اسرار فيزيك كوانتوم
وقتي گاليله در سال ۱۶۱۰ يافته هاي خود را در تائيد نظر كوپرنيك مبني بر ثابت نبودن زمين و گردش آن به دور خورشيد منتشر كرد باعث شد تا وي از سوي كليسا مورد بازجويي و تفتيش عقايد قرار گيرد. اين نظريه مخالف نص كتاب مقدس بود و از سويي با نظريات ارسطو كه كليسا حامي آن بود همخواني نداشت. وي مجبور به امضاي توبه نامه‌اي با اين مضمون شد:
در هفتادمين سال زندگي در مقابل شما به زانو درآمده‌ام و در حالي كه كتاب مقدس را پيش چشم دارم و با دستهاي خود لمس مي‌كنم توبه مي‌كنم و ادعاي خالي از حقيقت حركت زمين را انكار مي‌كنم و آنرا منفور و مطرود مي‌نمايم.
شش سال بعد رسما از تدريس نظريه كوپرنيك در دانشگاه منع شد و تا سالها بعد مرتب مورد بازخواست كليسا قرار مي‌گرفت. سرانجام گاليله عليرغم اعتقاد دروني اش، مجبور شد اعتراف كند كه نظريه ارسطو درست است و زمين مركز جهان است. ولي با اين حال همواره تا آخرين لخظه عمر قلبا اعتقاد داشت كه زمين مرگز جهان نيست و به دور خورشيد مي چرخد
اين را مقايسه كنيد با كوانتوم
نظريه كوانتومي توسط پلانك مطرح شد اما خودش از آن خشنود نبود وقتي انشتين فتو الكتريك را براساس تئوري پلانك توضيح داد كه تائييدي بر صحت نظريه او بود بلافاصله با آن به مخالفت برخاست
خود انشتين كه باعث پشرفت و توسعه اين نظريه بود با پيشرفت هاي بعدي از مخالفان سرسخت كوانتوم شد
شرودينگر كه فرمولبندي مكانيك كوانتومي را انجام داد و به خاطر آن جايزه نوبل دريافت كرد هم در صحت كار خود شك داشت و كوشيد تا با آزمايش ذهني گربه در جعبه ديگران را متوجه پوچي كوانتوم كند
بدون شك، معماي رمزآلود فيزيك كوانتوم، معماي عميقي است ولي رازي كه در بطن فيزيك كوانتوم نهفته، به طور غير مستقيم، درك ما را از حقيقي بودن جهان و هر آنچه در آن است (از جمله خود ما)، مورد هدف قرار مي‌دهد درحالي كه تئوري فيزيك كوانتوم يكي از تئوري‌هايي است كه از پيكار آزمايشات فراواني در عرصه‌ي علم، جان سالم به در برده است. عليرغم مشخصه‌هاي نامأنوس فيزيك كوانتوم، براي بسياري از دانشمندان در صحت اين نظريه، ترديد چنداني باقي نمانده. و مقاومت عده اي در برابر آن ناموجه جلوه مي كند
آزمايش دو شكاف (The Double Slit Experiment)
براي صحبت درباره‌ي فيزيك كوانتوم، بهترين كار اين است كه با آزمايش يانگ در سال 1803 شروع كنيم. در آزمايش يانگ، از يك منبع ريز نور و يك صفحه استفاده شده بود. يانگ، ميان اين دو شيء، يك مانع با دو شيار نازك عموديِ موازي با يكديگر قرار داد.
يانگ مي‌دانست در صورتي كه نور، فقط جرياني از ذرات ريز باشد، بايد از هر كدام از شكاف‌ها گذشته و روي صفحه‌ي پشت سوراخها جمع شود.
اين دقيقاً همان چيزي بود كه با پوشاندن يكي از شكاف‌ها و باز گذاشتن شكاف ديگر، اتفاق افتاد. يك نوار عمودي باريك از نور، روي صفحه‌ي پشت سوراخ ظاهر شد. يانگ مسلماً انتظار داشت وقتي شكاف ديگر را هم باز كرد، دو نوار باريك نوري ببيند، اما اين طور نشد.
بيشتر بخش‌هاي صفحه را مجموعه‌اي از نوارهاي عمودي روشن و تاريك پر كرد. يانگ اين مشاهده را چنين توجيح كرد . نور، مثل يك موج عمل مي‌كند و از هر دو شكاف مي‌گذرد. بعد از گذشتن از ميان شكاف‌ها، با يكديگر تداخل مي‌كنند. به اين ترتيب، وقتي دو قله‌ي موج با هم تلاقي مي‌كنند، باعث تقويت يكديگر مي‌شوند و وقتي يك قله‌ي موج و يك دره‌ي موج با هم تلاقي مي‌كنند، هر دو خنثي مي‌شوند. در نتيجه، مجموعه‌اي از نوارهاي روشن و تاريك روي صفحه ديده مي‌شود. دانشمندان، اين پديده را الگوي تداخل (interference pattern) مي‌نامند، زيرا از تداخل امواج با يكديگر حاصل مي‌شود.
مثالي از الگوي تداخل
پس نور بدون شك يك موج بود. اما شواهدي نيز وجود داشت كه نشان مي‌داد خواص ذره اي نيز دارد (كه بعدها به آن فوتون گفته شد). در نهايت چنين نتيجه گيري شد كه فوتون‌ها ماهيتي دوگانه دارند و به صورت موج و ذره عمل مي‌كنند. با اين حال، دانشمندان هنوز هم از خود مي‌پرسيدند اگر بتوانند فوتون‌ها را يكي يكي از دو شكاف بگذرانند، چه چيزي رخ خواهد داد.
سرانجام، منبع نوري اختراع شد كه قادر بود هر بار تنها يك فوتون آزاد كند. آزمايش دو شكاف يانگ دوباره انجام گرفت. اما اين بار به جاي صفحه‌ي عادي، از كاغذ عكاسي استفاده شد، زيرا يك فوتون، كم‌نورتر از آن است روي صفحه ديده شود. حال آن كه بعد از عبور ميليون‌ها فوتون از شكاف‌ها (به صورت تك تك)، الگوي مورد نظر بر روي كاغذ عكاسي قابل مشاهده ميشد.
با ظاهر كردن عكس، همان الگوي تداخل پيشين مشاهده شد. دانشمندان اين‌گونه نتيجه گرفتند كه هر يك از فوتون‌ها به صورت موجي حركت كرده، به طور همزمان از ميان دو شكاف رد شده و با خودشان تداخل داشته‌اند و تنها هنگامي كه سرانجام با كاغذ عكاسي برخورد كرده‌اند، به صورت ذره‌اي در موقعيت خاص ظاهر شده‌اند، و اين بسيار عجيب بود.
دانشمندان تصميم گرفتند كنار شكاف‌ها، رديابِ فوتون كنار قرار دهند تا مسير واقعي فوتون را مشاهده كنند. آنها موفق شدند، ولي وقتي اين آزمايش را انجام دادند، الگوي تداخل ناپديد شد و تنها دو خط باريك (پشت هر سوراخ يكي)، روي صفحه ظاهر شد. ظاهراً فوتون‌ها «مي‌دانستند» كه در معرض مشاهده شدن قرار دارند و به همين دليل، به جاي اين كه به صورت موجي عمل كنند، رفتار ذره‌اي پيش گرفته‌اند!
دانشمندان سپس تصميم گرفتند كه ردياب فوتون را در جهتي از صفحه قرار دهند كه با منبع نور فاصله‌ي بيشتري داشته باشد، تا به اين ترتيب فوتون، فقط بعد از عبور از ميان شكاف ديده شود. اما تغييري در نتيجه حاصل نشد. باز هم ظاهراً فوتون پيش از رسيدن به صفحه، «مي‌دانست» در سمت ديگر آن يك ردياب وجود دارد و به همين دليل پيش از عبور از شكاف‌ها، به ذره تبديل ميشد.
سرانجام، دانشمندي به نام جان ويلر (John Wheeler) آزمايشي پيشنهاد كرد كه طي آن، صفحه مي‌توانست درست در آخرين لحظه‌ي پيش از برخورد فوتون، با يك دستگاه ردياب نوري جايگزين شود، به اين ترتيب ميشد فهميد فوتون از كدام شكاف عبور كرده است. تصميم درباره‌ي كنار كشيدن يا نكشيدن صفحه، بايد بعد از عبور فوتون از ميان شكاف گرفته ميشد. در زماني كه ويلر اين آزمايش را مطرح كرد، انجام آن از لحاظ فني غيرممكن بود. اما چند سال بعد، امكان انجام آزمايش به وجود آمد. نتيجه‌ي آزمايش چنين بود: هنگامي كه صفحه در جاي خود قرار داشت، فوتون طبق الگوي تداخل رفتار مي‌كرد، حال آن كه اگر صفحه در لحظه‌ي آخر، برداشته ميشد تا اطلاعات مربوط به اين كه از كدام شكاف عبور كرده، به دست آيد، فوتون طبق الگوي تداخل رفتار نمي‌كرد. گويا فوتون مي‌دانست هنگام رسيدن به شكاف چگونه عمل كند، هر چند كه تصميم درباره‌ي برداشتن يا برنداشتن صفحه در لحظه‌ي آخر گرفته ميشد. ظاهراً يا فوتون مي‌توانست آينده را پيش‌بيني كند يا اينكه تصميم درباره‌ي قرارگيري صفحه، مي‌توانست گذشته را تغيير دهد.
دانشمندان اين طور نتيجه گرفتند كه در نظريه‌ي كوانتوم، جايي براي عليت وجود ندارد. گويا اتفاقاتي كه در زمان حال مي‌افتند، مي‌توانند گذشته را تغيير دهند، و اين اوج غرابت كوانتوم بود.
اگر خواندن اين مطالب، شما را آشفته كرده، نگران نباشيد. افراد زيادي از اين مسئله آشفته شده‌اند، از جمله آلبرت انشتين.
نور ستارگان، درخشش ستارگان
امشب بيرون برويد و ستارگان را تماشا كنيد. اگر زمستان باشد (در نيكره‌ي شمالي)، حتماً خواهيد توانست صورت فلكي شكارچي (يا جبار) را ببينيد. تشخيص اين صورت فلكي آسان است، زيرا سه ستاره در يك خط، كمربند شكارچي را تشكيل مي‌دهند. به ستاره‌ي وسطي نگاه كنيد. او يك ستاره‌ي ابرغولِ سفيد-آبي به نام اپسيلون جبار (Alnilam) است كه 1300 سال نوري از ما فاصله دارد. وقتي به اين ستاره نگاه مي‌كنيد، چه اتفاقي مي‌افتد؟ بر اساس بسياري از كتاب‌ها، هزار و سيصد سال پيش- اوايل قرون وسطي در اروپا- الكتروني برانگيخته در يكي از اتم‌هاي هيدروژن موجود در لايه‌هاي بيروني اين ستاره، يك ذره‌ي انرژي ( يك فوتون) آزاد كرده است:.
