مبانی اسرارآمیز مکانیک کوانتوم
نظریهی نسبیت اینشتین درسته.
نظریهی کوانتوم هم درسته.
اما این دو تا خیلی جاها با هم به تناقض برخورد میکنن.
مثلن بر اساس نظریه نسبیت خاص اینشتین که
تا این لحظه به عنوان برداشت رسمی ما از
واقعیت پذیرفته شده، هیچی نمیتونه با سرعتی سریعتر
از سرعت نور حرکت کنه. اما بر اساس مکانیک کوانتوم،
یه چیزایی هستن که حتی اگه چندین میلیارد سال نوری
هم از هم فاصله داشته باشن، بلافاصله روی هم تاثیر میذارن.
این فقط یه نمونه از پیشبینیهای تاییدشدهی مکانیک کوانتومه.
امروز میخوام در مورد عجیبترین
مبانی مکانیک کوانتوم صحبت کنم.
اگه کمربنداتونو تا الان نبستین، به نظر من بیخیالش
بشین چون جایی که داریم میریم دیگه کمربند به دردتون نمیخوره!
این یه اتمه. توی اتمها، الکترون ها
دور هستهی اتم میگردن. درست مثل
منظومهی شمسی که توش سیارهها دور خورشید میچرخن.
نیلز بور، دانشمند دانمارکی متوجه شد که
الکترونها فقط توی مدارهای خاصی
دور هسته میچرخن. یعنی حتی یه ذره دورتر یا یه ذره
نزدیکتر از مدار خودشون دور هسته نمیتونن وجود داشته باشن.
الکترونها میتونن
مدارهاشون رو تغییر بدن و وقتی از مدارهای دورتر به
مدارهای نزدیکتر به هسته سفر میکنن،
یه انرژیای آزاد میکنن.
اما بور متوجه یه چیز جالبتر شد:
وقتی الکترونها میخوان مدارشون رو تغییر بدن، مثل آدم
فاصلهی بین دو تا مدار رو طی نمیکنن بلکه
به طرز عجیبی از مدار فعلیشون غیب میشن و
توی مدار جدید ظاهر میشن. به این میگن
جهش کوانتومی که یکی از عجایب روزگار هست
و با فیزیک کلاسیک به هیچ عنوان نمیشه توضیحش داد.
بر اساس این پدیده، الکترونها وقتی میخوان مدارشون رو عوض کنن،
از مدار قبلی به مدار جدید
جهش میکنن، اما در هیچ فاصلهای بین این جهش هم
نمیتونن وجود داشته باشن.
این به این معنیه که الکترونها از این مدار غیب میشن و روی مدار
جدید ظاهر میشن.
یکی دیگه از پدیدههای عجیب که فیزیک معمولی
نمیتونه توضیحش بده، پدیدهای هست که توی آزمایش دوشکاف
یا آزمایش یانگ اتفاق میافته.
در مورد آزمایش یانگ قبلن یه ویدیو ساختم و تاحدی توضیحش
دادم، اما اینجا هم به صورت خلاصه توضیحش میدم.
فرض کنین یه صفحه داریم که روش دو تا شکاف وجود داره
و پشت این صفحه هم یه پرده هست.
اگه یه سری الکترون رو به سمت این شکافها پرتاب کنیم،
به جای این که دو تا نوار الکترون روی پردهی پشتی شکل بدن،
به شکل یه موج روی پردهی پشتی فرود میان.
توی دههی ۱۹۲۰ دانشمندا یه توضیح
بیشتر برای این پدیده نداشتن: این که الکترونها
به صورت موج حرکت میکنن.
به اون الگوی موجمانند که روی پردهی پشتی ایجاد
میشه میگن نقش تداخل. اگه به جای یه سری
الکترون مثلاً یه مقدار آب به سمت شکافها بفرستیم،
طبیعتاً اثری که روی پردهی پشتی میذارن به شکل
موج خواهد بود ولی ذره که موج نیست.
بر اساس مکانیک کلاسیک، الکترون یه جور ذره
یا همون ماده هست و طبق قوانین حرکت مربوط به ذرات
حرکت میکنه. یعنی ذره ذرهس،
موج هم موجه و اینا با هم فرق میکنن.
پس چرا توی آزمایش دوشکاف ذرهها به صورت
موج روی پردهی پشتی فرود میان؟
اینجا هم تنها توضیح قابل قبول رو مکانیک کوانتوم میتونه ارائه بده.
این که ذراتی که ما تا الآن فکر
میکردیم ماده هستن، درواقع موج هستن.
اما اثبات همچین چیزی واقعن سخت بود.
اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی اومد فرض کرد
که ذرات ماده شبیه امواج حرکت میکنن
و نشست فرمول حرکت ذرات توی آزمایش دوشکاف رو نوشت.
بعدن مشخص شد این فرمولی که شرودینگر بهش رسیده
در واقع یه تابع ریاضی هست که احتمال
فرود ذرهها روی پردهی پشتی رو مشخص میکنه
و نه چیز دیگه.
یعنی یه فرمول که به هیچ چیزی مربوط نیست جز احتمالات.
