مکانیک کوانتومی حتی پس از گذشت بیش از یک قرن از پیدایشش، همچنان یکی از پیچیده‌ترین و بحث‌برانگیزترین شاخه‌های فیزیک محسوب می‌شود. با وجود موفقیت‌های چشمگیر این نظریه در توضیح بنیان‌های واقعیت، فیزیکدانان هنوز در مورد تفسیرهای مختلف آن اختلاف نظر دارند. به‌ویژه، نقش مشاهده در تعیین نتایج کوانتومی همچنان مورد بحث است. از تردیدهای انیشتین گرفته تا پیشرفت‌های اخیر در محاسبات کوانتومی، تلاش برای درک عمیق‌تر مکانیک کوانتومی همچنان ادامه دارد.
اسرار ناگشوده مکانیک کوانتومی
بیش از یک قرن از پیدایش مکانیک کوانتومی می‌گذرد. این نظریه، همچنان یکی از موفق‌ترین و در عین حال مرموزترین نظریه‌های فیزیک مدرن است. مکانیک کوانتومی، درک ما را از همه چیز، از ساختار اتم‌ها گرفته تا فناوری‌های پیچیده، دگرگون کرده است. با این وجود، پرسش‌های بنیادین درباره تفسیر آن همچنان بی‌پاسخ مانده‌اند. در مرکز این بحث‌ها، این مفهوم نگران‌کننده وجود دارد که مشاهده، بر واقعیت تأثیر می‌گذارد. این مفهوم، با تصورات کلاسیک ما از جهان در تضاد است.
انقلابی در فیزیک کلاسیک
قبل از مکانیک کوانتومی، فیزیک از یک الگوی مشخص پیروی می‌کرد. حالت یک سیستم را می‌شد با ویژگی‌های قابل اندازه‌گیری آن، مثل مکان و تکانه، تعیین کرد. معادلات حرکت هم می‌توانستند حالت‌های آینده را با دقت پیش‌بینی کنند. این دیدگاه قطعی، که از زمان نیوتن رواج داشت، با کشفی جدید به چالش کشیده شد. فیزیکدانان اوایل قرن بیستم متوجه شدند که مکانیک کلاسیک نمی‌تواند برخی پدیده‌ها را، به خصوص در مقیاس‌های اتمی و زیر اتمی، توضیح دهد.
این تغییر با ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ و آلبرت انیشتین در سال ۱۹۰۵ آغاز شد. آن‌ها این ایده را مطرح کردند که نور می‌تواند به صورت بسته‌های جداگانه یا کوانتا رفتار کند. اما تدوین یک چارچوب کامل برای مکانیک کوانتومی تا اواسط دهه ۱۹۲۰ طول کشید. ورنر هایزنبرگ، ماکس بورن، پاسکوال جردن و اروین شرودینگر این چارچوب را ارائه دادند. این نظریه جدید، تابع موج را معرفی کرد. تابع موج، حالت‌های ممکن یک سیستم را توصیف می‌کند، نه یک نتیجه قطعی واحد.
مسئله اندازه‌گیری و نقش مشاهده
یکی از گیج‌کننده‌ترین جنبه‌های مکانیک کوانتومی، مسئله اندازه‌گیری است. یعنی یک سیستم کوانتومی در حالت‌های ممکن متعددی وجود دارد، تا زمانی که مشاهده شود. برخلاف فیزیک کلاسیک که در آن اندازه‌گیری‌ها فقط ویژگی‌های از پیش موجود را آشکار می‌کنند، مکانیک کوانتومی می‌گوید خودِ مشاهده، نتیجه را تعیین می‌کند. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ (۱۹۲۷) به خوبی این موضوع را نشان می‌دهد. این اصل می‌گوید که برخی ویژگی‌ها، مثل مکان و تکانه، را نمی‌توان همزمان با دقت کامل اندازه‌گیری کرد.
فرمالیسم تابع موج شرودینگر، مسائل را پیچیده‌تر کرد. تابع موج، احتمالات نتایج مختلف را نشان می‌دهد. اما تنها وقتی یک اندازه‌گیری انجام می‌شود، یک نتیجه خاص ظاهر می‌شود. تفسیر ماکس بورن بیان می‌کند که مربع تابع موج، احتمال مشاهده یک حالت خاص را تعیین می‌کند. این تفسیر، عدم قطعیت را وارد فیزیک کرد و مفهوم قدیمی جهان قطعی را به چالش کشید.
