نظریه کوانتوم پس از گذشت یک قرن از ابداع آن، هنوز یک شاهکار علمی تمام عیار است، ولی مشکل بزرگی در آن نهفته که باورش کمی سخت است: فیزیک‌دانان هنوز نمی دانند که چطور باید از آن استفاده کنند!

به نظر می رسد که یک قرن کافی نیست. صد سال پیش از این، اولین کنفرانس جهانی فیزیک در بروکسل بلژیک برگزار شد. موضوع عمده بحث این بود که با نظریه جدید و عجیب کوانتوم چکار می‌توان کرد؛ و این که آیا می‌توان آن را با تجربیات زندگی روزمره ترکیب کرد و به یک تعریف منطقی از جهان ما دست یافت یا خیر.

این سوالی است که به گزارش نیوساینتیست، بعد از گذشت یک قرن، هنوز هم ذهن فیزیکدان‌ها را به خود مشغول کرده است. ذرات کوانتومی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها از این امکان غریب برخوردارند که در آن واحد، در دو مکان متفاوت ظاهر شوند؛ همزمان به صورت ساعتگرد و پادساعتگرد بچرخند؛ و غریب‌تر از همه اینکه حتی از فاصله‌ای به اندازه نیمی از دنیا، بدون لحظه‌ای درنگ بر هم تاثیر بگذارند.

ولی اینجا یک مساله وجود دارد، ما هم از اتم‌ها و مولکول‌ها تشکیل شده‌ایم، پس چرا نمی‌توانیم هیچ یک از این کارها را انجام دهیم؟ این سوالی است که هاروی براون از دپارتمان فلسفه علم در دانشگاه هاروارد، درگیر ان است: «مکانیک کوانتوم در کجا متوقف می‌شود؟»


به نظر می‌رسد به رغم اینکه هنوز پاسخی برای این سوال یافت نشده، اما تلاش برای یافتن این پاسخ، بی‌پاداش نبوده است. مثلا سبب پیدایش حوزه جدیدی از دانش کوانتوم شده که توجه صنایع های‌تک و جاسوس‌های دولتی را به خود جلب کرده است.

 یک زاویه حمله جدید در تلاش برای یافتن نظریه نهایی فیزیک را در منظر دید ما قرار می‌دهد، و شاید حتی منشا پیدایش جهان را نیز برای ما آشکار سازد. با در نظر گرفتن این که روزی منتقدین کوانتوم (مانند اینشتین) این نظریه را «بالش لطیفی» می‌دانستند که تنها به کار خوابیدن فیزیک‌دانها می‌آید؛ این نتایج دست کم برای یک بالش بسیار درخشان بوده‌اند.


از بد حادثه برای اینشتین، نظریه کوانتوم به یک شاهکار بدل شد. هنوز هیچ آزمایشی پیش‌بینی‌های آن را رد نکرده و می‌توانیم بپذیریم که راه خوبی برای توصیف عملکرد جهان در مقیاس بسیار کوچک است. و خوب فقط یک مشکل دارد: این یعنی چه؟

فیزیکدان‌ها تلاش دارند تا پاسخ را «تفسیر» کنند: تفکرات فلسفی کاملا سازگار با آزمایش‌هایی که در پس نظریه کوانتوم نهفته‌اند. به گفته ولاتکو ودرال که وقتش را بین دانشگاه آکسفورد و مرکز فناوری‌های کوانتوم در سنگاپور تقسیم می‌کند؛ «دریایی از تفاسیر وجود دارد».

در طول تاریخ، هیچ نظریه علمی دیگری نبوده که بتوان از چنین زوایای متفاوتی به آن نگریست. چگونه چنین چیزی ممکن است؟


برای مثال چیزی را که امروزه به نام تعبیر کپنهاگ می‌شناسیم، در نظر بگیرید. این تفسیر که توسط دانشمند دانمارکی نیلز بور ارائه شده است، چنین بیان می‌کند که هر تلاشی برای صحبت در مورد مکان یک الکترون در اتم، بدون اندازه‌گیری آن بی‌معنی است. فقط زمانی می‌توان هر ویژگی ذرات را یک صفت فیزیکی نامید و گفت که آنها در عالم واقع وجود دارند که بتوان با یک ابزار غیر کوانتومی یا «کلاسیک»؛ آن ذرات را مشاهده و با آنها ارتباط برقرار کرد.

بعد از آن تفسیر «دنیاهای متعدد» مطرح می‌شود، که در آن غرابت کوانتوم به این ترتیب توضیح داده می‌شود که هر چیزی که در جهان ما وجود دارد، در هزاران دنیای موازی دیگر نیز موجود است، و وجودی چندگانه دارد. یا شاید شما تفسیر بروگلی-بوهم را ترجیح دهید، که در آن نظریه کوانتوم ناقص فرض می‌شود: ما با برخی خصوصیات پنهان مواجهیم که اگر آنها را می‌دانیتسم، همه چیز آشکار می‌شد.

