آموزش فیزیک

او هرگز با كوانتوم آشتى نكرد 


همیشه وقتى سخن از اینشتین به میان مى آید، ذهن ها متوجه نظریه نسبیت و پیامدهاى انقلابى آن در فیزیك مى شود. اما كمتر كسى این نكته را به خاطر مى آورد كه اینشتین همانطور كه در اولین انقلاب علمى قرن بیستم یعنى نظریه نسبیت سهیم بود، در انقلاب دیگر یعنى فیزیك كوانتومى نیز نقش بسزایى داشت. حتى جایزه نوبل هم به خاطر مقاله «اثر فوتوالكتریك» كه تاییدى بر كوانتومى بودن نور بود، به او اهدا شد. اما بازى سرنوشت آنگونه شكل گرفت كه یكى از بزرگترین حامیان مكانیك كوانتومى، منتقد تراز اول آن نیز باشد. این مقاله نگاهى است به واكنش اینشتین نسبت به مكانیك كوانتومى و مباحثات او با فیزیكدانان بانى نظریه كوانتوم به ویژه نیلز بور. هدف توصیف اتفاقاتى است كه در تاریخ كوانتوم افتاده است و تنها در موارد ضرورى مسائل علمى ذكر شده است. 

كنگره سولوى 

همه چیز از كنگره سولوى شروع شد. بانى این سرى كنگره ها، یك صنعتگر آلمانى به نام ارنست سولوى بود. او اولین كنگره بین المللى سولوى را كمى قبل از شروع جنگ جهانى اول، در شهر بروكسل برگزار كرد. قرار بر این بود كه در این كنفرانس ها حدود 30 نفر از فیزیكدانان برجسته دعوت شوند و بر روى موضوع از قبل تعیین شده اى، بحث و بررسى كنند. از سال 1911 تا 1927 پنج كنگره با این روش برگزار شد و هر كدام به یكى از پیشرفت هاى فیزیك در آن سال ها اختصاص داشت. معروف ترین كنگره سولوى در سال 1927 و با موضوع فیزیك كوانتومى برگزار شد. در بین شركت كنندگان در این كنفرانس 9 فیزیكدان نظرى حضور داشتند كه بعد ها همه آنها به خاطر سهم مهمى كه در شكل گیرى نظریه كوانتوم داشتند، برنده جایزه نوبل شدند. ماكس پلانك، نیلز بور، ورنر هایزنبرگ، اروین شرودینگر و... آلبرت اینشتین از جمله آن فیزیكدان ها بودند. اما اینشتین هنگام شركت در كنگره به خاطر نظریه نسبیت و همین طور دریافت جایزه نوبل به قدر كافى مشهور بود. به همین دلیل نظر او براى دیگر فیزیكدان ها اهمیت زیادى داشت. هنگام برگزارى پنجمین كنگره سولوى یكى، دو سال بود كه از ارائه فرمول بندى شسته رفته اى از مكانیك كوانتومى مى گذشت. ماكس بورن یك فرمول بندى آمارى از مكانیك كوانتومى منتشر كرده بود و هایزنبرگ هم اصل عدم قطعیت (uncertainty principle) خود را مطرح كرده بود. نیلز بور نیز براساس این دستاوردها تعبیر معرفت شناختى خود را از مكانیك كوانتومى پیشنهاد كرده بود كه در ضمن آن ایده مكملیت (complementarity) را نیز معرفى مى كرد. همه این موارد دلایلى كافى بودند كه اینشتین در تمام طول كنفرانس با بور و هایزنبرگ به بحث بنشیند. 

تعبیر كپنهاگى 

نكته مهم در اصل عدم قطعیت هایزنبرگ این بود كه، نمى توان مكان و تكانه (یا سرعت) یك ذره را به طور همزمان و به طور دقیق اندازه گیرى كرد. با اندازه گیرى مكان عدم قطعیتى در اندازه گیرى سرعت به وجود مى آید و بالعكس. با مطرح شدن این اصل جنجال برانگیز خیلى ها عدم قطعیت را ذاتى طبیعت دانستند و گفتند كه این مشكل دستگاه اندازه گیرى یا ناظر نیست. به این ترتیب اصل علیت را زیر سئوال بردند، به این معنى كه وقتى نمى توانیم زمان حال یك سیستم را به طور دقیق بدانیم پس از آینده آن نیز چیزى نمى دانیم و از آنجا كه این جهل به ذات طبیعت و نه به دستگاه اندازه گیرى مربوط است، روابط على مخدوش مى شود. این نتیجه گیرى از یك اصل كاملاً فیزیكى یكى از جنبه هاى تعبیرى بود كه بعدها به «تعبیر كپنهاگى» از مكانیك كوانتومى معروف شد. از دیگر مولفه هاى تعبیر كپنهاگى ویژگى آمارى و احتمالاتى پدیده هاى زیراتمى بود. براى مثال اگر ناظرى سرعت ذره اى را در راستاى معینى اندازه گیرى كند، به احتمال X یك مقدار خاص و به احتمال Y مقدار دیگرى را به دست مى آورد. روى دادن هر كدام از این احتمالات هم كاملاً تصادفى است و هیچ مكانیسمى براى چگونگى اتفاق آنها بیان نمى شود. نكته دیگر تعبیر كپنهاگى انكار واقعیت فیزیكى بود، به این معنا كه فرمول بندى مكانیك كوانتومى تنها واقعیت موجود است. پیش بینى نتایج و كارآمد بودن فرمول بندى كافى است و لازم نیست كه این فرمول بندى حتماً با یك واقعیت عینى فیزیكى متناظر باشد. 

