تمام دانش ما در مقایسه با واقعیت،ابتدایی و کودکانه است.ولی با این حال با ارزشترین دارایی ماست.آلبرت اینشتین
 

فیزیک برای امروز و فردا

آشنایی با فیزیک و قلمرو حکومت آن

حاشیه ای فلسفی بر مکانیک کوانتومی
ساعت ٥:٥۱ ‎ب.ظ روز جمعه ۱٢ بهمن ۱۳۸٦  
 
در باب تعابیر فلسفی مکانیک کوانتومی سخن بسیار می توان گفت و هیچ متنی را نمی توان یافت که دربرگیرنده همه تفکرات پیرامون آن باشد. در این نوشتار نیز بنا به اصل گزینشی(selective) بودن  مباحثی اینچنین, تنها به جنبه های محدودی از استنتاجات فلسفی مکانیک کوانتومی خواهیم پرداخت. با وجود آنکه غالب فیزیکدانان بر سر این مساله اتفاق نظر دارند که تئوری کوانتومی پاسخگوی امور است و نتایجی را پیشگویی می کند که مطابقت خوبی با تجربه دارند, اما همواره مباحثات فزاینده ای پیرامون بنیادهای فلسفی آن در جریان بوده است. یکی از رایج ترین تعابیر فلسفی مکانیک کوانتومی به تعبیر کپنهاگی (Copenhagen interpretation) شهرت دارد که از سوی مبدعان اصلی و پیشگامان مکانیک کوانتومی , بوهر(Bohr) و هایزنبرگ Heisenberg)) ارائه شده است. هایزنبرگ و بوهر با شور و حرارت از این تعبیر دفاع می کردند و سعی میکردند آن را به قلمروهایی جز فیزیک نیز تعمیم بدهند و از آن یک فلسفه تمام عیار برای حل و یا دست کم برای بیان درست همه مسائل و مشکلات فکری بسازند. مباحثات بوهر و اینشتین که از منتقدان اصلی این تعبیر بود بخش گیرایی از تاریخ فیزیک را تشکیل می دهد.

 


اگرچه اینشتین سرانجام سازگاری منطقی نظریه و توافق آن با حقایق تجربی را پذیرفت اما هرگز قانع نشد که نظریه کوانتومی حقیقت غایی را نشان می دهد. جمله مشهور اینشتین که "خداوند در خلقت جهان طاس نمی ریزد" به وضوح به ناخشنودی وی از کنار گذاردن علیت(causality) و رویدادهای منفرد به سود یک تعبیر صرفاً آماری اشاره دارد. در این نوشتار, برخی ازاستدلالات مخالفان در رد تعبیر کپنهاگی را تحلیل خواهیم کرد. مهمترین دستاورد فلسفی تعبیر کپنهاگی را می توان طرد موجبیت دانست. به بیان دیگر غالب جستجوها برای یافتن نظریه ای بدیل, به علت ایراد به عدم موجبیت فلسفی آن صورت گرفته است تا ملاحظات دیگر. بنا بر نظر اینشتین "اعتقاد به دنیای خارجی مستقل از موضوع مورد درک, پایه تمامی علوم طبیعی است". ولی مکانیک کوانتومی بر هم کنشهای شیء و ناظر را بعنوان واقعیت غایی در نظر می گیرد و زبان روابط فرایندهای فیزیکی را به جای زبان کیفیت ها و خواص فیزیکی به کار می برد. مکانیک کوانتومی این برداشت را نیز مردود می کند که در پس جهان ادراک ما دنیای عینی نهفته ای وجود دارد که علیت(causality) بر آن حاکم است, و در عوض خود را به تشریح بین روابط بین ادراکات محدود میکند. گروهی از فیزیکدانان از اینکه خواص عینی(objective) به ذرات بنیادی نسبت داده نشود و تنها به جنبه های ذهنیت گرایانه (subjectivity)ناظر پدیده اکتفا شود اکراه دارند. هایزنبرگ در این باره می گوید: ما فرض نکرده ایم که نظریه کوانتومی بر خلاف نظریه کلاسیک اساساً یک نظریه آماری است, بدین معنا که که از داده های دقیق فقط می توان نتایج آماری بدست آورد... در فرمول بندی قانون علّى (causal law) , اگر حال