چرا حتی فیزیکدانان هنوز نظریه کوانتومی را پس از 100 سال درک نمی‌کنند

همه یک مثال مورد علاقه از ترفندی دارند که به طور قابل اعتماد کار خاصی را انجام می دهد، حتی اگر واقعاً درک نکنند که چرا. در گذشته، ممکن بود وقتی تصویر تار می شد، به بالای تلویزیون خود ضربه می زدید. امروزه، ممکن است رایانه خود را خاموش و دوباره روشن کنید.

مکانیک کوانتومی - موفق ترین و مهم ترین نظریه در فیزیک مدرن - اینگونه است. به طرز شگفت انگیزی کار می کند و چیزهایی از لیزرها و شیمی گرفته تا بوزون هیگز و پایداری ماده را توضیح می دهد. اما فیزیکدانان نمی دانند چرا. یا حداقل، اگر برخی از ما فکر می کنیم می دانیم چرا، بیشتر دیگران موافق نیستند.

ویژگی منحصر به فرد نظریه کوانتومی این است که نحوه توصیف سیستم های فیزیکی با آنچه هنگام مشاهده آنها می بینیم متفاوت است. بنابراین، قوانین کتاب های درسی مکانیک کوانتومی برخلاف هر چارچوب قبلی برای فیزیک، نیاز به فرایندهای خاصی برای توصیف «اندازه گیری» یا «مشاهده» دارند. به عنوان یک رشته، فیزیک هیچ اجماعی در مورد اینکه چرا این موضوع وجود دارد یا حتی چه معنایی دارد، ندارد.

اولین نشانه های رفتار کوانتومی در طبیعت در آثار فیزیکدانان ماکس پلانک در سال 1900 و آلبرت اینشتین در سال 1905 به دست آمد. آنها نشان دادند که برخی از خواص نور را می توان به بهترین وجه با تصور اینکه نور به صورت تکه های گسسته و ذره مانند است تا امواج صافی که الکترومغناطیس کلاسیک به تصویر می کشد، توضیح داد. اما ایده های آنها برای توصیف یک نظریه کامل کافی نبود. ورنر هایزنبرگ، فیزیکدان آلمانی، بود که در سال 1925 برای اولین بار نسخه جامعی از مکانیک کوانتومی را ارائه کرد. بعداً در همان سال، ماکس بورن و پاسکال جردن با هایزنبرگ آن را پیگیری کردند و اروین شرودینگر به زودی یک فرمول بندی مستقل از نظریه¹ تولید کرد.

بنابراین منصفانه است که سال 2025 را به عنوان صدمین سالگرد واقعی نظریه کوانتومی جشن بگیریم. اگرچه چنین بزرگداشتی به درستی می تواند به طیف گسترده ای از موفقیت های تجربی نفس گیر اشاره کند، اما باید فضایی را برای اذعان به سؤالات اساسی که بی پاسخ مانده اند، باقی بگذارد. مکانیک کوانتومی یک قلعه زیبا است و خوب است که اطمینان حاصل شود که روی شن ساخته نشده است.

گسست از گذشته

از زمانی که اسحاق نیوتن مکانیک کلاسیک را در قرن هفدهم تدوین کرد، نظریه‌های فیزیک از الگوی مشخصی پیروی کرده‌اند. شما سیستمی را در نظر دارید: شاید سیاره ای که به دور یک ستاره می چرخد، یا یک میدان الکتریکی یا یک جعبه گاز. در هر لحظه از زمان، سیستم با «حالت» خود توصیف می شود، که شامل پیکربندی فعلی سیستم و میزان تغییر آن است. برای یک ذره منفرد بدون ویژگی، این به موقعیت و سرعت (یا به طور معادل، تکانه) آن می رسد. سپس، معادلات حرکتی دارید، که به ما می گویند سیستم با توجه به حالت فعلی خود چگونه تکامل می یابد. این دستور العمل اساسی برای همه چیز از گرانش نیوتنی گرفته تا نظریه های نسبیت انیشتین، که مانند نظریه کوانتومی، محصول اوایل قرن بیستم هستند، کار می کرد. اما با ظهور مکانیک کوانتومی، این دستور غذا ناگهان شکست خورد.

