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

آیا اینشتین درست مى گفت ؟
ساعت ۱۱:٥۱ ‎ق.ظ روز جمعه ۸ شهریور ۱۳۸٧  

نوشته: ژرژ موزر

ترجمه : مهدى صارمى فر-زهرا بخشى



تأثیر گذشته و آینده بر حال

بسیارى از فیزیکدانان و فلاسفه علم، معتقدند که مکانیک کوانتومى عجیب به نظر مى آید زیرا که ما معتقدیم که فقط گذشته بر حال تاثیر گذار است. اما اگر آینده نیز بر حال تاثیر گذار بود، پاسخ چه بود؟ در این صورت، کیفیت احتمالاتى مکانیک کوانتومى مى تواند ناشى از غفلت ما از آینده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. این تصور طى چند دهه گذشته توسط مارک هادلى از دانشگاه وارویک انگلستان قوت گرفته است. وى مى گوید: «در نظریه نسبیت عام همان قدر که گذشته موثر است آینده نیز تاثیر دارد و طبیعى است که گذشته و آینده هر دو در حال تاثیر گذارند.» هادلى مى گوید: «مشاهدات آتى نشان خواهد داد که آینده نیز یکى از متغیر ین نهان است.»


آلبرت اینشتین برخلاف بسیارى از معاصرانش گمان مى کرد که روزى نظریه کوانتومى نیز در جایگاهى قرار مى گیرد که امروزه مکانیک کلاسیک قرار دارد یعنى تقریبى از یک تئورى کامل تر. امروزه پژوهشگران آمادگى پذیرش چنین نظریه اى را دارند. اینشتین به چنان جایگاهى در فیزیک رسیده که گمان این که ممکن است اشتباه کرده باشد، بى احترامى به او به نظر مى آید. حتى شهرت «اشتباه بزرگ اینشتین» صرفاً قابل اعتماد بودن وى را تقویت مى کند. براى مثال اشتباه احتمالى او مشاهدات نجومى را بسیار خوب توضیح مى دهد.1 در جایى که بسیارى از غیرمتخصصان فیزیک فکر مى کنند که با اشتباه خواندن نظرات اینشتین به وى بى احترامى کرده اند، طیف غالب فیزیکدانان نظرى، درستى احتمالى نظریه وى در خصوص آینده مکانیک کوانتومى را تعجب آور مى دانند.با این که هیچ کس در بزرگى اینشتین شک ندارد، اما فیزیکدانان و مورخان علم نمى دانند که در بین سال هاى 1920 تا 1930 چه اتفاقى براى او افتاد که او از نظریه کوانتوم که خود نقش بسزایى در تحکیم آن داشت، روى گرداند. در کتاب هاى درسى و زندگى نامه ها، از اینشتین به عنوان پدر خسته کوانتوم یاد شده است. در سال 1905 او با نوشتن مقاله اى در توجیه اثر فوتوالکتریک با استفاده از کوانتوم هاى انرژى پلانک، در معرفى مفاهیم بنیادین مکانیک کوانتومى تلاش فراوان کرد. اما با جا افتادن هر چه بیشتر این تئورى همه تلاش هایى که براى تائید این نظریه کرده بود را بى اهمیت خواند. او در اثبات نظریه نوین کوانتومى نه تنها تلاش زیادى نکرد بلکه به نوعى با اصول این نظریه مخالف بود و در جهت از بین بردن آن تلاش بسیار کرد. پیش زمینه هاى فلسفى _ ذهنى وى باعث شده بود که در مخالفت با نظریه مکانیک کوانتومى نوین2 این عبارت معروفش را به کار ببرد که: «خداوند براى اداره دنیا تاس نمى ریزد.» چنین به نظر مى رسد که عقلانیت علمى او رو به افول بوده است! برخلاف روند کلى مکانیک کوانتومى، اینشتین دهه هاى پایانى عمرش را صرف جست وجو براى یافتن یک نظریه وحدت یافته فیزیکى کرد که حتى امروزه هم یک رویاى دوردست به نظر مى رسد. نظریه پردازان امروزى فیزیک به خصوص کسانى که روى نظریه «ریسمان» کار مى کنند، پس از مطالعه گفته هاى اینشتین، به ظاهر عهد کرده اند که در راهى که وى قدم گذاشت، هرگز وارد نشوند. تصور آنها بر این است که در جایى که صحبت از نظریه نسبیت عام (که گرانش را توضیح مى دهد) و فیزیک کوانتومى (که سایر نیروهاى طبیعت را توضیح مى دهد) است، این نسبیت است که باید به نفع کوانتوم از صحنه خارج شود. با این که نسبیت عام که شاهکار اینشتین است، به طور مطلق اشتباه نیست، اما نهایتاً از آن به عنوان یک تخمین بسیار عالى از یک نظریه کامل تر «گرانش کوانتومى» یاد مى شود.

