آیا می‌توانیم به این سؤال در فیزیک پاسخ دهیم؟

پرسشی که در دهه‌ی اخیر فیزیک‌دانان و حتا فیلسوفان بسیاری را به چالش کشیده، کماکان بدون پاسخ مانده است. در این ویدئو (لینک یوتیوب) آزمایش دو شکاف یا آزمایش یونگ را بررسی می‌کنیم. این آزمایش به ما نشان می‌دهد امواج یا ذره‌ها دقیقاً به آن شکلی که ما می‌شناسیم رفتار نمی‌کنند و البته گاهی هم از ما می‌ترسند!

برای درک بهتر این آزمایش، پیشنهاد می‌کنیم اول ویدیوی کوتاه را ببینید. در این آزمایش، ذرات و پرتوهای نور به صفحه‌ای که دارای دو شکاف بسیار نزدیک به هم هستند شلیک می‌شوند. این ذره‌ها یا امواج پس از عبور از شکاف‌ها، روی پرده‌ی پشتی تصویری موج‌مانند که به آن نقش تداخل (Interference Pattern) می‌گوییم شکل می‌دهند. این آزمایش از چند بعد قابل توجه است. نخست این که این نقش تداخل صرف‌نظر از این که ما امواج نور یا ذرات تکی (مانند فوتون یا حتی مولکول‌های سنگین) به سمت شکاف‌ها پرتاب کنیم، شکل می‌گیرد. این بدین معنی است که حتی ذرات پیش از رسیدن به پرده‌ی پشتی، حالت موج به خود می‌گیرند و به شکل امواج نور روی پرده‌ی پشتی فرود می‌آیند. آیا این بدین معنی است که ذرات و مولکول‌ها چیزی جز امواج نیستند؟

نکته‌ی بسیار جالب دیگر این است که هنگامی که ما دستگاه اندازه‌گیری یا آشکارگری را نزدیک یکی از شکاف‌ها قرار می‌دهیم تا ببینیم هر ذره از کدام شکاف خارج می‌شود، ذرات یا امواج به کلی تغییر رویه می‌دهند و دیگر به صورت نقش تداخل روی پرده ظاهر نمی‌شوند. اما به محض این که دستگاه آشکارگر را خاموش می‌کنیم، ذرات و امواج بلافاصله دوباره همان نقش تداخل را روی پرده‌ی پشتی پدید می‌آورند.

این، پرسش بسیار مهمی را جلوی روی دانشمندان قرار داده است: آیا همه‌ی آن‌چه ما از فیزیک می‌دانیم اشتباه بوده؟

مکانیک کوانتوم که در دهه‌های اخیر پرسش‌های حل‌نشده‌ی زیادی را در فیزیک پاسخ گفته است، پاسخ‌های متعددی در توضیح نتایج آزمایش یونگ دارد. ما در این ویدئو به طور خاص به دو مورد از این تفسیرها می‌پردازیم: تفسیر کپنهاگی و تفسیر جهان‌های بی‌شمار (یا موازی یا تابع موج فراگیر).

تفسیر کپنهاگی که توسط دو دانشمند دانشگاه کپنهاگ با نام‌های نیلز بور و ورنر هایزنبرگ معرفی شد معتقد است که امواج و ذره‌ها پیش از رسیدن به پرده‌ی پشتی، بر اساس یک تابع موج (که یک نوع فرمول ریاضی است) عمل می‌کنند. این تابع فرمولی است که همه‌ی احتمالات را در رفتار ذره یا موج در خود دارد و در نهایت (همان‌طور که همه‌ی فرمول‌ها به نتیجه‌ای ختم می‌شوند) شکلی را انتخاب کرده و روی پرده‌ی پشتی به نمایش می‌گذارد. طبق این تفسیر، تابع موج چیزی فیزیکی نیست، بلکه فقط یک فرمول ریاضی است که احتمالات ذرات را نشان می‌دهد. این تفسیر به ما می‌گوید که پیش از رسیدن ذره به پرده‌ی پشتی می‌توان حرکات ذره را از روی تابع موج آن بررسی کرد، ولی طبق اصل عدم قطعیت، هرگز نمی‌توان در مورد ویژگی‌های ذره نظر داد.

اما تفسیر دیگری از مکانیک کوانتوم این احتمال را مدنظر قرار می‌دهد که تابع موج در واقع یک موجودیت مادی و فیزیکی است و همه‌ی احتمالات و ویژگی‌های ذره را در خورد دارد و در حقیقت، همه‌ی این احتمالات در واقعیت اجرا می‌شوند. طبق این تفسیر که عنوان علمی آن «تابع موج فراگیر» است، تابع موج هرگز به یکی از حالات تبدیل نمی‌شود، بلکه به همه‌ی حالات ممکن تبدیل می‌گردد. این بدین‌معنی است که ذره‌ای که در سمت راست پرده فرود آمده، در جای دیگری از تاریخ و واقعیت، روی قسمت چپ پرده یا جایی دیگر فرود می‌آید. بنابراین، هر اتفاقی که در جهان ممکن باشد، اتفاق می‌افتد، اما ما فقط شاهد یکی از این اتفاقات هستیم چون خود ما هم در واقعیت‌های بی‌شماری زندگی می‌کنیم و این مای فعلی تنها در این نسخه از واقعیت وجود دارد.

برای درک بهتر این دو تفسیر، آزمایش دیگری را مد نظر بگیرید که به آزمایش «گربه‌ی شرودینگر» معروف است. در این آزمایش، فرض می‌کنیم گربه‌ای در یک جعبه قرار داده شده است که در آن یک دستگاه به صورت رندوم نوعی سم رادیواکتیو مرگبار را منتشر می‌کند. احتمال منتشر شدن سم در جعبه با احتمال منتشر نشدن آن یکی است. لذا گربه‌ی درون جعبه در آن واحد یا می‌تواند زنده باشد یا مرده و تنها در زمانی که درب جعبه را باز کنیم می‌توانیم از زنده بودن یا مرگ گربه اطلاع حاصل کنیم. طبق تفسیر کپنهاگی، گربه در درون جعبه یک تابع احتمال زنده بودن یا مردن دارد که بر اساس آن گربه در نهایت می‌میرد ویا زنده می‌ماند. اما طبق تفسیر تابع موج فراگیر، گربه در عین حال هم زنده است و هم مرده. به عبارت بهتر، گربه در این جهان زنده است و در جهان دیگری مرده (یا بالعکس).

تفسیر تابع موج فراگیر که همه آن را با عنوان تفسیر «جهان‌های موازی» می‌شناسند، پرسش‌های بیشتری پیش روی فیزیک و فلسفه قرار می‌دهد: آیا ما در یک جهان دترمینیستی (جبارانه) زندگی می‌کنیم که در آن اختیار آزاد توهمی بیش نیست؟ واقعیت در چه زمان‌هایی به شاخه‌های مختلف تبدیل می‌شود؟ این شخصیت از ما که در این نسخه از واقعیت وجود دارد، در نسخه‌های دیگر چه‌طور زندگی می‌کند و چه‌طور می‌توان از وجود آن‌ها اطلاع یافت؟

سعی می‌کنیم به پرسش‌های بالا تا جایی که علم توانسته پاسخ دهد، در ویدیوهای بعدی جواب بدهیم.