تبلیغات
۞ بر و بچه های مکانیک83 ۞ - آیا اینشتین درست مى گفت
 

به وبلاگ   مکانیک 83   خوش اومدین .          مارو از نظراتتون بی بهره نذارین.           بازم به ما سر بزنین .          با تشکر                           مجید یعقوبی                 مجید کلاهچیان                   حمید چاوشان                    مهرداد برازنده                  علی معاون                 افشین هوشیار


۞ بر و بچه های مکانیک83 ۞


آیا اینشتین درست مى گفت
یکشنبه 7 خرداد 1385
 

تأثیر گذشته و آینده بر حال

 

تأثیر گذشته و آینده بر حال

بسیارى از فیزیكدانان و فلاسفه علم، معتقدند كه مكانیك كوانتومى عجیب به نظر مى آید زیرا كه ما معتقدیم كه فقط گذشته بر حال تاثیر گذار است. اما اگر آینده نیز بر حال تاثیر گذار بود، پاسخ چه بود؟ در این صورت، كیفیت احتمالاتى مكانیك كوانتومى مى تواند ناشى از غفلت ما از آینده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. این تصور طى چند دهه گذشته توسط مارك هادلى از دانشگاه وارویك انگلستان قوت گرفته است. وى مى گوید: «در نظریه نسبیت عام همان قدر كه گذشته موثر است آینده نیز تاثیر دارد و طبیعى است كه گذشته و آینده هر دو در حال تاثیر گذارند.» هادلى مى گوید: «مشاهدات آتى نشان خواهد داد كه آینده نیز یكى از متغیر ین نهان است.»

آلبرت اینشتین برخلاف بسیارى از معاصرانش گمان مى كرد كه روزى نظریه كوانتومى نیز در جایگاهى قرار مى گیرد كه امروزه مكانیك كلاسیك قرار دارد یعنى تقریبى از یك تئورى كامل تر. امروزه پژوهشگران آمادگى پذیرش چنین نظریه اى را دارند. اینشتین به چنان جایگاهى در فیزیك رسیده كه گمان این كه ممكن است اشتباه كرده باشد، بى احترامى به او به نظر مى آید. حتى شهرت «اشتباه بزرگ اینشتین» صرفاً قابل اعتماد بودن وى را تقویت مى كند. براى مثال اشتباه احتمالى او مشاهدات نجومى را بسیار خوب توضیح مى دهد.1 در جایى كه بسیارى از غیرمتخصصان فیزیك فكر مى كنند كه با اشتباه خواندن نظرات اینشتین به وى بى احترامى كرده اند، طیف غالب فیزیكدانان نظرى، درستى احتمالى نظریه وى در خصوص آینده مكانیك كوانتومى را تعجب آور مى دانند.با این كه هیچ كس در بزرگى اینشتین شك ندارد، اما فیزیكدانان و مورخان علم نمى دانند كه در بین سال هاى 1920 تا 1930 چه اتفاقى براى او افتاد كه او از نظریه كوانتوم كه خود نقش بسزایى در تحكیم آن داشت، روى گرداند. در كتاب هاى درسى و زندگى نامه ها، از اینشتین به عنوان پدر خسته كوانتوم یاد شده است. در سال 1905 او با نوشتن مقاله اى در توجیه اثر فوتوالكتریك با استفاده از كوانتوم هاى انرژى پلانك، در معرفى مفاهیم بنیادین مكانیك كوانتومى تلاش فراوان كرد. اما با جا افتادن هر چه بیشتر این تئورى همه تلاش هایى كه براى تائید این نظریه كرده بود را بى اهمیت خواند. او در اثبات نظریه نوین كوانتومى نه تنها تلاش زیادى نكرد بلكه به نوعى با اصول این نظریه مخالف بود و در جهت از بین بردن آن تلاش بسیار كرد. پیش زمینه هاى فلسفى _ ذهنى وى باعث شده بود كه در مخالفت با نظریه مكانیك كوانتومى نوین2 این عبارت معروفش را به كار ببرد كه: «خداوند براى اداره دنیا تاس نمى ریزد.» چنین به نظر مى رسد كه عقلانیت علمى او رو به افول بوده است! برخلاف روند كلى مكانیك كوانتومى، اینشتین دهه هاى پایانى عمرش را صرف جست وجو براى یافتن یك نظریه وحدت یافته فیزیكى كرد كه حتى امروزه هم یك رویاى دوردست به نظر مى رسد. نظریه پردازان امروزى فیزیك به خصوص كسانى كه روى نظریه «ریسمان» كار مى كنند، پس از مطالعه گفته هاى اینشتین، به ظاهر عهد كرده اند كه در راهى كه وى قدم گذاشت، هرگز وارد نشوند. تصور آنها بر این است كه در جایى كه صحبت از نظریه نسبیت عام (كه گرانش را توضیح مى دهد) و فیزیك كوانتومى (كه سایر نیروهاى طبیعت را توضیح مى دهد) است، این نسبیت است كه باید به نفع كوانتوم از صحنه خارج شود. با این كه نسبیت عام كه شاهكار اینشتین است، به طور مطلق اشتباه نیست، اما نهایتاً از آن به عنوان یك تخمین بسیار عالى از یك نظریه كامل تر «گرانش كوانتومى» یاد مى شود.

