تاریخ: ۱۳:۰۶ :: ۱۳۹۷/۰۹/۱۶
جهان های موازی کوانتومی

  سارا ایزدیار، علی هادیان| مبحث جهان‌های موازی در حد گمان و تخیل و ایده‌پردازی هست.     آنچه فیزیک‌دانان در مورد جهان‌های موازی می‌گویند، یک مجموعه تلاش‌های ریاضی هست. ما هنوز کوچک‌ترین ظواهر تجربی از وجود جهان‌های موازی نیافته‌ایم. در صد سال آینده امکان دارد متوجه شویم این ایده‌ها درست نبوده‌اند یا بالعکس شواهدی […]

جهان‌های موازی کوانتومی   سارا ایزدیار، علی هادیان| مبحث جهان‌های موازی در حد گمان و تخیل و ایده‌پردازی هست.     آنچه فیزیک‌دانان در مورد جهان‌های موازی می‌گویند، یک مجموعه تلاش‌های ریاضی هست. ما هنوز کوچک‌ترین ظواهر تجربی از وجود جهان‌های موازی نیافته‌ایم. در صد سال آینده امکان دارد متوجه شویم این ایده‌ها درست نبوده‌اند یا بالعکس شواهدی بر تأیید آن‌ها کشف بکنیم؛ ولی به چه سبب جهان‌های موازی اعتبار حرف‌زدن دارند؟ به چه سبب اگر از فیزیک‌دانان درمورد جهان سوال کنیم، کم‌وبیش به مبحث جهان‌های موازی برمی‌خوریم؟   علتش این هست که انواع مختلفی از جهان‌های موازی در ریاضیات نظریات فیزیکی ظاهر می‌شوند. به طور مثال فرض کنید شما طول و عرض یک میز را اندازه بگیرید و برای محاسبه قطر آن یک معادله درجه دو به دست بیاورید که به دو جواب می‌رسد: یکی، دو متر، یکی منهای دو متر. جواب منهای دو متر قبول نیست. جواب منهای دو متر در جهان ما اتفاق نمی‌افتد.   ریاضیات به‌تن‌هایی بدون تکیه بر مشاهدات تجربی نمی‌تواند جهان ما را توضیح بدهد. فکر نکنید دانشمندان خیلی مشتاق‌اند که درمورد جهان‌های موازی صحبت کنند که نه می‌شود آن‌ها را دید و نه می‌شود اثری از آن‌ها یافت. جهان‌های موازی پایه تقریبا محکمی در ریاضیات نظریه‌های فیزیکی دارد؛ وگرنه اگر فیزیک‌دانی در دانشگاه از این نوع نظریه‌های خیالی بدهد، به احتمال زیاد شغلش را از دست می‌دهد. در حقیقت ایده جهان‌های موازی خودش را به فیزیک دیدگاهی تحمیل کرده و فکرکردن به آن اجتناب‌ناپذیر شده هست.   جهان‌های موازی کوانتومی       تا‌به‌حال دانشمندان بیشتر از ۱۰ نوع متفاوت از جهان‌های موازی را لیست کرده‌اند که هریک در قسمتی از ریاضیات یکی از نظریه‌های فیزیکی ظاهر شده‌اند. آن‌ها از نظریه‌های متمایز فیزیکی سر برآورده‌اند و در نتیجه معنا آن‌ها تماما با هم متمایز هست. ما در اینجا به نخستین نوع از جهان‌های موازی در فیزیک می‌پردازیم. این نوع از جهان‌های موازی از ریاضیات نظریه مکانیک کوانتومی برمی‌خیزد.
مکانیک کوانتومی
  اصلا چه ما بدانیم، چه ندانیم، توپ در هر آن در جای مشخصی هست و سرعت معینی دارد؛ ولی در مورد الکترون آزمایش‌ها نشان می‌دهند که وضعیت این‌گونه نیست. وقتی یک الکترون از نقطه‌ای به سمت نقطه دیگر حرکت می‌کند، ما نمی‌دانیم در هر آن معین الکترون به شکلی دقیق کجاست.