نظریه هاى ردشده

در سال هاى اخیر، وقتى فیزیکدانان نتایج پایه اى مکانیک کوانتومى را مورد مطالعه قرار دادند، پیش بینى اینشتین درباره آینده آن را بسیار تحسین کردند. کریستوفر فاشس از آزمایشگاه بل مى گوید: «آلبرت، بیشتر از آنچه که گفته شده، عمیق و سریع مشکلات اساسى مکانیک کوانتومى را دیده و شناخته است.» حتى طیفى [البته کمترى] از فیزیکدانان با نظریات اینشتین موافق بوده و معتقدند که سرانجام مکانیک کوانتومى باید جاى خود را به یک تئورى اساسى تر بدهد. رافائل بوسو از دانشگاه کالیفرنیا در برکلى (UCB) مى گوید: «ما نباید بر این باور باشیم که مکانیک کوانتومى مى تواند همه چیز را اثبات کند.» اینها جملاتى بسیار مهم در عصر ما هستند زیرا مکانیک کوانتوم موفق ترین نظریه علمى در توجیه ساختارهاى طبیعت در طول تاریخ علم بوده است. مکانیک کوانتومى جانشین همه نظریات کلاسیک شده و البته گرانش تنها حوزه اى از فیزیک نظرى است که از آثار مکانیک کوانتومى در امان بوده است. بیشتر فیزیکدانان معتقدند که سرانجام طى گذر زمان همه نظریه هاى فیزیکى از اصول اساسى مکانیک کوانتومى پیروى خواهند کرد. گذشته از اینها در نظریه نسبیت عام نیز لغزش هایى پیدا شده است. براى مثال پیش بینى نسبیت عام از آنچه که در سیاهچاله ها مى گذرد بسیار ناقص است و عملاً چیزى نمى گوید. یک راه طبیعى براى غلبه بر این لغزش ها و کاستى هاى نسبیت عام، بردن این نظریه به سمت یک تئورى کوانتومى گرانش است مانند نظریه ریسمان. اما البته در مکانیک کوانتومى هم مشکلاتى دیده مى شود که آلبرت اینشتین جزء اولین کسانى بود که به این نواقص پى برد. براى مثال کوانتوم هیچ دلیلى براى وقوع برخى پدیده هاى فیزیکى ارائه نمى دهد و فقط احتمال وقوع آنها را پیش بینى مى کند و همچنین راهى براى رسیدن به خواص درونى اشیا معرفى نکرده و در این مورد ساختار معقول محکمى ندارد.3 به علاوه، زمان و مکان در نظریه مکانیک کوانتومى متعلق به دوران قبل از نظریه نسبیت خاص اینشتین است. براى مثال مکانیک کوانتومى مى گوید که حجم یک سطل 8 لیترى، 8 برابر یک سطل یک لیترى است. این در زندگى روزمره صادق است. اما نباید نظریه نسبیت خاص اینشتین براى سطلى که با سرعت خاصى در حال حرکت نسبت به ما است، این سطل 8 لیترى تنها براى 4 لیتر آب گنجایش دارد. این محدودیت به حد هولوگرافیک مشهور است. وقتى که یک سطل پر است، اضافه کردن آب به آن تنها باعث سرریز شدن ماده داخل آن مى شود. این نه تنها شکست نظریه نسبیت نیست، بلکه نقص مکانیک کوانتومى را نشان مى دهد.4