نظریه هاى ردشده

در سال هاى اخیر، وقتى فیزیكدانان نتایج پایه اى مكانیك كوانتومى را مورد مطالعه قرار دادند، پیش بینى اینشتین درباره آینده آن را بسیار تحسین كردند. كریستوفر فاشس از آزمایشگاه بل مى گوید: «آلبرت، بیشتر از آنچه كه گفته شده، عمیق و سریع مشكلات اساسى مكانیك كوانتومى را دیده و شناخته است.» حتى طیفى [البته كمترى] از فیزیكدانان با نظریات اینشتین موافق بوده و معتقدند كه سرانجام مكانیك كوانتومى باید جاى خود را به یك تئورى اساسى تر بدهد. رافائل بوسو از دانشگاه كالیفرنیا در بركلى (UCB) مى گوید: «ما نباید بر این باور باشیم كه مكانیك كوانتومى مى تواند همه چیز را اثبات كند.» اینها جملاتى بسیار مهم در عصر ما هستند زیرا مكانیك كوانتوم موفق ترین نظریه علمى در توجیه ساختارهاى طبیعت در طول تاریخ علم بوده است. مكانیك كوانتومى جانشین همه نظریات كلاسیك شده و البته گرانش تنها حوزه اى از فیزیك نظرى است كه از آثار مكانیك كوانتومى در امان بوده است. بیشتر فیزیكدانان معتقدند كه سرانجام طى گذر زمان همه نظریه هاى فیزیكى از اصول اساسى مكانیك كوانتومى پیروى خواهند كرد. گذشته از اینها در نظریه نسبیت عام نیز لغزش هایى پیدا شده است. براى مثال پیش بینى نسبیت عام از آنچه كه در سیاهچاله ها مى گذرد بسیار ناقص است و عملاً چیزى نمى گوید. یك راه طبیعى براى غلبه بر این لغزش ها و كاستى هاى نسبیت عام، بردن این نظریه به سمت یك تئورى كوانتومى گرانش است مانند نظریه ریسمان. اما البته در مكانیك كوانتومى هم مشكلاتى دیده مى شود كه آلبرت اینشتین جزء اولین كسانى بود كه به این نواقص پى برد. براى مثال كوانتوم هیچ دلیلى براى وقوع برخى پدیده هاى فیزیكى ارائه نمى دهد و فقط احتمال وقوع آنها را پیش بینى مى كند و همچنین راهى براى رسیدن به خواص درونى اشیا معرفى نكرده و در این مورد ساختار معقول محكمى ندارد.3 به علاوه، زمان و مكان در نظریه مكانیك كوانتومى متعلق به دوران قبل از نظریه نسبیت خاص اینشتین است. براى مثال مكانیك كوانتومى مى گوید كه حجم یك سطل 8 لیترى، 8 برابر یك سطل یك لیترى است. این در زندگى روزمره صادق است. اما نباید نظریه نسبیت خاص اینشتین براى سطلى كه با سرعت خاصى در حال حركت نسبت به ما است، این سطل 8 لیترى تنها براى 4 لیتر آب گنجایش دارد. این محدودیت به حد هولوگرافیك مشهور است. وقتى كه یك سطل پر است، اضافه كردن آب به آن تنها باعث سرریز شدن ماده داخل آن مى شود. این نه تنها شكست نظریه نسبیت نیست، بلكه نقص مكانیك كوانتومى را نشان مى دهد.4

