در سال 1803، دانشمندي انگليسي به نام توماس يانگ (Thomas Young)، آزمايش قابل توجهي انجام داد. يانگ كه به هيروگليف‌هاي مصري بسيار علاقه‌مند بود و در استخراج آنان نيز همكاري داشت، درباره‌ي ماهيت نور تحقيق مي‌كرد. آزمايش وي، تحولي در فيزيك ايجاد كرد كه در نهايت باعث دگرگوني قوانين حركت آيزاك نيوتون شد، قوانيني كه يك قرن پيش از يانگ ارائه شده بود. اين آزمايش همچنين يكي از بزرگترين رازهاي جهان را نمايان ساخت: راز كوانتوم.

بدون شك، معماي رمزآلود فيزيك كوانتوم، معماي عميقي است. اگر كسي يك مار بزرگ دريايي واقعي بگيرد يا به يك دايناسور زنده بربخورد، رسانه‌ها چندين ماه به اين موضوع مي‌پردازند. كنار آب‌سردكن‌هاي تمام ادارات جهان، درباره‌ي اين كشف جديد صحبت مي‌شود. با اين حال، هر چند چنين يافته‌اي مي‌تواند بسيار تكان‌دهنده باشد، اما تغيير چنداني در جهان‌بيني ما ايجاد نمي‌كند. ما مي‌دانيم كه خزندگان غول‌پيكر آبزي و دايناسورها در گذشته‌هاي دور مي‌زيسته‌اند. برايمان بسيار تعجب‌برانگيز مي‌شد اگر مي‌فهميديم اين موجودات به نحوي توانسته‌اند بي‌آنكه كه توسط دنياي علم كشف شوند، اين همه سال زنده بمانند. اما در هر حال، اين كشف، تغيير چنداني در نظريه‌ي تكامل ايجاد نمي‌كند.

ولي رازي كه در بطن فيزيك كوانتوم نهفته، به طور غير مستقيم، درك ما را از حقيقي بودن جهان و هر آنچه در آن است (از جمله خود ما)، مورد هدف قرار مي‌دهد. به علاوه، ايده‌ي مارهاي غول‌پيكر دريايي و دايناسورها، بسيار خيالي و غيرمحتمل مي‌باشد، حال آن‌كه تئوري فيزيك كوانتوم يكي از تئوري‌هايي است كه از پيكار آزمايشات فراواني در عرصه‌ي علم، جان سالم به در برده است. علي‌رغم مشخصه‌هاي نامأنوس فيزيك كوانتوم، در صحت اين نظريه، ترديد چنداني باقي نمانده. همان‌طور كه دنيل ام. گرينبرگر بيان كرده است: «انيشتين مي‌گفت اگر علم مكانيك كوانتوم درست باشد، جهان جاي بسيار عجيبي است. انيشتين راست مي‌گفت. جهان جاي بسيار عجيبي است».

  آزمايش دو شكاف (The Double Slit Experiment)

براي صحبت درباره‌ي فيزيك كوانتوم، بهترين كار اين است كه با آزمايش يانگ در سال 1803 شروع كنيم. در آن زمان، دانشمندان مي‌خواستند بدانند آيا نور از نوعي ذره تشكيل شده يا اين كه از طريق ماده‌ي ناشناخته‌ي ديگري، به صورت موجي حركت مي‌كند (مانند امواجي كه در آب حركت مي‌كنند). در آزمايش يانگ، از يك منبع ريز نور و يك صفحه استفاده شده بود. يانگ، ميان اين دو شيء، يك مانع با دو شيار نازك عموديِ موازي با يكديگر قرار داد.

يانگ مي‌دانست در صورتي كه نور، فقط جرياني از ذرات ريز باشد، بايد از هر كدام از شكاف‌ها گذشته و روي صفحه‌ي پشت سوراخ‌ها جمع شود.