را دقیقاً بدانیم آینده را نیزدقیقاً می توانیم پیشگویی کنیم, این استنتاج اشتباه نیست. بلکه صغری و کبری مسئله غلط است. بعنوان یک اصل ما نمیتوانیم از حال با تمام جزئیات آن مطلع باشیم. به واقع اصل عدم قطعیت (uncertainly principle) بوضوح اشاره به این مسئله دارد که در فراین مشاهده پدیده ها اخلال ناخواسته ای دخیل خواهد شد که به هیچ روی قابل حذف نیست. دوبروی که بهمراه دیوید بوهم از منتقدین تعبیر طرد موجبیت هایزنبرگ و بوهر می باشد در مقدمه کتاب "از علیت وشانس در فیزیک مدرن"  (from causality and chance in modern physics)چنین می گوید:
"با توجه به سطح پژوهشهای میکروفیزیکی کنونی روشهای اندازه گیری یقیناً تعین همزمان کلیه مقادیر لازم برای بدست آوردن تصویر ذرات نوع کلاسیک را مجاز نمی شمارند. و نیز اختلالهای ناشی از اندازه گیری که حذفشان غیر ممکن است, عموماً پیشگویی دقیق نتیجه حاصل از این اندازه گیری را مانع می شوند و تنها پیشگوییهای آماری را مجاز می دارند. بدین ترتیب بنا نهادن فرمولهای صرفاً احتمالاتی کاملاً موجه بود. ولی اکثریت آنان اغلب تحت تاثیر مفاهیم از پیش شکل گرفته ای که از آیین اثبات گرایانه (positivistic doctrine) ناشی می شد, تصور کرده اند که می توان از این نیز فراتر رفته و بیان داشت که خصلت غیر قطعی و نارسای دانشی که تجربه در مرحله امروزی اش درباره آنچه که در دنیای فیزیک میکروسکوپی واقعا روی می دهد در اختیار ما میگذارد نتیجه عدم موجبیت واقعی در حاتهای فیزیک و تحول آنهاست. چنین تعمیمی به هیچ وجه قابل توجیه به نظر نمی رسد. در آینده با درک عمیق تری از واقعیتهای فیزیکی شاید بتوان قوانین احتمال و فیزیک کوانتومی را به صورت نتایج آماری تکوین مقادیر کاملاً تعیین شده ای تعبیر کرد که در حال حاضراز نظر ما پنهانند. ممکن است وسایل پرقدرتی که اینک در شکستن ساختار هسته و آشکار ساختن ذرات جدید مورد استفاده قرار می دهیم روزی دانش بلاواسطه ای در اختیارمان قرار دهد که درحال حاضر در آن سطح عمیق تر فاقد آنیم." اما باید بگوییم این خطای اندازه گیری که دوبروی به نقص ابزار مشاهده منتسب می کند جزء قوانین اساسی نظریه کوانتومی است. محدودیتهای قید شده در اصل عدم قطعیت را نباید به معنای نقص دستگاه های اندازه گیری تلقی کرد و اینگونه استنتاج نمود که این محدودیت روزی با پیشرفت ابزار اندازه گیری تقلیل می یابد. این اصل قانون مهمی است که تا زمانی که قوانین نظریة کوانتوم به شکل کنونیشان پابرجا هستند، صادق خواهد بود.مشاهده نمودیم که دلیل اصلی مخالفت با تعبیر کپنهاگی به مسئله علیت و موجبیت (determinism) بازمیگردد. همیشه این سوال مطرح بوده که به راستی اعتبار درستی مسائل چیست؟ مطابق کدام منطق, تعبیری معقول و منطقی به نظر می رسد و دیگری دور از ذهن و مغایر با عقل سلیم؟ پاسخ به این سوال تا حدودی واضح است. منطق درستی مسائل بی تردید به معرفت ما نسبت به برهان علیت عمومی باز می گردد. علیت در ذهن انسان یک قانون عام و فراگیر است و حاصل تجربیات او از همه حوادث و وقایع زندگی. هر مساله منطق درستی برای ادراک دارد از این رو که با عقیده ما راجع به علیت همخوانی و انطباق دارد. به عبارتی هر چیزی که با علیت سازگاری داشته باشد منطقی به نظر می رسد و بالعکس. در واقع عقیده و استدلال ما در باب برهان علیت, اعتبار خود را از تجربه ما در دنیای ماکروسکوپی وام میگیرد. این مبحث اصالتا یک جدل معرفت شناختی (epistemology)است. زمانی که ناظر به مشاهده پدیده میپردازد و قوای معرفتی او فعال می شوند جهان خود را می نمایاند و در اینجاست که معرفت ناظراز جهان شکل می گیرد. کانت به طرح این پرسش پرداخت که اساس رابطه ای که آن را تصور (representation) مینامیم چیست و چگونه میان صورتی که من در ذهن دارم و واقعیتی که بیرون ازمن است امکان پذیر می شود؟ ایمانوئل کانت در آنتینومی های کتاب نقد خرد محض(critic of pure reason) اشاره به این مطلب میکند که چگونه اطلاق مفاهیم و صور عقلی زمانی که محتوای تجربی برای آنها متصور نیست مانند حیطه امور متناهی به تناقض می انجامد و از این روست که چارچوب مشروع اطلاق مفاهیم تعیین می گردند. به اعتقاد کانت نمی توانیم برای اموری همچون علیت خصلتی در خود قائل شویم و آن را صفتی عینی از صفات ابژه ها بدانیم. علم به رابطه علیت نمی تواند علمی فطری باشد که عقل انسانی با آن سرشته شده و بر اساس آن در صدد تشخیص علت و معلولهای خاص برمی‏آید. باید گفت فطری بودن هیچ علم حصولی قابل اثبات نیست و بفرض ثبوت هم هیچ ضمانتی برای مطابقت با جهان واقع نخواهد داشت. برخی ازعلوم, قریب به بداهت هستند و می‏توان آنها را فطری نامید (مانند علم به وجود واقعیات مادی) که در واقع از یک استدلال خفی و نیمه آگاهانه سرچشمه می‏گیرد. پایه اعتقاد به وجود رابطه علیت, علم حضوری  (intuitive reasoning)است و ادراک شهودی مصادیق علت و معلول, مبنای اصلی برای انتزاع مفاهیم کلی علت و معلول محسوب میگردد و درادامه به یک بدیهی اولیه بی نیاز از تحلیل می انجامد. اما مصادیق مادی علت و معلول قابل شناخت‏ حضوری و شهودی نیستند ونوعی استدلال واضح و منطقی در این زمینه لازم است. "گاهی تصور می‏شود که برای شناختن علتهای مادی می‏توان چنین استدلال کرد این پدیده‏ها همواره متعاقب یکدیگر بوجود می آیند و هر دو پدیده‏ای که به این صورت تحقق یابند اولی علت دومی می‏باشد ولی این استدلال تمام نیست زیرا تعاقب و تقارن اعم از علیت است و به اصطلاح کبرای قیاس بصورت قضیه کلیه یقینی نیست" . دیدگاههای منطق وجوه علی رودلف کارناپ Rudolf Carnap)) در این زمینه اشاره به این دارد که این امکان وجود دارد تلازم دائمی دو پدیده کاملاً تصادفی و هیچ زنجیره علی نیز بر آن مترتب نباشد.] برای مطالعه بیشتر به کتاب "مقدمه ای بر فلسفه علم"(مبانی فلسفی فیزیک) رجوع کنید[. کارناپ می گوید : من نیز مانند هیوم معتقدم  در یک رابطة علّی هیچ ضرورت باطنی وجود ندارد. اما نمی خواهم امکان به کار گرفتن نوعی مقولة ضرورت را رد بکنم، به شرطی که این مقوله متافیزیکی نبوده و متعلق به منطق وجوه باشد. منطق وجهی منطق ارزش راستی را با به کار گرفتن مقولاتی همچون ضرورت امکان و عدم امکان تکمیل می نماید. باید به دقت بین وجوه منطقی(منطقاً ضروری و منطقاً ممکن) و وجوه علّی(از نظر علّی ضروری، از نظر علّی ممکن) تفاوتی قائل بود. از دیدگاه کارناپ " در زندگی روزمره، هیچ تفاوتی میان