تابع خیز
مکانیک کوانتومی می‌گوید الکترون نظیر هر ذره زیراتمی دیگری یک تابع خیز دارد. این تابع که از نظر ریاضی خیلی هم دقیق هست، احتمال یافتن الکترون در هر نقطه از مسیر را به ما می‌دهد. ولی الکترون در یک لحظه معین کجاست؟ نمی‌دانیم. تابع خیز می‌گوید احتمال اینکه الکترون در فلان نقطه باشد، به طور مثال ۵۰ درصد هست، احتمال اینکه مقداری این‌طرف‌تر باشد، ۱۰ درصد هست، احتمال اینکه مقداری آن‌طرف‌تر باشد، ۱۰ درصد هست و…؛ ؛ یعنی در هر آن به ما یک توزیع احتمال می‌دهد و همچنان که زمان می‌گذرد و الکترون حرکت می‌کند، تابع خیز هم با زمان تغییر می‌کند و توزیع احتمال مکان الکترون جابه‌جا می‌شود.     الکترون با احتمال‌های متفاوت می‌تواند در هر نقطه‌ای باشد. الکترون در مسیرش اصلا جای مشخصی ندارد. نه اینکه ما نمی‌دانیم کجاست، اصلا خودش جای معینی ندارد. اگر الکترون جای معینی داشته باشد، نمی‌توانیم آزمایشات متفاوت را توجیح کنیم.     می‌گوییم خب اینکه کاری ندارد، یک وسیله‌ای می‌سازیم و می‌گذاریم در مسیر حرکت الکترون. هروقت الکترون از آن نقطه رد گردید، ابزار چراغش روشن بشود. آن‌وقت ما می‌فهمیم الکترون در این نقطه هست. می‌گویند بسیار خب اگر اندازه‌گیری کنید، می‌توانید بگویید الکترون کجاست؛ ولی تا پیش از آن، جای معینی ندارد. الکترون تا پیش از اندازه‌گیری به صورت خیز احتمال در حرکت هست که توسط تابع خیز تعیین می‌شود و با آن می‌توان با دقت فوق‌العاده، نتیجه های آزمایشات را پیش‌بینی کرد. تابع خیز بعد از اندازه‌گیری فرومی‌ریزد و الکترون می‌شود همان ذره‌ای که انتظار داشتید و در مکانی که اندازه‌اش گرفته‌اید، ظاهر می‌شود. اندازه‌گیری موجب فروپاشی تابع خیز می‌شود.
تست ۲ شکاف
آن طرف شکاف‌ها یک پرده می‌گذاریم تا نور از دو شکاف رد بشود و به صفحه برخورد نموده و آن را روشن بکند. چون نوری که از هر شکاف می‌گذرد، مقابل خودش را روی پرده روشن می‌کند، بدیهی هست که روی پرده دو نوار نورانی با یک فاصله معینی می‌بینیم. چون نور خاصیت موجی دارد، وقتی از دو شکاف به‌طور هم‌زمان گذر می‌کند، بعد از شکاف‌ها دو شعاع نور با هم تداخل می‌کنند و اگر فاصله دو شکاف را روی مقدار معینی تنظیم کنیم، به‌جای اینکه روی پرده دو نوار روشن مجزا نگاه کنیم، مجموعه‌ای چندتایی از نوار‌های روشن و تیره می بینیم که با هم موازی می باشند.     اکنون مرجع نور را برمی‌داریم و به‌جای آن دستگاهی می‌گذاریم که به طرف دو شکاف الکترون شلیک بکند. پرده را هم فسفری می‌کنیم تا هروقت الکترون به هر جای آن خورد، از خودش نور بدهد؛ ولی با کمال تعجب می‌بینیم باز نوار‌های تداخلی ظاهر می‌شوند! یعنی چه؟ این‌ها ذره‌اند؛ ذره‌ها که با هم تداخل نمی‌کنند.     به طور مثال شاید فکر می‌کردیم امکان دارد الکترون‌ها بعد از گذر از دوشکاف، به شکلی با هم برهم‌کنش می‌کنند و موجب تشکیل نوار‌های تداخلی تیره و روشن می‌شوند. برای اینکه از مبحث سر دربیاوریم، شدت دستگاه شلیک الکترون را کم می‌کنیم؛ طوری‌که الکترون‌ها را یکی‌یکی به طرف شکاف‌ها شلیک بکند؛ یعنی در یک لحظه منحصرا یک الکترون به طرف شکاف‌ها بیاید و الکترون بعدی وقتی شلیک بشود که الکترون قبلی از شکاف‌ها گذر کرده و به پرده خورده هست؛ ولی می‌بینیم بعد از مدتی که تعداد بسیاری الکترون به صورت تک‌تک شلیک می‌کنیم، دو مرتبه هم نوار‌های تداخلی ایجاد می‌شوند! الکترون‌ها ما را دست انداخته‌اند؟ چگونه می‌شود یک الکترون با الکترون قبلی یا بعدی خودش تداخل بکند؟ اینکه نمی‌شود. تنها راهی که می‌ماند، این هست که فکر کنیم یک الکترون هم‌زمان از هر دو شکاف رد می‌شود و با خودش تداخل می‌کند؛ یعنی چه؟ این فیزیک هست. الکترون یک ذره هست.     یک تک‌الکترون یا باید از این شکاف رد بشود یا از آن شکاف. اما دانشمندان از الکترون‌ها باهوش‌ترند. با خودشان فکر کردند این الکترون که در نهایت باید از یکی از این شکاف‌ها رد بشود. کاری ندارد، یک دستگاه آشکارساز الکترون کنار شکاف‌ها قرار می‌دهیم تا نگاه کنیم تک‌الکترونی که شلیک می‌شود از کدام شکاف گذر می‌کند. با کمال شگفتی، به محض اینکه اندازه‌گیری کنید که الکترون از کدام شکاف رد می‌شود، نوار‌های تداخلی از بین می‌روند و عکس روی پرده مبدل می‌شود به دو نوار روشن. انگار الکترون می‌فهمد که دارید نگاهش می‌کنید! تا پیش از اینکه مسیرش را اندازه‌گیری بکنید، هر تک‌الکترون از هر دو شکاف می‌گذرد!   دانشمندان می‌گویند الکترون به نحو یک خیز احتمال مطابق تابع خیز به شکاف‌ها نزدیک می‌شود، نظیر یک خیز معمولی از هر دو شکاف می‌گذرد، بعد خودش تنهایی به دو خیز احتمال مبدل می‌شود که هماهنگ می باشند و با هم تداخل می‌کنند و سر انجام نوار‌های تداخلی را می‌سازند، ولی وقتی مکان الکترون را اندازه می‌گیرید، عمل اندازه‌گیری موجب فروپاشی تابع خیز می‌شود و در نتیجه الکترون مشی ذره‌ای نشان می‌دهد و منحصرا از یک شکاف گذر می‌کند و تداخلی هم در کار نیست.     مطابق این نظر که به «تعبیر کپنهاگی» از مکانیک کوانتومی سرشناس هست، در جهان موجودی فیزیکی وجود دارد به اسم آگاهی که موقع اندازه‌گیری با سامانه فیزیکی برهم‌کنش می‌کند و موجب فروپاشی تابع خیز می‌شود که نتیجه‌اش می‌شود اینکه الکترون به صورت ذره مشی می‌کند.     پیش از ورود آگاهی؛ یعنی پیش از اینکه ما عمل رویت را روی سامانه انجام بدهیم، الکترون مطابق تابع خیز همه حالت‌های کوانتومی ممکن را هم‌زمان دارد. تا پیش از مداخله آگاهی، تابع خیز حالت سامانه را تعیین می‌کند و بر سامانه حاکم هست، ولی بعد از مداخله آگاهی، دیگر این ریاضیات معتبر نیست. این امر نه‌تن‌ها برای الکترون، لکن برای همه ذرات زیراتمی صادق هست. به چه سبب و چگونه تابع خیز را فرومی‌پاشد؟ نمی‌دانیم. به چه سبب ریاضیات مکانیک کوانتومی منحصرا تا لحظه خاصی معتبر هست و پس از ان بی‌اعتبار می‌شود؟ مشخص نیست.
جهان‌های مکرر
در دهه ۱۹۵۰ دانشجوی جوانی به اسم اِوِرِت که با توضیحات تعبیر کپنهاگی قانع نشده بود، نگاه دقیقی به تابع خیز انداخت و با خود گفت: آیا نباید به هرآنچه تابع خیز اقتضا می‌کند تن بدهیم؟ آیا راهی هست که ریاضیات مکانیک کوانتومی را به‌طور کامل قبول کنیم و نیازی به فروپاشی آن نداشته باشیم؟ آیا تابع خیز می‌تواند همیشه معتبر باشد؟ در کمال خوشبختی تابع خیز یک تابع خطی هست که کار با آن سرراست هست. اورت اندیشید که سامانه کوانتومی به‌علاوه همه ذرات دستگاه اندازه‌گیری و ذرات سازنده مشاهده‌گران و سایر ذرات سازنده جهان همگی باید با هم مدنظر داشته گردند و در اصل جمعا یک سامانه می باشند و در نتیجه باید سر انجام بشود برای آن‌ها یک تابع خیز کلی در نظر گرفت.     