اين دقيقاً همان چيزي بود كه با پوشاندن يكي از شكاف‌ها و باز گذاشتن شكاف ديگر، اتفاق افتاد. يك نوار عمودي باريك از نور، روي صفحه‌ي پشت سوراخ ظاهر شد. يانگ مسلماً انتظار داشت وقتي شكاف ديگر را هم باز كرد، دو نوار باريك نوري ببيند، اما اين طور نشد.

بيشتر بخش‌هاي صفحه را مجموعه‌اي از نوارهاي عمودي روشن و تاريك پر كرد. يانگ معناي اين مشاهده را دريافت. نور، مثل يك موج عمل مي‌كند و از هر دو شكاف مي‌گذرد. بعد از گذشتن از ميان شكاف‌ها، امواج به شكل نيم‌دايره پخش مي‌شوند و با يكديگر تداخل مي‌كنند. به اين ترتيب، وقتي دو قله‌ي موج با هم تلاقي مي‌كنند، باعث تقويت يكديگر مي‌شوند و وقتي يك قله‌ي موج و يك دره‌ي موج با هم تلاقي مي‌كنند، هر دو خنثي مي‌شوند. در نتيجه، مجموعه‌اي از نوارهاي روشن و تاريك روي صفحه ديده مي‌شود. دانشمندان، اين پديده را الگوي تداخل (interference pattern) مي‌نامند، زيرا از تداخل امواج با يكديگر حاصل مي‌شود.

پس نور بدون شك يك موج بود. در طي سال‌ها، دانشمندان به دنبال ماده‌اي بودند كه امواج نور از طريق آن حركت مي‌كنند (و آن را ether يا واسط نور مي‌ناميدند)، اما نمي‌توانستند به آن دست يابند. به علاوه، شواهدي نيز موجود بود كه نشان مي‌داد نور به صورت نوعي ذره حركت مي‌كند (كه بعدها به آن فوتون گفته شد). در نهايت چنين نتيجه گيري شد كه فوتون‌ها ماهيتي دوگانه دارند و به صورت موج و ذره عمل مي‌كنند. با اين حال، دانشمندان هنوز هم از خود مي‌پرسيدند اگر بتوانند فوتون‌ها را يكي يكي از دو شكاف بگذرانند، چه چيزي رخ خواهد داد.

سرانجام، منبع نوري اختراع شد كه قادر بود هر بار تنها يك فوتون آزاد كند. آزمايش دو شكاف يانگ دوباره انجام گرفت. اما اين بار به جاي صفحه‌ي عادي، از كاغذ عكاسي استفاده شد، زيرا يك فوتون، كم‌نورتر از آن است روي صفحه ديده شود. حال آن كه بعد از عبور ميليون‌ها فوتون از شكاف‌ها (به صورت تك تك)، الگوي مورد نظر بر روي كاغذ عكاسي قابل مشاهده مي‌شد.

با ظاهر كردن عكس، همان الگوي تداخل پيشين مشاهده شد. دانشمندان اين‌گونه نتيجه گرفتند كه هر يك از فوتون‌ها به صورت موجي حركت كرده‌، به طور همزمان از ميان دو شكاف رد شده و با خودشان تداخل داشته‌اند و تنها هنگامي كه سرانجام با كاغذ عكاسي برخورد كرده‌اند، به صورت ذره‌اي در موقعيت خاص ظاهر شده‌اند، و اين بسيار عجيب بود.

دانشمندان تصميم گرفتند كنار شكاف‌ها، رديابِ فوتون كنار قرار دهند تا مسير واقعي فوتون را مشاهده كنند. آن‌ها موفق شدند، ولي وقتي اين آزمايش را انجام دادند، الگوي تداخل ناپديد شد و تنها دو خط باريك (پشت هر سوراخ يكي)، روي صفحه ظاهر شد. ظاهراً فوتون‌ها «مي‌دانستند» كه در معرض مشاهده شدن قرار دارند و به همين دليل، به جاي اين كه به صورت موجي عمل كنند، رفتار ذره‌اي پيش گرفته‌اند!
 