فوتون آزاد شده از اپسيلون جبار، با سرعت نور، حدوداً 300000 كيلومتر در ثانيه، در جهت زمين حركت كرده است. اگرچه فوتون‌ها چندان تحت تأثير جاذبه قرار نمي‌گيرند، اما سيارات، ستارگان و ساير اجرام آسماني كه در مسير فوتون ياد شده قرار دارند، به طور خفيفي بر آن تأثير گذاشته و مسيري خاص به آن مي‌دهند. با نزديك شدن به زمين، فوتون، بدون برخورد با مولكول‌هاي اتمسفر، از آنها مي‌گذرد. درست وقتي به آسمان نگاه كرديد، اين فوتون توسط شما دريافت مي‌شود. اين فوتون (همراه بسياري فوتونهاي ديگر)، شبكيه را كه درست پشت چشمتان قرار دارد، تحريك مي‌كند، پيغامي به مغز شما فرستاده مي‌شود و شما در مغزتان نور ستاره را مي‌بينيد. اين سير حوادث، بسيار جالب است، منتها، با توجه به تئوري كوانتوم اين به هيچ وجه چيزي نيست كه اتفاق مي‌افتد.
هيچ كس دقيقاً نمي‌داند در سطح كوانتوم چه اتفاقي مي‌افتد، با اين حال، چند تفسير از نظريه‌ي كوانتوم وجود دارد كه مي‌توانند به ما در فهم مسئله كمك كنند. معروف‌ترين آنها تفسير كُپنهاگي(Copenhagen Interpretation) ناميده مي‌شود، زيرا قسمت عمده‌ي آن توسط نيلز بور (Niels Bohr)، فيزيكدان اهل كپنهاگ، ارائه شده است. دانشمندان و مهندسان، سال‌هاست از كپنهاگ به عنوان روشي استاندارد جهت درك دنياي كوانتوم استفاده مي‌كنند. تفسير كپنهاگي نظريه‌ي كوانتوم، مشاهده شدن اپسيلون جبار توسط شما را اين گونه توضيح مي‌دهد:
آنچه كه حدود 1300 سال پيش، اتم هيدروژن را ترك كرد، فوتون نبود، بلكه يك موج احتمال بود. اين موج، بيانگر مكان احتمالي فوتون نبود، بلكه بيانگر اين احتمال بود كه در صورت مشاهده شدن فوتون، اين اتفاق در چه مكاني روي خواهد داد. موج با سرعت نور به بيرون حركت كرد، اما نه به سوي زمين، بلكه به شكل كُره‌اي كه با سرعت نور بزرگ و بزرگ‌تر ميشد. سيارات، ستارگان و ساير اجرامِ نزديك به آن، بر مكان احتمالي مشاهده‌ي شدن فوتون تأثير گذاشتند، اما هنوز اين امكان وجود داشت كه فوتون در هر جايي از كره‌ي در حال انبساط، ظاهر شود. موج/كره، 1300 سال بزرگ شد، تا اين كه قطري برابر 2600 سال نوري پيدا كرد. جبهه‌ي موج از اتمسفر زمين گذشت. درست در اين لحظه، شما چشمتان را بر روي اپسيلون جبار متمركز كرديد و جبهه‌ي موج با سلول‌هاي شبكيه‌ي چشم شما درگير شد. سپس، جايي ميان شبكيه‌ي چشم شما كه با موج درگير شده و مغزتان كه ستاره را ديده، اين واقعه رخ داد.
بلافاصله، موج احتمال به قطر 2600 سال نوري، از ميان رفت و فوتون در برخورد با شبكيه‌ي چشم شما، ظهور كرد. اگر شما در لحظه‌ي مناسب به آسمان نگاه نكرده بوديد، شايد فوتون، چند ثانيه‌ي ديگر، در سوي ديگر اپسيلون جبار، توسط ناظر بيگانه‌اي در يك سياره‌ي ديگر با فاصله‌ي هزاران سال نوري، از هم مي‌پاشيد. اما مشاهده شدن فوتون توسط شما در كره ي زمين، براي هميشه اين احتمال را از ميان برد.
وقتي شما اين فوتون را ديديد، سرنوشتي منحصر به فرد برايش رقم خورد. مسيري ايجاد شد تا او از آن اتم هيدروژن در اپسيلون جبار، به چشم شما برسد.
شايد اين طور به نظر بيايد كه نابودي چيزي با وسعت 2600 سال نوري غيرممكن است، زيرا لازمه‌ي آن، پيشي گرفتن از سرعت نور مي‌باشد. اما اين مورد، تنها يكي از موارد متعددي است كه در آن، نظريه‌ي كوانتوم، حداكثر سرعت كيهاني را به چالش مي‌طلبد. اين مسئله نيز، انشتين را عميقاً آشفته كرد.
چه چيزي در فيزيك كوانتوم، انيشتين را بر آشفته مي كرد؟ اول از همه، غير قابل پيش‌بيني بودن آن. اگر قرار باشد يك تفنگ را تنظيم كنيد و آن را به هدف بزنيد، با معلوم بودن سرعت و جهت گلوله، تعيين مسير آن بعد از خروج از لوله‌ي تفنگ، بسيار ساده است. اما فوتون اين طور نيست. همانطور كه مثالِ ما درباره‌ي موج نورِ رهسپار شده از يك ستاره‌ي دوردست، نشان داد، فوتون به صورت موج احتمال حركت مي‌كند. فوتون ممكن است هرجايي در مسير حركت موج، ظاهر شود. هر چند، احتمال ظهور آن، در بعضي مكان‌ها بيشتر است. اين باعث شد انشتين به طعنه بگويد كه باورش نمي‌شود «خدا با هستي تخته نرد بازي كند».
انشتين كمك كرد نظريه‌ي كوانتوم به وجود بيايد، ولي بسيار از آن آشفته گشت.
دومين نكته‌اي كه انشتين را آزار مي‌داد، اين ايده بود كه با توجه به كپنهاگ، يك جسم پيش آن‌كه مورد مشاهده قرار گيرد، تنها به شكل موج احتمال وجود دارد. شايد وقتي حرف از يك فوتون باشد، اين مسئله چندان مهم به نظر نرسد، چون بسيار بسيار كوچك است. اما اين تنها فوتون‌ها نيستند كه از قوانين فيزيك فيزيك كوانتوم پيروي مي‌كنند، بلكه الكترون‌ها، پروتون‌ها، اتم‌ها و مولكول‌ها نيز مشمول اين قوانين هستند. همه‌ي آنها پيش از مشاهده شدن، تنها موج‌اند و آزمايش دو شكاف، با موادي به بزرگي مولكول‌هاي فولرن (Fullerene) كه 60 اتم كربن دارند، انجام شده است.
در نهايت اگر فكر كنيم، مي‌بينيم تمام جهان ما، از اتم‌ها و مولكول‌ها تشكيل شده و خود ما نيز. آيا اين بدان معناست كه ما تنها، امواج بزرگ احتمال هستيم؟
اين تصور كه هر چيزي در جهان ما، در صورت مشاهده نشدن، ماهيتي مستقل ندارد، انشتين را واداشت به شوخي بگويد: «ترجيح مي‌دهم فكر كنم ماه، حتي وقتي نگاهش نمي‌كنم، باز وجود دارد».
آزمايش فرضي گربه‌ي شرودينگر
همانطور كه گفتيم انشتين، تنها بنيانگذار نظريه‌ي كوانتوم نبود كه به آن شك داشت. اِروين شرودينگر، كه معادلات كليدي را براي پيش‌بيني چگونگي تغيير سيستم كوانتوم در طول زمان مطرح كرد. و اين كار براي او جايزه‌ي نوبل سال 1933 را به ارمغان آورد. با بعضي از مفاهيم فيزيك كوانتوم، مشكل داشت و براي نشان دادن بي‌معنا بودن آنها، مثالي مطرح كرد. آزمايش فرضي مشهور گربه را مطرح كرد تا نشان دهد اين نظريه ناقص است.
در آزمايش فرضي شرودينگر، يك گربه درون جعبه‌اي مهر و موم شده قرار مي‌گيرد. در درون اين جعبه، يك دستگاه «نابودگر» شامل يك ماده‌ي راديواكتيو، يك شمارشگر گايگر مولر و يك ظرف شيشه‌اي قرار دارد. ماده‌ي راديواكتيو به اندازه‌اي است كه در عرض يك ساعت به احتمال 50 درصد تجزيه شده، ذره‌اي آزاد مي‌كند كه باعث به كار افتادن شمارشگر مي‌شود. شمارشگر نيز به گونه‌اي تعبيه شده كه در صورت شناسايي ذره، چكشي را رها مي‌سازد و موجب متلاشي شدن ظرف شيشه‌ايِ پر از گاز كشنده‌ي هيدروژن سيانيد مي‌شود. www.migna.ir
بعد از گذشت يك ساعت، احتمال اين كه جعبه را باز كنيد و گربه را زنده يا مرده بيايد، پنجاه/ پنجاه است. اما گربه پيش از باز كردن جعبه، در چه وضعيتي است؟ از آنجايي كه نابودي اتم، رويدادي كوانتومي است، با توجه به تفسير كپنهاگ، مي‌توان گفت تا زماني كه اتم (به عنوان تابع موج احتمال)، مشاهده نشده، در حالت برهم نهي قرار دارد- يعني همزمان در دو وضعيت است. به اين معني كه دستگاه نابودگر و گربه نيز در حالت برهم نهي هستند، گربه هم زنده است و هم مرده.
شرودينگر چنين ايده‌اي را مضحك يافت و تلاش كرد از آن، براي نشان دادن كاستي‌هاي نظريه‌ي كوانتوم، استفاده كند و بگويد اين نظريه يا اشتباه است يا ناقص.
اين امر با نحوه عملكرد جهان در مقياسي كه براي بشر قابل درك است، مغايرت دارد. شايد احمقانه به نظر برسد اما شرودينگر تاكيد داشت ، وجود اصل بر هم نهي از لحاظ رياضي ضروري است، تا تئوري كوانتوم بتواند پيش گويي هاي دقيق خود را از عملكرد جهان در سطح زيراتمي ارائه دهد. طي بيش از نيم قرن، گربه مرده و زنده شرودينگر با فيزيكدانان لجبازي مي كرد و بنابراين لازم بود به طور دقيق دريابيم كه چگونه حوزه كوانتوم با جهان قابل درك توسط انسان مرتبط مي شود.
فروپاشي اتمي نه اتفاق مي افتد و نه اتفاق نمي افتد، گربه نه كشته مي شود و نه كشته نمي شود، مگر هنگامي كه ما به درون جعبه نگاه كنيم و ببينيم كه چه اتفاقي رخ داده است. نظريه پردازاني كه تفسير استاندارد از مكانيك كوانتومي را مي پذيرند مي گويند كه گربه در حالتي غيرقطعي و نامعين، به عبارت ديگر در يك « ابرمرتبه حالت ها » ( Superposition of States )، نه مرده و نه زنده وجود دارد، تا زماني كه يك مشاهده گر واقعاً به درون جعبه بنگرد و ببيند كه گربه زنده است يا مرده در نتيجه برخلاف ميل شرودينگر، اين تجربه تخيلي نه تنها باعث نشد كه فيزيكدانان پوچي بعضي از خصوصيات نظريه كوانتوم را درك كنند، بلكه گربه شرودينگر براي اكثريت فيزيكدانان به مثال اعلاي استلزام هاي غيرمعمول و فوق العاده اين نظريه بدل شد. « ابرمرتبه حالت ها » به جاي به هم ريختن نظريه كوانتوم، به خصلت معرف آن بدل شد. آنهايي كه تجربه خيالي شرودينگر را با معنايي كه در نظر داشتند مطرح مي كردند، مي توانستند با اين حقيقت تسكين يابند كه موقعيت ياوه اي كه در آن گربه به طور همزمان هم زنده و هم مرده است به طور واقعي در آزمايشگاه قابل بازآفريني نيست.
