فلسفه فیزیک کوانتوم 3 (آزمایشی چالش برانگیز)

در مقاله قبلی یعنی این مقاله درباره آزمایشی صحبت کردیم که برای توجیه اتفاقاتی که در آن رخ می‌داد مجبور شدیم هم از خواص ذره‌ای مواد استفاده کنیم و هم برخی از خواص امواج (در این آزمایش پراکندگی) که مختص امواج عرضی به طور کلی است را وارد تئوری خود کنیم. به زبان ساده ما مجبور شدیم که برای توجیه رفتار موجودی مشخص به نام الکترون از دو تئوری که هر کدام این موجود را دارای ماهیتی متمایز از هم در نظر می‌گیرند (ذره و موج) استفاده کنیم. این کار مثل این است که به شما بگویند موجودی در اتاق تاریکی قرار گرفته که یک داده آزمایشگاهی به ما می‌گوید این موجود با تنفس اکسیژن زنده خواهد بود و داده دیگری درست خلاف آن را نشان داده و به ما نشان داده که این موجود اگر اکسیژن تنفس کند خواهد مرد!

این نوع توجیه از منظر عقلانی دارای ایراد است زیرا وقتی به ما گفته می‌شود یک چیز مثلا x است، دیگر انتظار نداریم در لحظاتی بعد با y روبرو شویم و در کل ماهیت این چیز برای ما مبهم بماند. آزمایش پرتو کاتدی به شکلی که در مقاله قبل توضیح دادیم، ما را مجبور کرده که گاه به الکترون خاصیت ذره‌ای نسبت دهیم و گاه خاصیت موجی و این پای فلاسفه را به ماجرا باز کرده است. اما اگر دوست دارید بیشتر سردرگم شوید بهتر است صبر کنید زیرا اگر در آزمایش مقاله قبل تعداد شکاف‌ها را به دو عدد افزایش دهیم، یکی از عجیب‌ترین پدیده‌های مربوط به دنیای ذرات اتمی و زیراتمی بروز خواهد کرد.

آزمایش دو شکاف

فرض کنید در آزمایش تفنگ الکترونی، ما یک پرده با دو شکاف باریک سر راه پرتو کاتدی قرار دهیم. این آزمایش اگر با پرتو نور که یک موج الکترومغناطیس است انجام شود، ما با پدیده‌ای که کاملا مختص امواج است روبرو می‌شویم: برهم نهی (Superposition) که در تصویر 1 نمایش داده شده است.

آیا انتظار می‌رود که این پدیده که نقطه تمایز امواج از ذرات است در این آزمایش نیز مشاهده شود؟ قائدتا با تعریف کلاسیک الکترون به عنوان یک ذره زیراتمی انتظار نداریم که پدیده برهم نهی را در آزمایشی مربوط به این ذرات مشاهده کنیم. اما متاسفانه یا خوشبختانه الکترون‌ها نیز هنگام عبور از دوشکاف با هم برهم نهی کرده و ما را مجبور می‌کنند که آن‌ها را دارای رفتاری موجی در نظر گیریم. برای این که بهتر پدیده برهم نهی را درک کنید به تصویر 2 نگاه کنید. وقتی دو موج به هم می‌رسند بر اساس اختلاف فازی که دارند (اختلاف شکل آن‌ها به این صورت که آیا دو قله بهم رسیده‌اند یا دو قعر یا چیزی مابین آن‌ها) با هم برهم نهی سازنده، ویرانگر یا چیزی میان آن انجام می‌دهند.

در آزمایش مرتبط با تفنگ الکترونی، قرارگیری یک پرده با دوشکاف سر راه عبور پرتوهای کاتدی (الکترون‌ها) نهایتا منجر به مشاهده پدیده برهم نهی روی پرده فسفرسان سمت راست آزمایش می‌شود! در این جا ما اگر حتی دمای المنت را بسیار کاهش دهیم طوری که هر چند ثانیه یک الکترون از کاتد شلیک شود، باز هم در انتها یک الگوی تداخلی مشاهده می‌کنیم! نکته جالب درباره این آزمایش این است که با این که روی پرده ما در ابتدا نقاطی منفرد مشاهده می‌کنیم، اما طرح نهایی یک الگوی تداخلی نشان می‌دهد که یعنی دسته الکترون‌ها با هم رفتار موجی نشان می‌دهند. البته فاجعه زمانی بیشتر می‌شود که آزمایش تنها برای یک تک الکترون انجام شود. در این جا نیز الگوی تداخلی خودش را نشان می‌دهد! (تصویر 3).