طرح يانگ از آزمايشش كه نشان مي‌دهد امواج نور از شكاف‌هاي A و B خارج مي‌شوند، و با همديگر تداخل مي‌كنند تا هر كدام از خطوط پايين صفحه را كه به نام‌هاي C، D،E و F نشان داده شده‌اند، به وجود آورند.

دانشمندان سپس تصميم گرفتند كه ردياب فوتون را در جهتي از صفحه قرار دهند كه با منبع نور فاصله‌ي بيشتري داشته باشد، تا به اين ترتيب فوتون، فقط بعد از عبور از ميان شكاف ديده شود. اما تغييري در نتيجه حاصل نشد. باز هم ظاهراً فوتون پيش از رسيدن به صفحه، «مي‌دانست» در سمت ديگر آن يك ردياب وجود دارد و به همين دليل پيش از عبور از شكاف‌ها، به ذره تبديل مي‌شد.

سرانجام، دانشمندي به نام جان ويلر (John Wheeler) آزمايشي پيشنهاد كرد كه طي آن، صفحه مي‌توانست درست در آخرين لحظه‌ي پيش از برخورد فوتون، با يك دستگاه ردياب نوري جايگزين شود، به اين ترتيب مي‌شد فهميد فوتون از كدام شكاف عبور كرده است. تصميم درباره‌ي كنار كشيدن يا نكشيدن صفحه، بايد بعد از عبور فوتون از ميان شكاف گرفته مي‌شد. در زماني كه ويلر اين آزمايش را مطرح كرد، انجام آن از لحاظ فني غيرممكن بود. اما چند سال بعد، امكان انجام آزمايش به وجود آمد. نتيجه‌ي آزمايش چنين بود: هنگامي كه صفحه در جاي خود قرار داشت، فوتون طبق الگوي تداخل رفتار مي‌كرد، حال آن كه اگر صفحه در لحظه‌ي آخر، برداشته مي‌شد تا اطلاعات مربوط به اين كه از كدام شكاف عبور كرده، به دست آيد، فوتون طبق الگوي تداخل رفتار نمي‌كرد. گويا فوتون مي‌دانست هنگام رسيدن به شكاف چگونه عمل كند، هر چند كه تصميم درباره‌ي برداشتن يا برنداشتن صفحه در لحظه‌ي آخر گرفته مي‌شد. ظاهراً يا فوتون مي‌توانست آينده را پيش‌بيني كند يا اين‌كه تصميم درباره‌ي قرارگيري صفحه، مي‌توانست گذشته را تغيير دهد.

دانشمندان اين طور نتيجه گرفتند كه در نظريه‌ي كوانتوم، جايي براي عليت وجود ندارد. گويا اتفاقاتي كه در زمان حال مي‌افتند، مي‌توانند گذشته را تغيير دهند، و اين اوج غرابت كوانتوم بود.

اگر خواندن اين مطالب، شما را آشفته كرده، نگران نباشيد. افراد زيادي از اين مسئله آشفته شده‌اند، از جمله آلبرت انشتين.

نور ستارگان، درخشش ستارگان

امشب بيرون برويد و ستارگان را تماشا كنيد. اگر زمستان باشد (در نيكره‌ي شمالي)، حتماً خواهيد توانست صورت فلكي شكارچي (يا جبار) را ببينيد. تشخيص اين صورت فلكي آسان است، زيرا سه ستاره در يك خط، كمربند شكارچي را تشكيل مي‌دهند. به ستاره‌ي وسطي نگاه كنيد. او يك ستاره‌ي ابرغولِ سفيد-آبي به نام اپسيلون جبار (Alnilam) است كه 1300 سال نوري از ما فاصله دارد. وقتي به اين ستاره نگاه مي‌كنيد، چه اتفاقي مي‌افتد؟ بر اساس بسياري از كتاب‌ها، هزار و سيصد سال پيش- اوايل قرون وسطي در اروپا- الكتروني برانگيخته در يكي از اتم‌هاي هيدروژن موجود در لايه‌هاي بيروني اين ستاره، يك ذره‌ي انرژي آزاد كرده است: يك فوتون.

