش توانسته‌اند تفسیر خاصی از حالت کوانتومی داشته باشند و آن را به فرضیه‌ای دقیق بدل کنند، فرضیه‌ای که بعدتر با نتایج ریاضی و تجربی تکذیب شد. اما این به معنای تمام شدن کار رویکردهای شناخت‌شناسانه نیست، بلکه طرفدارانش را تشویق می‌کند که فرضیه‌های تازه‌تری دست‌وپا کنند. و این یک پیشرفت آشکار است، هم پیشرفتی علمی و هم پیشرفتی فلسفی.

سفید کاغذی

جدیدترین شماره کاغذی سفید را بخرید

شماره ۳: پری‌زدگی

خرید این شماره