و در حالي كه در موجوديت هاي فيزيكي در اندازه اتم ممكن است در يك « ابرمرتبه حالت ها » وجود داشته باشند، موجوديت هاي بزرگ تر، به خصوص در اندازه يك گربه، كه متشكل از ميلياردها اتم هستند، در يك حالت منفرد و معين ثابت مي شوند. در نتيجه افرادي كه با موضع اينشتين همدلي دارند مي توانند مدعي شوند كه گرچه خصوصيات غريب كوانتومي ممكن است در جهان زيراتمي مصداق داشته باشند، در دنياي روزمره متشكل از اشياي معمول مثل گربه، كتاب و افراد و... خدا از هر لحاظ تاس نمي اندازد. اما اكنون حتي اين دفاع (تاحدي نوميدانه) از شعور عام نيز در خطر سرنگون شدن است.
كنش شبه وار از راه دوريا رفتاري غريب در فاصله
ديديم كه دنياي كوانتوم دنيايي است كه در آن، هر چيزي، فقط در صورتي وجود داشت كه نگاهش مي‌كرديم، دنيايي كه در آن گربه‌ها مي‌توانستند همزمان، هم مرده باشند و هم زنده. حالا، به اين موضوع خواهيم پرداخت كه چگونه بر اساس برخي تفاسير از فيزيك كوانتوم، هر چيزي در جهان، به صورت آني، با تمام چيزهاي ديگر در هر فاصله‌اي از آن كه قرار داشته باشد، مرتبط است. سال 1927، شاهد آغاز مجموعه‌اي از مناظرات، ميان دو تن از برجسته‌ترين دانشمندان جهان در آن روزگار بود: انشتين ، نويسنده‌ي نظريه‌ي نسبيت عام و نيلز بور (Niels Bohr)، يكي از اولين محققان در نظريه‌ي كوانتوم. نخستين برخورد ميان اين دو، در پنجمين كنفرانس بين‌المللي سلوي (Solvay Conference)، درباره‌ي الكترون‌ها و فوتون‌ها اتفاق افتاد، كه در بروكسل بلژيك برگزار شده بود. تعداد شركت‌كنندگان اين كنفرانس اندك بود، اما همگي آنان، افراد برجسته‌اي بودند. از ميان 29 دانشمند حاضر در كنفرانس، 17 نفر يا برنده‌ي جايزه‌ي نوبل بودند، يا اين كه بعدها صاحب نوبل شدند. اگرچه انشتين، از پايه‌گذاران تئوري كوانتوم بود، اما با آن مشكل داشت. يكي از مهم‌ترين توانايي‌هاي انشتين به عنوان يك دانشمند، توانايي طراحي آزمايشات فرضي (Thought Experiments) بود، آزمايشاتي كه در دنياي واقعي، غيرممكن هستند، اما انجامشان در ذهن، مي‌تواند روشنگر بخشي از ماهيت فيزيك باشد. (يكي از جالب‌ترين آزمايشات فرضي انشتين، اين بود كه اگر او بتواند دوچرخه‌اش را با سرعت نور براند، دنيا به چه شكلي ديده خواهد شد). با اين حال، استفاده از اين نوع آزمايشات فرضي، براي دستيابي با ماهيت حقيقي نظريه‌ي كوانتوم، نااميدكننده بود. نتايج اين آزمايش‌ها، غيرمنطقي به نظر مي‌آمدند؛ اشياء وجود نداشتند مگر آن‌كه نگاهشان مي‌كرديد، گربه‌ها همزمان مرده و زنده بودند و اگر از مكان دقيق يك ذره (مثل فوتون) آگاهي داشتيد، چگونگي حركت آن مشخص نمي‌شد. اما بور، با اين مسئله، مشكلي نداشت. ظاهراً معماهاي اين تئوري، فكر بور را به خود مشغول نمي‌كرد، و او تنها به نتايج معادلات توجه داشت. همان طور كه ديويد مرمين فيزيكدان گفت، رويكرد نيلز بور، آن‌گونه كه در تفسير كوپنهاگي معروفش از فيزيك كوانتوم بيان شده، به اين صورت است: «خفه شو و محاسبه كن!» رويارويي بارز انشتين/ بور زماني شروع شد كه انشتين، مثالي ارائه داد تا نشان دهد تئوري كوانتوم، يا اشتباه است يا ناقص. بور، عصر روز بعد، به تفكر درباره‌ي اين مسئله پرداخت و فرداي آن روز، پاسخي براي رد انتقاد انشتين، ارائه داد. اين مباحثات زماني بالا گرفت كه در سال 1935، انشتين همراه با بوريس پودولسكي و نيتان روزن، مقاله‌اي ارائه كرده، در آن به توضيح مطلبي پرداخت كه به پارادوكس EPR مشهور شد (Einstein- Podolsky- Rosen Paradox). رفتاري غريب در فاصله Spooky Action at a Distance در دهه، ۱۹۲۰ شرودينگر اظهار كرد در تئوري كوانتوم امكان ساخت يك زوج فوتون ـ بسته هاي تفكيك ناپذير انرژي ـ «درهم تنيده» وجود دارد. اين فوتون ها چنان درهم تنيده اند كه با دانستن حالت يكي از فوتون ها مي توان حالت فوتون ديگر را به طور آني دريافت. فوتونهاي درهم‌تنيده، در هر فاصله‌اي از هم كه قرار داشته باشند، حتي اگر چندين سال نوري از هم دور باشند، مي‌توانند بلافاصله بر يكديگر تأثير بگذارند. عبارت «آني» اينشتين را با دردسر مواجه ساخت، چرا كه اين عبارت به طور تلويحي بيان مي كرد، مي توان سيگنال ها را سريع تر از سرعت نور انتقال داد. اينشتين اين مفهوم نامتعارف را با عبارت «كنش شبح وار از راه دور» توصيف كرد. از آنجايي كه تجهيزات دقيقي براي آزمايش وجود نداشت، اين ايده ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود. آزمايش فرضي انشتين در مقاله‌ي ياد شده، به اين ترتيب است كه يك ذره (ما مي‌توانيم يك پيون را به عنوان مثال در نظر بگيريم) برداشته شده و مي گذاريم تا به دو فوتون (ذره‌هاي نور) تجزيه شود. اين دو فوتون در دو جهت متفاوت به حركت درمي‌آيند. از آنجايي كه اين دو فوتون، از يك پيون خارج شده‌اند، درهم‌تنيده‌اند (Entangled Photons)، يعني تابع موج يكساني دارند. اين دو فوتون، داراي چند ويژگي مكمل نيز هستند. براي مثال چرخش آنها: پيون در ابتدا هيچ چرخشي نداشت، بنابراين، اگر يك فوتون، چرخشي رو به بالا بر محور x خود داشته باشد، فوتون ديگر، براي ايجاد تساوي، بايد داري يك چرخش رو به پايين بر محور x خود باشد. اما با توجه به تئوري كوانتوم، يك ويژگي تا زماني كه اندازه‌گيري نشده، وجود ندارد. بنابراين وقتي فوتون اول را اندازه مي‌گيريد و مي‌بينيد چرخشي رو به بالا دارد، فوتون ديگر، بلافاصله بايد چرخشي رو به پايين به خود بگيرد، حتي اگر يك سال نوري از فوتون اول فاصله داشته باشد. به عقيده‌ي انشتين و نويسندگان ديگر اين مقاله، چنين چيزي منطقي نبود. يا فوتون‌ها در زمان جدا شدن از يكديگر، اطلاعات مربوط به چرخش را با خود برده بودند، يا اين كه فوتون اول، هنگامي كه مورد بررسي قرار گرفته، اطلاعات چرخش خود را بلافاصله با سرعتي بيشتر از سرعت نور، به فوتون دوم، كه در فاصله‌ي بسيار دوري از آن قرار دارد، منتقل كرده است. انشتين اين تأثير را «رفتار غريب در فاصله» ناميد. از آنجايي كه اطلاعات نمي‌توانند با سرعتي بيش از سرعت نور منتقل شوند، انشتين چنين استدلال كرد كه فوتون‌ها، احتمالاً داراي «متغيرهاي پنهان» هستند كه از زمان به وجود آمدن فوتون‌ها، اطلاعات چرخش را شامل مي‌شدند. در تئوري كوانتوم، چنين متغيرهايي وجود نداشتند، پس تئوري حتماً ناقص بود. بل و برهان‌اش مشكل «رفتار غريب در فاصله»ي انشتين، بعد از مرگ‌اش در سال 1955 و حتي پس از مرگ بور در سال 1962، حل‌نشده باقي ماند. درسال 1964، يك فيزيكدان ايرلندي به نام «جان بل» (John Bell) مقاله‌اي منتشر ساخت با عنوان «در باب مسئله‌ي متغيرهاي پنهان در مكانيك كوانتوم». بل در ابتدا، اين ايده‌ي انشتين را كه احتمالاً متغيرهاي پنهاني وجود دارد، تأييد كرد. وي در مقاله‌اش، آزمايشي ارائه كرد تا معلوم شود آيا متغيرهاي پنهان مي‌توانند دليلي براي آنچه مشاهده شده باشند، يا نه. تنها زماني حل شد كه بل اين برهان را مطرح كرد و كلازر با انجام آزمايشي نشان داد كه بور، درست مي‌گفته است. www.migna.ir در آزمايش بل، دو ذره‌ي درهم‌تنيده، ايجاد شده و به سمت دو فرد فرستاده مي‌شوند (به عنوان مثال آليس و باب). سپس، اين دو نفر، ذره‌ها را مورد آزمايش قرار مي‌دهند تا ويژگي‌هاي مكمل آنها مشخص شود. درك جزئيات آزمايش، دشوار است، اما بل توانست نشان دهد كه طي آزمايشات متعدد، در صورت وجود ويژگي‌ها از ابتدا، تعداد دفعاتي كه آليس و باب نتايج يكساني گزارش مي‌كنند، ، در مقايسه با وضعيتي كه ويژگي‌ها در زمان بررسي و اندازه‌گيري فوتون اول، ايجاد شوند، متفاوت خواهد بود. بل تصور مي‌كرد پس از آن كه برهانش را (كه اغلب به دليل يكي از پيش‌بيني‌هايش «نادرستي بل» خوانده مي‌شود) منتشر كند، سالها طول خواهد كشيد تا كسي بتواند در آزمايشي واقعي، آن را امتحان كند. اما تنها يك سال بعد، يكي از فارغ‌التحصيلان متهور دانشگاه كلمبيا، «جان كلازر» (John Clauser) توانست صورت ساده‌اي از اين آزمايش را انجام دهد. او نشان داد رفتار فوتون‌ها مطابق همان چيزي است كه توسط فيزيك كوانتوم پيش‌بيني شده، نه آنچه كه از تئوري «متغير پنهان» انتظار مي‌رود. يك دانشمند ديگر به نام «آلن اسپكت» (Alen Aspect) بعدها طي آزمايشاتي با دقت و صحت بيشتر، ثابت كرد برخلاف ترديدهاي انشتين، بي‌شك «رفتار غريب در فاصله» در جهان كوانتوم وجود دارد. كار علمي بل، در حوزه ي تجربي، سرآغازي بود براي آنچه كه تصور ميشد بيشتر موضوعي است فلسفي. وي چنان تأثير به سزايي داشت كه «هنري استپ» (Henry Stapp) از لابراتوار لورنس بركلي كاليفرنيا، عملكرد بل در حوزه‌ي فيزيك كوانتوم را «ژرف‌ترين كشف علمي» نام نهاد.
