فیزیک کوانتوم
فیزیک کوانتوم
ماهیت
اساساً بدون جبریت مکانیک کوانتوم بر اصل عدم حتمیت یا رابطه عدم حتمیت ،که اولین
بار در سال 1927 به وسیله ورنر هایزنبرگ تدوین شد، متکی است. این اصل به طور خلاصه
می گویدکمیت های فیزیک کوانتوم به جفت هایی تقسیم می شوندکه کمیت های«مزدوج» نام
دارند و اصولاً نمی توان در آن واحد با دقت زیاد یک یک اعضای هر جفت را اندازه
گرفت.فرض كنید دو كمیت مزدوج را اندازه گیری كرده ایم اصل عدم حتمیت می گوید كه
اصولاً ممكن نیست كه هر دو را با دقت خیلی زیاد اندازه گرفت. البته در عمل خطای
اندازه گیری از این نوع معمولاً بسیار بزرگتر از حداقلی است كه اصل عدم حتمیت از
آن صحبت می كند. نكتة اصلی كه عوابقش نیز بسیار مهمند این است كه این خطای اندازه
گیری جزء قوانین اساسی نظریه كوانتوم است. محدودیتهای قید شده در اصل عدم حتمیت را
نباید به معنای ناقص بودن دستگاه های اندازه گیری تلقی كرد و استنتاج نمود كه این
محدودیت با پیشرفت فنون اندازه گیری تقلیل می یابد. این اصل قانون مهمی است كه تا
زمانی كه قوانین نظریه كوانتوم به شكل كنونیشان پابرجا هستند، صادق خواهد بود.این
بدان معناست نیست كه قوانین تغییر نخواهند كرد یا اصل عدم حتمیت را هرگز نمی توان
رد كرد. ولی در نهاد اساسی فیزیك معاصر یك تغییر انقلابی باید رخ دهد، تا این اصل
را به كنار گذاریم. بعضی از فیزیكدانها(از جمله اینشتین) معتقد بودند این مشخصه
فیزیك كوانتوم مورد تردید است و امكان دارد زمانی به كنار گذاشته شود. اما این
قدمی است بنیادی و در حال حاضر هیچ كس نمی تواند چگونگی حذف این اصل را به درستی
نشان دهد. تفاوت مهم بین نظریة كوانتوم و فیزیك كلاسیك كه به این اصل مربوط می
شود، در مفهوم شرایط لحظه ای یك دستگاه فیزیكی نهفته است.
در مكانیك كوانتوم هر یك از حالات دستگاه را
می توان توسط تابع خاصی، كه آن را«تابع موج» می نامیم، نشان داد. این تابع مقادیر
عددی به نقاط یك فضا منسوب می دارد.(ولی این به طور كلی فضای آشنای سه بعدی ما
نیست، بلكه فضای مجردی است با ابعاد بالاتر.) اگر مقادیر یك مجموعه كامل كمیتهای
حالتی برای زمان t داده شده باشد، تابع موجی دستگاه برای زمانt به طور منحصر به فردی تعیین می
شود. این توابع موجی اگر چه هر یك به مجموعه ای از كمیت هایی متكی است كه از نظر
فیزیك كلاسیك ناكاملند، در مكانیك كوانتوم نقشی شبیه شرح حالت در مكانیك كلاسیك
بازی می كنند. تحت شرایط انزوا امكان دارد براساس تابع موجی داده شده در t تابع موجی در T را تعیین كرد. این كار به كمك
معادلة معروف «دیفرانسیل شرودینگر» انجام می شود.این معادله شكل ریاضی یك قانون
جبری را دارد و تابع موجی كامل را برای زمانT می دهد. بنابراین اگر تابع موجی
را به عنوان نمایش كامل حالت آنی بپذیریم، به این نتیجه خواهیم رسید كه حداقل در
سطح نظری، جبریت در فیزیك كوانتوم حفظ می شود.وقتی برخی از فلاسفه از قبیل«ارنست
ناگل» و فیزیكدانهایی مانند«هنری مارگنو» می گویند كه هنوز در قوانین مربوط به حالات
دستگاه های فیزیكی، جبریت موجود است و صرفاً تعریف«حالت یك دستگاه» عوض شده، نمی
توان با آنها مخالفتی كرد، چون در واقع درست می گویند. اما لغت«صرفاً» می تواند
گمراه كننده باشد چون این توهم را به وجود می آورد كه تغییر تعریف صرفاً پاسخ
دیگری است به این سؤال كه: «كمیتهای شاخص حالت یك دستگاه كدامند؟» در واقع این
تغییر بسیار اساسی تر است. فیزیكدانهای كلاسیك مطمئن بودند كه با پیشرفت تحقیق،