طبق این فرمول، اگه ما تعداد
زیادی الکترون رو پرت کنیم به سمت پرده،
احتمال فرودشون توی این قسمت مثلاً ۳۳/۱ درصد و
احتمال فرودشون توی این
قسمت از پرده ۷/۹ درصد میشه.
این فرمول تا الآن هزاران بار آزمایش شده
و درستیش به اثبات رسیده. پس به نظر میرسه
چیزی نیستن جز احتمالات یا حداقل میتونیم
بگیم ذرات بر اساس قوانین احتمالات حرکت میکنن.
قبول دارم، این که جهان اطراف ما و برداشت ما از اون
چیزی نیست جز یه سری فرمول احتمالات، خیلی عجیب
به نظر میاد. یکی از اولین کسایی که با این
قضیه مخالف بود، اینشتین بود.
اون نمیخواست قبول کنه که اتفاق و احتمال
یکی از بنیادینترین اصول جهان طبیعیه.
اما ما با مطالعه روی فرمولای فیزیک کوانتوم
تونستیم چیزای جدیدی مثل ترانزیستور،
لیزر، مدار مجتمع و کل صنعت الکترونیک
رو به وجود بیاریم. در واقع
از اولش هم کوانتوم به نظر نمیومد که اومده باشه
برای این که بندازنش بیرون.
همونطور که گفتم، کوانتوم یکی از موفقترین
رشتههای فیزیک هست و تا الآن از تکتک
آزمایشها سربلند بیرون اومده.
ولی ما با این که یه عالمه فرمول کوانتومی برای
توضیح واقعیت داریم، اما نمیدونیم
این فرمولا از کجا اومدن و دارن به چی اشاره میکنن.
یه نکتهی خیلی عجیب دیگه هم در مورد
آزمایش دوشکاف وجود داره. دانشمندا
اولش نمیفهمیدن که الکترونهایی که به سمت پرده
پرتاب میشن دقیقن چه اتفاقی براشون میفته
که به صورت موج روی پردهی پشتی فرود میان.
برای همین اومدن یه آشکارگر یا سنسور پشت
شکافها قرار دادن تا بتونن حرکت الکترونها رو
بهتر مطالعه کنن. قضیه اینجا بود که خیلی پیچیدهتر
از قبل شد. وقتی این سنسور روشن میشد،
به جای حالت موجی که قبلن روی پرده دیده میشد،
دو تا نوار باریک الکترون روی پرده
شکل میگرفت و وقتی سنسور رو خاموش میکردن بازم
الکترونها مثل قبل به حالت موج روی پردهی پشتی فرود میومدن.
این پدیده خیلی خیلی عجیبه. تا الآن
هیچجا توی علم سابقه نداشته که مشاهدهی
یه پدیده اون رو به این شکل تغییر بده.
بحث و جدلهای زیادی در مورد این پدیده بین فیزیکدانا
اتفاق افتاد و تفسیرهای زیادی ازش وجود داره.
نیلز بور در توضیح این اتفاق میگفت
خود مشاهده و اندازهگیری این پدیده
باعث میشه الکترون یه جایی رو روی پرده انتخاب کنه
و همونجا فرود بیاد، ولی اگه فرود ذرات
روی پرده مشاهده و اندازهگیری نشه، کماکان
به حالت موج باقی میمونه. فارسیش میشه: وقتی
اتفاقی نمیافته، همهی حالتها وجود داره،
ولی وقتی اتفاقی رخ میده، به یکی از حالتهای
احتمالی که داشته تبدیل میشه و کل تابع احتمالات
دیگه از بین میره. انیشتن این رو هم
دوست نداشت. اون میگفت: «من دوست دارم فکر کنم وقتی به ماه
نگاه نمیکنم هنوز همونجایی باشه که قبلن بوده.»
تفسیرای دیگهای هم در مورد این پدیده وجود داره.
من در مورد یکی از این تفسیرها که توی دههی ۱۹۵۰
مطرح شد و به نام «تفسیر جهانهای موازی»
یا «چندجهانی» شناخته میشه، توی این ویدیو توضیح
دادم که پیشنهاد میکنم یه نگاهی بهش بندازین.
شرودینگر که کمکم داشت میفهمید نظریهی نسبیت
توی یه سری از موارد به مشکل داره برخورد میکنه،
اومد یه آزمایش فرضی اختراع کرد که
یه جورایی به توضیح آزمایش دوشکاف هم مربوط میشه.
این آزمایش که به آزمون گربهی شرودینگر معروفه
و هنوز هم خیلی جاها به درستی فهمیده نشده
قضیهش اینه. فرض کنین یه
گربه رو میذاریم توی یه جعبه که توش یه سم رادیواکتیو وجود داره.
احتمال پخش شدن این سم توی جعبه تو
فاصلهی یک ساعت دقیقن ۵۰٪ هست.
حالا در جعبه رو میبندیم.
