آیا تابع موج کوانتومی واقعیت را بازنمایی می‌کند؟

آیا تابع موج کوانتومی واقعیت را بازنمایی می‌کند؟

نوشته‌ی: لیزا زیگا[1]

برگردان: کاوه بهبهانی

دو هواشناس را تصور کنید که احتمال آفتابی بودن هوا را پیش‌بینی می‌کنند. هواشناس سمت چپ به داده‌های اضافه‌ای دسترسی دارد (مثل وضعیت کنونی آب‌وهوا که تا حدودی ابری است) و در نتیجه هر کدام پیش‌بینی‌های متفاوتی ارائه می‌دهند. تابع موج در مکانیک کوانتومی، برخلاف پیش‌بینی هواشناسی، توصیف کاملی از رفتار آینده یک سیستم کوانتومی ارائه می‌دهد. در واقع، خود طبیعت در مقیاس‌های کوچک [مقیاس کوانتومی] ذاتی کاملاً احتمالاتی دارد: کولبِک و رِنِر.

در بطن مکانیک کوانتومی، تابع موج قرار دارد؛ تابعی احتمالاتی که فیزیکدانان برای فهم جهان در ابعاد نانومتری از آن استفاده می‌کنند. با استفاده از این تابع، فیزیکدانان می‌توانند رفتار آیندۀ یک سیستم را محاسبه کنند، اما فقط با احتمالی معین. این ویژگی احتمالاتی که در ذات نظریۀ کوانتومی است، با یقینی که دانشمندان در توصیف دنیای کلاسیک دارند، تفاوت دارد، و همین امر موجب شده است که نزدیک به یک قرن بر سر اینکه تابع موج را چطور باید تفسیر کرد بحث در بگیرد: آیا تابع موج نمایانگر واقعیت عینی [ابژکتیو] است یا صرفاً نمایانگر دانش ذهنی [سوبژکتیو] فلان ناظر است؟  در مقاله‌ای جدید، فیزیکدانی به نام راجر کولبِک[2] از مؤسسۀ پریمِتِر[3] در واترلو، انتاریو، به همراه فیزیکدان دیگری به نام رِناتو رِنِر[4] از مؤسسۀ فناوری فدارل[5] زوریخ (سوئیس)، استدلالی قدرتمند به سود واقعیت عینی تابع موج مطرح کرده‌اند که به درک عمیق‌تری از معنای بنیادی مکانیک کوانتومی خواهد انجامید.

کولبِک و رِنِر در مقاله‌شان که در نشریۀ فیزیکال ریویو لترز[6] چاپ شده، شرح می‌دهند که از تابع موج دو تفسیر اصلی داده شده است که آغازش برمی‌گردد به دهۀ ۱۹۲۰:  طبق یک تفسیر [تفسیر عینی/ واقعگرایانه]، تابع موج منطبق است بر عنصری از واقعیت که به صورت عینی وجود دارد، صرف‌نظر از اینکه ناظری آن را اندازه بگیرد یا نه. طبق یک تفسیر دیگر [تفسیر سوبژکتیو]، تابع موج واقعیت را بازنمایی نمی‌کند، بلکه صرفاً وضعیت ذهنی [یا سوبژکتیو] دانشِ مشاهده‌گر را در مورد یک واقعیت زیربنایی بازنمایی می‌کند. در سال ۱۹۲۷، نیلز بور و دیگران از همین تفسیر، تحت عنوان تفسیر کپنهاگی، دفاع کردند؛ بر اساس این تفسیر، تابع موج تنها یک احتمال ریاضی است که وقتی ناظر سیستم را اندازه‌گیری می‌کند، فوراً به یک مقدار مشخص «فرومی‌پاشد». با این حال، برخی دیگر با هر دو تفسیر مخالفت کرده‌اند: برای نمونه در دهۀ ۱۹۳۰، اینشتین، پودولسکی و روزن استدلال کردند که تابع موج توصیف فیزیکی کاملی از واقعیت نیست، و در نتیجه آن‌ها معتقد بودند کلِ نظریۀ مکانیک کوانتومی نظریه‌ای ناقص است.