تردید انیشتین و بحث واقعیت کوانتومی
آلبرت انیشتین و دیگر فیزیکدانان برجسته نسبت به این مفاهیم تردید داشتند. انیشتین در مقاله‌ای در سال ۱۹۳۵، با همکاری بوریس پادولسکی و ناتان روزن (پارادوکس EPR)، استدلال کرد که اگر مکانیک کوانتومی «کنش شبح‌وار از راه دور» را بپذیرد، باید ناقص باشد. این به درهم‌تنیدگی کوانتومی اشاره دارد. در درهم‌تنیدگی کوانتومی، دو ذره، صرف نظر از فاصله‌شان، به هم متصل می‌مانند و اندازه‌گیری روی یکی، بلافاصله بر دیگری تأثیر می‌گذارد.
انیشتین طرفدار موضعیت بود. یعنی واقعیت فیزیکی باید توسط علل نزدیک تعیین شود. او همچنین به واقع‌گرایی باور داشت، یعنی ویژگی‌ها مستقل از مشاهده وجود دارند. نیلز بور، در مقابل، از تفسیر کپنهاگ دفاع کرد. این تفسیر، مکانیک کوانتومی را به عنوان یک نظریه احتمالی، بدون یک واقعیت قطعی اساسی، می‌پذیرد.
تفاسیر رقیب: جهان‌های چندگانه، متغیرهای پنهان و سایرین
بعد از بحث‌های انیشتین و بور، فیزیکدانان تفاسیر مختلفی از مکانیک کوانتومی ارائه داده‌اند:
- تفسیر کپنهاگ: دیدگاه رایج، با تأکید بر احتمالات و فروپاشی تابع موج هنگام اندازه‌گیری.
- تفسیر جهان‌های چندگانه: این نظریه، توسط هیو اورت مطرح شد. می‌گوید همه نتایج ممکن در جهان‌های موازی جداگانه رخ می‌دهند و فروپاشی تابع موج وجود ندارد.
- نظریه موج راهنما: ابتدا توسط لویی دو بروی مطرح و سپس توسط دیوید بوهم اصلاح شد. این مدل شامل متغیرهای پنهانی است که رفتار ذرات را به طور قطعی هدایت می‌کنند.
- نظریه‌های فروپاشی عینی: این نظریه‌ها می‌گویند که توابع موج به طور خودبه‌خود در آستانه‌های خاصی فرو می‌ریزند و از برهم‌نهی ماکروسکوپی جلوگیری می‌کنند.
با وجود این دیدگاه‌های مختلف، هنوز توافقی بر سر اینکه کدام تفسیر – اگر اصلا تفسیری وجود داشته باشد – واقعیت را به بهترین شکل توصیف می‌کند، وجود ندارد.
مکانیک کوانتومی در عمل: موفقیت بدون درک کامل
با اینکه پیامدهای فلسفی مکانیک کوانتومی هنوز حل نشده‌اند، کاربردهای عملی آن انقلابی بوده‌اند. نظریه میدان کوانتومی، زیربنای فیزیک ذرات مدرن است و همه چیز را از کوارک‌ها گرفته تا بوزون هیگز توضیح می‌دهد. فناوری‌های کوانتومی، از جمله محاسبات، حسگرها و رمزنگاری، با وجود نبود یک تفسیر واحد، به سرعت در حال پیشرفت هستند.
با این حال، چالش‌های اساسی همچنان باقی هستند. مثلا تطبیق مکانیک کوانتومی با نسبیت عام و پرداختن به مسائل حل نشده مانند گرانش کوانتومی و ماده تاریک. نبود یک چارچوب نظری عمیق‌تر، باعث ادامه تحقیقات و بحث‌های جدید می‌شود.
آینده: جستجوی وضوح در بنیان‌های کوانتومی
همچنان که فیزیکدانان با آزمایش‌ها و مدل‌های نظری جدید پیش می‌روند، راز صد ساله مکانیک کوانتومی پابرجاست. چه از طریق پیشرفت محاسبات کوانتومی، چه بررسی درهم‌تنیدگی به روش‌های پیچیده‌تر، و چه اصلاح تفاسیر خود واقعیت، جستجو برای درک کامل‌تر ادامه دارد.
با وجود پرسش‌های بی‌پاسخش، مکانیک کوانتومی ابزاری شگفت‌انگیز برای توصیف طبیعت در اختیار ما قرار داده است. قدرت این نظریه، حتی اگر معنای واقعی آن مبهم بماند، قابل انکار نیست.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: nature.com