چیزى كه واضح است این است كه یك نظریه ناقص را باید كامل كرد. از شروع دهه 1920 بسیارى از پژوهشگران سعى در كامل كردن نظریه كوانتومى با استفاده از «متغیرهاى نهان» داشته اند. آنها معتقدند كه مكانیك كوانتوم در واقع برگرفته از مكانیسم هاى علیتى قدیمى است و این تعبیر احتمالاتى به دلیل وجود متغیرهایى است كه از دید ما نهان هستند و نه چیز دیگرى. ذرات، مسیر و حركت كاملاً مشخص خود را دارند.5 اما از آنجا كه ما نظم زیربنایى حركات آنها را نمى بینیم این حركات را احتمالاتى تصادفى و نامنظم مى نامیم. كارستن ون بروك از دانشگاه شفیلد انگلیس مى گوید: «در این مدل ها، حركت تصادفى در مكانیك كوانتومى مانند چرخش سكه در هوا است كه به نظر تصادفى مى آید. اما اگر ما همه پارامترهاى لازم را لحاظ كنیم مى توان با استفاده از مكانیك كلاسیك معادلات قاطعى نوشت كه مى گویند كدام روى سكه مى آید.»

حركت براونى

حركات ذرات گرد و غبار به نظر تصادفى مى آیند، اما بنا به آنچه كه اینشتین نیز در سال 1905 گفته در واقع این حركات ناشى از حركت مولكول هاى هوا هستند كه معادلات مكانیك كلاسیك بر آنها حاكم است. معادلات مكانیك كوانتومى نیز تشابه مرموزى با نظریه جنبشى گازها و تعابیر احتمالاتى به كار رفته در مكانیك آمارى دارند.6 در بعضى از فرمول هاى مكانیك آمارى، ثابت پلانك كه ثابت اصلى نظریه كوانتومى است، نقش ریاضى دما را برعهده دارد، در واقع مثل این مى ماند كه بگوییم، مكانیك كوانتومى حركت بعضى گازها و به طور كلى مولكول ها را در دماى پائین به خوبى شرح مى دهد.

وقتى فیزیكدانان با تئورى هایى مانند نظریه متغیرهاى نهان روبه رو مى شوند، قبل از این كه به طور كامل بتوانند آنها را به طور تجربى مورد آزمایش قرار دهند، این نظریات را با معیارهاى عملى (Pragmatic) مى سنجند. آیا این نظریه به طور عملى به دردبخور است؟ براى مثال در طول تكامل نظریه ریسمان به قوانین فیزیكى و ریاضیاتى فراوانى دست یافته ایم كه حتى اگر این نظریه توسط تجربه هم رد شود، چیز زیادى از دست نرفته است.

بسیارى از فیزیكدانان با استفاده از همین منطق پراگماتیستى، نظریه متغیرهاى نهان را رد مى كنند. آنها معتقدند كه تئورى هایى كه با استفاده از متغیرهاى نهان سعى در توجیه پدیده ها دارند، توانایى پیش بینى حوادث جدید را نداشته، هیچ قانون محكم فیزیكى معرفى نكرده و نمى توانند نتایج كوانتوم را بدون استفاده از قوانین رد شده كلاسیك كه استفاده از آنها در نظریات جدید توصیه نمى شود، توصیف كنند. خود اینشتین پیش از بى اساس خواندن نظریه متغیرهاى نهان آنها را به دقت مورد مطالعه قرار داد. او نتیجه گرفت كه نقایص مكانیك كوانتومى را نمى توان با عناصر كلاسیك برطرف كرد. وى بر این باور بود كه براى كامل كردن نظریه مكانیك كوانتومى باید ساختارهاى فیزیكى را به طور كامل دوباره مطالعه كرد.