شکست الگوی کلاسیک را می توان در یک مفهوم تحریک آمیز واحد ردیابی کرد: اندازه گیری. اهمیت ایده و عمل اندازه گیری توسط دانشمندان مشغول به کار تا زمانی که دانشمندان مشغول به کار بوده اند، مورد تایید قرار گرفته است. اما در نظریه های پیش کوانتومی، مفهوم اساسی بدیهی تلقی می شد. هر کمیت فیزیکی واقعی که یک نظریه فرض می کرد، در هر موقعیت خاصی دارای مقادیر خاصی فرض می شد. اگر می خواستی، می توانستی بروی و آنها را اندازه گیری کنی. اگر یک آزمایشگر بی دقت بودید، ممکن است خطاهای اندازه گیری قابل توجهی داشته باشید، یا سیستم را هنگام اندازه گیری آن مختل کنید، اما اینها ویژگی های اجتناب ناپذیر خود فیزیک نبودند. با تلاش بیشتر، می توانستید چیزها را به طور دقیق و ظریف اندازه گیری کنید، حداقل تا جایی که به قوانین فیزیک مربوط می شد.

مکانیک کوانتومی داستان بسیار متفاوتی را بازگو می کند. در حالی که در فیزیک کلاسیک، ذره ای مانند الکترون در هر لحظه معین موقعیت و تکانه واقعی و عینی دارد، در مکانیک کوانتومی، این کمیت ها به طور کلی قبل از آن اندازه گیری به هیچ وجه عینی وجود ندارند. موقعیت و تکانه چیزهایی هستند که می توان آنها را مشاهده کرد، اما حقایق از پیش موجود نیستند. این یک تمایز کاملاً بزرگ است. واضح ترین پیامد این وضعیت اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که در سال 1927 معرفی شد، که می گوید هیچ حالتی وجود ندارد که الکترون بتواند در آن باشد که بتوانیم به طور کامل هم موقعیت و هم تکانه آن را از قبل پیش بینی کنیم².

در عوض، نظریه کوانتومی حالت یک سیستم را بر حسب یک تابع موج توصیف می کند، مفهومی که توسط شرودینگر در سال 1926³ همراه با معادله همنام او که نحوه تغییر سیستم را در طول زمان توصیف می کند، معرفی شد. برای الکترون منفرد ما، تابع موج عددی است که به هر موقعیتی که ممکن است الکترون را در آن مشاهده کنیم اختصاص داده می شود - به عبارت دیگر، موجی که ممکن است بیشتر در نزدیکی هسته اتم موضعی شده یا به طور گسترده در سراسر فضا پخش شود.

جایی که کارها پیچیده می شوند، در رابطه بین تابع موج و کمیت های قابل مشاهده، مانند موقعیت و تکانه، که ممکن است بخواهیم اندازه گیری کنیم، است. این پاسخ توسط بورن اندکی پس از مقاله اصلی شرودینگر پیشنهاد شد⁴. بر اساس تفسیر بورن، ما هرگز نمی توانیم نتیجه یک اندازه گیری کوانتومی را به طور دقیق پیش بینی کنیم. در عوض، می‌توانیم با محاسبه مربع تابع موج در آن موقعیت، احتمال به دست آوردن هر نتیجه خاصی را برای موقعیت الکترون، مثلاً تعیین کنیم. این دستور العمل ایده آل یک جهان قطعی و ساعت‌ساز را که از زمان نیوتن حاکم بوده است، کاملاً واژگون کرد.

در بازنگری، تاثیرگذار است که چگونه برخی از فیزیکدانان توانستند این تغییر را به سرعت بپذیرند. برخی، نه همه. چهره هایی مانند انیشتین و شرودینگر از اجماع کوانتومی جدید ناراضی بودند. اینطور نیست که آنها آن را درک نمی کردند، بلکه فکر می کردند قوانین جدید باید پله هایی برای یک نظریه جامع تر باشند.