تفسير بوهم بل، عليرغم اين كه خود، صحت تئوري كوانتوم را اثبات كرده بود، اما به دليل وابستگي تفسير استاندارد كپنهاگ به مشاهده، براي شكستن تابع موج و حقيقي شدن يك ذره (و به همان ترتيب يك گربه)، از اين تفسير پشتيباني نمي‌كرد. بل، تفسير ارائه شده توسط ديويد بوهم (David Bohm) فيزيكدان را منطقي‌تر يافت. براي درك تفسير بوهم، بازگشت به مثالمان در قسمت اول درباره‌ي نگاه كردن به ستاره‌ي اپسيلون جبار در برج شكارچي، مي‌تواند كمك شاياني باشد. در بحث خود درباره‌ي تفسير كوپنهاگ، ديديم كه يك فوتون- يك ذره‌ي نور- در واقع اپسيلون جبار را ترك نمي‌كند، بلكه، اين موج احتمال است كه به چشمان ما مي‌رسد. در تفسير بوهم، فوتوني واقعي، كه توسط يك نيروي «پتانسيل كوانتوم» هدايت مي‌شود، از ستاره بيرون مي‌آيد. اين فوتون، مثل چراغ دريايي، در زمان به عقب برمي‌گردد تا ذره را به ما برساند. طبق تفسير بوهم، همه چيز در دنيا به چيزهاي ديگر مرتبط است. در اين تفسير، برخلاف تفسير كوپنهاگ، نيازي به تابع موج نيست تا به محض ديده شدن، بشكند. با اين حال، اين تفسير نيز، خالي از ايراد نيست. اگرچه تفسير بوهم جبرگرايانه است، يعني با اطلاعات كافي مي‌توان هرچيزي را كه در جهان اتفاق خواهد افتاد را از آغاز پيش‌بيني كرد، اما براي حركت به عقب در زمان و طي يك فاصله‌ي بسيار زياد، به اطلاعات نياز هست. به همين دليل، تفسير بوهم، طرفداران چنداني ميان دانشمندان نداشته است. تفسير دنياهاي چندگانه شايد مهم‌ترين جايگزين براي تفسير كپنهاگ در ميان فيزيكداناني كه نظريه‌ي كوانتوم را مطالعه مي‌كنند، تفسير دنياهاي چندگانه (the "Many Worlds" interpretation) باشد. دانشمندان برجسته‌اي همچون استيون هاوكينگ (Stephen Hawking) و ريچارد فاينمن (Richard Feinman) از طرفداران تفسير دنياهاي چندگانه هستند و روز به روز به حاميان اين تفسير اضافه مي‌شود. تفسير دنياهاي چندگانه، توسط هيو اِوِرِت سوم (Hugh Everett III)، فارغ‌التحصيل دانشگاه پرينستون، در ابتدا با نام «فرمولبندي حالت نسبي (the "relative state" formulation) ارائه شد.
طبق تفسير دنياهاي چندگانه، جهان دو شاخه مي‌شود و گربه‌ي شرودينگر، در يك جهان مي‌ميرد و در ديگري زنده مي‌ماند.
اورت مي‌گويد تابع موج، هرگز از بين نمي‌رود. اين ايده، آزمايش فرضي گربه‌ي شرودينگر را گسترش مي‌دهد. اين فقط گربه نيست كه در دو حالت زنده و مرده قرار دارد، بلكه دانشمندي كه آزمايش را انجام مي‌دهد نيز به دو دانشمند تبديل مي‌شود كه يكي گربه‌ي مرده را مي‌بيند و ديگري، گربه‌ي زنده را. اين دوشاخه شدن، تنها به آزمايش «گربه» محدود نمي‌شود، بلكه درباره‌ي تمام نتايج ممكن پديده‌هاي كوانتومي براي هر ذره‌اي، صدق مي‌كند. بر اساس اين تفسير، جهان، همچون درختي عظيم كه هر شاخه‌اش، دو شاخه مي‌شود، مرتباً در حال تكثير به نسخه‌هاي متفاوت بي‌شمار است. جهان‌هايي موازي وجود دارند كه تنها اندكي با جهان ما متفاوت‌اند و جهان‌هاي ديگري هم هستند كه با جهان ما، تفاوت عمده‌اي دارند.
در واقع، بر اساس نتيجه‌ي منطقي تفسير دنياهاي چندگانه، هر چيزي كه امكان‌پذير است، هر قدر هم نامحتمل باشد، در نسخه‌اي از جهان، وجود دارد. در يك جهان، شما رئيس جمهور ايالات متحده هستيد و در ديگري، به خاطر كشتار جمعي، در زندان به سر مي‌بريد. ايده‌ي وجود همه‌چيز، اگرچه عجيب به نظر مي‌رسد، اما يكي از تعابيري است كه حاميان پر و پا قرصي دارد. مكس تگمارك (Max Tegmark)، كيهان‌شناس، كه بر اساس همين تفسير، سلسله مراتب سطوح دنياهاي چندگانه را طراحي كرده، معتقد است توضيح مجموعه‌اي از جهان‌ها (گاه آن را چندگيتي multiverse نيز مي‌نامند) كه در آنها هر چيزي ممكن است، آسان‌تر از توضيح يك جهان با قوانين مشخص است.«ويژگي مشترك هر چهار سطح چندگيتي، اين است كه ساده‌ترين و ظريف‌ترين نظريه، اساساً دنياهاي موازي را شامل مي‌شود. براي انكار وجود اين دنياها، بايد با اضافه‌كردن فرض‌هاي فاقد عموميت و فرايندهايي كه اساس تجربي ندارند، تئوري را پيچيده كنيم: فضاي متناهي، از بين رفتن تابع موج و عدم تقارن هستي‌شناسانه. به اين ترتيب، در نهايت، رأي ما به جايي مي‌رسد كه به نظرمان بي‌فايده‌تر و ناهنجارتر است: دنياهاي چندگانه، يا كلمات چندگانه.
تفسير دنياهاي چندگانه، به يكي از دشوارترين پرسش‌هاي فلسفي كساني كه به ساخت ماشين زمان انديشيده‌اند، پاسخ مي‌دهد. اگر تنها يك جهان وجود داشته باشد، بازگشت به گذشته با ماشين زمان، و كشتن پدربزرگتان، باعث ايجاد پارادوكس خواهد شد. اما اگر دنياهاي چندگانه‌ي چندگيتي، وجود داشته باشند، ديگر پارادوكسي در كار نيست. در اين صورت، كشتن پدربزرگتان، فقط باعث به وجود آمدن گذشته‌ي متفاوتي خواهد شد كه شما در آن حضور نداريد. در شاخه‌ي ديگري از گذشته، پدربزرگتان زنده مي‌ماند و شما متولد مي‌شويد. اگر به شاخه‌ي اصلي خود برگرديد، پدربزرگتان همچنان زنده خواهد بود. اگر در گذشته‌ي ديگر، كه در آن پدربزرگتان را كشته‌ايد، باقي بمانيد، وجودي غريب خواهيد شد بي هيچ گذشته‌اي.
به جز تفسير كپنهاگ، بوهم و دنياهاي چندگانه، تفاسير ديگري نيز از فيزيك كوانتوم وجود دارد. با اين حال، به نظر مي‌رسد تمام آنها در نوعي «غرابت»، با هم مشترك‌اند. هنوز هم فيزيكدانان، بر سر اين كه كدام يك از اين تفاسير درست است، يا اين كه اصلاً اين تفاسير درست هستند يا نه، با هم اختلاف نظر دارند. راه حل اين مسئله، در دست فيزيكدان باهوشي است كه براي اثبات يا رد اين تفاسير، آزمايشي طرح كند.
آزمايش افشار
در اين آزمايش كه نخستين‌بار در موسسه خصوصي «مطالعات ازدياد جرم بر اثر تابش» در بوستون انجام شده اساس بسيار ساده‌اي دارد، يك پرتو ليزرى به صفحه‌اى تيره كه داراى دو سوراخ است تابانده مي‌شود. از آنجا كه به جاي نور معمولي از ليزر استفاده مي‌شود نيازى به صفحه اول كه داراى يك سوراخ است نيست.
در فاصله دور از صفحه، لنزي قرار دارد كه نوري را كه از داخل هر روزنه مي‌آيد جذب مي‌كند و مجددا پرتوهاي منتشر شده را بر روي يك آينه متمركز مي‌كند كه هر كدام را به يك آشكار ساز فوتون جداگانه باز مي‌تاباند؛ بدين ترتيب مي‌توان با توجه به شدت و ضعف پرتو ليزرى، تعداد فوتونهايي را كه از هر سوراخ بيرون مي‌آيند ثبت كرد.
ثبت مقدار فوتونهايي كه به سمت هر روزنه مي‌روند به مفهوم ماهيت ذره‌اي نورست، در اين آزمايش همزمان دو خصلت ذره ا‌يي و موجي بودن نور به صورت مستقيم مشاهده نمي‌شود بلكه به شكل غيرمستقيم به اثبات مي‌رسد. بدين منظور تعدادي سيمهاي نازك درست در جايي كه بايد فريزهاي تاريك از الگوي تداخلي وجود داشته باشند، قرار داده مي‌شوند. سپس يكي از روزنه‌ها بسته مي‌شوند در اين حالت از تشكيل الگوي تداخلي جلوگيري مي‌شود و نور به راحتي همزمان با خروج از يكي از روزنه ها، منتشر مي‌شود، به اين ترتيب بخشي از نور كه به سيمهاي فلزي برخورد مي‌كند در تمام راستاها متفرق مي شود و اينكه نور به آشكار ساز فوتونهاي مربوط به آن روزنه برسد بي مفهوم مي‌شود، در نتيجه آشكار ساز تعداد فوتون كمتري ثبت مي كند اما هنگامي كه روزنه بسته، كامل باز شد، شدت نور در هر آشكار ساز به مقدار اوليه (زماني كه سيمها در محل قرار داده نشده بودند) باز مي‌گردد چون سيمها در فريزهاي تاريك از الگوي تداخلي قرار دارند كه نور حاصل از دو شكاف يكديگر را خنثي مي‌كنند و در نتيجه هيچ نوري به آنها برخورد نكرده و بنابراين هيچ يك از فوتون‌ها منتشر نمي‌شوند.
به اعتقاد افشار ، اين امر حاكي از وجود الگوي تداخلي يعني حالتي است كه شكل موجي نور نمود مي‌يابد، در حالي كه مي‌توان شدت نور خارج شده از هر شكاف را نيز با يك آشكار ساز فوتون اندازه گيري كرد و تعداد فوتون عبوري از ميان هر شكاف را تعيين كرد؛ بدين ترتيب اين آزمايش بطلان اصل مكمليت را اثبات مي‌كند
شرح آزمايش شهريار افشار
نوع افشاري ِ آزمايش دوشكافي چيزيه كه فكر ميشد كه محاله. اين آزمايش نشان ميده كه نور در يك زمان ميتونه هم موج باشه و هم ذره!