او نمایش داد که این تابع خیز کلی به دو قسمت قابل تفکیک هست: قسمت اول عبارت هست از تابع خیز کل سامانه، وقتی الکترون از شکاف اول گذر می‌کند و قسمت دوم عبارت هست از تابع خیز کل سامانه، وقتی الکترون از شکاف دوم رد می‌شود. این دو قسمت پیش از اندازه‌گیری با هم هماهنگ یا به‌اصطلاح همدوس می باشند و در نتیجه تابع خیز کلی الکترون هم‌زمان از هر دو شکاف می‌گذرد و نوار‌های تداخلی ظاهر می‌شوند. هنگام انجام عمل اندازه‌گیری این دو تابع خیز ناهمدوس می‌شوند، ولی همچنان هر دو معتبر می باشند. یکی حاکی جهانی هست که در آن الکترون از شکاف اول رد شده و دیگری به صورت کامل جهانی را شرح می‌کند که در آن الکترون از شکاف دوم رد شده هست. اگر به نتیجه های ریاضی تابع خیز پایبند باشیم، بعد از اینکه اندازه‌گیری کردیم دو جهان باید وجود داشته باشد، چون دو تابع خیز داریم.     این دو تابع خیز که هر یک معادل یک جهان هست، بعد از اینکه ناهمدوس گردیدند ارتباطشان قطع می‌شود و یکدیگر را نمی‌بینند. پس از یک اتفاق کوانتومی (یعنی عمل اندازه‌گیری)، تابع خیز به دو تابع تقسیم می‌شود که هر یک توصیف‌کننده یک جهان مجزاست که یکی از رخدادهای کوانتومی ممکن در آن افتاده. به‌این‌ترتیب هر گاه یک اتفاق کوانتومی روی می‌دهد که چند حالت خروجی محتمل دارد، جهان ما به چند جهان موازی تقسیم می‌شود. در همه این جهان‌ها همه‌چیز شبیه به هم هست، مگر نتیجه آن رخداد کوانتومی که جهان‌ها را از هم جدا کرده هست.     در هر یک از جهان‌ها مشاهده‌کننده فکر می‌کند نتیجه اندازه‌گیری منحصرا همان هست که خودش دیده، درحالی‌که هر نتیجه محتمل کوانتومی در یک جهان مجزا روی داده هست. ساکنان هر یک از این جهان‌ها فکر می‌کنند خودشان نسخه کلیدی می باشند، درحالی‌که نسخه‌های مکرر از آن‌ها در جهان‌های موازی متاثر از اندازه‌گیری کوانتومی وجود دارند. بنابر این تعبیر، در هر رخداد کوانتومی، به تعداد خروجی‌های محتمل، جهان‌های موازی ایجاد می‌شود و در نتیجه به آن تعبیر «جهان‌های متعدد» از مکانیک کوانتومی می‌گوییم؛ به طور مثال اگر خاطرتان باشد در بازی ایران و اسپانیا در جام جهانی، در دقیقه های آخر بازی توپ به طارمی رسید و ضربه او با اختلاف اندکی گل نشد. فکر کنید موقعی که طارمی به توپ ضربه زد مولکول‌های پای او با مولکول‌های توپ برخورد کردند و در جایی در آن میان یک اتفاق کوانتومی موجب گردید توپ جهتی بگیرد که گل نشود.     اگر آن اتفاق کوانتومی خروجی اندکی متمایز داشت، توپ طارمی گل می‌شد و ما به دور بعد صعود می‌کردیم. مطابق تعبیر جهان‌های مکرر از مکانیک کوانتومی، یک جهان موازی وجود دارد که در آن اتفاق کوانتومی دوم رخ داده هست. در آن جهان ما به دور حذفی جام جهانی صعود کرده‌ایم، همگی خرسند شده‌ایم و تیم ما بازی دور بعدی را انجام داده هست. در مکانیک کوانتومی هر اتفاق کوانتومی می‌تواند به چند حالت کوانتومی متفاوت منتج گردد. در تعبیر جهان‌های مکرر، هر یک از حالت‌های کوانتومی در جهان جداگانه‌ای اتفاق می‌افتد. در هر اندازه‌گیری کوانتومی، جهان به چندین جهان متفاوت و مجزا تقسیم می‌شود.     دانشمندان می‌گویند احتمال اینکه اطلاعی از یکی از این جهان‌ها به دیگری برسد وجود دارد، ولی احتمالش به‌قدری کم هست که برای رخ‌دادن آن باید زیادتر از عمر جهان حوصله کنیم. غیر از این دو تعبیری که اینجا از نظریه کوانتومی شرح دادیم، تعبیر‌های دیگری هم عرضه شده‌اند، ولی درحال‌حاضر اکثریت فیزیک‌دانان تعبیر جهان‌های مکرر از مکانیک کوانتومی را به تعبیر‌های دیگر آن ترجیح می‌دهند.

این مطلبو از دست ندید!  سمفونی رنگ ها در دوقدمی زمستان