طى پنج سال گذشته، نظریه متغیرهاى نهان دوباره زنده شده است و این را مدیون گرارد ت هوفت فیزیكدان و نوبلیست برجسته دانشگاه اوترخت هلند است كه به معرفى فرضیه هاى بنیادین مشهور است، هوفت معتقد است كه تفاوت مكانیك كوانتومى و مكانیك كلاسیك فقدان اطلاعات كافى است. ما اطلاعات بیشترى درباره سیستم كلاسیك داریم چرا كه متغیرهاى كلاسیك پیوسته هستند اما متغیرهاى كوانتومى، در حالت هاى گسسته قرار دارند. پس اگر بخواهیم فیزیك كوانتومى را جانشین فیزیك كلاسیك كنیم، اطلاعات زیادى را باید نادیده بگیریم. این امر ممكن است در اثر اصطكاك با سایر نیرو هاى اتلافى باشد. اگر دو سكه را از بالاى ساختمانى بلند با سرعت هاى متفاوت پرتاب كنیم، اصطكاك هوا باعث مى شود كه این دو سكه سرانجام به یك سرعت یكسان نهایى برسند. شخصى كه در پیاده روى پایین ساختمان ایستاده، به سختى مى تواند سرعت دقیق پرتاب سكه ها را تشخیص دهد. این اطلاعات نامعلوم نوعى متغیر نهان هستند. در این مثال و مثال هاى دیگر كه معروف به موقعیت هاى جذب كننده7 هستند، بسیارى از حالات متفاوت آغازین به رفتارى یكسان طى مسیر تبدیل مى شوند. این حالت ها همانند حالت هاى كوانتومى گسسته هستند. با این تفاوت كه برخلاف مكانیك كوانتومى، از قوانین مكانیك نیوتنى تبعیت مى كنند. هوفت معتقد است كه در واقع این قوانین برگرفته از فیزیك نیوتنى، جدا از قوانین مكانیك كوانتومى نیستند. بنابراین طبیعت مى تواند در جزئیات به طور كلاسیك رفتار كند در حالى كه در مسائل اتلافى به صورت كوانتومى عمل نماید. ماسیمو بلاسون از دانشگاه سالرنو ایتالیا مى گوید: «مكانیك كوانتومى را باید به عنوان حد پایین انرژى یك نظریه پایه اى بدانیم.»

بلاسون و همكارانش پس از مطالعه دقیق این نظریه نشان دادند كه یك نوسانگر هماهنگ خطى كوانتومى (كه نمونه كوانتیده یك پاندول است) از یك جفت نوسانگر تحریك شده با اصطكاك ساخته شده است. هر نوسانگر به تنهایى از قوانین كلاسیك پیروى مى كند اما در جایى كه این نوسانگر ها به هم متصل مى شوند، دیگر از قوانین مكانیك كوانتومى پیروى مى كنند. برنت مولر از دانشگاه دوك و همكارانش ثابت كرده اند كه یك سیستم فیزیكى كلاسیك پنج بعدى مى تواند در فضاى چهار بعدى رفتارى كوانتومى داشته باشد. ون دو بروك معتقد است كه یك منبع نیروى اصطكاك باعث تبدیل یك سیستم كلاسیك به یك سیستم كوانتومى مى شود. این كار ممكن است توسط گرانش انجام شود.

پیوستگى زمانى

بسیارى از فیزیكدانان و فلاسفه علم، معتقدند كه مكانیك كوانتومى عجیب به نظر مى آید زیرا كه ما معتقدیم كه فقط گذشته بر حال تاثیر گذار است. اما اگر آینده نیز بر حال تاثیر گذار بود، پاسخ چه بود؟ در این صورت، كیفیت احتمالاتى مكانیك كوانتومى مى تواند ناشى از غفلت ما از آینده و آنچه اتفاق خواهد افتاد، باشد. این تصور طى چند دهه گذشته توسط مارك هادلى از دانشگاه وارویك انگلستان قوت گرفته است. وى مى گوید: «در نظریه نسبیت عام همان قدر كه گذشته موثر است آینده نیز تاثیر دارد و طبیعى است كه گذشته و آینده هر دو در حال تاثیر گذارند.» هادلى مى گوید: «مشاهدات آتى نشان خواهد داد كه آینده نیز یكى از متغیر ین نهان است.»