چیزى که واضح است این است که یک نظریه ناقص را باید کامل کرد. از شروع دهه 1920 بسیارى از پژوهشگران سعى در کامل کردن نظریه کوانتومى با استفاده از «متغیرهاى نهان» داشته اند. آنها معتقدند که مکانیک کوانتوم در واقع برگرفته از مکانیسم هاى علیتى قدیمى است و این تعبیر احتمالاتى به دلیل وجود متغیرهایى است که از دید ما نهان هستند و نه چیز دیگرى. ذرات، مسیر و حرکت کاملاً مشخص خود را دارند.5 اما از آنجا که ما نظم زیربنایى حرکات آنها را نمى بینیم این حرکات را احتمالاتى تصادفى و نامنظم مى نامیم. کارستن ون بروک از دانشگاه شفیلد انگلیس مى گوید: «در این مدل ها، حرکت تصادفى در مکانیک کوانتومى مانند چرخش سکه در هوا است که به نظر تصادفى مى آید. اما اگر ما همه پارامترهاى لازم را لحاظ کنیم مى توان با استفاده از مکانیک کلاسیک معادلات قاطعى نوشت که مى گویند کدام روى سکه مى آید.»

حرکت براونى

حرکات ذرات گرد و غبار به نظر تصادفى مى آیند، اما بنا به آنچه که اینشتین نیز در سال 1905 گفته در واقع این حرکات ناشى از حرکت مولکول هاى هوا هستند که معادلات مکانیک کلاسیک بر آنها حاکم است. معادلات مکانیک کوانتومى نیز تشابه مرموزى با نظریه جنبشى گازها و تعابیر احتمالاتى به کار رفته در مکانیک آمارى دارند.6 در بعضى از فرمول هاى مکانیک آمارى، ثابت پلانک که ثابت اصلى نظریه کوانتومى است، نقش ریاضى دما را برعهده دارد، در واقع مثل این مى ماند که بگوییم، مکانیک کوانتومى حرکت بعضى گازها و به طور کلى مولکول ها را در دماى پائین به خوبى شرح مى دهد.

وقتى فیزیکدانان با تئورى هایى مانند نظریه متغیرهاى نهان روبه رو مى شوند، قبل از این که به طور کامل بتوانند آنها را به طور تجربى مورد آزمایش قرار دهند، این نظریات را با معیارهاى عملى (Pragmatic) مى سنجند. آیا این نظریه به طور عملى به دردبخور است؟ براى مثال در طول تکامل نظریه ریسمان به قوانین فیزیکى و ریاضیاتى فراوانى دست یافته ایم که حتى اگر این نظریه توسط تجربه هم رد شود، چیز زیادى از دست نرفته است.

بسیارى از فیزیکدانان با استفاده از همین منطق پراگماتیستى، نظریه متغیرهاى نهان را رد مى کنند. آنها معتقدند که تئورى هایى که با استفاده از متغیرهاى نهان سعى در توجیه پدیده ها دارند، توانایى پیش بینى حوادث جدید را نداشته، هیچ قانون محکم فیزیکى معرفى نکرده و نمى توانند نتایج کوانتوم را بدون استفاده از قوانین رد شده کلاسیک که استفاده از آنها در نظریات جدید توصیه نمى شود، توصیف کنند. خود اینشتین پیش از بى اساس خواندن نظریه متغیرهاى نهان آنها را به دقت مورد مطالعه قرار داد. او نتیجه گرفت که نقایص مکانیک کوانتومى را نمى توان با عناصر کلاسیک برطرف کرد. وى بر این باور بود که براى کامل کردن نظریه مکانیک کوانتومى باید ساختارهاى فیزیکى را به طور کامل دوباره مطالعه کرد.