نور ليزر از هر دو تا سوراخ نوك سوزني عبور ميكنه و با يه درشتنما (lens) متمركز ميشه روي دو تا آينه و بعد هر كدوم از دو شعبه ي نوري به يه آشكارساز فوتوني مربوط به خودش ميره.
افشار يه دونه از اين سوراخها رو مي بنده و خيلي با دقت يه توري از سيمهاي افقي پشت درشتنما ميذاره. مقداري از نور از دور سيمها پراكنده ميشه كه باعث ميشه تصوير تنزل كنه و همچنين باعث ميشه كه به مقدار كم تعداد فوتونهايي كه به آشكارساز ِ مربوط به سوراخ باز كم بشه.
افشار اون سوراخ بسته رو وا مي كنه و تصوير بر ميگرده به حالت اولش. اون سيمها هم ديگه هيچ نوري رو تحت تاثير قرار نميده و تعداد فوتونهاي رسيده به آشكارسازها برميگرده به حالت اولش. به نظر ميرسه كه اين به اين دليله كه سيمها در نوار تاريك تداخلي قرار داره (همون چيزي كه براش گفتيم كه سيمها بايد يه جاي خاص قرار داده بشه). پس هيچ نوري بهش نميخوره.
فقط در صورتي كه نور موج باشه ميتونه الگوي تداخلي بوجود بياره. پس اين آزمايش به نظر ميرسه كه به نور در يك زمان هم خاصيت ذره اي و موجي ميده. منبع:پايگاه مقالات فيزيك
براي صحبت درباره‌ي فيزيك كوانتوم، بهترين كار اين است كه با آزمايش يانگ در سال 1803 شروع كنيم. در آزمايش يانگ، از يك منبع ريز نور و يك صفحه استفاده شده بود. يانگ، ميان اين دو شيء، يك مانع با دو شيار نازك عموديِ موازي با يكديگر قرار داد.
يانگ مي‌دانست در صورتي كه نور، فقط جرياني از ذرات ريز باشد، بايد از هر كدام از شكاف‌ها گذشته و روي صفحه‌ي پشت سوراخها جمع شود.
اين دقيقاً همان چيزي بود كه با پوشاندن يكي از شكاف‌ها و باز گذاشتن شكاف ديگر، اتفاق افتاد. يك نوار عمودي باريك از نور، روي صفحه‌ي پشت سوراخ ظاهر شد. يانگ مسلماً انتظار داشت وقتي شكاف ديگر را هم باز كرد، دو نوار باريك نوري ببيند، اما اين طور نشد.
بيشتر بخش‌هاي صفحه را مجموعه‌اي از نوارهاي عمودي روشن و تاريك پر كرد. يانگ اين مشاهده را چنين توجيح كرد . نور، مثل يك موج عمل مي‌كند و از هر دو شكاف مي‌گذرد. بعد از گذشتن از ميان شكاف‌ها، با يكديگر تداخل مي‌كنند. به اين ترتيب، وقتي دو قله‌ي موج با هم تلاقي مي‌كنند، باعث تقويت يكديگر مي‌شوند و وقتي يك قله‌ي موج و يك دره‌ي موج با هم تلاقي مي‌كنند، هر دو خنثي مي‌شوند. در نتيجه، مجموعه‌اي از نوارهاي روشن و تاريك روي صفحه ديده مي‌شود. دانشمندان، اين پديده را الگوي تداخل (interference pattern) مي‌نامند، زيرا از تداخل امواج با يكديگر حاصل مي‌شود.
مثالي از الگوي تداخل
پس نور بدون شك يك موج بود. اما شواهدي نيز وجود داشت كه نشان مي‌داد خواص ذره اي نيز دارد (كه بعدها به آن فوتون گفته شد). در نهايت چنين نتيجه گيري شد كه فوتون‌ها ماهيتي دوگانه دارند و به صورت موج و ذره عمل مي‌كنند. با اين حال، دانشمندان هنوز هم از خود مي‌پرسيدند اگر بتوانند فوتون‌ها را يكي يكي از دو شكاف بگذرانند، چه چيزي رخ خواهد داد.
سرانجام، منبع نوري اختراع شد كه قادر بود هر بار تنها يك فوتون آزاد كند. آزمايش دو شكاف يانگ دوباره انجام گرفت. اما اين بار به جاي صفحه‌ي عادي، از كاغذ عكاسي استفاده شد، زيرا يك فوتون، كم‌نورتر از آن است روي صفحه ديده شود. حال آن كه بعد از عبور ميليون‌ها فوتون از شكاف‌ها (به صورت تك تك)، الگوي مورد نظر بر روي كاغذ عكاسي قابل مشاهده ميشد.
با ظاهر كردن عكس، همان الگوي تداخل پيشين مشاهده شد. دانشمندان اين‌گونه نتيجه گرفتند كه هر يك از فوتون‌ها به صورت موجي حركت كرده، به طور همزمان از ميان دو شكاف رد شده و با خودشان تداخل داشته‌اند و تنها هنگامي كه سرانجام با كاغذ عكاسي برخورد كرده‌اند، به صورت ذره‌اي در موقعيت خاص ظاهر شده‌اند، و اين بسيار عجيب بود.
دانشمندان تصميم گرفتند كنار شكاف‌ها، رديابِ فوتون كنار قرار دهند تا مسير واقعي فوتون را مشاهده كنند. آنها موفق شدند، ولي وقتي اين آزمايش را انجام دادند، الگوي تداخل ناپديد شد و تنها دو خط باريك (پشت هر سوراخ يكي)، روي صفحه ظاهر شد. ظاهراً فوتون‌ها «مي‌دانستند» كه در معرض مشاهده شدن قرار دارند و به همين دليل، به جاي اين كه به صورت موجي عمل كنند، رفتار ذره‌اي پيش گرفته‌اند!
دانشمندان سپس تصميم گرفتند كه ردياب فوتون را در جهتي از صفحه قرار دهند كه با منبع نور فاصله‌ي بيشتري داشته باشد، تا به اين ترتيب فوتون، فقط بعد از عبور از ميان شكاف ديده شود. اما تغييري در نتيجه حاصل نشد. باز هم ظاهراً فوتون پيش از رسيدن به صفحه، «مي‌دانست» در سمت ديگر آن يك ردياب وجود دارد و به همين دليل پيش از عبور از شكاف‌ها، به ذره تبديل ميشد.
سرانجام، دانشمندي به نام جان ويلر (John Wheeler) آزمايشي پيشنهاد كرد كه طي آن، صفحه مي‌توانست درست در آخرين لحظه‌ي پيش از برخورد فوتون، با يك دستگاه ردياب نوري جايگزين شود، به اين ترتيب ميشد فهميد فوتون از كدام شكاف عبور كرده است. تصميم درباره‌ي كنار كشيدن يا نكشيدن صفحه، بايد بعد از عبور فوتون از ميان شكاف گرفته ميشد. در زماني كه ويلر اين آزمايش را مطرح كرد، انجام آن از لحاظ فني غيرممكن بود. اما چند سال بعد، امكان انجام آزمايش به وجود آمد. نتيجه‌ي آزمايش چنين بود: هنگامي كه صفحه در جاي خود قرار داشت، فوتون طبق الگوي تداخل رفتار مي‌كرد، حال آن كه اگر صفحه در لحظه‌ي آخر، برداشته ميشد تا اطلاعات مربوط به اين كه از كدام شكاف عبور كرده، به دست آيد، فوتون طبق الگوي تداخل رفتار نمي‌كرد. گويا فوتون مي‌دانست هنگام رسيدن به شكاف چگونه عمل كند، هر چند كه تصميم درباره‌ي برداشتن يا برنداشتن صفحه در لحظه‌ي آخر گرفته ميشد. ظاهراً يا فوتون مي‌توانست آينده را پيش‌بيني كند يا اينكه تصميم درباره‌ي قرارگيري صفحه، مي‌توانست گذشته را تغيير دهد.
دانشمندان اين طور نتيجه گرفتند كه در نظريه‌ي كوانتوم، جايي براي عليت وجود ندارد. گويا اتفاقاتي كه در زمان حال مي‌افتند، مي‌توانند گذشته را تغيير دهند، و اين اوج غرابت كوانتوم بود.
اگر خواندن اين مطالب، شما را آشفته كرده، نگران نباشيد. افراد زيادي از اين مسئله آشفته شده‌اند، از جمله آلبرت انشتين.
نور ستارگان، درخشش ستارگان
امشب بيرون برويد و ستارگان را تماشا كنيد. اگر زمستان باشد (در نيكره‌ي شمالي)، حتماً خواهيد توانست صورت فلكي شكارچي (يا جبار) را ببينيد. تشخيص اين صورت فلكي آسان است، زيرا سه ستاره در يك خط، كمربند شكارچي را تشكيل مي‌دهند. به ستاره‌ي وسطي نگاه كنيد. او يك ستاره‌ي ابرغولِ سفيد-آبي به نام اپسيلون جبار (Alnilam) است كه 1300 سال نوري از ما فاصله دارد. وقتي به اين ستاره نگاه مي‌كنيد، چه اتفاقي مي‌افتد؟ بر اساس بسياري از كتاب‌ها، هزار و سيصد سال پيش- اوايل قرون وسطي در اروپا- الكتروني برانگيخته در يكي از اتم‌هاي هيدروژن موجود در لايه‌هاي بيروني اين ستاره، يك ذره‌ي انرژي ( يك فوتون) آزاد كرده است:.
فوتون آزاد شده از اپسيلون جبار، با سرعت نور، حدوداً 300000 كيلومتر در ثانيه، در جهت زمين حركت كرده است. اگرچه فوتون‌ها چندان تحت تأثير جاذبه قرار نمي‌گيرند، اما سيارات، ستارگان و ساير اجرام آسماني كه در مسير فوتون ياد شده قرار دارند، به طور خفيفي بر آن تأثير گذاشته و مسيري خاص به آن مي‌دهند. با نزديك شدن به زمين، فوتون، بدون برخورد با مولكول‌هاي اتمسفر، از آنها مي‌گذرد. درست وقتي به آسمان نگاه كرديد، اين فوتون توسط شما دريافت مي‌شود. اين فوتون (همراه بسياري فوتونهاي ديگر)، شبكيه را كه درست پشت چشمتان قرار دارد، تحريك مي‌كند، پيغامي به مغز شما فرستاده مي‌شود و شما در مغزتان نور ستاره را مي‌بينيد. اين سير حوادث، بسيار جالب است، منتها، با توجه به تئوري كوانتوم اين به هيچ وجه چيزي نيست كه اتفاق مي‌افتد.
