مکانیک کوانتومی در رأس یک انقلاب علمی

از سال ۱٩٣۰ به بعد روندی غالب در محافل علمی و «علم عامه‌پسند» به وجود آمده که مکانیک کوانتومی را با انواع تفسیرهای ایده‌آلیستی و عرفانی بیان می‌دارد. در میان این مکاتب ایده‌آلیستی، «تفسیرِ کپنهاگی» مکانیک کوانتومی که توسط نیلز بوهر و ورنر هایزنبرگ – که ساکن پایتخت دانمارک بودند – ارائه گشته حرف اوّل را می زند.

علی‌رغم اعتراضاتِ عده‌ی زیادی از دانشمندان پیشتاز در زمینۀ مکانیک کوانتمی مانند اینشتین، دوبروی، بوهم و بل هر تلاشی برای تعبیری غیرعارفانه و ماتریالستی از رفتارِ مرموزِ مشاهده شده در جهانِ زیراتمی (فرواتمی) مورد بی‌اعتنایی محافل علمی قرار گرفته است.

اما اکنون، زنجیره‌ای از اکتشافات شگفت‌آور و پیش‌بینی نشده در قلمروی دیگری از فیزیک – مکانیک سیالات – این توانایی را دارد که بحث را دوباره مطرح کرده و بر تفسیری ماتریالستی و دیالکتیکی از ژرف‌ترین اسرار دانش نوین مجدداً تأکید ورزد. با این که هنوز باید کارهای زیادی در این زمینه صورت گیرند، این کشفیات، انقلابی را در عرصۀ مکانیک کوانتومی نوید می‌دهند که پشتیبان سترگی برای رویکرد دیالکتیکی و ماتریالیستی به علم و طبیعت خواهد بود.

انقلاب علمی

داستان اختلاف فلسفی در مکانیک کوانتومی در پایان قرن نوزدهم آغاز می‌گردد. در آن زمان چنین تصور می‌شد که دانشمندان تقریباً به تمام قوانین فیزیکیِ طبیعت پی برده‌اند. گمان می‌رفت هر آن‌چه که در جهان موجود است یا ذرّه است یا موج؛ تئوری‌های علمی مربوط به این دو پدیده هم که به خوبی قابل درک بودند؛ نور در فضا همچون امواج آب در اقیانوس مرتعش است در حالی که اتم‌ها مانند ذرّات عمل می‌کنند – تقریباً مانند گوی‌های بسیار ریز بیلیارد که مطابق با قوانین حرکت نیوتن در جهات گوناگون در جنبش‌اند. باور بر این بود که علم با این قوانین در آستانۀ  دستیابی به تعریفی کامل از جهان فیزیکی است. گویا فقط تعدادی نخ شل باقی مانده بودند که با گره زدن آن‌ها کار به اتمام می رسید.

امّا این «نخ‌های شل» درست همان‌هایی بودند که با کشیدن آن‌ها تار و پود فیزیک کلاسیک از هم گسیخت. درست مانند انقلاب در هر علم دیگری، فیزیک نیز درست آن زمان که انتظار می‌رفت که قرار است به اوج کمال خود برسد دچار بحران شد. یک سری آزمایش‌های تعجب برانگیز باعث ایجاد ناخشنودی در جوامع علمی شده بودند.

آزمایش مبتکرانۀ دو دانشمند آمریکایی به نام‌های مایکلسون و مورلی با طرد نظریۀ اِتِر نشان داد که نور مثل دیگر امواجی که برای ما آشنا هستند عمل نمی کند. استنتاجات منطقیِ اینشتین از حرکت نور در خلاء به معنای ضرورت مبرم و بی‌چون و چرایِ یک انقلاب تمام‌عیار در بنیادی‌ترین ارکان فیزیک بود. نظریۀ نسبیت اینشتین پایه‌ای‌ترین مفاهیم، مفاهیمی که برای عقل سلیم بدیهی هستند، مفاهیمِ فضا و زمان را از ریشه دگرگون ساخت. نسبی بودن این دو به معنایِ وابستگیِ کمّیت اندازه‌گیری شدۀ آن‌ها به سرعتِ ناظر ثابت شد. به دنبال این، مفاهیم کلیدیِ دیگرِ فیزیک نیز طبیعتاً دستخوش دگرگونی‌های اساسی گشتند. نشان داده شد که جرم و انرژی هم‌ارزند و یکی می‌تواند به دیگری تبدیل گردد.