طى پنج سال گذشته، نظریه متغیرهاى نهان دوباره زنده شده است و این را مدیون گرارد ت هوفت فیزیکدان و نوبلیست برجسته دانشگاه اوترخت هلند است که به معرفى فرضیه هاى بنیادین مشهور است، هوفت معتقد است که تفاوت مکانیک کوانتومى و مکانیک کلاسیک فقدان اطلاعات کافى است. ما اطلاعات بیشترى درباره سیستم کلاسیک داریم چرا که متغیرهاى کلاسیک پیوسته هستند اما متغیرهاى کوانتومى، در حالت هاى گسسته قرار دارند. پس اگر بخواهیم فیزیک کوانتومى را جانشین فیزیک کلاسیک کنیم، اطلاعات زیادى را باید نادیده بگیریم. این امر ممکن است در اثر اصطکاک با سایر نیرو هاى اتلافى باشد. اگر دو سکه را از بالاى ساختمانى بلند با سرعت هاى متفاوت پرتاب کنیم، اصطکاک هوا باعث مى شود که این دو سکه سرانجام به یک سرعت یکسان نهایى برسند. شخصى که در پیاده روى پایین ساختمان ایستاده، به سختى مى تواند سرعت دقیق پرتاب سکه ها را تشخیص دهد. این اطلاعات نامعلوم نوعى متغیر نهان هستند. در این مثال و مثال هاى دیگر که معروف به موقعیت هاى جذب کننده7 هستند، بسیارى از حالات متفاوت آغازین به رفتارى یکسان طى مسیر تبدیل مى شوند. این حالت ها همانند حالت هاى کوانتومى گسسته هستند. با این تفاوت که برخلاف مکانیک کوانتومى، از قوانین مکانیک نیوتنى تبعیت مى کنند. هوفت معتقد است که در واقع این قوانین برگرفته از فیزیک نیوتنى، جدا از قوانین مکانیک کوانتومى نیستند. بنابراین طبیعت مى تواند در جزئیات به طور کلاسیک رفتار کند در حالى که در مسائل اتلافى به صورت کوانتومى عمل نماید. ماسیمو بلاسون از دانشگاه سالرنو ایتالیا مى گوید: «مکانیک کوانتومى را باید به عنوان حد پایین انرژى یک نظریه پایه اى بدانیم.»

بلاسون و همکارانش پس از مطالعه دقیق این نظریه نشان دادند که یک نوسانگر هماهنگ خطى کوانتومى (که نمونه کوانتیده یک پاندول است) از یک جفت نوسانگر تحریک شده با اصطکاک ساخته شده است. هر نوسانگر به تنهایى از قوانین کلاسیک پیروى مى کند اما در جایى که این نوسانگر ها به هم متصل مى شوند، دیگر از قوانین مکانیک کوانتومى پیروى مى کنند. برنت مولر از دانشگاه دوک و همکارانش ثابت کرده اند که یک سیستم فیزیکى کلاسیک پنج بعدى مى تواند در فضاى چهار بعدى رفتارى کوانتومى داشته باشد. ون دو بروک معتقد است که یک منبع نیروى اصطکاک باعث تبدیل یک سیستم کلاسیک به یک سیستم کوانتومى مى شود. این کار ممکن است توسط گرانش انجام شود.

پیوستگى زمانى

بسیارى از فیزیکدانان و فلاسفه علم، معتقدند که مکانیک کوانتومى عجیب به نظر مى آید زیرا که ما معتقدیم که فقط گذشته بر حال تاثیر گذار است. اما اگر آینده نیز بر حال تاثیر گذار بود، پاسخ چه بود؟ در این صورت، کیفیت احتمالاتى مکانیک کوانتومى مى تواند ناشى از غفلت ما از آینده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. این تصور طى چند دهه گذشته توسط مارک هادلى از دانشگاه وارویک انگلستان قوت گرفته است. وى مى گوید: «در نظریه نسبیت عام همان قدر که گذشته موثر است آینده نیز تاثیر دارد و طبیعى است که گذشته و آینده هر دو در حال تاثیر گذارند.» هادلى مى گوید: «مشاهدات آتى نشان خواهد داد که آینده نیز یکى از متغیر ین نهان است.»