ظاهر شدن نامعینی اغلب به عنوان اعتراض اصلی آنها به نظریه کوانتومی به تصویر کشیده می شود - "خدا با جهان تاس بازی نمی کند"، در عبارت به یاد ماندنی اینشتین. اما نگرانی های واقعی عمیق تر بود. به ویژه انیشتین به محلی بودن اهمیت می داد، این ایده که جهان از چیزهایی تشکیل شده است که در مکان های خاصی در فضا-زمان وجود دارند و مستقیماً با چیزهای نزدیک تعامل می کنند. او همچنین نگران واقع گرایی بود، این ایده که مفاهیم موجود در فیزیک به ویژگی های واقعاً موجود در جهان نگاشت می شوند، نه اینکه صرفاً محاسبات راحت باشند.

تندترین انتقاد انیشتین در مقاله معروف EPR⁵ سال 1935 ظاهر شد - که به نام او و همکارانش بوریس پودولسکی و ناتان روزن نامگذاری شد - با عنوان «آیا توصیف مکانیکی کوانتومی از واقعیت فیزیکی را می توان کامل در نظر گرفت؟». نویسندگان بر اساس یک پدیده کوانتومی مهم که به آن اشاره کردند و به درهم تنیدگی معروف شد، به این سوال پاسخ منفی دادند.

اگر یک ذره داشته باشیم، تابع موج عددی را به هر موقعیت ممکنی که ممکن است داشته باشد اختصاص می دهد. بر اساس قاعده بورن، احتمال مشاهده آن موقعیت مربع آن عدد است. اما اگر دو ذره داشته باشیم، دو تابع موج نداریم. مکانیک کوانتومی یک عدد واحد را به هر پیکربندی همزمان ممکن از سیستم دو ذره ای می دهد. همانطور که ما سیستم‌های بزرگ‌تر و بزرگ‌تر را در نظر می‌گیریم، آنها همچنان با یک تابع موج واحد توصیف می‌شوند، تا تابع موج کل جهان.

در نتیجه، احتمال مشاهده یک ذره در جایی می تواند به جایی بستگی داشته باشد که ذره دیگری را مشاهده می کنیم، و این بدون توجه به اینکه چقدر از هم فاصله دارند، صادق است. تجزیه و تحلیل EPR نشان می دهد که می توانیم یک ذره در اینجا روی زمین و دیگری را در سیاره ای در سال های نوری دور داشته باشیم، و پیش بینی ما در مورد آنچه در مورد ذره دوردست اندازه گیری می کنیم می تواند "بلافاصله" تحت تأثیر آنچه در مورد ذره نزدیک اندازه گیری می کنیم قرار گیرد.

نقل قول‌های ترسناک به ما یادآوری می‌کنند که بر اساس نظریه نسبیت خاص، حتی مفهوم «همزمان» برای نقاط دور از هم در فضا به خوبی تعریف نشده است، همانطور که انیشتین بهتر از هر کسی می‌دانست. به نظر می‌رسد که درهم تنیدگی با اصول نسبیت خاص مغایرت دارد و به این معنی است که اطلاعات سریع‌تر از نور حرکت می‌کند - چگونه ذره دوردست می‌تواند «بداند» که ما به تازگی یک اندازه‌گیری انجام داده‌ایم؟

ما در واقع نمی توانیم از درهم تنیدگی برای برقراری ارتباط در فواصل زیاد استفاده کنیم. با اندازه‌گیری ذره کوانتومی خود در اینجا، اکنون چیزی در مورد آنچه در دوردست مشاهده می‌شود می‌دانیم، اما هر کسی که واقعاً در دوردست است به دانشی که ما داریم دسترسی ندارد، بنابراین هیچ ارتباطی برقرار نشده است. اما حداقل تنشی خاص بین نحوه توصیف جهان توسط نظریه کوانتومی و نحوه عملکرد فضا-زمان در نسبیت اینشتینی وجود دارد.