آیا میشه قبل از باز کردن در جعبه گفت گربه زندس
یا مرده؟ نه نمیشه چون ما هیچ مشاهدهای
نکردیم و احتمال زنده بودن گربه با
احتمال مرگش دقیقن برابره چون احتمال
پخش شدن سم توی جعبه ۵۰٪ هست.
پس اینجا هیچ قطعیتی وجود نداره.
اما به محض این که بعد از یه ساعت در جعبه رو باز کنیم قطعیت ایجاد میشه.
یعنی دیگه گربه دو حالت نداره بلکه یک حالت داره:
یا زنده هست یا مرده.
پس تنها چیزی که اینجا یه تفاوت عمده ایجاد میکنه
خود پدیدهی مشاهدهی ما هست.
اینشتین به شرودینگر یه نامه نوشت و توی نامهش با تعریف
و تمجید از شرودینگر گفت که افراد زیادی رو نمیشناسه
که بتونن واقعیت رو اینقدر درست ببینن، ولی
آخر نامهش نوشت که همه میدونن که زنده بودن یا مردن
گربه ربطی به مشاهدهی ما نداره.
البته اینشتین داشت سفسطه میکرد چون ما می دونیم که
شرودینگر این آزمون رو طراحی کرد که در مورد
واقعیت توی دنیای ذرات ریزتر از اتم حرف بزنه،
چیزایی مثل الکترون.
توی دنیای ابعاد بزرگ، موقعیت چیزهای بزرگ
مثل موقعیت و مکان خود ما رو با استفاده از
قوانین نیوتن به خوبی میتونیم حدس بزنیم
و نه نیازی به کوانتوم هست و نه حتی نظریهی نسبیت.
پس گربه توی آزمون شرودینگر فقط یه مثال هست
که در مورد الکترونها گفته شده و نه واقعاً خود گربه.
به هر حال واقعیت توی فیزیک کوانتوم و
ذرات زیراتمی خیلی خیلی عجیبتر و
غیرمعمولتر از چیزیه که ما فکر میکنیم.
واقعیت اینه که طبق فرض شرودینگر، گربهی
توی جعبه
(یا همون الکترون) در آن واحد هم
زنده هست و هم مرده. آیا اصلن همچین چیزی
ممکنه؟
جواب فیزیک کوانتوم اینه: بله ممکنه.
طبق تعریف مکانیک کوانتوم، این درست نیست که بگیم
گربه یا زندس یا مرده بلکه درست اینه
که بگیم گربه قبل از باز شدن در جعبه
هم زندس و هم مرده و فقط وقتی ما اون رو
مشاهده میکنیم، یکی از این حالتها رو انتخاب میکنه.
این مسأله رو هیچ ذهن عاقلی دوست نداره که بپذیره اما
کشفیات اخیر توی مکانیک کوانتوم تابهحال
فقط به اثبات این قضیه منجر شده.
پس برای توضیح آزمایش دوشکاف هم میشه گفت
هر کدوم از الکترونها همزمان از هر دو
شکاف رد میشن و در همهی زمانها
و همهی مکانها وجود دارن.
برای این که قضیهی گربهی شرودینگر رو بهتر متوجه بشین یه مثال ساده تر می زنم
یه سکه رو در نظر بگیرین.
آیا قبل از انداختن سکه میتونیم بگیم این سکه رو میاد یا پشت؟
جواب خیلی ساده هست: نه.
قبل از انجام آزمایش، سکه دو رو داره و همزمان
هر دو رو داره اما به محض این که روی زمین
انداخته بشه، به یکی از دو حالت رو یا پشت
فروکاهیده میشه. درست مثل گربهی شرودینگر. شرودینگر متوجه شد که
فیزیک کوانتوم خیلی جاها به مشکلای فلسفیای از این
دست برخورد میکنه و چون نمیتونست جوابهای
قانعکنندهای ارائه بده، کلاً فیزیک رو بیخیال شد
و رفت سمت بیولوژی. ممکنه این
سؤال برامون ایجاد بشه که آیا ما هم در حالت
معمولی هم زنده هستیم و هم مرده؟
موضوع اینه که پیشبینیهای مکانیک کوانتوم در مورد ذرات
ریز کوچکتر از اتم هست. در مورد
ذرات بزرگتر از ذرات زیراتمی، قوانین
نسبیت اینشتین و مکانیک کلاسیک صادق هست.
یعنی ما انسانها چون اجسام خیلی بزرگی هستیم،
طول موجمون خیلی بزرگتر از طول موج یه ذره هست
و لذا داستان گربهی شرودینگر
درسته که در مورد اجزای ریز بدنمون صادق هست،
اما در مورد کل بدنمون صادق نیست.
اما گربهی دنیای فیزیک کوانتوم در آن واحد
هم زندهس و هم مرده و اگه اینطور نبود،
کامپیوتر یا گوشیای که شما دارین باهاش این ویدیو رو تماشا میکنین
اصلن نمیتونست وجود داشته باشه.
توی سال ۱۹۳۵، اینشتین با خودش
فکر کرد پاشنهی آشیل این چرندیات کوانتوم رو پیدا کرده:
درهمتنیدگی کوانتوم.
درهمتنیدگی یا entanglement