هادلى مدعى است که منطق بنیادین مکانیک کوانتومى، چیزى خارج از نظریه نسبیت نیست. او یکى از نظرات اینشتین را که در دهه 1930 روى آن کار مى کرده زنده کرده است. این نظریه مى گوید: ذرات بنیادى چیز هایى نشسته روى فضا _ زمان نیستند بلکه خود فضا - زمان هستند. آنها تکه هایى چسبیده به محور زمان نیستند بلکه گره هایى بافته شده پشت سر هم روى محور زمان اند. اما این نظر زیاد مورد قبول نبود زیرا همسانگردى خاص ذرات کوانتومى را نمى توانست شرح دهد. اما هادلى مدعى است که این مشکل را حل کرده است. آنچه که از گفته هاى هادلى و هوفت برداشت مى شود این است که در تلاش هاى این دو مزیت نسبت به تلاش هاى گذشته روى متغیر هاى نهان دیده مى شود. اول اینکه ارتباط دادن بین واقعیت مشاهده شده کوانتومى و فیزیک کلاسیک بسیار سخت است. البته این سختى به شدت مورد علاقه فیزیکدانان است، زیرا آنها معتقدند که یک تئورى بنیادى باید سخت باشد. آنها مى گویند مفاهیم باید به حدى باارزش باشند که بتوان آنها را روى پیراهن ها چاپ کرد و در عین حال باید به حدى عجیب باشند که کسى نتواند ادعا کند که مفهوم آن را سریع فهمیده است. دوم این که نظرات این دو فیزیکدان، حوادثى قابل تحقیق و آزمایش را پیش بینى کرده اند. براى مثال ون دوبروک معتقد است که میدان هاى قوى گرانشى خواص کوانتومى را تغییر مى دهند.

جالب است که نظریات مشابه دیگرى در روند کلى همین تئورى ها به وجود آمده اند. در تئورى ریسمان یک سیستم کوانتومى از نظر ریاضى مى تواند برابر یا متفاوت با یک سیستم کلاسیک باشد. برخى از این دوگانگى ها شامل سیستم هاى مکانیک آمارى هستند که مشابه روش تحقیق مولر و همکارانش هستند. عده کمى از نظریه پردازان ریسمان، پا را فراتر گذاشته و مى گویند که سیستم کوانتومى بى اغراق، یک سیستم کلاسیک است. اما برین گرین از دانشگاه کلمبیا در نیویورک مى گوید: «مشاهده و مطالعه این برابرى ها، تفاوت و در نتیجه اصول زیربنایى مکانیک کوانتومى را شرح مى دهد.» برگرفته از این نظریه که مکانیک کوانتومى را مى توان از نسبیت به دست آورد، اخیراً بوسو اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را از مفهوم «حد هولوگرافیک» استخراج کرده است.