هيچ كس دقيقاً نمي‌داند در سطح كوانتوم چه اتفاقي مي‌افتد، با اين حال، چند تفسير از نظريه‌ي كوانتوم وجود دارد كه مي‌توانند به ما در فهم مسئله كمك كنند. معروف‌ترين آنها تفسير كُپنهاگي(Copenhagen Interpretation) ناميده مي‌شود، زيرا قسمت عمده‌ي آن توسط نيلز بور (Niels Bohr)، فيزيكدان اهل كپنهاگ، ارائه شده است. دانشمندان و مهندسان، سال‌هاست از كپنهاگ به عنوان روشي استاندارد جهت درك دنياي كوانتوم استفاده مي‌كنند. تفسير كپنهاگي نظريه‌ي كوانتوم، مشاهده شدن اپسيلون جبار توسط شما را اين گونه توضيح مي‌دهد:
آنچه كه حدود 1300 سال پيش، اتم هيدروژن را ترك كرد، فوتون نبود، بلكه يك موج احتمال بود. اين موج، بيانگر مكان احتمالي فوتون نبود، بلكه بيانگر اين احتمال بود كه در صورت مشاهده شدن فوتون، اين اتفاق در چه مكاني روي خواهد داد. موج با سرعت نور به بيرون حركت كرد، اما نه به سوي زمين، بلكه به شكل كُره‌اي كه با سرعت نور بزرگ و بزرگ‌تر ميشد. سيارات، ستارگان و ساير اجرامِ نزديك به آن، بر مكان احتمالي مشاهده‌ي شدن فوتون تأثير گذاشتند، اما هنوز اين امكان وجود داشت كه فوتون در هر جايي از كره‌ي در حال انبساط، ظاهر شود. موج/كره، 1300 سال بزرگ شد، تا اين كه قطري برابر 2600 سال نوري پيدا كرد. جبهه‌ي موج از اتمسفر زمين گذشت. درست در اين لحظه، شما چشمتان را بر روي اپسيلون جبار متمركز كرديد و جبهه‌ي موج با سلول‌هاي شبكيه‌ي چشم شما درگير شد. سپس، جايي ميان شبكيه‌ي چشم شما كه با موج درگير شده و مغزتان كه ستاره را ديده، اين واقعه رخ داد.
بلافاصله، موج احتمال به قطر 2600 سال نوري، از ميان رفت و فوتون در برخورد با شبكيه‌ي چشم شما، ظهور كرد. اگر شما در لحظه‌ي مناسب به آسمان نگاه نكرده بوديد، شايد فوتون، چند ثانيه‌ي ديگر، در سوي ديگر اپسيلون جبار، توسط ناظر بيگانه‌اي در يك سياره‌ي ديگر با فاصله‌ي هزاران سال نوري، از هم مي‌پاشيد. اما مشاهده شدن فوتون توسط شما در كره ي زمين، براي هميشه اين احتمال را از ميان برد.
وقتي شما اين فوتون را ديديد، سرنوشتي منحصر به فرد برايش رقم خورد. مسيري ايجاد شد تا او از آن اتم هيدروژن در اپسيلون جبار، به چشم شما برسد.
شايد اين طور به نظر بيايد كه نابودي چيزي با وسعت 2600 سال نوري غيرممكن است، زيرا لازمه‌ي آن، پيشي گرفتن از سرعت نور مي‌باشد. اما اين مورد، تنها يكي از موارد متعددي است كه در آن، نظريه‌ي كوانتوم، حداكثر سرعت كيهاني را به چالش مي‌طلبد. اين مسئله نيز، انشتين را عميقاً آشفته كرد.
چه چيزي در فيزيك كوانتوم، انيشتين را بر آشفته مي كرد؟ اول از همه، غير قابل پيش‌بيني بودن آن. اگر قرار باشد يك تفنگ را تنظيم كنيد و آن را به هدف بزنيد، با معلوم بودن سرعت و جهت گلوله، تعيين مسير آن بعد از خروج از لوله‌ي تفنگ، بسيار ساده است. اما فوتون اين طور نيست. همانطور كه مثالِ ما درباره‌ي موج نورِ رهسپار شده از يك ستاره‌ي دوردست، نشان داد، فوتون به صورت موج احتمال حركت مي‌كند. فوتون ممكن است هرجايي در مسير حركت موج، ظاهر شود. هر چند، احتمال ظهور آن، در بعضي مكان‌ها بيشتر است. اين باعث شد انشتين به طعنه بگويد كه باورش نمي‌شود «خدا با هستي تخته نرد بازي كند».
انشتين كمك كرد نظريه‌ي كوانتوم به وجود بيايد، ولي بسيار از آن آشفته گشت.
دومين نكته‌اي كه انشتين را آزار مي‌داد، اين ايده بود كه با توجه به كپنهاگ، يك جسم پيش آن‌كه مورد مشاهده قرار گيرد، تنها به شكل موج احتمال وجود دارد. شايد وقتي حرف از يك فوتون باشد، اين مسئله چندان مهم به نظر نرسد، چون بسيار بسيار كوچك است. اما اين تنها فوتون‌ها نيستند كه از قوانين فيزيك فيزيك كوانتوم پيروي مي‌كنند، بلكه الكترون‌ها، پروتون‌ها، اتم‌ها و مولكول‌ها نيز مشمول اين قوانين هستند. همه‌ي آنها پيش از مشاهده شدن، تنها موج‌اند و آزمايش دو شكاف، با موادي به بزرگي مولكول‌هاي فولرن (Fullerene) كه 60 اتم كربن دارند، انجام شده است.
در نهايت اگر فكر كنيم، مي‌بينيم تمام جهان ما، از اتم‌ها و مولكول‌ها تشكيل شده و خود ما نيز. آيا اين بدان معناست كه ما تنها، امواج بزرگ احتمال هستيم؟
اين تصور كه هر چيزي در جهان ما، در صورت مشاهده نشدن، ماهيتي مستقل ندارد، انشتين را واداشت به شوخي بگويد: «ترجيح مي‌دهم فكر كنم ماه، حتي وقتي نگاهش نمي‌كنم، باز وجود دارد».
آزمايش فرضي گربه‌ي شرودينگر
همانطور كه گفتيم انشتين، تنها بنيانگذار نظريه‌ي كوانتوم نبود كه به آن شك داشت. اِروين شرودينگر، كه معادلات كليدي را براي پيش‌بيني چگونگي تغيير سيستم كوانتوم در طول زمان مطرح كرد. و اين كار براي او جايزه‌ي نوبل سال 1933 را به ارمغان آورد. با بعضي از مفاهيم فيزيك كوانتوم، مشكل داشت و براي نشان دادن بي‌معنا بودن آنها، مثالي مطرح كرد. آزمايش فرضي مشهور گربه را مطرح كرد تا نشان دهد اين نظريه ناقص است.
در آزمايش فرضي شرودينگر، يك گربه درون جعبه‌اي مهر و موم شده قرار مي‌گيرد. در درون اين جعبه، يك دستگاه «نابودگر» شامل يك ماده‌ي راديواكتيو، يك شمارشگر گايگر مولر و يك ظرف شيشه‌اي قرار دارد. ماده‌ي راديواكتيو به اندازه‌اي است كه در عرض يك ساعت به احتمال 50 درصد تجزيه شده، ذره‌اي آزاد مي‌كند كه باعث به كار افتادن شمارشگر مي‌شود. شمارشگر نيز به گونه‌اي تعبيه شده كه در صورت شناسايي ذره، چكشي را رها مي‌سازد و موجب متلاشي شدن ظرف شيشه‌ايِ پر از گاز كشنده‌ي هيدروژن سيانيد مي‌شود. www.migna.ir
بعد از گذشت يك ساعت، احتمال اين كه جعبه را باز كنيد و گربه را زنده يا مرده بيايد، پنجاه/ پنجاه است. اما گربه پيش از باز كردن جعبه، در چه وضعيتي است؟ از آنجايي كه نابودي اتم، رويدادي كوانتومي است، با توجه به تفسير كپنهاگ، مي‌توان گفت تا زماني كه اتم (به عنوان تابع موج احتمال)، مشاهده نشده، در حالت برهم نهي قرار دارد- يعني همزمان در دو وضعيت است. به اين معني كه دستگاه نابودگر و گربه نيز در حالت برهم نهي هستند، گربه هم زنده است و هم مرده.
شرودينگر چنين ايده‌اي را مضحك يافت و تلاش كرد از آن، براي نشان دادن كاستي‌هاي نظريه‌ي كوانتوم، استفاده كند و بگويد اين نظريه يا اشتباه است يا ناقص.
اين امر با نحوه عملكرد جهان در مقياسي كه براي بشر قابل درك است، مغايرت دارد. شايد احمقانه به نظر برسد اما شرودينگر تاكيد داشت ، وجود اصل بر هم نهي از لحاظ رياضي ضروري است، تا تئوري كوانتوم بتواند پيش گويي هاي دقيق خود را از عملكرد جهان در سطح زيراتمي ارائه دهد. طي بيش از نيم قرن، گربه مرده و زنده شرودينگر با فيزيكدانان لجبازي مي كرد و بنابراين لازم بود به طور دقيق دريابيم كه چگونه حوزه كوانتوم با جهان قابل درك توسط انسان مرتبط مي شود.
فروپاشي اتمي نه اتفاق مي افتد و نه اتفاق نمي افتد، گربه نه كشته مي شود و نه كشته نمي شود، مگر هنگامي كه ما به درون جعبه نگاه كنيم و ببينيم كه چه اتفاقي رخ داده است. نظريه پردازاني كه تفسير استاندارد از مكانيك كوانتومي را مي پذيرند مي گويند كه گربه در حالتي غيرقطعي و نامعين، به عبارت ديگر در يك « ابرمرتبه حالت ها » ( Superposition of States )، نه مرده و نه زنده وجود دارد، تا زماني كه يك مشاهده گر واقعاً به درون جعبه بنگرد و ببيند كه گربه زنده است يا مرده در نتيجه برخلاف ميل شرودينگر، اين تجربه تخيلي نه تنها باعث نشد كه فيزيكدانان پوچي بعضي از خصوصيات نظريه كوانتوم را درك كنند، بلكه گربه شرودينگر براي اكثريت فيزيكدانان به مثال اعلاي استلزام هاي غيرمعمول و فوق العاده اين نظريه بدل شد. « ابرمرتبه حالت ها » به جاي به هم ريختن نظريه كوانتوم، به خصلت معرف آن بدل شد. آنهايي كه تجربه خيالي شرودينگر را با معنايي كه در نظر داشتند مطرح مي كردند، مي توانستند با اين حقيقت تسكين يابند كه موقعيت ياوه اي كه در آن گربه به طور همزمان هم زنده و هم مرده است به طور واقعي در آزمايشگاه قابل بازآفريني نيست.
و در حالي كه در موجوديت هاي فيزيكي در اندازه اتم ممكن است در يك « ابرمرتبه حالت ها » وجود داشته باشند، موجوديت هاي بزرگ تر، به خصوص در اندازه يك گربه، كه متشكل از ميلياردها اتم هستند، در يك حالت منفرد و معين ثابت مي شوند. در نتيجه افرادي كه با موضع اينشتين همدلي دارند مي توانند مدعي شوند كه گرچه خصوصيات غريب كوانتومي ممكن است در جهان زيراتمي مصداق داشته باشند، در دنياي روزمره متشكل از اشياي معمول مثل گربه، كتاب و افراد و... خدا از هر لحاظ تاس نمي اندازد. اما اكنون حتي اين دفاع (تاحدي نوميدانه) از شعور عام نيز در خطر سرنگون شدن است.