بازپس گیری واقعیت

تلاش برای حل این تنش گسترش یافته است، بدون هیچ اجماع روشنی در دید. در واقع، اختلاف نظر قابل توجهی در مورد اساسی ترین سوالی که می توانیم به آن فکر کنیم وجود دارد: آیا تابع موج کوانتومی قرار است نشان دهنده واقعیت باشد، یا فقط ابزاری است که ما برای محاسبه احتمال نتایج تجربی استفاده می کنیم؟ این موضوع به طور اساسی اینشتین و نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، را در مناظرات معروفی که در طول دهه ها در مورد معنای مکانیک کوانتومی داشتند، از هم جدا کرد. اینشتین، مانند شرودینگر، یک واقع گرا تمام عیار بود: او می خواست نظریه هایش چیزی را توصیف کند که ما ممکن است آن را به عنوان واقعیت فیزیکی تشخیص دهیم. بور، به همراه هایزنبرگ، مایل بود از هرگونه صحبت در مورد اینکه "واقعاً چه اتفاقی می افتد" صرف نظر کند، در عوض بر پیش بینی آنچه هنگام اندازه گیری چیزی رخ می دهد، تمرکز کرد.

دیدگاه دوم منجر به تفسیرهای «معرفتی» از نظریه کوانتومی شد. دیدگاه های بور و هایزنبرگ به عنوان تفسیر کپنهاگ شناخته شد که بسیار نزدیک به چیزی است که فیزیکدانان امروزه در کتاب های درسی تدریس می کنند. نسخه های مدرن شامل QBism⁶، مخفف «کوانتوم بیزیانیسم»، و مکانیک کوانتومی رابطه ای⁷ است. هر دوی این تفسیرها تأکید می کنند که چگونه حالات کوانتومی را نباید به خودی خود در نظر گرفت، بلکه فقط نسبت به یک ناظر، فرآیند اندازه گیری و حالات در حال تغییر دانش در طول آن فرآیند باید مورد توجه قرار بگیرند.

نکته خوبی در مورد رویکردهای معرفتی این است که نگرانی ها در مورد تأثیرات سریعتر از نور از بین می روند. وقتی یک ناظر اندازه گیری می کند، دانش خود را به روز می کند. هیچ چیز فیزیکی از یک ذره درهم تنیده به ذره دیگر حرکت نمی کند. یک جنبه منفی این است که این رویکردها کاملاً این سوال را باز می گذارند که واقعیت واقعاً چیست، که (یا باید باشد، تصور می شود) برای فیزیک مهم است. این امر به ویژه با توجه به اینکه تابع موج در شرایط خاصی مانند یک چیز فیزیکی عمل می کند، مشکل ساز است. به عنوان مثال، تابع موج می تواند با خود تداخل داشته باشد، همانطور که در آزمایش دوشکاف نشان داده شده است. یک تابع موج که از دو شکاف باریک عبور می کند و در طرف دیگر دوباره ترکیب می شود، بسته به نوسانات موج به صورت سازنده یا مخرب تداخل خواهد کرد. این قطعاً شبیه رفتار یک چیز فیزیکی واقعی است.

جایگزین یک رویکرد وجودشناختی است، پذیرفتن اینکه حالت کوانتومی نشان دهنده واقعیت است (حداقل تا حدی). مشکل اینجاست که ما هرگز خود تابع موج را «نمی‌بینیم». ما فقط از آن برای پیش بینی آنچه می بینیم استفاده می کنیم. ما می توانیم تابع موج را به عنوان نشان دهنده برهم نهی بسیاری از نتایج اندازه گیری ممکن در نظر بگیریم. اما وقتی یک اندازه گیری انجام داده ایم و نتیجه ای را ثبت کرده ایم، سخت است که از فکر کردن به آن نتیجه به عنوان آنچه واقعی است، نه برهم نهی انتزاعی احتمالات که قبل از آن وجود داشته است، مقاومت کنیم.