کولبِک و رِنِر تفاوت میان دو تفسیر اصلی از ماهیت احتمالاتی تابع موج را با مثالی ساده نشان می‌دهند:

آن‌ها می‌نویسند «تصور کنید که یک هواشناس هوای فردا را پیش‌بینی می‌کند (مثلاً پیش‌بینی می‌کند که فردا ۳۳٪ احتمال دارد که هوا آفتابی باشد و ۶۷٪ احتمال دارد که ابری باشد). می‌توانیم فرض کنیم که مکانیک کلاسیک فرایندهای مربوطه را به دقت توصیف می‌کند، و طبق آن، وضعیت آب‌وهوا، به‌طور قطعی[7]، به شرایط اولیه وابسته است. در این‌صورت، این واقعیت که پیش‌بینی این هواشناس احتمالاتی است، صرفاً نشان‌دهندۀ عدم آگاهی او از این شرایط است. به‌ویژه، پیش‌بینی او عنصری از واقعیتِ جوّ نیست، بلکه صرفاً بازتابی از دانش سوبژکتیو پیش‌بینی‌کننده از وضعیت جوّی است؛ یک هواشناس دیگر با دانسته‌های متفاوت ممکن است پیش‌بینی دیگری ارائه دهد. با ورود به مکانیک کوانتمی می‌توان پرسید که آیا تابع موجی را که به یک سیستم کوانتمی نسبت می‌دهیم باید امری سوبژکتیو [یا ذهنی] بدانیم (نظیر پیش‌بینی هوا) که دانش آزمایشگر را دربارۀ آن سیستم بازنمایی می‌کند، یا آیا تابع موج عنصری از واقعیت آن سیستم است (نظیر آفتابی بودن هوا)؟»

کولبِک و رِنِر استدلال می‌کنند که، برخلاف پیش‌بینی‌های آب‌وهوایی، تابع موج یک سیستم کوانتومی نه بی دانشی فیزیکدان از واقعیت، که توصیف کامل و دقیق واقعیت است. آن‌ها در این مقاله منطقاً نشان می‌دهند که تابع موج یک سیستم کوانتومی در تطابق یک به یک با "عناصر واقعی" آن سیستم قرار دارد؛ یعنی با متغیرهای توصیف‌کنندۀ رفتار آن سیستم. تنها فرض‌های این ادعا عبارتند از این که تنظیمات اندازه‌گیری را می‌توان آزادانه انتخاب کرد و نظریۀ کوانتومی پیش‌بینی‌های آماری صحیحی ارائه می‌دهد؛ هر دو فرض که معمولاً به طور ضمنی در پژوهش‌های فیزیکی وجود دارد و همچنین از نظر تجربی قابلیت ابطال‌پذیری دارند.

رِنِر به Phys.org گفت: «این [ایده که تابع موج واقعیت را بازنمایی می‌کند] به این معناست که تابع موج همۀ اطلاعاتی را که علی‌اصول ممکن است در مورد سیستم در دسترس باشد، در برمی‌گیرد. یعنی هیچ اطلاعاتی را زا قلم نمی‌اندازد. با این حال، حتی اگر تابع موجِ یک سیستم (و در نتیجه واقعیت) را [به‌طور کامل] بدانیم، باز هم نمی‌توان رفتار آیندۀ آن را با قطعیت پیش‌بینی کرد. این بدان معناست که تصادف[8] ویژگی ذاتی طبیعت است.»

این ادعای دانشمندان [کولبِک و رِنِر] بر دو گزارۀ ظاهراً متضاد تکیه دارد: گزارۀ اول اینکه، هر اطلاعاتی که در فهرست کامل عناصر واقعیت سیستم وجود دارد ( فهرست در صورتی کامل است که شامل تمام پیش‌بینی‌های ممکن دربارۀ نتایج یک آزمایش انجام شده بر روی سیستم باشد) از قبل در تابع موج آن سیستم نیز گنجانده شده است؛ به بیان دیگر، تابع موج تمامی عناصر واقعیت را در بر می‌گیرد. فیزیکدان‌های مورد بحث، این گزاره را در مقالۀ سال گذشتۀ خود نیز مطرح کرده بودند. گزارۀ دومی که دو فیزیکدان مورد بحث آن را در این مقاله آورده‌اند، این است که فهرست عناصر واقعیت یک سیستم، خود تابع موج آن را نیز شامل می‌شود. این دو گزاره را که در کنار هم در نظر بگیریم، نتیجه می‌دهند که تابع موج سیستم با عناصر واقعیت آن در یک همبستگی یک به یک قرار دارد. با نشان دادن اینکه تابع موج به‌طور کامل واقعیت را توصیف می‌کند، این استدلال به این نتیجه می‌انجامد که مکانیک کوانتومی، نظریه‌ای کامل است.