فوتون آزاد شده از اپسيلون جبار، با سرعت نور، حدوداً 300000 كيلومتر در ثانيه، در جهت زمين حركت كرده است. اگرچه فوتون‌ها چندان تحت تأثير جاذبه قرار نمي‌گيرند، اما سيارات، ستارگان و ساير اجرام آسماني كه در مسير فوتون ياد شده قرار دارند، به طور خفيفي بر آن تأثير گذاشته و در خلاء فضا، مسيري خاص به آن مي‌دهند. با نزديك شدن به زمين، فوتون، بدون برخورد با مولكول‌هاي اتمسفر، از آن‌ها مي‌گذرد. درست وقتي به آسمان نگاه كرديد، اين فوتون توسط شما دريافت مي‌شود. اين فوتون (همراه بسياري فوتون‌هاي ديگر)، شبكيه را كه درست پشت چشمتان قرار دارد، تحريك مي‌كند، پيغامي به مغز شما فرستاده مي‌شود و شما در مغزتان نور ستاره را مي‌بينيد. اين سير حوادث، بسيار جالب است، منتها، با توجه به تئوري كوانتوم، در حقيقت اين همان چيزي نيست كه اتفاق مي‌افتد. به هيچ وجه.

هيچ كس دقيقاً نمي‌داند در سطح كوانتوم چه اتفاقي مي‌افتد، با اين حال، چند تفسير از نظريه‌ي كوانتوم وجود دارد كه مي‌توانند به ما در فهم مسئله كمك كنند. معروف‌ترين آن‌ها تفسير كُپنهاگ(Copenhagen Interpretation) ناميده مي‌شود، زيرا قسمت عمده‌ي آن توسط نيلز بور (Niels Bohr)، فيزيكدان اهل كپنهاگ، ارائه شده است. دانشمندان و مهندسان، سال‌هاست از كپنهاگ به عنوان روشي استاندارد جهت درك دنياي كوانتوم استفاده مي‌كنند. تفسير كپنهاگي نظريه‌ي كوانتوم، مشاهده شدن اپسيلون جبار توسط شما را اين گونه توضيح مي‌دهد:

آنچه كه حدود 1300 سال پيش، اتم هيدروژن را ترك كرد، فوتون نبود، بلكه يك موج احتمال بود. اين موج، بيانگر مكان احتمالي فوتون نبود، بلكه بيانگر اين احتمال بود كه در صورت مشاهده شدن فوتون، اين اتفاق در چه مكاني روي خواهد داد. موج با سرعت نور به بيرون حركت كرد، اما نه به سوي زمين، بلكه به شكل كُره‌اي كه با سرعت نور بزرگ و بزرگ‌تر مي‌شد. سيارات، ستارگان و ساير اجرامِ نزديك به آن، بر مكان احتمالي مشاهده‌ي شدن فوتون تأثير گذاشتند، اما هنوز اين امكان وجود داشت كه فوتون در هر جايي از كره‌ي در حال انبساط، ظاهر شود. موج/كره، 1300 سال بزرگ شد، تا اين كه قطري برابر 2600 سال نوري پيدا كرد، يعني 15250809 بيليون مايل. جبهه‌ي موج از اتمسفر زمين گذشت. درست در اين لحظه، شما چشمتان را بر روي اپسيلون جبار متمركز كرديد و جبهه‌ي موج با سلول‌هاي شبكيه‌ي چشم شما درگير شد. سپس، جايي ميان شبكيه‌ي چشم شما كه با موج درگير شده و مغزتان كه ستاره را ديده، اين واقعه رخ داد.

صورت فلكي شكارچي. ستاره‌اي كه در ميان قرار دارد اپسيلون است.

بلافاصله، موج احتمال به قطر 2600 سال نوري، از ميان رفت و فوتون در برخورد با شبكيه‌ي چشم شما، ظهور كرد. اگر شما در لحظه‌ي مناسب به آسمان نگاه نكرده بوديد، شايد فوتون، چند ثانيه‌ي ديگر، در سوي ديگر اپسيلون جبار، توسط ناظر بيگانه‌اي در يك سياره‌ي ديگر با فاصله‌ي هزاران سال نوري، از هم مي‌پاشيد. اما مشاهده شدن فوتون توسط شما در كره ي زمين، براي هميشه اين احتمال را از ميان برد.