تعدادی از مدل های وجودشناختی مکانیک کوانتومی وجود دارد که مرکزیت توابع موج را با رابطه پیچیده آنها با مشاهدات آشتی می دهند. در مدل‌های موج-هدایت یا متغیرهای پنهان، که برای اولین بار به طور جامع^8,9 توسط دیوید بوهم در اوایل دهه 1950 توسعه یافتند، توابع موج واقعی هستند اما درجات آزادی اضافی نیز وجود دارد که نشان دهنده موقعیت های واقعی ذرات است و این دومی است که مشاهده می شود. در تفسیر اورت یا چند جهانی، که توسط هیو اورت کمی بعدتر¹⁰ معرفی شد، ناظران با سیستم هایی که اندازه گیری می کنند درگیر می شوند، و هر نتیجه مجاز در شاخه های جداگانه ای از تابع موج، که به عنوان جهان های موازی تفسیر می شوند، تحقق می یابد. در مدل‌های فروپاشی عینی با طعم‌های مختلف^11,12، تابع موج گهگاه خود را (با نقض معادله مرسوم شرودینگر) تنظیم می کند تا شبیه واقعیت نیمه کلاسیکی باشد که ما مشاهده می کنیم.

اگرچه این رویکردها اغلب به عنوان تفاسیر رقیب مکانیک کوانتومی در نظر گرفته می شوند، اما این یک تصور غلط است، زیرا آنها نظریه های فیزیکی متمایزی هستند. مدل‌های فروپاشی عینی پیامدهای تجربی آشکار مختلفی دارند. به طور چشمگیری، با نقض اصل بقای انرژی زمانی که تابع موج به طور عینی فرو می ریزد، چیزی که ممکن است در سیستم های اتمی فوق سرد قابل مشاهده باشد. آزمایش ها در حال انجام است، اما هنوز هیچ مدرکی دال بر این اثرات یافت نشده است. تا آنجا که هر کسی می داند، هیچ آزمایشی وجود ندارد که بتواند بین رویکردهای موج-هدایت و اورتی تمایز قائل شود. (حامیان هر یک تمایل دارند استدلال کنند که دیگری به سادگی به خوبی تعریف نشده است.)

بنابراین، فیزیکدانان در مورد اینکه دقیقاً اندازه گیری چیست، اینکه آیا توابع موج نشان دهنده واقعیت فیزیکی هستند، اینکه آیا متغیرهای فیزیکی علاوه بر تابع موج وجود دارد یا اینکه آیا تابع موج همیشه از معادله شرودینگر پیروی می کند، اختلاف نظر دارند. علی‌رغم همه اینها، مکانیک کوانتومی مدرن برخی از دقیق‌ترین پیش‌بینی‌های آزمایش‌شده را در تمام علم به ما داده است، با توافق بین نظریه و آزمایش که تا بسیاری از ارقام اعشاری ادامه دارد.

نظریه میدان های کوانتومی نسبیتی، اساس تمام فیزیک ذرات مدرن، باید در میان بزرگترین موفقیت های مکانیک کوانتومی به حساب آید. برای تطبیق با این واقعیت مشاهده شده که ذرات می توانند ایجاد یا نابود شوند، همراه با تقارن های نسبیت، نقطه شروع آن میدان های کوانتومی است که در تمام فضا امتداد دارند. قوانین نظریه کوانتومی دلالت بر این دارد که ارتعاشات کوچک در چنین میدان هایی به طور طبیعی به نظر می رسند که مجموعه ای از ذرات منفرد هستند. تأثیرات تکراری این ارتعاشات بر یکدیگر منجر به انبوهی از پدیده های قابل مشاهده می شود که به طرز شگفت انگیزی توسط آزمایش تأیید شده اند، از نحوه محدود شدن کوارک ها برای ساختن پروتون ها و نوترون ها، تا وجود بوزون هیگز. این ذره از ارتعاشات در یک میدان هیگز که در تمام فضا پراکنده شده است، ناشی می شود که به ذرات دیگر جرم می دهد و توضیح می دهد که چرا نیروی هسته ای ضعیف برد کوتاهی دارد. بر اساس نظریه تورم کیهانی، منشأ ستارگان و کهکشان ها حتی ممکن است به تغییرات کوانتومی کوچک در چگالی جهان اولیه ردیابی شود.