كنش شبه وار از راه دوريا رفتاري غريب در فاصلهديديم كه دنياي كوانتوم دنيايي است كه در آن، هر چيزي، فقط در صورتي وجود داشت كه نگاهش مي‌كرديم، دنيايي كه در آن گربه‌ها مي‌توانستند همزمان، هم مرده باشند و هم زنده. حالا، به اين موضوع خواهيم پرداخت كه چگونه بر اساس برخي تفاسير از فيزيك كوانتوم، هر چيزي در جهان، به صورت آني، با تمام چيزهاي ديگر در هر فاصله‌اي از آن كه قرار داشته باشد، مرتبط است. سال 1927، شاهد آغاز مجموعه‌اي از مناظرات، ميان دو تن از برجسته‌ترين دانشمندان جهان در آن روزگار بود: انشتين ، نويسنده‌ي نظريه‌ي نسبيت عام و نيلز بور (Niels Bohr)، يكي از اولين محققان در نظريه‌ي كوانتوم. نخستين برخورد ميان اين دو، در پنجمين كنفرانس بين‌المللي سلوي (Solvay Conference)، درباره‌ي الكترون‌ها و فوتون‌ها اتفاق افتاد، كه در بروكسل بلژيك برگزار شده بود. تعداد شركت‌كنندگان اين كنفرانس اندك بود، اما همگي آنان، افراد برجسته‌اي بودند. از ميان 29 دانشمند حاضر در كنفرانس، 17 نفر يا برنده‌ي جايزه‌ي نوبل بودند، يا اين كه بعدها صاحب نوبل شدند. اگرچه انشتين، از پايه‌گذاران تئوري كوانتوم بود، اما با آن مشكل داشت. يكي از مهم‌ترين توانايي‌هاي انشتين به عنوان يك دانشمند، توانايي طراحي آزمايشات فرضي (Thought Experiments) بود، آزمايشاتي كه در دنياي واقعي، غيرممكن هستند، اما انجامشان در ذهن، مي‌تواند روشنگر بخشي از ماهيت فيزيك باشد. (يكي از جالب‌ترين آزمايشات فرضي انشتين، اين بود كه اگر او بتواند دوچرخه‌اش را با سرعت نور براند، دنيا به چه شكلي ديده خواهد شد). با اين حال، استفاده از اين نوع آزمايشات فرضي، براي دستيابي با ماهيت حقيقي نظريه‌ي كوانتوم، نااميدكننده بود. نتايج اين آزمايش‌ها، غيرمنطقي به نظر مي‌آمدند؛ اشياء وجود نداشتند مگر آن‌كه نگاهشان مي‌كرديد، گربه‌ها همزمان مرده و زنده بودند و اگر از مكان دقيق يك ذره (مثل فوتون) آگاهي داشتيد، چگونگي حركت آن مشخص نمي‌شد. اما بور، با اين مسئله، مشكلي نداشت. ظاهراً معماهاي اين تئوري، فكر بور را به خود مشغول نمي‌كرد، و او تنها به نتايج معادلات توجه داشت. همان طور كه ديويد مرمين فيزيكدان گفت، رويكرد نيلز بور، آن‌گونه كه در تفسير كوپنهاگي معروفش از فيزيك كوانتوم بيان شده، به اين صورت است: «خفه شو و محاسبه كن!» رويارويي بارز انشتين/ بور زماني شروع شد كه انشتين، مثالي ارائه داد تا نشان دهد تئوري كوانتوم، يا اشتباه است يا ناقص. بور، عصر روز بعد، به تفكر درباره‌ي اين مسئله پرداخت و فرداي آن روز، پاسخي براي رد انتقاد انشتين، ارائه داد. اين مباحثات زماني بالا گرفت كه در سال 1935، انشتين همراه با بوريس پودولسكي و نيتان روزن، مقاله‌اي ارائه كرده، در آن به توضيح مطلبي پرداخت كه به پارادوكس EPR مشهور شد (Einstein- Podolsky- Rosen Paradox). رفتاري غريب در فاصله Spooky Action at a Distance در دهه، ۱۹۲۰ شرودينگر اظهار كرد در تئوري كوانتوم امكان ساخت يك زوج فوتون ـ بسته هاي تفكيك ناپذير انرژي ـ «درهم تنيده» وجود دارد. اين فوتون ها چنان درهم تنيده اند كه با دانستن حالت يكي از فوتون ها مي توان حالت فوتون ديگر را به طور آني دريافت. فوتونهاي درهم‌تنيده، در هر فاصله‌اي از هم كه قرار داشته باشند، حتي اگر چندين سال نوري از هم دور باشند، مي‌توانند بلافاصله بر يكديگر تأثير بگذارند. عبارت «آني» اينشتين را با دردسر مواجه ساخت، چرا كه اين عبارت به طور تلويحي بيان مي كرد، مي توان سيگنال ها را سريع تر از سرعت نور انتقال داد. اينشتين اين مفهوم نامتعارف را با عبارت «كنش شبح وار از راه دور» توصيف كرد. از آنجايي كه تجهيزات دقيقي براي آزمايش وجود نداشت، اين ايده ها تا سال ۱۹۸۲ در بن بست گرفتار بود. آزمايش فرضي انشتين در مقاله‌ي ياد شده، به اين ترتيب است كه يك ذره (ما مي‌توانيم يك پيون را به عنوان مثال در نظر بگيريم) برداشته شده و مي گذاريم تا به دو فوتون (ذره‌هاي نور) تجزيه شود. اين دو فوتون در دو جهت متفاوت به حركت درمي‌آيند. از آنجايي كه اين دو فوتون، از يك پيون خارج شده‌اند، درهم‌تنيده‌اند (Entangled Photons)، يعني تابع موج يكساني دارند. اين دو فوتون، داراي چند ويژگي مكمل نيز هستند. براي مثال چرخش آنها: پيون در ابتدا هيچ چرخشي نداشت، بنابراين، اگر يك فوتون، چرخشي رو به بالا بر محور x خود داشته باشد، فوتون ديگر، براي ايجاد تساوي، بايد داري يك چرخش رو به پايين بر محور x خود باشد. اما با توجه به تئوري كوانتوم، يك ويژگي تا زماني كه اندازه‌گيري نشده، وجود ندارد. بنابراين وقتي فوتون اول را اندازه مي‌گيريد و مي‌بينيد چرخشي رو به بالا دارد، فوتون ديگر، بلافاصله بايد چرخشي رو به پايين به خود بگيرد، حتي اگر يك سال نوري از فوتون اول فاصله داشته باشد. به عقيده‌ي انشتين و نويسندگان ديگر اين مقاله، چنين چيزي منطقي نبود. يا فوتون‌ها در زمان جدا شدن از يكديگر، اطلاعات مربوط به چرخش را با خود برده بودند، يا اين كه فوتون اول، هنگامي كه مورد بررسي قرار گرفته، اطلاعات چرخش خود را بلافاصله با سرعتي بيشتر از سرعت نور، به فوتون دوم، كه در فاصله‌ي بسيار دوري از آن قرار دارد، منتقل كرده است. انشتين اين تأثير را «رفتار غريب در فاصله» ناميد. از آنجايي كه اطلاعات نمي‌توانند با سرعتي بيش از سرعت نور منتقل شوند، انشتين چنين استدلال كرد كه فوتون‌ها، احتمالاً داراي «متغيرهاي پنهان» هستند كه از زمان به وجود آمدن فوتون‌ها، اطلاعات چرخش را شامل مي‌شدند. در تئوري كوانتوم، چنين متغيرهايي وجود نداشتند، پس تئوري حتماً ناقص بود. بل و برهان‌اش مشكل «رفتار غريب در فاصله»ي انشتين، بعد از مرگ‌اش در سال 1955 و حتي پس از مرگ بور در سال 1962، حل‌نشده باقي ماند. درسال 1964، يك فيزيكدان ايرلندي به نام «جان بل» (John Bell) مقاله‌اي منتشر ساخت با عنوان «در باب مسئله‌ي متغيرهاي پنهان در مكانيك كوانتوم». بل در ابتدا، اين ايده‌ي انشتين را كه احتمالاً متغيرهاي پنهاني وجود دارد، تأييد كرد. وي در مقاله‌اش، آزمايشي ارائه كرد تا معلوم شود آيا متغيرهاي پنهان مي‌توانند دليلي براي آنچه مشاهده شده باشند، يا نه. تنها زماني حل شد كه بل اين برهان را مطرح كرد و كلازر با انجام آزمايشي نشان داد كه بور، درست مي‌گفته است. www.migna.ir در آزمايش بل، دو ذره‌ي درهم‌تنيده، ايجاد شده و به سمت دو فرد فرستاده مي‌شوند (به عنوان مثال آليس و باب). سپس، اين دو نفر، ذره‌ها را مورد آزمايش قرار مي‌دهند تا ويژگي‌هاي مكمل آنها مشخص شود. درك جزئيات آزمايش، دشوار است، اما بل توانست نشان دهد كه طي آزمايشات متعدد، در صورت وجود ويژگي‌ها از ابتدا، تعداد دفعاتي كه آليس و باب نتايج يكساني گزارش مي‌كنند، ، در مقايسه با وضعيتي كه ويژگي‌ها در زمان بررسي و اندازه‌گيري فوتون اول، ايجاد شوند، متفاوت خواهد بود. بل تصور مي‌كرد پس از آن كه برهانش را (كه اغلب به دليل يكي از پيش‌بيني‌هايش «نادرستي بل» خوانده مي‌شود) منتشر كند، سالها طول خواهد كشيد تا كسي بتواند در آزمايشي واقعي، آن را امتحان كند. اما تنها يك سال بعد، يكي از فارغ‌التحصيلان متهور دانشگاه كلمبيا، «جان كلازر» (John Clauser) توانست صورت ساده‌اي از اين آزمايش را انجام دهد. او نشان داد رفتار فوتون‌ها مطابق همان چيزي است كه توسط فيزيك كوانتوم پيش‌بيني شده، نه آنچه كه از تئوري «متغير پنهان» انتظار مي‌رود. يك دانشمند ديگر به نام «آلن اسپكت» (Alen Aspect) بعدها طي آزمايشاتي با دقت و صحت بيشتر، ثابت كرد برخلاف ترديدهاي انشتين، بي‌شك «رفتار غريب در فاصله» در جهان كوانتوم وجود دارد. كار علمي بل، در حوزه ي تجربي، سرآغازي بود براي آنچه كه تصور ميشد بيشتر موضوعي است فلسفي. وي چنان تأثير به سزايي داشت كه «هنري استپ» (Henry Stapp) از لابراتوار لورنس بركلي كاليفرنيا، عملكرد بل در حوزه‌ي فيزيك كوانتوم را «ژرف‌ترين كشف علمي» نام نهاد.