 و بسیاری دیگر از این دست تفاسیر وجود دارند، فهرستی از تفاسیر که تمامی ندارد. در صد سال گذشته، باغ وحش کوانتوم به جایی شلوغ و پر سر و صدا مبدل شده است. ولی در این میان، تنها چند تفسیر هستند که برای فیزیکدان‌ها اهمیت دارند:

کپنهاگ شگفت انگیز

محبوب‌ترین این تفاسیر، تفیسر کپنهاگ بور است. عمده دلیل محبوبیت آن، این است که فیزیکدان‌ها نمی‌خواهند خود را با فلسفه درگیر کنند. می‌توان از ابهامات این تفسیر (مانند اینکه دقیقا چه چیزی انداه گیری را شکل می‌دهد، و یا چرا باید تغییری در بافت واقعیت ایجاد کند) چشم‌پوشی کرد تا به یک پاسخ مفید از نظریه کوانتوم دست یافت.

به همین دلیل است که برخی اوقات، کاربرد بی‌سوال تفسیر کپنهاگ، به نام تفسیر «ساکت شو و حساب کن» نامیده می‌شود. ودرال می‌گوید: «با دانستن این که اکثر فیزیکدان‌ها می‌خواهند فقط محاسبات را انجام دهند و نتایج را اعمال کنند، اکثر آنها در گروه ساکت شو و حساب کن قرار می‌گیرند».

ولی این رویکرد دو مشکل دارد. اول، هیچ گاه نمی‌تواند چیزی در مورد طبیعت بنیادین واقعیت به ما بیاموزد. برای نیل به این مقصود باید به دنبال جاهایی گشت که در آنها نظریه کوانتوم صادق نیست.

دوم، کار در درون یک چارچوب خودساخته، به این معنی است که یافتن کاربردهای جدید برای نظریه کوانتوم چندان محتمل نیست. چشم اندازهایی که مکانیک کوانتوم در دیدرس ما قرار می‌دهد، می‌تواند راهگشای ایده‌های نو باشد. ودرال می‌گوید: «اگر به حل معماهای متفاوت می‌پردازید، برایتان مفید خواهد بود اگر با تفاسیر متفاوتی آشنا باشید».

 
در قلب این حوزه، پدیده درهم‌تنیدگی قرار دارد که در آن، داده‌ها در مورد ویژگی‌های یک دسته ذرات کوانتومی، بین آنها به اشتراک گذاشته می‌شود. نتیجه چیزی است که اینشتین «حرک شبح وار در دوردست» نامیده بود: اندازه‌گیری یک ویژگی از یک ذره، همزمان بر صفات شرکای درهم‌تنیده آن تاثیر می‌گذارد، حال هرچقدر از هم فاصله داشته باشند.
 

پدیده درهم‌تنیدگی بنیادی از محاسبات کوانتوم را بنا نهاده که در آن، تنها یک اندازه‌گیری می‌تواند به شما پاسخ هزاران و شاید میلیون‌ها محاسبه را که به طور موازی با ذرات کوانتوم انجام شده‌اند بدهد؛ رمزنگاری کوانتوم نیز از پیامدهای آن است، حوزه‌ای که از داده‌ها با استفاده از طبیعت اندازه‌گیری‌های کوانتوم محافظت می‌کند.
 

هر دوی این فناوری‌ها، توجه دولت‌ها و صنایع را به خود جلب کرده‌اند، که می‌خواهند بهترین فناوری‌ها را در اختیار داشته باشند، و مانع از دستیابی رقبا و دشمنان خود به آنها شوند. ولی فیزیکدان‌ها عملا بیشتر مجذوب چیزهایی می‌شوند که این پدیده در مورد طبیعت واقعیت به ما می‌گوید. به نظر می‌رسد که یک مفهوم آزمایشات داده‌های کوانتوم این باشد که داده‌هایی که در ذرات کوانتوم نگهداری می‌شوند، در بنیاد واقعیت قرار می‌گیرند.


طرفداران تفسیر کپنهاگ مانند زایلینگر، سیستم‌ها را به مثابه حامل‌های داده می‌نگرند، و اندازه‌گیری با استفاده از ابزارهای کلاسیک اهمیتی برایشان ندارد: این تنها یک راه برای ثبت تغییری در محتوای داده سیستم است. زایلینگر می‌گوید: «اندازه‌گیری، داده‌ها را به روز می‌کند». این تمرکز بر روی داده‌ها به عنوان عنصر بنیادین واقعیت، برخی را نیز برآن داشته تا خود جهان را یک کامپیوتر کوانتومی بزرگ بدانند.
 
دنیاهای چندگانه

با این وجود، به رغم تمام گامهایی که در نتیجه تفسیر کپنهاگ برداشته شده، خیلی از فیزیکدان‌ها می‌خواهند سوی دیگر آن را نیز ببینند.
 
