مبانی اسرارآمیز مکانیک کوانتوم الأسس الغامضة لميكانيكا الكم Die mysteriösen Grundlagen der Quantenmechanik The mysterious foundations of quantum mechanics

نظریه‌ی نسبیت اینشتین درسته. نظرية النسبية لأينشتاين صحيحة.

نظریه‌ی کوانتوم هم درسته. نظرية الكم صحيحة أيضًا.

اما این دو تا خیلی جاها با هم به تناقض برخورد می‌کنن. لكن هذين يتناقضان في العديد من الأماكن.

مثلن بر اساس نظریه نسبیت خاص اینشتین که على سبيل المثال ، استنادًا إلى نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين

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 If you haven't fastened your seat belts yet, I don't care

بشین چون جایی که داریم می‌ریم دیگه کمربند به دردتون نمی‌خوره! Sit down, because where we are going, you won't need a seat belt anymore!

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. They cannot exist closer than their own orbit around the nucleus.

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. أو اختبار يانغ يحدث.

در مورد آزمایش یانگ قبلن یه ویدیو ساختم و تاحدی توضیحش لقد صنعت بالفعل مقطع فيديو عن اختبار يونغ وشرحته إلى حد ما

دادم، اما این‌جا هم به صورت خلاصه توضیحش می‌دم. لقد أعطيتها ، لكني سأشرحها هنا بإيجاز.

فرض کنین یه صفحه داریم که روش دو تا شکاف وجود داره افترض أن لدينا صفحة بها قسمان

و پشت این صفحه هم یه پرده هست. وهناك ستارة خلف هذه الصفحة.

اگه یه سری الکترون رو به سمت این شکاف‌ها پرتاب کنیم، إذا قمنا بإلقاء سلسلة من الإلكترونات باتجاه هذه الفجوات ،

به جای این که دو تا نوار الکترون روی پرده‌ی پشتی شکل بدن، بدلاً من شريطين إلكترونيين على الستارة الخلفية على شكل جسم ،

به شکل یه موج روی پرده‌ی پشتی فرود میان. ينزل على شكل موجة على الستارة الخلفية.

توی دهه‌ی ۱۹۲۰ دانشمندا یه توضیح في عشرينيات القرن الماضي ، كان لدى العلماء تفسير

بیشتر برای این پدیده نداشتن: این که الکترون‌ها المزيد عن عدم وجود ظاهرة: تلك الإلكترونات

به صورت موج حرکت می‌کنن. يتحركون في موجات.

به اون الگوی موج‌مانند که روی پرده‌ی پشتی ایجاد

می‌شه می‌گن نقش تداخل. اگه به جای یه سری يمكنك أن تقول دور التدخل. إذا بدلا من سلسلة

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. It is the phenomenon of our observation.

اینشتین به شرودینگر یه نامه نوشت و توی نامه‌ش با تعریف Einstein wrote a letter to Schrödinger and in his letter with a definition

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 At the end of his letter he wrote that everyone knows whether to live or die

گربه ربطی به مشاهده‌ی ما نداره. The cat has nothing to do with our observation.

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. That said about the electrons and not really the cat itself.

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 He is alive and dead. Is it really something like that?

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؟ Before tossing a coin, can we tell if it is heads or tails?

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 It has both, but as soon as it is on the ground

انداخته بشه، به یکی از دو حالت رو یا پشت To be thrown, in one of the two positions facing or behind

فروکاهیده می‌شه. درست مثل گربه‌ی شرودینگر. شرودینگر متوجه شد که It decreases. Just like Schrödinger's cat. Schrödinger realized that

فیزیک کوانتوم خیلی جاها به مشکلای فلسفی‌ای از این Quantum physics in many places to philosophical problems of this

دست برخورد می‌کنه و چون نمی‌تونست جواب‌های

قانع‌کننده‌ای ارائه بده، کلاً فیزیک رو بی‌خیال شد Give a convincing presentation, he completely forgot about physics

و رفت سمت بیولوژی. ممکنه این And went to biology. This is possible

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. Einstein's relativity and classical mechanics are true.

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. But it is not true about our whole body.

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 You are watching this video with the computer or phone you have

اصلن نمی‌تونست وجود داشته باشه. It could not exist at all.

توی سال ۱۹۳۵، اینشتین با خودش

فکر کرد پاشنه‌ی آشیل این چرندیات کوانتوم رو پیدا کرده: He thought he found the Achilles heel of this quantum nonsense:

درهم‌تنیدگی کوانتوم. Quantum entanglement.

درهم‌تنیدگی یا entanglement