وقتي شما اين فوتون را ديديد، سرنوشتي منحصر به فرد برايش رقم خورد. مسيري ايجاد شد تا او از آن اتم هيدروژن در اپسيلون جبار، به چشم شما برسد.

شايد اين طور به نظر بيايد كه نابودي چيزي با وسعت 2600 سال نوري غيرممكن است، زيرا لازمه‌ي آن، پيشي گرفتن از سرعت نور مي‌باشد. اما اين مورد، تنها يكي از موارد متعددي است كه در آن، نظريه‌ي كوانتوم، حداكثر سرعت كيهاني را به چالش مي‌طلبد. اين مسئله نيز، انشتين را عميقاً آشفته كرد.

دو فرزند انشتين

گفته مي‌شود در اوايل قرن بيستم، انشتين صاحب دو فرزند شد- دو نظريه‌ي بزرگ فيزيك. مي‌گويند او يكي را فرزندانش را دوست داشت (نسبيت) و از ديگري متنفر بود (فيزيك كوانتوم).

چه چيزي در فيزيك كوانتوم، او را بر مي‌آشفت؟ اول از همه، غير قابل پيش‌بيني بودن آن. اگر قرار باشد يك تفنگ را تنظيم كنيد و آن را به هدف بزنيد، با معلوم بودن سرعت و جهت گلوله، تعيين مسير آن بعد از خروج از لوله‌ي تفنگ، بسيار ساده است. اما فوتون اين طور نيست. همان‌طور كه مثالِ ما درباره‌ي موج نورِ رهسپار شده از يك ستاره‌ي دوردست، نشان داد، فوتون به صورت موج احتمال حركت مي‌كند. فوتون ممكن است هرجايي در مسير حركت موج، ظاهر شود. هر چند، احتمال ظهور آن، در بعضي مكان‌ها بيشتر است. اين باعث شد انشتين به طعنه بگويد كه باورش نمي‌شود «خدا با هستي تخته نرد بازي كند».

انشتين كمك كرد نظريه‌ي كوانتوم به دنيا بيايد، ولي بسيار از آن آشفته گشت.

دومين نكته‌اي كه انشتين را آزار مي‌داد، اين ايده بود كه با توجه به كپنهاگ، يك جسم پيش آن‌كه مورد مشاهده قرار گيرد، تنها به شكل موج احتمال وجود دارد. شايد وقتي حرف از يك فوتون باشد، اين مسئله چندان مهم به نظر نرسد، چون بسيار بسيار كوچك است. اما اين تنها فوتون‌ها نيستند كه از قوانين فيزيك فيزيك كوانتوم پيروي مي‌كنند، بلكه الكترون‌ها، پروتون‌ها، اتم‌ها و مولكول‌ها نيز مشمول اين قوانين هستند. همه‌ي آن‌ها پيش از مشاهده شدن، تنها موج‌اند و آزمايش دو شكاف، با موادي به بزرگي مولكول‌هاي فولرن (Fullerene) كه 60 اتم كربن دارند، انجام شده است.

در نهايت اگر فكر كنيم، مي‌بينيم تمام جهان ما، از اتم‌ها و مولكول‌ها تشكيل شده و خود ما نيز. آيا اين بدان معناست كه ما تنها، امواج بزرگ احتمال هستيم؟

اين تصور كه هر چيزي در جهان ما، در صورت مشاهده نشدن، ماهيتي مستقل ندارد، انشتين را واداشت به شوخي بگويد: «ترجيح مي‌دهم فكر كنم ماه، حتي وقتي نگاهش نمي‌كنم، باز وجود دارد».