اما ایراد کار کجاست؟ در این آزمایش ما ذراتی داریم که رفتار موجی از خود نشان می‌دهند. به پدیده برهم نهی دقت کنید. برهم نهی زمانی رخ می‌دهد که دو باریکه موج با هم تداخل کرده و نتیجه این تداخل است که باعث بروز الگوی تداخلی روی پرده می‌شود. اما الکترون‌های که از این شکاف عبور می‌کنند چطور همزمان از دو شکاف عبور کرده و با هم تداخل می‌کنند که نتیجه آن بروز الگوی تداخلی است؟ اگر فکر می‌کنید که 50 درصد الکترون‌ها از شکاف بالایی عبور کرده و 50 درصد از پایینی و نهایتا روی همدیگر این الگو را پدیدار می‌کنند سخت در اشتباهید. برای این که نشان دهیم این تئوری اشتباه است کافی است برای مثال 5 دقیقه شکاف بالا را بسته و اجازه دهیم الکترون‌ها از شکاف پایینی عبور کنند و سپس شکاف پایینی را بسته و اجازه دهیم الکترون‌ها از شکاف بالایی برای 5 دقیقه عبور کنند. در اینصورت 50 درصد آن‌ها از شکاف پایینی و 50 درصد از شکاف بالایی عبور کرده‌اند و نتیجه نهایی باید الگوی تداخلی باشد، اما در عمل چنین نیست! تنها زمانی الگوی تداخلی مشاهده می‌شود که هر دو شکاف باز باشند.

احتمال ایراد دیگری که می‌گیرید این است که ما چون فرض کرده‌ایم الکترون تنها می‌تواند همزمان از یک شکاف عبور کند و یک مسیر مشخص در فضا زمان داشته باشد نمی‌توانیم ظاهر شدن الگوی تداخلی را توجیه کنیم. پس باید در این فکر که الکترون مسیر مشخصی در فضا زمان دارد تجدید نظر کرده و بپذیریم که مشخص نیست الکترون‌ها هنگام عبور از دو شکاف چه مسیر یا مسیرهایی را می‌پیمایند. هر چند چنین نظریه‌ای به اندازه کافی عجیب است زیرا عدم قائل شدن مسیر برای یک ذره باعث می‌شود نتوانیم چیز زیادی درباره آن بگوییم، با این حال ایراد کار این جا هم نیست. زیرا از نظر تیم مادلین در کتاب فلسفه فیزیک کوانتوم، ما به یک تئوری فیزیکی نیاز داریم که بتواند نشان دهد چگونه باز بودن هر دو شکاف روی رفتار الکترون تاثیر می‌گذارد و نهایتا الگوی تداخلی را به ما می‌دهد. زیرا اگر یکی از شکاف‌ها بسته باشد، نتیجه چیزی متفاوت از حالتی است که هر دو شکاف باز هستند. در نتیجه نمی‌توان منکر این شد که باز بودن هر دو شکاف است که روی نتیجه آزمایش تاثیر می‌گذارد.

در ادامه خواهیم دید که تئوری‌هایی وجود دارند که در این آزمایش برای الکترون مسیر فضا زمانی قائل می‌شوند بدون این که با نتیجه الگوی تداخلی در تضاد باشند. با این حال مهم این نیست که ما فرض کنیم الکترون مسیر دارد یا نه! مهم این است که بتوانیم سازوکار تاثیر یک شکاف روی دیگری را بررسی کنیم و دریابیم چرا این دو روی هم اثر می‌گذارند. زیرا در این تئوری‌ها الکترون همزمان تنها از یک شکاف عبور می‌کند اما باز هم باز بودن شکاف دوم است که باعث ایجاد الگوی تداخلی می‌شود. یعنی حتی اگر هم فرض کنیم که هر الکترون همزمان از یک شکاف عبور می‌کند، باز هم زمانی الگوی تداخلی داریم که هر دو شکاف باز باشد! (عبور الکترون از یک شکاف وقتی دو شکاف باز است نتایج متفاوتی از عبور الکترون از یک شکاف زمانی که شکاف دیگر بسته است به دست می‌دهد)

ماجرا زمانی عجیب تر می‌شود که یک آشکارساز (Detector) هم وارد آزمایش شود. تا این جا ما تنها باز و بسته بودن شکاف‌ها را ملاک قرار دادیم و از آن این نتیجه حاصل شد که زمانی الگوی تداخلی داریم که هر دو شکاف باز باشند. اما چرا باز بودن هر دو شکاف این نتیجه را داشته و چطور می‌توان این ویژگی را مورد آزمایش قرار داد؟

در مقاله بعدی توضیح خواهیم داد که فقط شرایط آزمایش نیست که باعث بروز پدیده برهم نهی ذرات الکترون می‌شود. چیزی به نام ناظر نیز باید درنظر گرفته شود. چیزی که تا پیش از این در فیزیک نقشی کلیدی نداشته است.