قوانین، دقیق تر و دقیق تر می شوند و حدی برای این تدقیق در پیش بینی رخدادهای
مشاهده شدنی وجود ندارد. در مقایسه، نظریه كوانتوم حد غیر قابل عبوری را بنیان می
گذارد. به همین دلیل اگر بگوییم كه نهاد علّی - نهاد قوانین- در فیزیك مدرن اساساً
متفاوت است با نهادش از زمان نیوتن تا پایان قرن نوزدهم، خطر گمراهی را كمتر كرده
ایم، به این ترتیب جبریت به مفهوم كلاسیكی آن طرد می شود.فهم این امر آسان است كه
چرا پذیرفتن این تصویر جدید بنیادی از قانون فیزیكی برای فیزیك دانها از نظر روانی
مشكل بود. خود پلانك كه طبیعتاً متفكر محافظه كاری بود، وقتی برای اولین بار فهمید
كه دفع و جذب تشعشع ، روندی متداوم نیست، بلكه به صورت واحدهای غیرقابل تقسیم صورت
نی گیرد، اندوهگین شد. این گسستگی آنقدر با روح فیزیك سنتی مخالف بود كه برای
بسیاری از فیزیك دانها از جمله پلانك بسیار مشكل بود خود را به شیوة تفكر جدید
عادت دهند.
خصلت انقلابی اصل عدم حتمیت هایزنبرگ موجب
شد كه برخی از فلاسفه و فیزیك دانها پیشنهاد كنند كه تغییرات اساسیدر زبان فیزیك
به عمل آید. خود فیزیكدانان به ندرت از زبانی كه به كار می برند صحبت می كنند. این
نوع صحبتها را تنها از زبان آن عده قلیلی از فیزیكدانانی كه فیزیك خوانده اند، می
شنویم. این عده از خود می پرسند:«آیا لازم است زبان فیزیك را طوری ترمیم كنیم كه
خود را با روابط عدم حتمیت وفق دهد؟ و این ترمیم چگونه انجام می گیرد؟»افراطی ترین
پیشنهادات برای این ترمیم به تغییری در شكل منطقِ به كار رفته در فیزیك مربوط می
شود. «فیلیپ فرانك» و «موریس شلیك» متفقاً این نظریه را ارائه دادند كه تحت بعضی
از شرایط، تركیب دو گزاره با معنی در فیزیك ممكن است بی معنی باشد. پیشنهاد مشابهی
توسط«گرت بیركهوف» و «جان فون نویمان» كه هر دو ریاضیدان بودند ارائه شد كه
پیشنهاد كردند باید تغییرات لازم در«دستورات تبدیل» داده شوند نه دستورات سازنده.
و فیزیكدانها باید یكی از قوانین توزیع پذیری در منطق گزاره ها را به كنار
گذارند.پیشنهاد سوم از جانب«هانس رایشنباخ» داده شد كه معتقد بود منطق دو ارزشی
سنتی را باید به نفع منطق سه ارزشی كنار گذاشت. در این منطق هر دو گزاره می تواند
سه مقدار ممكن بپذیرد: T(راست)، F(دروغ)، I(نامتعیّن). بجای قانون كلاسیك نفی ثالث- كه یك گزاره یا راست یا
دروغ و شقّ سومی موجود نیست- قانون نفی رابع را داریم. گزاره ها یا راستند یا دروغ
و یا نامتعیّن، شقّ چهارمی موجود نیست.رایشنباخ برای اینكه سه ارزش خود را در
فیزیك جای دهد لازم دید رابطه های منطقی متداول را به كمك جدولهای ارزش، كه بسیار
بغرنج تر از نهایی هستند كه برای تعریف رابطهای دو ارزشی متداول به كار می روند،
دوباره تعریف كند. به علاوه وی مجبور شد رابطهای جدیدی را وضع كند. در اینجا نیز
اگر لازم باشد منطق را این طور برای زبان فیزیك بغرنج كنیم، این كار قابل قبول
است، اما در حال حاضر لزومی برای این جهش بنیادی نیست.البته باید دید تكامل آتی
فیزیك چگونه است. متأسفانه فیزیكدانها به ندرت نظریه هایشان را به شكلی كه مطلوب
منتقدان است عرضه می كنند. اینها نمی گویند:«این زبان من است، اینها واژه های
اولیه هستند، دستورات سازنده من این و اصول موضوعی منطقی من نیز آنانند.»مشخص كردن
اصول موضوعی تمام حوزه فیزیك به شكلی مدون كه منطق را نیز در بر گیرد بسیار سودمند
است. اگر این كار صورت می گرفت، آسانتر می شد دید كه آیا دلایل خوبی برای عوض كردن
مبانی منطقی فیزیك وجود دارد یا نه.