اینشتین نشان داد که قوانین حرکت نیوتون – که به مدت طولانی‌ای مطلقاً غیر قابل تردید محسوب می‌شدند – تنها حالت خاصّی از یک تئوریِ عام‌تر هستند که در مورد ابعاد و سرعت‌های بسیار بزرگ صدق نمی‌کنند. [جالب این‌جاست که] این درواقع تأیید این نظریۀ دیالکتیکی است که چیزها در ابعاد حدّاکثری به ضدّ خود تبدیل می‌گردند؛ نظم به آشوب، منطق به نامنطق و یقین به شکّ. انقلاب نظریۀ نسبیت اینشتین در عرصۀ بسیار بزرگ و بسیار سریع با انقلاب دیگری در دنیای بسیار خُرد همراه شد. در حالی که اینشتین ایده‌های کهن دربارۀ فضا، زمان، جرم و انرژی را زیر و رو می‌کرد شمار فزاینده‌ای از آزمایش‌ها در مقیاس ذرات خُرد ایدۀ قدیمیِ یا ذرّه یا موج را نقض می‌کردند.

کشف دنیای کوانتومی

از زمان رسالۀ هویگنس در قرن هفدهم نور همواره به مثابۀ موج فهمیده شد. نور مانند دیگر امواج دارای طول موج است (طول‌موج‌های متفاوت را متناظر با رنگ‌های متفاوت در نظر بگیرید). امواج نوری بر اثر برخورد با یکدیگر (یا عبور از روزنه، شکاف، مانع، یا …) همان الگوهایی را ایجاد می‌کنند که امواج شناخته شدۀ دیگر (الگوی تداخل، تفّرق، شکست، …). امّا آزمایش‌هایی مانند «پدیدۀ فوتوالکتریکِ» اینشتین نشان دادند که نور می‌تواند به شکل بسته‌های گسستۀ انرژی هم ظاهر گردد و مانند ذرّات عمل کند. نه فقط این؛ فیزیکدان فرانسوی لویی دوبروی نشان داد که چیزهایی که قبلاً ذره انگاشته می‌شدند – به عنوان مثال الکترون – در شرایط خاصی از خود خواص موجی نشان می‌دهند و متناظر با موجی با طول موج معین هستند.

ناگهان معلوم گشت که جهان زیراتمی به مراتب پیچیده‌تر از آن است که فیزیک کلاسیک تصورش را می‌کرد و برای درک بلاواسطه به مراتب دشوارترِ این ایده که الکترون‌ها، فوتون‌ها، و دیگر ذرات خرد می‌توانند هم ذره باشند و هم موج، به روشنی یک تناقض بسیار بزرگ و بسیار جدّی است. یک ذره در مکان خاصی در فضا متمرکز می باشد. برای مثال یک ذرۀ شن را در نظر بگیرید. می توان آن را زیر یک ذره‌بین بزرگ گذاشته و به دیگران نشان داد و گفت: «ببینید اینجاست!» ذرۀ شن در فضا پخش نیست. ولی یک موج در فضا پخش است؛ امواج آب در سطح آب پراکنده می‌گردند. یک تک موج در حین گذر از یک اسکله باعث می‌شود که تمام قایق‌هایی که در کنار آن لنگر انداخته‌اند هم‌زمان روی سطح آب بالا و پایین بروند زیرا موج در یک نقطه عمل نمی‌کند بلکه پیوسته در حال انتشار است. در حالی که اگر سنگی به طرف اسکله پرتاب گردد، آن سنگ در آن واحد فقط می‌تواند به یکی از قایق‌ها برخورد کند.