هادلى مدعى است كه منطق بنیادین مكانیك كوانتومى، چیزى خارج از نظریه نسبیت نیست. او یكى از نظرات اینشتین را كه در دهه 1930 روى آن كار مى كرده زنده كرده است. این نظریه مى گوید: ذرات بنیادى چیز هایى نشسته روى فضا _ زمان نیستند بلكه خود فضا - زمان هستند. آنها تكه هایى چسبیده به محور زمان نیستند بلكه گره هایى بافته شده پشت سر هم روى محور زمان اند. اما این نظر زیاد مورد قبول نبود زیرا همسانگردى خاص ذرات كوانتومى را نمى توانست شرح دهد. اما هادلى مدعى است كه این مشكل را حل كرده است. آنچه كه از گفته هاى هادلى و هوفت برداشت مى شود این است كه در تلاش هاى این دو مزیت نسبت به تلاش هاى گذشته روى متغیر هاى نهان دیده مى شود. اول اینكه ارتباط دادن بین واقعیت مشاهده شده كوانتومى و فیزیك كلاسیك بسیار سخت است. البته این سختى به شدت مورد علاقه فیزیكدانان است، زیرا آنها معتقدند كه یك تئورى بنیادى باید سخت باشد. آنها مى گویند مفاهیم باید به حدى باارزش باشند كه بتوان آنها را روى پیراهن ها چاپ كرد و در عین حال باید به حدى عجیب باشند كه كسى نتواند ادعا كند كه مفهوم آن را سریع فهمیده است. دوم این كه نظرات این دو فیزیكدان، حوادثى قابل تحقیق و آزمایش را پیش بینى كرده اند. براى مثال ون دوبروك معتقد است كه میدان هاى قوى گرانشى خواص كوانتومى را تغییر مى دهند.

جالب است كه نظریات مشابه دیگرى در روند كلى همین تئورى ها به وجود آمده اند. در تئورى ریسمان یك سیستم كوانتومى از نظر ریاضى مى تواند برابر یا متفاوت با یك سیستم كلاسیك باشد. برخى از این دوگانگى ها شامل سیستم هاى مكانیك آمارى هستند كه مشابه روش تحقیق مولر و همكارانش هستند. عده كمى از نظریه پردازان ریسمان، پا را فراتر گذاشته و مى گویند كه سیستم كوانتومى بى اغراق، یك سیستم كلاسیك است. اما برین گرین از دانشگاه كلمبیا در نیویورك مى گوید: «مشاهده و مطالعه این برابرى ها، تفاوت و در نتیجه اصول زیربنایى مكانیك كوانتومى را شرح مى دهد.» برگرفته از این نظریه كه مكانیك كوانتومى را مى توان از نسبیت به دست آورد، اخیراً بوسو اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را از مفهوم «حد هولوگرافیك» استخراج كرده است.

