مکانيک کوانتومی

انقلاب انگاشتن پيشرفت‌های علمی و فنی بی‌معناست. در واقع برعکس است علم خيلی هم ضدانقلابی است! علم در پيشرفت‌های جديدش کاملا زير پای تفکر مدرن را خالی کرده است. تازگی کتاب فراسوی انيشتن: مروری بر تحول فيزيک نظری پس از انيشتن را خريده‌ام. چون کتاب جديدی است اطلاعات جالبی درباره آخرين پيشرفت‌های فيزيک دارد که قبلا نشنيده بودم. مخصوصا درباره نظريه ريسمان.

بحث من بيشتر همان مکانيک کوانتومی اوايل قرن بيستم است. مکانيک کوانتوم نظريه‌ای مبتنی بر احتمال است. معنای آن اين است که نتيجه هيچ آزمايشی را با قاطعيت پيش‌بينی نمی‌کند تنها ميانگين (و ديگر خواص آماری : سر جمع يعنی تابع توزيع) را معين می‌کند. به بيان ديگر عليت را ناديده می‌گيرد (البته نقض نمی‌کند). از ابتدای دوران مدرن (دوران نو) بشر با مکانيک نيوتنی فکر می‌کرد می‌تواند همه آينده را از گذشته بطور قاطع پيش‌بينی کند اما نظريه کوانتوم يکبار برای هميشه بر اين تصور خط بطلان کشيد. شما هرگز نمی‌توانید نتيجه يک تک آزمايش را پيش بينی کنيد. سوال اين است که پس چه می‌شود؟ وقتی الکترون از يک دستگاه دو شکافه می‌گذرد چه کسی يا چه تئوری‌ای تصميم می‌گيرد که از کدام يک عبور کند؟ در واقع هيچ کس نمی‌داند. برای اولين بار در علم راه برای اراده باز شده است. جبرگرايی نيوتنی شکست کاملی خورده است و تواضع کوانتومی حاصل از ندانستن (علم بر ناتوانی از دانستن) نشسته است. اوايل بحث‌هايی راه افتاد که آيا الکترون روح دارد؟ (يعنی آيا خودش تصميم‌می‌گيرد چه کند؟) بنظر می‌رسد تنها يک اراده کلی می‌تواند جواب اين مساله باشد. زيرا بعنوان مثال وقتی يک ميليون الکترون بصورت تک‌تک به دو شکاف شليک شوند در انتها با تقريب قانون اعداد بزرگ نيمی از آنها از يک شکاف و نيم ديگر از شکاف ديگر بايد بگذرند. اين در حالی است که اين الکترونها شخصا حتی از وجود يکديگر و تصميم همديگر کاملا بی‌اطلاعند! بنابراين تنها نظر قابل قبول اين است که اراده تصميم‌گير بايد کسی باشد که از همه آنها مطلع باشد و در واقع از همه چيز. انيشتن با اينکه از جمله خداشناس‌ترين دانشمندان بود در برابر نظريه کوانتوم موضع سختی گرفت و گفت من باور نمی‌کنم که خدا تاس بيندازد. البته واضح است که خدا نيازی به انداختن تاس ندارد چون از قبل نتيجه آنرا می‌داند. اما بهترست بگوييم چون ما از تصميم آن اراده مجهول بی‌اطلاعيم از قوانين احتمال استفاده می‌کنيم. البته واضح است که اين اراده جهان‌شمول بسيار دقيق و منظم (يا بگوييم آگاه) است وگرنه رفتار ميانگين آنرا هم نمی‌شد حدس زد يا اطلاعات جالبی نمی‌داد.

تمام اينها در حالی است که در قوانين نيوتن هيچ جايی برای خدا نبود. چون همه چيز بشکل جبری پيش می‌رفت و شرايط اوليه مساله شرايط نهايی را بطور يکتا تعيين می‌کرد. جايی برای تصميم و اراده نبود. ممکن است بگوييد اين اراده تنها در سطوح زيراتمی مصداق دارد و در عالم مقياس ما تنها ميانگين‌های کوانتومی که اتفاقا کاملا معين و غير تصادفی هستند حاکمند. اين ديدگاه غالب در قرن بيستم بود تا هرگونه خدا را حتی از پشت درهای سالن کنفرانس هم دور نگه دارند.