بسیار خوب؛ پس قضیۀ «موج – ذرهِ» کوانتومی چیست؟ چیزی که هم خواص موج را داراست و هم در عین حال می‌توان با کمک دستگاه ردیاب، مکان آن را تشخیص داد. این رفتار غریب در آزمایش معروف «دو شکاف» به نحو احسن خود را بروز می‌دهد. زمانی که شعاعی از موج – ذرات (برای مثال الکترون) به سمت مانعی که در آن دو شکاف موازی ایجاد شده تابانده می‌شود، روی پرده‌ای (صفحه ای پوشیده شده از ماده‌ای که هنگام بر خورد ذرات با آن نور‌افشان می‌شود، آرایه‌ای متراکم از پیکسل‌های ردیاب) که در طرف دیگر مانع و به فاصلۀ معینی از آن واقع شده الگوی تداخل امواج ظاهر می‌گردد. البته یک موج می‌تواند در حالی که در فضا منتشر می‌شود هنگام برخورد با مانع، هم زمان از دو شکاف عبور کرده و در طرف دیگر آن با خودش تداخل نموده  و حاصل این عمل را به شکل نوارهای تاریک و روشن (الگوی تداخل) روی پرده به نمایش بگذارد. امّا یک ذرّه در آن واحد می‌تواند تنها از یکی از شکاف‌ها عبور کند.

نتیجه: ذره‌ای که در آن واحد تنها می‌تواند از یکی از شکاف‌ها عبور کند پس از عبور در جایی روی پردۀ واقع شده در طرف دیگر مانع می‌نشیند که گویی هم‌زمان از دو شکاف رد شده و سپس با خودش تداخل کرده است.  خوانندۀ گرامی به محفل گرم سردرگمان خوش آمدید! به گفتۀ فیزیکدان بزرگ ریچارد فینمن: «اگر تصور می کنید که مکانیک کوانتومی را فهمیده‌اید، مکانیک کوانتومی را نفهمیده‌اید!»

خدا گام به حفره می‌نهد

[به ایده‌ی ما] اصل زیربنای هر پژوهش حقیقتاً علمی ماتریالیسم است. به این معنا که دنیایی واقعی و مادی صرف نظر و مستقل از ما وجود دارد که ما تنها جزئی از آن هستیم. به عبارت دیگر، الکترون خواه از شکاف سمت راست رد شود یا از شکاف سمت چپ، خواه به نحوی هم زمان از هر دو، به هر صورت در فضا و زمان وجود دارد، و وجودش به این بستگی ندارد که آیا ما می توانیم آن را مشاهده کنیم یا نه.

در مواجهه با پدیده های عجیب در ابعاد زیراتمی، تعدادی از فیزیکدانان برجسته و در رأسشان نیلز بوهر و ورنر هایزنبرگ مکتب «تفسیر کپنهاگِ» مکانیک کوانتومی را بنا نهادند. این تفسیر گوهر ماتریالیسم را زیر سؤال می‌برد.

جهان کوانتومی با دنیای روزمره و تجربیات مستقیم ما فاصله‌ی زیادی دارد و این پرسش که «الکترون در یک لحظۀ معین کجا قرار گرفته است؟» – در حالی که این ذره ظاهراً می‌تواند هم‌زمان در مکان‌های متفاوتی باشد – به‌هیچ‌وجه پیش پا افتاده نیست. امّا این که این مسئله را حل‌نشدنی بدانیم و ادعا کنیم که جهان مادی به خودی خود و مستقل از مشاهدات ما به هیچ عنوان وجود ندارد، کاملاً چیز دیگری است. این درست همان تعبیر ارائه شده از طرف نیلز بور و همفکران اوست. طبق این دیدگاه، حتی مطرح کردن این پرسش که «یک ذره‌ی کوانتومی کدام مسیر را بین دو نقطۀ A و B طی می‌کند؟» بی‌معنی است. تنها چیزی که «وجود دارد» احتمال یافتنِ ذره در نقاط معینی (در حوالیِ نقاط معینی) است، و بر اثر صرفِ عملِ مشاهدۀ ما است که ذره دارایِ کمیاتِ فیزیکیِ واقعی می‌گردد –  مختصات مکانیِ واقعی، مقدار حرکت واقعی و … . به این ترتیب، مسأله به بهای انکار وجود خودِ واقعیت مادی حل می‌گردد (شاید بهتر است بگوییم ماست‌مالی می‌شود).