آنچه در اینجا گفته شد، نشان مى دهد كه فیزیكدانان نظریه متغیرهاى نهان را وزنه اى بزرگ مى دانند. فیزیك كوانتومى مانند جنگلى مملو از حیوانات عجیب و مرداب هاى پایان ناپذیر است و سعى در تبدیل این نظریه به نظریه كلاسیك مانند تلاش براى تبدیل جنگل آمازون به یك باغ سنگى تفریحى است. به جاى بازسازى و آسیب رساندن به طبیعت آن باید سعى در جداكردن آن از فیزیك كلاسیك و پیداكردن اصول بنیادى آن كرد. این هدف اصلى فاشس و همكارانش در روند كلى مطالعه ساختارى مكانیك كوانتومى بوده است. فاشس و همكارانش بر این باورند كه بیشتر تئورى كوانتومى درونى است. آنها مى گویند: تئورى كوانتوم خواص خارجى سیستم هاى فیزیكى را شرح نمى دهد بلكه سعى در توصیف دانشى دارد كه فیزیكدانان آن را مورد مطالعه قرار داده اند. پس از این كه اینشتین درهم تنیدگى حالت هاى كوانتومى (رابطه فوق نورى دو ذره دور از هم) را مورد انتقاد قرار داد 8 به چنین نتیجه اى دست یافت. رابطه فیزیكى در واقع چیزى جز دانش فیزیكدانان درباره دو ذره نیست9. گذشته از همه اینها، اگر در واقع چیزى به اسم رابطه فیزیكى وجود داشت، مى توانستیم علائمى را با سرعت بیش از سرعت نور ارسال كنیم كه نقیض یكى از اصول موضوعه نسبیت خاص است. براى مدت ها، فیزیكدانان معتقد بودند كه اندازه گیرى یك سیستم كوانتومى باعث از بین بردن همه احتمالات و قرارگرفتن سیستم در یك حالت خاص مى شود.10 فاشس مى گوید این فقط عدم قطعیت ما در مورد سیستم است كه از بین مى رود. راه حل براى از بین بردن عدم قطعیت، این است كه از ویژگى هاى درونى تئورى بگذریم تا بتوانیم ویژگى هاى واقعى خارجى را مورد مطالعه قرار دهیم. عدم قطعیت در مكانیك كوانتومى با عدم قطعیت در مكانیك كلاسیك متفاوت است و همین تفاوت، راهنمایى است براى فهمیدن چگونگى رخداد حادثه. از نظر مكانیك كلاسیك، یك گربه یا زنده است یا مرده. اما مكانیك كوانتومى مى گوید تا زمانى كه به گربه نگاه نكنیم (آزمایش نكنیم) یك گربه نه زنده است و نه مرده 11 ما با نگاه كردن به گربه، او را مجبور مى كنیم كه در یكى از دو حالت زنده یا مرده با شانس 50-50 قرار بگیرد. براى اینشتین این نظریه قراردادى بود. متغیرهاى نهان مطلق بودن نظریه را از بین مى برند. جهان فیزیك كلاسیك كمتر از جهان فیزیك كوانتومى قراردادى نیست. تفاوت در جایى است كه این قراردادى بودن خود را نشان مى دهد. در فیزیك كلاسیك این قراردادى بودن به آغاز زمان بازمى گردد و مى گوید وقتى جهان خلق شد، مانند یك قطعه از قبل چیده و آماده شده بود. اما از نظر فیزیك كوانتومى جهان اجزاى خود را طى گذر زمان و با مداخله ناظرها به وجود مى آورد. فاشس این نظریه را «تغییر جنسى فیزیك كوانتومى» مى نامد. او مى گوید: «هیچ تك راه شناخته شده واحدى براى جهان نیست، چرا كه جهان هنوز در حال خلق شدن و شكل گیرى است. چیزى شبیه به همین تعریف را مى توان از درك ما درباره فیزیك كوانتومى نیز گفت.»





پى نوشت ها:

1- اشتباه معروف اینشتین در سال 1911 در محاسبه انحراف نور بود كه اثرات نسبیت خاص را لحاظ نكرده بود. مترجم

2- مكانیك كوانتومى یك نظریه احتمالاتى است. م

3- نویسنده به مشكلات مدل استاندارد ذرات بنیادى اشاره دارد. براى مطالعه بیشتر به سخنرانى گرارد ت هوفت در هنگام دریافت جایزه نوبل در سال 1999 مراجعه كنید. م

4- به نظر مى رسد كه نویسنده مكانیك كوانتومى نسبیتى كه در سال 1930 توسط دیراك تدوین شد را فراموش كرده است. م

5- طبق اعلام عدم قطعیت هایزنبرگ مسیر و حركت ذره را همزمان نمى توان به طور دقیق مشخص كرد. م

6- نظراتى مبنى بر نادرستى این حرف ارائه شده است. براى مطالعه بیشتر مى توانید به نوشته هاى پوپر در مورد احتمالات در مكانیك كوانتومى مراجعه كنید. م

7- Attractor

8- آزمایش ذهنى اینشتین، پودولسكى و روزن (EPR) براى نشان دادن نقص مكانیك كوانتومى. م

9- این بینش، برگرفته از جواب نیلز بور به آزمایش EPR و رد نقص مكانیك كوانتومى است. م

10- مسئله تقلیل تابع موج. م

11- طبق ادعاى مكانیك كوانتومى، گربه نه زنده است و نه مرده بلكه در حالت (مرده + زنده) قرار دارد!

به نقل از سی پی اچ تئوری



نوشته شده توسط مجید در یکشنبه 7 خرداد 1385 و ساعت 11:05 ق.ظ
Desined By Mohamad + Alireza