اینشتین بر ضد بور 

اینشتین به هیچ وجه نمى توانست زیر بار یك چنین تعبیرى برود. او فیزیكدانى بود كه همواره به دنبال كشف طبیعت بود و یك چنین نظریه اى با این نتایج عجیب و غیرشهودى او را راضى نمى كرد. اینشتین به رئالیسم اعتقاد داشت و نمى توانست بپذیرد كه مشاهده كننده واقعیت یك پدیده فیزیكى را تعیین مى كند. او معتقد بود كه فیزیكدان ها به ایده آلیسمى از نوع باركلى روى آورده اند كه آنها را سرمست كرده است و از هدف اصلى علم و همچنین فیزیك دور شده اند. به همین دلیل بود كه در كنگره سولوى به شدت در مقابل نظریات بور و هایزنبرگ موضع گیرى كرد. هایزنبرگ در خاطرات خود مى نویسد: «همه بحث ها در سر میز غذا شكل مى گرفت و نه در تالار كنفرانس و بور و اینشتین كانون همه بحث ها بودند. بحث معمولاً از سر میز صبحانه شروع مى شد و اینشتین آزمایش فكرى جدیدى كه گمان مى كرد اصل عدم قطعیت را رد مى كند، مطرح مى كرد. پس از بحث هاى بسیار در طول روز، بور سر میز شام به اینشتین ثابت مى كرد كه آن آزمایش هم نمى تواند اصل عدم قطعیت را خدشه دار كند. اینشتین كمى ناراحت مى شد، اما صبح روز بعد با یك آزمایش فكرى دیگر كه پیچیده تر از آزمایش قبلى بود، از راه مى رسید. پس از چند روز پاول اهرنفست فیزیكدان هلندى كه دوست اینشتین بود گفت: من به جاى تو خجالت مى كشم، استدلال هاى تو در برابر مكانیك كوانتومى شبیه استدلال هایى است كه مخالفانت در برابر نظریه نسبیت مى آورند.» اینشتین با این آزمایش هاى فكرى مى خواست وجود ناسازگارى در مكانیك كوانتومى را نشان دهد تا بتواند آن را رد كند، اما موفق نشد. او همیشه مى گفت نمى تواند قبول كند كه خدا شیر یا خط بازى مى كند. او معتقد بود اگر خدا مى خواست تاس بازى كند این كار را به طور كامل انجام مى داد و در آن صورت ما دیگر مجبور نبودیم به دنبال قوانین طبیعت بگردیم، چرا كه دیگر قانونى نمى توانست وجود داشته باشد. جواب بور به تمامى این جملات نغز این بود كه: ما هم وظیفه نداریم براى خدا در اداره كردن جهان تعیین تكلیف كنیم. به این ترتیب بور در پنجمین كنگره سولوى توانست از سازگارى منطقى تعبیر كپنهاگى دفاع كند. اما بحث هاى اینشتین و بور به ششمین كنگره سولوى در سال 1930 نیز كشیده شد و باز هم اینشتین نتوانست نتیجه اى بگیرد. پس از آن تلاش كرد كه ناقص بودن مكانیك كوانتومى را نشان دهد. 

اینشتین، پودلسكى و روزن 

اینشتین در ادامه تلاش هایش براى اثبات ناقص بودن تعبیر استاندارد مكانیك كوانتومى، مقاله اى را در سال 1935 با همكارى پودلسكى و روزن منتشر كرد. این مقاله با عنوان «آیا توصیف مكانیك كوانتومى از واقعیت فیزیكى مى تواند كامل باشد؟» بعدها با نام اختصارى EPR معروف شد. آنها در مقاله شان سعى كردند كه با یك آزمایش فكرى نشان دهند عناصرى از واقعیت وجود دارند كه در توصیف كوانتومى وارد نشده اند و بنابراین مكانیك كوانتومى ناقص است. طبق نظر اینشتین نظریه اى كامل است كه هر عنصرى از واقعیت فیزیكى مابه ازایى در آن داشته باشد. چهار ماه بعد، بور در مقاله اى با همان عنوان آزمایش EPR را رد كرد و نشان داد كه استدلال آنها مغالطه آمیز است.اما این پایان ماجرا نبود. نه اینشتین و نه بور، هیچكدام راضى نشده بودند. اینشتین تا پایان عمرش در سال 1955 همچنان مشكلات مكانیك كوانتومى را یادآورى مى كرد. در مورد بور هم معروف است عكسى كه از تخته سیاه او درست یك روز قبل از مرگ او گرفته شده، شامل طرح آزمایشى است كه در سال 1930 مورد بحث او و اینشتین بوده است. اینشتین هیچ گاه مكانیك كوانتومى را نپذیرفت و در بهترین حالت قبول كرد كه این نظریه، فقط یك نظریه موقتى است كه كامل نیست و فیزیكدانان باید به دنبال نظریه اى دیگر باشند. نظریه اى كه هم به علیت و هم به رئالیسم مقید باشد و در عین حال زیبا و ساده نیز باشد. 

منابع: 

1- جزء و كل/ ورنر هایزنبرگ/ حسین معصومى همدانى/ نشر دانشگاهى 

2- تحلیلى از دیدگاه هاى فلسفى فیزیكدانان معاصر/ مهدى گلشنى/ انتشارات مشرق 

3- Stanford Encyclopedia of Philosophy / Quantum Mechanics 

به نقل از سی پی اچ تئوری 

گردآوری : موسسه پروفسور حسابی