چنین دیدگاهی رابطۀ واقعیِ بین ذهن و ماده را برعکس ارائه می دهد. می‌گوید: این مشاهدۀ آگاهانه است که اولی است و جهان مادی را به وجود فرا می‌خواند؛ ماده، ثانوی است. این جهان‌بینی متعلق به اردوگاه ایده‌آلیسم فلسفی است. فلسفه‌ای که نقطۀ عزیمت اش تقدم آگاهی، روح، اندیشه – خواه از آن انسان یا از آن خدا – بر ماده و وجودِ مستقل از مادۀ آن است. می‌توان با سؤال سادۀ «آگاهی چیست؟»، بی‌معنی بودن این نگرش را آشکار ساخت. واضح است که انسان از راه آزمایش هوشمندانه می‌تواند به مکان الکترون در فضا پی ببرد. ولی، آیا مشاهدۀ هوشمندانۀ صرفِ مثلاً یک طوطی می‌تواند به وی یک تعیین مادی ببخشد؟ گذشته از همۀ این تفاصیل و در حالی که تفسیر ایده‌آلیستیِ کپنهاگ تنها وهمِ یک راه حل را القا می کند، آیا فلسفۀ ماتریالستی پاسخ بهتری برای عرضه دارد؟

عوامل زیادی در موفقیت عامه‌پسندانۀ مکتب کپنهاگ دخیل بوده‌اند. یکی اینکه مطبوعات، دانشگاه‌ها، فرقه‌های مذهبی، و طبقۀ حاکم (که مؤسسات مورد اشاره را به اشکال و حدود متفاوت در خدمت خود دارد) آشکارا در اشاعۀ خزعبلات عرفانی و ایده‌آلیستی ذینفع‌اند. چنین عرفانی به امر انحراف افکار مردم بهتر کمک می کند. فلسفه و علم هرگز نمی‌توانند در جامعه‌ای که به طبقات متخاصم تقسیم شده است بی طرف باشند. هر مکتب فلسفی ای تا به آن میزان که مورد قبول این یا آن بخش یا طبقه در جامعه قرار گرفته و راهنمای عمل آن‌ها باشد، می تواند نقش‌های متفاوت ایجاد کند. دیگر این که دنیای کوانتومی بسیار متفاوت و به دور از ادراک مستقیم است. در دنیایی که انسان به آن خو گرفته، هیچ پدیده‌ای «دو گانگیِ موج – ذره» از خود نشان نمی‌دهد؛ هیچ قیاسی برای قابل درک ساختن این ویژگی وجود ندارد.

واضح است که برای یافتن راه حل این مسأله، بازگشت به نگرش قدیمی و مکانیکیِ نیوتنی از جهان امکان‌پذیر نیست. مکانیک کوانتومی این دیدگاه را برای همیشه طرد کرده است. در مقیاس خُرد (مقیاس زیراتمی) نه دترمینیسم (جبرگرایی) خام بلکه آشوب و ناخط واری (nonlinearity) حاکم است.

قطرات جهنده به مثابه موج – ذرات

در سال ٢۰۰٧، در آزمایشگاهی در پاریس، عده ای پژوهشگر – و در رأس آنها Yves Couder – مشغول آزمایش بر روی قطرات بالا و پایین جهنده بر روی سطح مایع بودند که چیز قابل توجهی را کشف نمودند: یک شیئ مشابه کلان (macroscopic analogue)، قابل رؤیت و قابل بازتولید در آزمایشگاه – با ابزاری ساده – برای مکانیک کوانتومی.

قطره هنگام بر خورد با سطح مایع امواجی در همۀ جهات ایجاد می کند. تلاطم ایجاد شده در سطح به نوبۀ خود قطره را به یک جهتی سوق می دهد. می شود این طور گفت که قطره تحت تأثیر امواجی که خودش آنها را ایجاد کرده، روی سطح مایع حرکت می کند.

کوده و همکاران وی چیزی را – در شرایطی که سادگیِ آن باعث شگفتی است – تولید کرده اند که تا به حال در ابعاد کلان وجود نداشته: یک سیستمِ موج – ذره یِ متصل. «ذره» ی ایجاد شده فقط در یک نقطه (در زمان مشخص – م) وجود دارد؛ امّا حرکتش بر روی سطح مایع از طرف نیروی موجی که با آن در ارتباطی تنگاتنگ می باشد، هدایت می گردد.