فیزیک کلاسیک با جبریت و فیزیک کوانتومی با معلولهای بی قاعده و محتمل، موجود نیست. عدم حتمیّت در نظریة کوانتوم بسیار بسیار کمتر از عدم حتمیّت ناشی از محدودیت دانش در زندگی روزمره است. در اینجا انسان در جهانی زیست می کند که توسط فیزیک کلاسیک توصیف می شود، و در حالت اول انسان در جهانی زندگی می کند که توسط فیزیک مدرن وصف می شود. بین این دو نوع توصیف تفاوتی موجود نیست که تأثیر قابل ملاحظه ای در مسئله انتخاب آزاد و رفتار اخلاقی بگذارد. در هر دو حالت انسان نتایج اعمالش را نه با حتمیّت، بلکه با درجه ای از احتمال پیش بینی می کند، عدم تعیّن در مکانیک کوانتومی, هیچ تأثیر قابل مشاهده ای بر سنگی که انسان پرتاب می کند، ندارد. چون سنگ مجتمع عظیمی است از میلیاردها ذره. در جهانی که انسان زندگی می کند عدم تعیّن مکانیک کوانتومی نقشی ایفا نمی کند. به همین دلیل این پندار را که عدم تعیّن در سطح زیر اتمی ربطی به مسئله اراده آزاد دارد، می توان باطل دانست." دیوید هیوم در نقد خود به مسئله علیت استدلال می کند که هیچ دلیلی وجود ندارد که فرض کنیم ضرورتی درونی, در وقایع متواتر علت و معلول وجود دارد. واقعه ای را مشاهده می کنید و سپس واقعه دیگری را. آنچه که مشاهده کرده اید چیزی نیست جز تواتر زمانی وقایع یکی پس از دیگری و هیچ ضرورتی در اینجا مشاهده نشده است. بهتر است بگوییم علیت در مکانیک کوانتومی به مفهوم اصیل آن حذف نمی شود بلکه این تعبیر سنتی جبرگرایانه آن است که حذف میشود. علیت در تعریف، براین اصل استواراست که یک واقعیتفیزیکی,(under determinate) در مقدمه استنتاج است. به طوری که ما نمی توانیم از وضع کنونی سیستم به طور کامل مطلع بشویم. بنابراین طبیعی است که نتیجه به صورت محتمل درآید. اگر علیت را به تمام و کمال به معنای قابلیت پیش بینی پذیری بدانیم آنگاه مکانیک کوانتومی ناقض علیت خواهد بود. اما پیش بینی پذیری علاوه بر اعتبار علیت عامه به دانش ما در باره طبیعت و شرایط اولیه هم نیاز دارد. هیوم و بیکن و برنارد و میل هیچکدام بر اساس علیت خدشه ای وارد نکردند. بحث آنها بیشتر تمایز میان ضرورت منطقی و ضرورت تجربی است. در ثانی حتی در فیزیک کلاسیک نیز که باور عمومی بر این است که موجبیتی است و رفتار آینده هر سیستم منزوی را می توان از حالت فعلی آن تعیین نمود, در موار بسیاری برخورد آماری با سیستم صورت می گیرد. مانند دینامیک گازها یا سیستمهای هنگردی(ensemble) در مکانیک آماری. اگرچه که در آنجا فرض را بر این می گذارند که با محاسبه تک تک ذرات سیستم می توان اطلاعات کاملی از وضع کلی سیستم بدست آورد اما بدلیل دشواری محاسبه, برایند خواص اجزای سیستم را بصورت آماری تحلیل می کنیم. ارسطو تحقق چهار علت فاعلی ,مادی, صوری و غایی را برای وقوع رویدادها ذکر کرده است. از منظر ارسطویی هرگاه این چهار علت فراهم آیند وجود معلول بالضروره تحقق می یابد. از این رو قواعد مکانیک و ریاضیات را می توان به نوعی علت غایی پدیده ها پنداشت. تحلیل ابعادی در مکانیک کلاسیک به گونه ای است که در ابتدا پارامترهای موثر در یک پدیده تعیین و مطابق با نظریه پی بوکینگهام ارتباط میان پارامترهای مستقل و وابسته مشخص می گردد. در این