آنچه در اینجا گفته شد، نشان مى دهد که فیزیکدانان نظریه متغیرهاى نهان را وزنه اى بزرگ مى دانند. فیزیک کوانتومى مانند جنگلى مملو از حیوانات عجیب و مرداب هاى پایان ناپذیر است و سعى در تبدیل این نظریه به نظریه کلاسیک مانند تلاش براى تبدیل جنگل آمازون به یک باغ سنگى تفریحى است. به جاى بازسازى و آسیب رساندن به طبیعت آن باید سعى در جداکردن آن از فیزیک کلاسیک و پیداکردن اصول بنیادى آن کرد. این هدف اصلى فاشس و همکارانش در روند کلى مطالعه ساختارى مکانیک کوانتومى بوده است. فاشس و همکارانش بر این باورند که بیشتر تئورى کوانتومى درونى است. آنها مى گویند: تئورى کوانتوم خواص خارجى سیستم هاى فیزیکى را شرح نمى دهد بلکه سعى در توصیف دانشى دارد که فیزیکدانان آن را مورد مطالعه قرار داده اند. پس از این که اینشتین درهم تنیدگى حالت هاى کوانتومى (رابطه فوق نورى دو ذره دور از هم) را مورد انتقاد قرار داد 8 به چنین نتیجه اى دست یافت. رابطه فیزیکى در واقع چیزى جز دانش فیزیکدانان درباره دو ذره نیست9. گذشته از همه اینها، اگر در واقع چیزى به اسم رابطه فیزیکى وجود داشت، مى توانستیم علائمى را با سرعت بیش از سرعت نور ارسال کنیم که نقیض یکى از اصول موضوعه نسبیت خاص است. براى مدت ها، فیزیکدانان معتقد بودند که اندازه گیرى یک سیستم کوانتومى باعث از بین بردن همه احتمالات و قرارگرفتن سیستم در یک حالت خاص مى شود.10 فاشس مى گوید این فقط عدم قطعیت ما در مورد سیستم است که از بین مى رود. راه حل براى از بین بردن عدم قطعیت، این است که از ویژگى هاى درونى تئورى بگذریم تا بتوانیم ویژگى هاى واقعى خارجى را مورد مطالعه قرار دهیم. عدم قطعیت در مکانیک کوانتومى با عدم قطعیت در مکانیک کلاسیک متفاوت است و همین تفاوت، راهنمایى است براى فهمیدن چگونگى رخداد حادثه. از نظر مکانیک کلاسیک، یک گربه یا زنده است یا مرده. اما مکانیک کوانتومى مى گوید تا زمانى که به گربه نگاه نکنیم (آزمایش نکنیم) یک گربه نه زنده است و نه مرده 11 ما با نگاه کردن به گربه، او را مجبور مى کنیم که در یکى از دو حالت زنده یا مرده با شانس 50-50 قرار بگیرد. براى اینشتین این نظریه قراردادى بود. متغیرهاى نهان مطلق بودن نظریه را از بین مى برند. جهان فیزیک کلاسیک کمتر از جهان فیزیک کوانتومى قراردادى نیست. تفاوت در جایى است که این قراردادى بودن خود را نشان مى دهد. در فیزیک کلاسیک این قراردادى بودن به آغاز زمان بازمى گردد و مى گوید وقتى جهان خلق شد، مانند یک قطعه از قبل چیده و آماده شده بود. اما از نظر فیزیک کوانتومى جهان اجزاى خود را طى گذر زمان و با مداخله ناظرها به وجود مى آورد. فاشس این نظریه را «تغییر جنسى فیزیک کوانتومى» مى نامد. او مى گوید: «هیچ تک راه شناخته شده واحدى براى جهان نیست، چرا که جهان هنوز در حال خلق شدن و شکل گیرى است. چیزى شبیه به همین تعریف را مى توان از درک ما درباره فیزیک کوانتومى نیز گفت.»


پى نوشت ها:

1- اشتباه معروف اینشتین در سال 1911 در محاسبه انحراف نور بود که اثرات نسبیت خاص را لحاظ نکرده بود. مترجم

2- مکانیک کوانتومى یک نظریه احتمالاتى است. م

3- نویسنده به مشکلات مدل استاندارد ذرات بنیادى اشاره دارد. براى مطالعه بیشتر به سخنرانى گرارد ت هوفت در هنگام دریافت جایزه نوبل در سال 1999 مراجعه کنید. م

4- به نظر مى رسد که نویسنده مکانیک کوانتومى نسبیتى که در سال 1930 توسط دیراک تدوین شد را فراموش کرده است. م

5- طبق اعلام عدم قطعیت هایزنبرگ مسیر و حرکت ذره را همزمان نمى توان به طور دقیق مشخص کرد. م

6- نظراتى مبنى بر نادرستى این حرف ارائه شده است. براى مطالعه بیشتر مى توانید به نوشته هاى پوپر در مورد احتمالات در مکانیک کوانتومى مراجعه کنید. م

7- Attractor

8- آزمایش ذهنى اینشتین، پودولسکى و روزن (EPR) براى نشان دادن نقص مکانیک کوانتومى. م

9- این بینش، برگرفته از جواب نیلز بور به آزمایش EPR و رد نقص مکانیک کوانتومى است. م

10- مسئله تقلیل تابع موج. م

11- طبق ادعاى مکانیک کوانتومى، گربه نه زنده است و نه مرده بلکه در حالت (مرده + زنده) قرار دارد!


کلمات کلیدی: نسبیت