شباهت با دنیای کوانتومی صرفاً به موضوع «دوگانگیِ موج- ذره» محدود نگشت. موج – قطره های کوده دارای شمار بسیاری از ویژگی های «کوانتوم گونه» هستند. یکی از عجیب ترین آنها شیوۀ واکنش دو قطره ای است که به یک دیگر نزدیک می شوند. آنها تحت تأثیر امواج تولید شده – توسط هر دویِ شان – در مدارهایی به گرد هم می چرخند. امّا  نه در هر مداری، بلکه در مدارهایی که در فواصل معینی از یک دیگر واقع شده اند؛ فواصلی که تابع طول موج های امواج تداخل کننده هستند؛ امواجی که خود این دو قطره آنها را ایجاد کرده اند. درست مانند الکترون های یک اتم که در فواصل معینی و نه در هر فاصله ای از هستۀ آن قرار دارند. مشاهدۀ چنین پدیده ای در ابعاد کلان تا قبل از این آزمایش بی سابقه بود. 

علاوه بر این، موج – قطره می تواند همچون موج – ذره از موانع ظاهراٌ غیر قابل عبور رد شود. این پدیده به نام «تونل کوانتومی» معروف است. امّا مهمتر از همۀ اینها، این پژوهشگران موفق به بازتولید پدیدۀ مرموز «دو شکاف» نیز گشته اند! هر جبهۀ موج ایجاد شده از طرف قطره می تواند هم زمان از دو شکاف عبور کنند در حالی که خود قطره در آن واحد فقط از یکی از آنها رد می شود.

پر واضح است که به کار گرفتن این تشابه (تشابه موج – قطره با ذره – موج – م) در قلمرو فرواتمی تنها تا حدّ معینی امکان پذیر است؛ مهم تر از همه به این دلیل که فضای حرکت این قطره ها دو بعدی است در حالی که جهان کوانتومی سه بعدی می باشد. هنوز تحقیقات بسیاری در این زمینه باید انجام گیرند و تدوین الگوی ریاضیِ این سیستم نو ظهور، کار و زمان زیادی را می طلبد. بی شک دانش حاصل شده از این آزمایش ها به محافل دانشمندان فیزیک کوانتومی نفوذ کرده و این به نوبۀ خود باعث غنی تر شدن دانش ما از پدیده های گسترده تر دنیای فرواتمی خواهد گشت.

دیالکتیک طبیعت

مقایسه‌ی مشاهداتِ آزمایش بر روی قطرات جهنده با رفتار جهان کوانتومی دریچه‌ای هر چند کوچک بر واقعیت این دنیای شگفت می‌گشاید. این تشابه در عرصۀ کلان عناصری از فیزیک کلاسیک را در خود دارد و در این حد بازگشتی است به گذشته؛ بازگشت به نقطه‌ای پیشین در روند شناخت طبیعت. اما تفاوت های کیفیِ این مرحلۀ اخیر از شناخت نسبت به قبلی – نا خط‌واری، پیچیدگی و آشوب، نمایانگر این است که معرفت ما در روند انکشاف خود، در روند دیالکتیکیِ نفیِ نفی، در سطحی بالاتر به نقطۀ پیشین باز گشته است. یک ذرۀ کوانتومی، دیگر آن گویچۀ بسیار ریزی نیست که در فضا به این طرف و آن طرف می‌جهد. به جای آن حرکتی مد نظر است به مراتب پیچیده‌تر و نامنظم‌تر؛ حرکتی که در عین قابل پیش‌بینی نبودن، تنها شمار محدودی از الگوها و رفتارها را بروز می‌دهد.

یکی از ویژگی‌های بنیادیِ فلسفه‌ای که دیدگاه مکانیک نیوتنی را تأیید می‌کند، نادیده گرفتن «تاریخ» است. قوانین مکانیک کلاسیک نسبت به زمان متقارن هستند. در قوانین نیوتنی، زمان – برخلاف تجربیات روزانۀ ما – جهت ندارد. در جهان‌بینیِ خامِ ماتریالیسمِ متافیزیکی، تاریخِ پدیده‌ها کاملاً مورد بی‌توجهی قرار می‌گیرد. فرض کنید شما از صحنۀ برخورد دو گوی بیلیارد فیلم‌برداری کرده‌اید. برای شما فرق نمی‌کند که این فیلم را از شروع به پایان نگاه کنید یا سر و ته. قوانین حرکت نیوتن در هر دو مورد صدق می‌کنند.