در اینجا روی مسائل عمیق مربوط به زبان
فیزی، كه هنوز حل نشده اند، انگشت می گذاریم. این زبان به استثنای بخش ریاضیش هنوز
عمدتاً زبانی است طبیعی؛ یعنی دستوراتش به طور ضمنی در عمل آموخته می شود و به
ندرت به طور صریح فرموله می شود. البته تاكنون هزاران واژه و عبارت جدید كه مخصوص زبان
فیزیك هستند اتخاذ شده اند و در موارد كمی دستورات خاصی برای به كار بردن بعضی از
این واژه ها و علایم فنی شده اند. دقت و كارآیی كلی زبان فیزیك مانند زبانهای علوم
دیگر تدریجاً افزون تر شده است. این گرایش یقیناً ادامه پیدا خواهد كرد، ولی در
حال حاضر تكامل مكانیك كوانتوم هنوز به صورت تدقیق زبان فیزیك منعكس نشده است.مشكل
بتوان پیش بینی كرد كه زبان فیزیك چگونه تغییر خواهد كرد اما با یقین می توان گفت
كه دو گرایش كه در نیم قرن گذشته منجر به اصلاحات بزرگی در زبان ریاضیات شده اند،
در تدقیق و روشن ساختن زبان فیزیك نیز به همان اندازه سودمند خواهد بود، یكی به
كار گرفتن منطق نوین و نظریه مجموعه ها و دیگری اتحاذ روش اصل موضوعی به شكل مدرنش
می باشد كه متضمن یك دستگاه زبان فرمال شده است. در فیزیك امروزه كه در آن نه فقط
محتوی نظریه ها بلكه تمامی نهادِ ادراكی فیزیك نیز مورد بحثند این هر دو ارزش كمك
بزرگی است.
این مسئله جالبی است كه همكاری نزدیك
فیزیكدانها و منطقدانان را جلب می كند. به كار گرفتن منطق و روش اصل موضوعی در
فیزیك نه تنها بین خود فیزیك دانها و همچنین بین فیزیكدانها و دانشمندان دیگر را
بهبود می بخشد، بلكه وظیفه خطیر دیگری نیز دارد و آن تسهیل در كار ساختن مفاهیم
جدید و فرمولبندی فرضیات نو است. در سالهای اخیر مقدار زیادی نتایج آزمایشی نو جمع
آوری شده كه خیلی از آنها مدیون بهبود یافتن دستگاه های آزمایش، از قبیل اتم
شكنهای بزرگ است. براساس این نتایج مكانیك كوانتوم پیشرفت عظیمی كرده است.
متأسفانه كوشش برای نوسازی این نظریه به شیوه ای كه همه این داده ها را در خود جای
دهد موفقیت آمیز نبوده است و در جریان امر معماهای اعجاب انگیز و گیج كننده ظاهر
شده اند. حل این معماها بسیار مبرم ولی شاق است. این فرض معقولی است كه به كار
بردن ابزار ادراكی جدید می تواند كمك بزرگی به كار حل این معضلات كند.بعضی از
فیزیكدانها معتقدند كه احتمال زیادی وجود دارد كه در آینده نزدیك در این زمینه
انقلابی صورت گیرد. اگر رهبران سیاستمدار جهان از به كار بردن حماقت نهایی جنگ
هسته ای دوری جویند و به بشر اجازه بقا دهند، دیر یا زود علم یقیناً به پیشرفت
چشمگیرش ادامه داده و ما را به بصیرت ژرف تری از ساختار جهان نائل خواهد كرد.