فرض طبیعت اشیا به عنوان مقیاس جهان، به منتقدین تفسیر کپنهاگ هم بهانه‌های خوبی داده است. اگر فرایند اندازه‌گیری با استفاده از ناظر کلاسیک برای خلق واقعیتی که مشاهده می‌کنیم بنیادی است، چه چیزی مشاهدات ایجادکننده محتوای جهان را انجام داده است؟ به گفته براون، «شما واقعا نیاز به یک ناظر بیرون از سیستم دارید، ولی طبق تعریف هیچ چیزی بیرون از جهان وجود ندارد».
 

به همین دلیل است که اخترشناسان بیشتر علاقه‌مند به تفسیری هستند که در اواخر دهه 1950 توسط هیو اورت از دانشگاه پرینستون مطرح شد. طبق تفسیر «دنیاهای چندگانه» او از مکانیک کوانتوم، واقعیت به مفهوم اندازه‌گیری وابسته نیست. در عوض، هزاران احتمال متفاوت ذاتی هر سیستم کوانتوم، هریک در دنیای خود ظاهر می‌شوند.
 

دیوید دوچ از دانشگاه آکسفورد که نقشه‌های اولین کامپیوتر کوانتوم را طراحی کرده، می‌گوید که اکنون تنها می‌تواند به عملیات کامپیوتری به صورت جهان‌های چندگانه بیندیشد. برای او هیچ تفسیر دیگری معنی ندارد.
 

البته این تفسیر هم منتقدین خود را دارد. تیم مادلین، از دپارتمان فلسفه علم دانشگاه راتگرز نیوجرسی، نمی‌تواند بپذیرد که «دنیاهای چندگانه» توانسته باشد چارچوب خوبی فراهم کند که بتوان بر مبنای آن توضیح داد که چرا احتمال رخداد برخی از خروجی‌های کوانتوم بیش از بقیه است.

به گفته مادلین، دنیاهای چندگانه بیان می‌دارد که با توجه به چندگانه بودن دنیاها، تمامی خروجی‌های ممکن اتفاق می‌افتند، ولی هیچگاه توضیح نمی‌دهد که چرا ناظران همواره محتمل‌ترین خروجی ممکن را می‌بینند. امری که از دید وی «یک مشکل خیلی عمیق است».

 هرچند به گفته دوچ این مشکل با کار نظریه‌پردازان پیرو این تفسیر حل شده، اما مباحثات وی پیچیده‌اند و هنوز نتوانسته‌اند همه را قانع کنند. ولی مسئله پیچیده‌تر، چیزی است که طرفداران دنیاهای چندگانه، «اعتراض ناظر دیرباور» می‌نامند. مفهوم آشکار دنیاهای چندگانه این است که چندین نسخه از ما وجود دارند، و برای مثال الویس پریسلی هنوز در دنیاهای دیگر در حال اجرای برنامه است. هضم این مفهوم کار ساده‌ای نیست!


دوچ و براون هر دو ادعا دارند که دنیاهای موازی، توجه خیلی از اخترشناسان را به خود جلب کرده است. بحث‌ها در مورد نظریه ریسمان، کیهان شناسی و اخترشناسی رصدی، برخی از اخترشناسان را بر آن داشته تا ادعا کنند که ما در یکی از دنیاهای چندگانه زندگی می‌کنیم.
 

براون اذعان می‌کند: «ما در وضعیتی گرفتار شده‌ایم که احتمالا نمی‌توانیم به طور تجربی بین اورت و بروگلی-بوم یکی از انتخاب کنیم. البته این امر دلیلی برای بدبینی نیست. فکر می‌کنم که پیشرفت قابل ملاحظه‌ای رخ داده است. خیلی‌ها می‌گویند که به دلیل نبود یک آزمایش قاطع متمایز کننده هیچ کار نمی‌توانیم انجام دهیم، ولی این دقیقا همان امری است که سبب می‌شود که برخی از تفاسیر از دیگران بهتر باشند».

هرچند ودرال خود را در گروه دنیاهای چندگانه قرار می‌دهد، ولی به باور او، در انتخاب یک گروه تنها مسئله علایق قرار دارد. «در همه این موارد، نمی‌توانید تمایز تجربی بین آنها قائل شوید، در نتیجه فقط باید از غرایز خود پیروی کنید».


این ایده که فیزیکدان‌ها تنها از روی هوس یکی از این تفاسیر را انتخاب کنند، به نظر غیر علمی می‌آید، ولی تاکنون که ضرری نداشته است!

نظریه کوانتوم دنیا را از طریق محصولات جانبی خود تغییر داده است، (مثل ترانزیستور و لیزر) و شاید چیزهای دیگری هم در راه باشند. فیزیکدان‌ها با داشتن تفاسیر متفاوت برای پیگیری، ایده‌هایی برای انجام آزمایشها به نحوی متفاوت می‌یابند. به گفته ودرال، داشتن ذهنی باز در مورد معنی نظریه کوانتوم شاید بتواند حوزه جدیدی را در فیزیک باز کند.