روش ابتدا تمام پارامترهایی که گمان می کنیم بر پدیده موثرند را فهرست می کنیم. در صورتی که نسبت به تاثیر یک پارامتر در وقوع پدیده تردید وجود داشته باشد باز هم آن پارامتر را وارد می کنیم. اگر پارامتر به پدبده مربوط نباشد پارامتر اضافی Π ظاهر می گردد. این پارامتر که در نهایت مشخص می گردد هیچ تاثیری روی پدیده فیزیکی ندارد در رابطه نهایی که می خواهیم بدست آوریم وارد نمیشوند. یا اینکه در نهایت یک گروه بی بعد بیشتر به دست می آید که آزمایش نشان می دهد آنها اضافی هستند. در هر صورت آنچه مسلم است امکان دارد متغیرهای نهان در پدیده ها موثر باشند و از نظر ما مغفول مانده باشند. دیوید بوهم که از منتقدین تعبیر کپنهاگی است همواره به دنبال نظریه کوانتومی بدیلی بود که فاقد عدم قطعیت باشد. او برای رد عدم قطعیت, یک جمله به معادله شرودینگرErwin Schrödinger که تعبیری بالنسبه جبرگراترازمکانیک کوانتومی بود اضافه نمود. بستگی به دیگری دارد و پژوهش فیزیکدانان کشف این وابستگی می باشد و مشاهده می کنیم که این مسئله هنوز هم درمکانیک کوانتومی صادق است. اگرچه اشیا مورد مشاهده که برای آنها این وابستگی ادعا میشود متفاوتند، اینها احتمالات رخدادهای بنیادی مطرح هستند و نه خود رخدادها.هایزنبرگ نیز به این مسئله اذعان داشت که در اصل عدم قطعیت آنچه که سبب ناسازگاری با علیت می گردد در حقیقت نقص تعیین
−h² [∂² ψ (x,t)] / 2m∂x² + V(x,t) ψ (x,t) = ih ∂ψ (x,t)/∂t    
اگر مقادیر مجموعه کامل کمیتهای یک حالت برای زمان t داده شده باشد،آنگاه تابع موج کوانتومی دستگاه برای زمان t به طور منحصر به فرد تعیین می گردد. این تابع موج، در مکانیک کوانتومی نقشی شبیه به توصیف حالت در مکانیک کلاسیک بازی می کنند. فرم ریاضی معادله شرودینگر شبیه به یک قانون جبری است. از این رو اگر تابع موج کوانتومی را نمایش کامل حالت آنی بدانیم،باید بگوییم  جبریت درمکانیک کوانتومی نیز حفظ میشود. اضافه کردن یک جمله به معادله شرودینگر توسط بوهم اگرچه عدم قطعیت در مکان و اندازه حرکت را از میان می برد اما این کار مستلزم در نظر گرفتن متغیرهایی است که قابل آشکارسازی نیستند. بوهم این جمله اضافه شده به معادله شرودینگر را " پتانسیل کوانتومی" می نامد. البته نه اینشتین و نه خود بوهم این اصلاحیه بوهم بر مکانیک کوانتومی را که فقط به جهت خلاصی از عدم قطعیت صورت می گرفت جدی تلقی نکردند. فی الواقع نظریه بوهم هیچ برتری خاصی نسبت به فرم پیشین مکانیک کوانتومی ندارد وتنها از این جهت مورد توجه برخی قرار گرفته که چالشی برای تابوی علیت وناخرسندی برای اذهان علیت باور,ایجاد نمی نماید. تعابیر جدیدتر از مکانیک کوانتومی نسبت به مسائل مطروحه در چند سال اول ارائه آن به مراتب پیچیده تر است. تعابیر یوجین ویگنر(eygene wigner) و نیز مبحث جهان های موازی اورت(Everett) بنیادهای فلسفی ذهن بشر را دگرگون کرده اند. آیا میتوان تصور کرد که روزی انسان به دانشی بلاواسطه ازحقیقت مطلق دست یابد و به دغدغه فلسفی کهنی چون پرسش از چندی و چونی مثل افلاطونی, گوهر اسپینوزایی و ذات و نومن کانتی خاتمه دهد؟ هنوز هیچکس پاسخ این پرسش را نمی داند.

منبع:هوپا

کلمات کلیدی: فیزیک کوانتمی