چيزی که در قالب نظريه آشوب در اواخر قرن سربرآورد همه چيز را تغيير داد. مثال معروف اين نظريه اين است که بال زدن يک پروانه در يک طرف زمين می‌تواند موجب بروز طوفان در سمت ديگر شود. مبنای اين نظريه بر فرآيندهای برگشت‌ناپذير استوار است. در مکانيک نيوتنی همه چيز برگشت پذير بود. دو توپ بيليارد به هم می‌خوردند و منحرف می‌شدند. حالا اگر فيلم را برعکس نمايش دهيد (جهت زمان را عوض کنيد) باز هم قوانين نيوتن نقض نمی‌شوند و هيچ چيز هم غيرعادی بنظر نمی‌رسد. اولين نقض معروف برگشت‌پذيری از ترموديناميک آمد. قانون سوم ترموديناميک می‌گويد آنتروپی تنها می‌تواند افزايش يابد و در هيچ فرآيند خودبخودی کاهش نمی‌يابد. مثلا وقتی چای را هم می‌زنيد شکر در آن حل می‌شود (نظم کاهش ميابد چون قبلا شکر در یک سمت و چای در سمت ديگر بود) اما اگر هم زدن را در جهت عکس انجام دهيد شکر از چای جدا نمی‌شود. اگر بخواهيد آنها را از هم جدا کنيد بايد انرژی صرف کنيد (مثل غنی‌سازی). اين اولين باری بود که جهت پيکان زمان بصورت قطع مشخص شد. مثال ديگر تغيير فازهاست. در حالت عادی در آب حباب‌های کوچکی هست. اما اينها در حال تعادل با فاز مايع هستند. وقتی دما به بيش ار صد درجه افزايش يابد. فرآيند تبخير برگشت‌ناپذير می‌شود. تحول بزرگ وقتی رخ داد که برخی فيزيکدان‌ها نشان دادند که فرآيندهای ماکروسکوپی مکانيکی نيز می توانند برگشت‌ناپذير باشند. بعنوان مثال ثابت شده است که مجموع سه توپ بيليارد در داخل ميز (بدون اصطکاک) برگشت‌ناپذير است. به اين معنی که تغييرات بسيار جزيی در آرايش اوليه به تغييرات کلی در وضعيت نهايی می‌انجامد (مثل يک ماتريس با دترمينان صفر که معکوس‌ناپذير است). مثال واضحش پانول ميله‌ای است. اگر پاندول در وضعيت پايين باشد دارای تعادل پايدار است و هر تغيير کوچکی در موقعيت را با برگشت به وضعيت اوليه جبران می‌کند. اما اگر در وضعيت بالا باشد با اينکه تعادل دارد اما کوچکترين تغييری برايش سرنوشت‌ساز خواهد بود. اگر يک الکترون بنا بر عدم قطعيت تصميم بگيرد کمی از جايش به راست بلغزد (ولو برای مدتی کوتاه) با اين حرکتش سرنوشت پاندول را تعيين خواهد کرد. پس تئوری احتمال بر فرآيندهای برگشت‌ناپذير ماکروسکوپی (تقريبا تمام فرآيندها) نيز حاکم است. بنابراين در دنيای ما نيز اراده حاکميت دارد ولو در چارچوب‌هايی.

نکته جالب ديگر در مورد ماده است. از قديم الايام اگر از پيامبران می‌پرسيدی که خدا چه نقشی در زمين دارد می‌گفتند اگر يک لحظه رابطه جهان با خدا قطع شود نيست و نابود خواهد شد. يک منکر ممکن بود مشتی خاک در دست بگيرد و بگويد اينکه در مشت من است به چيزی وابسته نيست و از بين نمی‌رود اگرچه شکل آن ممکن است عوض شود. اين شد قانون بقای ماده در قرن نوزدهم. بعدها که انيشتن آمد فهميدند که نه ممکن است به انرژی هم تبديل شود. اسمش را تعميم دادند به قانون بقای ماده و انرژی. بعدا فرآيند افت‌وخيز کوانتومی در خلا کشف شد کل قضيه بر باد رفت! موضوع ازين قرار است که اصل عدم قطعيت هايزنبرگ می‌گويد ميزان عدم قطعيت در انرژی با عدم قطعيت در زمان رابطه معکوس دارد. نتيجه آنکه انرژی می‌تواند در بازه‌های زمانی کوتاه افت و خيز داشته باشد. مثلا در هسته يک پروتون يک ذره مزون پی خلق می‌کند (با نقض موقتی بقای انرژی) و در پايان مهلت دوباره آنرا پس می‌گيرد. اين خيلی چيز معمولی‌ای است. اتفاقی که در خلا می‌افتد اين است که با اينکه انرژی صفر است در مدت زمان‌های به اندازه‌ کافی کوتاه می‌تواند بسته‌های انرژی خلق شود. بنابراين خلا پر از افت‌وخيز کوانتومی انرژی است. حالا اين انرژی ممکن است پشت يک سد انرژی به دام بيفتد بنحوی که نتواند به جای اصلی خود برگردد. آن وقت پايدار خواهد شد و انرژی خلا منفی می‌شود. البته  اين همان مکانيزمی است که با‌ آن سياهچاله‌ها تبخير می‌شوند. حالا بامزه اينجاست که اخيرا فيزيکدان‌ها نگران شده‌اند که نکند کل جهان هستی يک افت و خيز خلا در لحظه انفجار بزرگ بوده باشد! چون در اين صورت مطابق همان عدم قطعيت هايزنبرگ ذره می‌تواند سد انرژی را تونل بزند (با احتمال خيلی کم) و به جای اصلی خود برگردد. يعنی اگرچه عمر طولانی جهان ما نشان می‌دهد که اين اتفاق خيلی محتمل نيست اما هيچ نظريه‌ای نقض نمی‌شود اگر جهان ما با يک گذار کوانتومی که با سرعت نور منتشر می‌شود .... به جای اصلی خود بازگردد ...

  
نویسنده : محمد ; ساعت ۸:۳٩ ‎ق.ظ روز شنبه ٢٦ فروردین ،۱۳۸٥