اما در الگوی برآمده از حرکت قطرۀ جهنده (به بالا و پایین جهنده)، در هر برخورد، قطره با سطح مایع موج جدیدی ایجاد می‌کند که در حین پخش شدن با امواج قبلی تداخل کرده، چیزی نتیجه می‌شود که کوده و تیم وی آن را «حافظۀ مسیر پیشین» یا «حافظۀ انکشاف» نامیده‌اند (که همان مفهوم «تاریخ پدیده» است). تاریخمندیِ (historicity) این شیوۀ تفکر به آن کیفیتی دیالکتیکی می بخشد که دیدگاه مکانیستیِ نیوتنی فاقد آن است.

تا این تاریخ، نفوذ این یافته‌های نوین در عرصۀ مکانیک سیالات به قلمرو مکانیک کوانتومی به کندی صورت گرفته است. یکی از دلایل این امر بدون شک این است که آگاهی انسان در مقابل تغییرات مقاومت زیادی از خود نشان می‌دهد؛ لختیِ (اینرسیِ) بالایی دارد؛ محافظه‌کار است؛ و این به‌ویژه در زمانی است که افراد تمام زندگی حرفه‌ای خود را با اتکا به این یا آن تئوریِ فیزیکی پی‌ریزی کرده باشند. دلیل دیگر و به مراتب مهم‌تر این است که دانشمندان فعال در زمینۀ فیزیک کوانتومی، پیگیریِ این مسأله که در سطح زیراتمی «واقعاً» چه می گذرد را به طور کلی نادیده گرفته‌اند. از دیدگاه اینان مهم‌تر این است که پیش‌بینی‌های ما تا چه اندازه دقیق هستند (تابع موج احتمال تا چه اندازه دقیق است). وظیفۀ اندیشدن به «طبیعت واقعیِ» جهان خُرد را می توان به فیلسوفان محول نمود. این دیدگاه اساساً بی‌دلیل به نظر می‌رسد.

نقطۀ عزیمت همۀ پژوهش‌های علمیِ واقعی، وجود عینی و مستقل جهان مادی است؛ جهانی که ما تنها بخشی از آن هستیم. مفاهیم علمی تا انتزاعی‌ترین و ژرف ترین قوانین چیزی جز توضیح عام جهان مادی بر مبنای مشاهدات ما از آن و واکنش ما با آن نیستند، چیزی که مارکس آن را فعالیت حسیِ انسان می نامد. همراه با پیشرفت علم و فناوری، دانسته های‌ما در مورد دنیای مادی «حقیقتِ» بیشتری به خود می‌گیرند، اما همواره صرفاً «یک تقریب دقیق‌تر» باقی می‌ماند. همانند نوری که در تاریکیِ بی‌نهایت می‌تابد، پهنۀ دانش ما پیوسته گسترش می‌یابد، اما همواره نادانسته های ما همچون خود طبیعت بی‌نهایت‌اند.

این خوش‌بینیِ ذاتیِ شیوۀ ماتریالیستی است که اظهار می‌دارد آن چه امروز ناشناخته است فردا شناخته خواهد شد. برای یک ماتریالیست ناشناخته وجود دارد ولی ناشناختنی نه. ناشناخته را ناشناختنی انگاشتن یعنی دور شدن از ماتریالیسم و درغلتیدن به ایده‌آلیسم و solipsism. چنین فلسفۀ ارتجاعی‌ای راه پیشرفت علم را سد کرده و موشق عقب‌نشینی به عالم ذهنی تخیل و سرانجام به مذهب است.

در این رابطه، یافته‌های کوده و تیم او، که هر روز بیش‌از‌پیش در محافل آکادمیک جدی گرفته می‌شوند، حمایت بزرگی از ادراک دیالکتیکی طبیعت به حساب می آیند. در واقع چنین گام‌هایی به جلو در انکشاف علم به نظر می‌رسد اثبات حقانیت ماتریالیسم دیالکتیک باشد. 

دیر یا زود انقلابی در مکانیک کوانتومی رخ خواهد داد، به طوری که سنگ روی سنگ در این عرصه باقی نخواهد ماند، و کشفیات اخیر نشانگر این هستند که این شاخه از علم در آستانۀ ورود به مرحلۀ بحران پیشاانقلابی است.

نویسنده: Ben Curry بن کورری
ترجمۀ آزاد: بهرام کیوان