رنر می‌گوید «باز هم به تشبیه تابع موج با کارِ هواشناسان توجه کنید. در این تشبیه، داده‌ها و مدل‌هایی که هواشناس از آن‌ها استفاده می‌کند هم‌ارزند با تابع موج و خود واقعیت معادل است با وضعیت فعلی آب‌وهوا. اگر داده‌های هواشناس و وضعیت آب‌وهوا همبستگی یک به یک داشتند، در موقعیت بسیار مطلوبی قرار می‌گرفتیم: به این معنا که آن پیش‌بینی دقیق‌ترین حالت ممکن را داشت، از این جهت که هیچ اطلاعاتی از قلم نیفتاده بود.»

او ادامه می‌دهد که «همچنین، نتیجۀ ما مبنی بر وجود همبستگی یک به یک بین تابع موج و عناصر واقعیت به این معناست که اگر تابع موج یک سیستم را بدانیم، دقیقاً در چنین وضعیت مطلوبی قرار  داریم: هر اطلاعاتی که در طبیعت وجود دارد و ممکن است برای پیش‌بینی رفتار یک سیستم مکانیکی کوانتومی اهمیت داشته باشد، به‌صورت یک به یک در تابع موج بازنمایی می‌شود. از این جهت، تابع موج بهترین توصیف از واقعیت است.»

این استدلال تنها استدلالی نیست که اخیراً به سود این دیدگاه اقامه شده است که تابع موج بازنمایی کاملی از واقعیت به دست می‌دهد. در نوامبر ۲۰۱۱، گروهی از فیزیکدانان بریتانیایی (متیو اف. پوسِی[9]، جاناتان بَرِت[10]، و تِری رودولف[11]) استدلال کردند که تفسیر سوبژکتیو از تابع موج با فرض‌های پذیرفتنی در مکانیک کوانتومی در تناقض است، مثلاً با این فرض که چند سیستم را می‌توان به‌نحوی آماده‌سازی کرد که عناصر واقعی آن‌ها با یکدیگر ناهمبسته باشند. هرچند رویکرد این گروه کاملاً با رویکرد مقالۀ فعلی فرق دارد، شواهد و دلایل ارائه شده در هر دو مقاله ممکن است به پاسخ دادن به یکی از دیرپاترین مناقشه‌ها در علم فیزیک کمک کنند. کولبِک و رِنِر قصد دارند که در آینده روی این کار کنند که از سختگیری فعلی این فرض‌ها بکاهند.

رنر گفت که «نتیجۀ ما بر اساس این فرض است که آزمایش‌گر می‌تواند، علی‌اصولی، «آزادانه» انتخاب کند که کدام اندازه‌گیری‌ها را دوست دارد انجام دهد. بنابراین، اگر کسی آماده پذیرش این فرض باشد، می‌تواند پاسخ ما را پاسخ نهایی بداند. اما، بی‌شک می‌توان در فرض «انتخاب آزاد» (و نحوۀ تعریف آن) چند و چون کرد. ما در حال حاضر روی اثبات این امر کار می‌کنیم که این فرض را می‌توان با فرضی ضعیف‌تر جایگزین کرد (فرضی که می‌توان به آن گفت «آزادی انتخاب ناقص».)[12]

[1] Lisa Zyga

25 آوریل 2012 از وب‌سایت Phys.org

[2]  Roger Colbeck

[3]  Perimeter Institute

[4]  Renato Renner

[5] ETH

[6]  Physical Review Letters

[7]  deterministically

[8]  randomness

[9] Matthew F. Pusey

[10]  Jonathan Barrett

[11]  Terry Rudolph

[12] برای اطلاعات بیشتر، نک.

Roger Colbeck and Renato Renner. “Is a System's Wave Function in One-to-One Correspondence with Its Elements of Reality?” PRL 108, 150402 (2012).