همه چیز نیست

اما علی‌رغم تمام موفقیت‌هایش، نظریه میدان‌های کوانتومی، معماهای خاص خود را دارد. به طور بدنامی، محاسبه سرراست اصلاحات کوانتومی در احتمال پراکندگی دو ذره اغلب منجر به پاسخ های بی نهایت بزرگ می شود - نه ویژگی ای که می خواهید یک احتمال داشته باشد. فیزیک مدرن با استفاده از «نظریه‌های میدان مؤثر» با این موضوع کنار آمده است، که تلاش می‌کند فرآیندها را تنها در انرژی‌ها و تکانه‌های (نسبتاً) پایین توصیف کند، و از آنجا بی‌نهایت‌های دردسرساز به‌طور کامل غایب هستند.

اما این چارچوب هنوز ما را با مشکلات «طبیعی بودن» مواجه می کند. در رویکرد نظریه میدان مؤثر، پارامترهایی که در انرژی‌های پایین مشاهده می‌کنیم، نشان‌دهنده تأثیرات ترکیبی فرآیندهای غیرقابل مشاهده در انرژی‌های بسیار بالا هستند. این درک به ما امکان می دهد پیش بینی کنیم که مقادیر طبیعی برای پارامترهایی مانند جرم هیگز یا چگالی انرژی خلاء چه باید باشد. اما مقادیر مشاهده شده این اعداد بسیار کمتر از حد انتظار است - مشکلی که هنوز منتظر راه حل قانع کننده ای است.

سپس، بزرگترین مشکل از همه وجود دارد: مشکل ساخت یک نظریه کوانتومی بنیادی گرانش و فضا-زمان منحنی. اکثر محققان در این زمینه تصور می کنند که مکانیک کوانتومی خود نیازی به هیچ تغییری ندارد. ما به سادگی باید بفهمیم که چگونه فضا-زمان منحنی را به روشی سازگار در داستان بگنجانیم. اما به نظر می رسد از این هدف دور هستیم.

در همین حال، تظاهرات بی شماری از نظریه کوانتومی همچنان کاربردهایی را در تعداد فزاینده ای از فناوری های نسبتاً کاربردی پیدا می کند. شیمی کوانتومی در حال باز کردن راه هایی در طراحی داروهای پیشرفته، مواد عجیب و غریب و ذخیره انرژی است. مترولوژی و سنجش کوانتومی، اندازه گیری کمیت های فیزیکی را با دقت بی سابقه ای، تا و از جمله تشخیص تکان های کوچک یک آونگ ناشی از عبور یک موج گرانشی تولید شده توسط سیاهچاله هایی به فاصله یک میلیارد سال نوری، امکان پذیر می کند. و البته، رایانه‌های کوانتومی نوید انجام محاسبات خاصی را با سرعتی می‌دهند که اگر جهان بر اساس اصول کلاسیک کار می‌کرد، غیرممکن می‌بود.

همه اینها بدون هیچ توافق کاملی در مورد اینکه مکانیک کوانتومی در هسته خود چگونه کار می کند، رخ داده است. از لحاظ تاریخی، پیشرفت در فناوری اغلب بهبود در درک اساسی را تسهیل کرده یا حتی ضروری کرده است. ما دائماً در حال اختراع روش‌های جدیدی برای زدن به تلویزیون به نام واقعیت هستیم و خوشبین هستیم که یک تصویر تار در نهایت واضح می‌شود.