تفسير بوهم بل، عليرغم اين كه خود، صحت تئوري كوانتوم را اثبات كرده بود، اما به دليل وابستگي تفسير استاندارد كپنهاگ به مشاهده، براي شكستن تابع موج و حقيقي شدن يك ذره (و به همان ترتيب يك گربه)، از اين تفسير پشتيباني نمي‌كرد. بل، تفسير ارائه شده توسط ديويد بوهم (David Bohm) فيزيكدان را منطقي‌تر يافت. براي درك تفسير بوهم، بازگشت به مثالمان در قسمت اول درباره‌ي نگاه كردن به ستاره‌ي اپسيلون جبار در برج شكارچي، مي‌تواند كمك شاياني باشد. در بحث خود درباره‌ي تفسير كوپنهاگ، ديديم كه يك فوتون- يك ذره‌ي نور- در واقع اپسيلون جبار را ترك نمي‌كند، بلكه، اين موج احتمال است كه به چشمان ما مي‌رسد. در تفسير بوهم، فوتوني واقعي، كه توسط يك نيروي «پتانسيل كوانتوم» هدايت مي‌شود، از ستاره بيرون مي‌آيد. اين فوتون، مثل چراغ دريايي، در زمان به عقب برمي‌گردد تا ذره را به ما برساند. طبق تفسير بوهم، همه چيز در دنيا به چيزهاي ديگر مرتبط است. در اين تفسير، برخلاف تفسير كوپنهاگ، نيازي به تابع موج نيست تا به محض ديده شدن، بشكند. با اين حال، اين تفسير نيز، خالي از ايراد نيست. اگرچه تفسير بوهم جبرگرايانه است، يعني با اطلاعات كافي مي‌توان هرچيزي را كه در جهان اتفاق خواهد افتاد را از آغاز پيش‌بيني كرد، اما براي حركت به عقب در زمان و طي يك فاصله‌ي بسيار زياد، به اطلاعات نياز هست. به همين دليل، تفسير بوهم، طرفداران چنداني ميان دانشمندان نداشته است. تفسير دنياهاي چندگانه شايد مهم‌ترين جايگزين براي تفسير كپنهاگ در ميان فيزيكداناني كه نظريه‌ي كوانتوم را مطالعه مي‌كنند، تفسير دنياهاي چندگانه (the "Many Worlds" interpretation) باشد. دانشمندان برجسته‌اي همچون استيون هاوكينگ (Stephen Hawking) و ريچارد فاينمن (Richard Feinman) از طرفداران تفسير دنياهاي چندگانه هستند و روز به روز به حاميان اين تفسير اضافه مي‌شود. تفسير دنياهاي چندگانه، توسط هيو اِوِرِت سوم (Hugh Everett III)، فارغ‌التحصيل دانشگاه پرينستون، در ابتدا با نام «فرمولبندي حالت نسبي (the "relative state" formulation) ارائه شد.
طبق تفسير دنياهاي چندگانه، جهان دو شاخه مي‌شود و گربه‌ي شرودينگر، در يك جهان مي‌ميرد و در ديگري زنده مي‌ماند.
اورت مي‌گويد تابع موج، هرگز از بين نمي‌رود. اين ايده، آزمايش فرضي گربه‌ي شرودينگر را گسترش مي‌دهد. اين فقط گربه نيست كه در دو حالت زنده و مرده قرار دارد، بلكه دانشمندي كه آزمايش را انجام مي‌دهد نيز به دو دانشمند تبديل مي‌شود كه يكي گربه‌ي مرده را مي‌بيند و ديگري، گربه‌ي زنده را. اين دوشاخه شدن، تنها به آزمايش «گربه» محدود نمي‌شود، بلكه درباره‌ي تمام نتايج ممكن پديده‌هاي كوانتومي براي هر ذره‌اي، صدق مي‌كند. بر اساس اين تفسير، جهان، همچون درختي عظيم كه هر شاخه‌اش، دو شاخه مي‌شود، مرتباً در حال تكثير به نسخه‌هاي متفاوت بي‌شمار است. جهان‌هايي موازي وجود دارند كه تنها اندكي با جهان ما متفاوت‌اند و جهان‌هاي ديگري هم هستند كه با جهان ما، تفاوت عمده‌اي دارند.
در واقع، بر اساس نتيجه‌ي منطقي تفسير دنياهاي چندگانه، هر چيزي كه امكان‌پذير است، هر قدر هم نامحتمل باشد، در نسخه‌اي از جهان، وجود دارد. در يك جهان، شما رئيس جمهور ايالات متحده هستيد و در ديگري، به خاطر كشتار جمعي، در زندان به سر مي‌بريد. ايده‌ي وجود همه‌چيز، اگرچه عجيب به نظر مي‌رسد، اما يكي از تعابيري است كه حاميان پر و پا قرصي دارد. مكس تگمارك (Max Tegmark)، كيهان‌شناس، كه بر اساس همين تفسير، سلسله مراتب سطوح دنياهاي چندگانه را طراحي كرده، معتقد است توضيح مجموعه‌اي از جهان‌ها (گاه آن را چندگيتي multiverse نيز مي‌نامند) كه در آنها هر چيزي ممكن است، آسان‌تر از توضيح يك جهان با قوانين مشخص است.«ويژگي مشترك هر چهار سطح چندگيتي، اين است كه ساده‌ترين و ظريف‌ترين نظريه، اساساً دنياهاي موازي را شامل مي‌شود. براي انكار وجود اين دنياها، بايد با اضافه‌كردن فرض‌هاي فاقد عموميت و فرايندهايي كه اساس تجربي ندارند، تئوري را پيچيده كنيم: فضاي متناهي، از بين رفتن تابع موج و عدم تقارن هستي‌شناسانه. به اين ترتيب، در نهايت، رأي ما به جايي مي‌رسد كه به نظرمان بي‌فايده‌تر و ناهنجارتر است: دنياهاي چندگانه، يا كلمات چندگانه.
تفسير دنياهاي چندگانه، به يكي از دشوارترين پرسش‌هاي فلسفي كساني كه به ساخت ماشين زمان انديشيده‌اند، پاسخ مي‌دهد. اگر تنها يك جهان وجود داشته باشد، بازگشت به گذشته با ماشين زمان، و كشتن پدربزرگتان، باعث ايجاد پارادوكس خواهد شد. اما اگر دنياهاي چندگانه‌ي چندگيتي، وجود داشته باشند، ديگر پارادوكسي در كار نيست. در اين صورت، كشتن پدربزرگتان، فقط باعث به وجود آمدن گذشته‌ي متفاوتي خواهد شد كه شما در آن حضور نداريد. در شاخه‌ي ديگري از گذشته، پدربزرگتان زنده مي‌ماند و شما متولد مي‌شويد. اگر به شاخه‌ي اصلي خود برگرديد، پدربزرگتان همچنان زنده خواهد بود. اگر در گذشته‌ي ديگر، كه در آن پدربزرگتان را كشته‌ايد، باقي بمانيد، وجودي غريب خواهيد شد بي هيچ گذشته‌اي.
به جز تفسير كپنهاگ، بوهم و دنياهاي چندگانه، تفاسير ديگري نيز از فيزيك كوانتوم وجود دارد. با اين حال، به نظر مي‌رسد تمام آنها در نوعي «غرابت»، با هم مشترك‌اند. هنوز هم فيزيكدانان، بر سر اين كه كدام يك از اين تفاسير درست است، يا اين كه اصلاً اين تفاسير درست هستند يا نه، با هم اختلاف نظر دارند. راه حل اين مسئله، در دست فيزيكدان باهوشي است كه براي اثبات يا رد اين تفاسير، آزمايشي طرح كند.
آزمايش افشار
در اين آزمايش كه نخستين‌بار در موسسه خصوصي «مطالعات ازدياد جرم بر اثر تابش» در بوستون انجام شده اساس بسيار ساده‌اي دارد، يك پرتو ليزرى به صفحه‌اى تيره كه داراى دو سوراخ است تابانده مي‌شود. از آنجا كه به جاي نور معمولي از ليزر استفاده مي‌شود نيازى به صفحه اول كه داراى يك سوراخ است نيست.
در فاصله دور از صفحه، لنزي قرار دارد كه نوري را كه از داخل هر روزنه مي‌آيد جذب مي‌كند و مجددا پرتوهاي منتشر شده را بر روي يك آينه متمركز مي‌كند كه هر كدام را به يك آشكار ساز فوتون جداگانه باز مي‌تاباند؛ بدين ترتيب مي‌توان با توجه به شدت و ضعف پرتو ليزرى، تعداد فوتونهايي را كه از هر سوراخ بيرون مي‌آيند ثبت كرد.
ثبت مقدار فوتونهايي كه به سمت هر روزنه مي‌روند به مفهوم ماهيت ذره‌اي نورست، در اين آزمايش همزمان دو خصلت ذره ا‌يي و موجي بودن نور به صورت مستقيم مشاهده نمي‌شود بلكه به شكل غيرمستقيم به اثبات مي‌رسد. بدين منظور تعدادي سيمهاي نازك درست در جايي كه بايد فريزهاي تاريك از الگوي تداخلي وجود داشته باشند، قرار داده مي‌شوند. سپس يكي از روزنه‌ها بسته مي‌شوند در اين حالت از تشكيل الگوي تداخلي جلوگيري مي‌شود و نور به راحتي همزمان با خروج از يكي از روزنه ها، منتشر مي‌شود، به اين ترتيب بخشي از نور كه به سيمهاي فلزي برخورد مي‌كند در تمام راستاها متفرق مي شود و اينكه نور به آشكار ساز فوتونهاي مربوط به آن روزنه برسد بي مفهوم مي‌شود، در نتيجه آشكار ساز تعداد فوتون كمتري ثبت مي كند اما هنگامي كه روزنه بسته، كامل باز شد، شدت نور در هر آشكار ساز به مقدار اوليه (زماني كه سيمها در محل قرار داده نشده بودند) باز مي‌گردد چون سيمها در فريزهاي تاريك از الگوي تداخلي قرار دارند كه نور حاصل از دو شكاف يكديگر را خنثي مي‌كنند و در نتيجه هيچ نوري به آنها برخورد نكرده و بنابراين هيچ يك از فوتون‌ها منتشر نمي‌شوند.
به اعتقاد افشار ، اين امر حاكي از وجود الگوي تداخلي يعني حالتي است كه شكل موجي نور نمود مي‌يابد، در حالي كه مي‌توان شدت نور خارج شده از هر شكاف را نيز با يك آشكار ساز فوتون اندازه گيري كرد و تعداد فوتون عبوري از ميان هر شكاف را تعيين كرد؛ بدين ترتيب اين آزمايش بطلان اصل مكمليت را اثبات مي‌كند
شرح آزمايش شهريار افشار
نوع افشاري ِ آزمايش دوشكافي چيزيه كه فكر ميشد كه محاله. اين آزمايش نشان ميده كه نور در يك زمان ميتونه هم موج باشه و هم ذره!
نور ليزر از هر دو تا سوراخ نوك سوزني عبور ميكنه و با يه درشتنما (lens) متمركز ميشه روي دو تا آينه و بعد هر كدوم از دو شعبه ي نوري به يه آشكارساز فوتوني مربوط به خودش ميره.
افشار يه دونه از اين سوراخها رو مي بنده و خيلي با دقت يه توري از سيمهاي افقي پشت درشتنما ميذاره. مقداري از نور از دور سيمها پراكنده ميشه كه باعث ميشه تصوير تنزل كنه و همچنين باعث ميشه كه به مقدار كم تعداد فوتونهايي كه به آشكارساز ِ مربوط به سوراخ باز كم بشه.
افشار اون سوراخ بسته رو وا مي كنه و تصوير بر ميگرده به حالت اولش. اون سيمها هم ديگه هيچ نوري رو تحت تاثير قرار نميده و تعداد فوتونهاي رسيده به آشكارسازها برميگرده به حالت اولش. به نظر ميرسه كه اين به اين دليله كه سيمها در نوار تاريك تداخلي قرار داره (همون چيزي كه براش گفتيم كه سيمها بايد يه جاي خاص قرار داده بشه). پس هيچ نوري بهش نميخوره.
فقط در صورتي كه نور موج باشه ميتونه الگوي تداخلي بوجود بياره. پس اين آزمايش به نظر ميرسه كه به نور در يك زمان هم خاصيت ذره اي و موجي ميده. منبع:پايگاه مقالات فيزيك