گربه‌ي شرودينگر (Schrödinger’s Cat)

انشتين، تنها بنيانگذار نظريه‌ي كوانتوم نبود كه به آن شك داشت. اِروين شرودينگر، يكي از معادلات كليدي را براي پيش‌بيني چگونگي تغيير سيستم كوانتوم در طول زمان مطرح كرد. اين كار براي او جايزه‌ي نوبل سال 1933 را به ارمغان آورد. با اين حال، وي با بعضي از مفاهيم فيزيك كوانتوم، مشكل داشت و براي نشان دادن بي‌معنا بودن آن‌ها، مثالي مطرح كرد.
 

شرودينگر درباره‌ي نظريه‌اي كه در به وجود آمدنش سهيم بود، شك داشت و آزمايش فرضي مشهور گربه را مطرح كرد تا نشان دهد اين نظريه ناقص است.

در آزمايش فرضي شرودينگر، يك گربه درون جعبه‌اي مهر و موم شده قرار مي‌گيرد (توجه: اين فقط يك مثال است، شرودينگر هرگز نمي‌خواست كسي اين آزمايش را با يك گربه‌ي واقعي انجام دهد). در درون اين جعبه، يك دستگاه «نابودگر» شامل يك ماده‌ي راديواكتيو، يك شمارشگر گايگر مولر و يك ظرف شيشه‌اي قرار دارد. ماده‌ي راديواكتيو به اندازه‌اي است كه در عرض يك ساعت به احتمال 50 درصد تجزيه شده، ذره‌اي آزاد مي‌كند كه باعث به كار افتادن شمارشگر مي‌شود. شمارشگر نيز به گونه‌اي تعبيه شده كه در صورت شناسايي ذره، چكشي را رها مي‌سازد و موجب متلاشي شدن ظرف شيشه‌ايِ پر از گاز كشنده‌ي هيدروژن سيانيد مي‌شود.

بعد از گذشت يك ساعت، احتمال اين كه جعبه را باز كنيد و گربه را زنده يا مرده بيايد، پنجاه/ پنجاه است. اما گربه پيش از باز كردن جعبه، در چه وضعيتي است؟ از آنجايي كه نابودي اتم، رويدادي كوانتومي است، با توجه به تفسير كپنهاگ، مي‌توان گفت تا زماني كه اتم (به عنوان تابع موج احتمال)، مشاهده نشده، در حالت برهم نهي قرار دارد- يعني همزمان در دو وضعيت است. معنايش مي‌تواند اين باشد كه دستگاه نابودگر و گربه نيز در حالت برهم نهي هستند، گربه هم زنده است و هم مرده.

شرودينگر چنين ايده‌اي را مضحك يافت و تلاش كرد از آن، براي نشان دادن كاستي‌هاي نظريه‌ي كوانتوم، استفاده كند و بگويد اين نظريه يا اشتباه است يا ناقص.

مسئله‌ي ديگري كه فيزيكدانان اوليه‌ي حوزه‌ي كوانتوم را درگير كرد، مسئله‌ي ناظري بود كه تابع را در هم مي‌شكست. ناظر كدام است؟ شكارشگر گايگر مولر؟ گربه؟ انسان آگاه آزمايشگر؟
 

آزمايش فرضي مشهور گربه‌ي شرودينگر

از نظر عده‌اي، آگاهي به طرز غريبي با فيزيك كوانتوم در ارتباط مي‌باشد. حال آن‌كه براي بسياري از فيزيكدانان، چنين ديدگاهي، همچون يك لعن و نفرين است. از زماني كه كوپرنيك، براي اولين بار، زمين را از مركز منظومه‌ي شمسي برداشت و آن را تنها يكي از چند سياره‌اي معرفي كرد كه به دور خورشيد مي‌گردند، جايگاه انسان در كيهان، مرتب كوچك و كوچك‌تر شد، تا جايي كه اكنون، سياره‌ي ما، تنها، لكه‌ي كوچكي است در هستي وسيع و بي‌پايان. اگر مفاهيم كوانتوم با آگاهي در ارتباط مستقيم باشند، يعني دانشِ پانصد سال بايد زير و رو شود. چيزي كه فيزيكدانان از آن بيزارند.

منبع:www.shegeftiha.com