شعبده‌های زیراتمی

احسان سنایی – در بخش نخست این مقاله با عنوان “راز ژرف ماده”، گفتیم که نظریه کوانتوم، پیش‌بینی‌های عجیبی از رفتار ذرات زیراتمی صورت می‌دهد و لذا:

“… شاید بگویید این نظریه صرفاً مجموعه‌ای از روابط ریاضی است و وقتی نتواند از پس توصیف جهان ذره‌ها بربیاید، پس این نقص را هم بایستی خودش حل و فصل کند و فعلاً کاری به کار «واقعیت» نداشته باشد. هرچند که اینشتین هم بر این عقیده بود؛ اما مسئله به همین سادگی‌ها هم نیست. امروزه ما می‌دانیم که مشکل از نظریه کوانتوم نیست، بلکه از جهان نامتعارف ذرات زیراتمی‌ست؛ که برای حیرت‌انگیز بودنش حتی «مدرک» کافی هم داریم. پس بد نیست پیش از آنکه به سراغ سومین مقوله، یعنی تعابیر مختلف از نظریه کوانتوم و به‌ویژه «تعبیر کیهان‌شناختی»اش برویم، نیم‌نگاهی هم به یکی از این مدارک داشته باشیم”. (نگاه کنید به بخش نخست مقاله)

یک آزمایش ساده

گفتیم اگر توپ فوتبال یک ذره زیراتمی بود، نظریه کوانتوم به ما می‌گفت که مکان فعلی این ذره، “همان جایی‌ست که باید احتمالاً باشد”. اما چنین چیزی بی‌معناست، و اگر بخواهیم بگوییم که مشکل از نقص نظریه کوانتوم است، باید حرفمان را به اثبات رسانده، و نشان بدهیم که مکان فعلی یک ذره، “همان جایی‌ست که من می‌بینم“.

اگر فرض کنیم که ذرات زیراتمی (مثل الکترون، نوترون و …)، شبیه به ذرات سازنده اسپری‌های رنگی هستند، می‌شود آزمایشی ساده را برای تعیین مکان دقیق‌شان طراحی کرد. کافی‌ست اسپری را برداریم و با یک تکه مقوا که وسطش از چندین جا به شکل بارکد شکاف خورده (چیزی شبیه به شابلون)، طرح یک بارکد را روی دیوار پیاده کنیم. اگر مجموعه‌ای از الکترون‌ها هم این رفتار را نشان بدهند، عملاً ثابت کرده‌ایم که ذرات زیراتمی هم مثل پودر رنگ هستند و مکان‌شان را می‌شود از طریق روش‌های مشابهی مشخص کرد. پس بهتر است از یک فیزیکدان کوانتوم بخواهیم که در آزمایشگاه پیشرفته‌اش، این آزمایش را پیش چشم‌مان انجام بدهد، تا متقاعد شود که حق با ماست:

او تکه‌ای مقوا با دو شکاف عمودی و موازی (مثل عدد ١١) برمی‌دارد و روبروی یک تفنگ الکترونی قرار می‌دهد (چیزی شبیه به چراغ قوه که به جای نور، از آن الکترون گسیل می‌شود). اگر در پشت مقوا حسگری بگذاریم که محل برخورد الکترون‌ها را به ما نشان بدهد، اصولاً بایستی نقش دو مستطیل دراز هم بر آن ثبت شود. فیزیکدان، این کارها را می‌کند و به ما نشان می‌دهد که برخلاف انتظارمان، چنین الگوی ساده‌ای ثبت نمی‌شود! به جایش یک ردیف منظم از خطوط موازی (مثل … ١١١١١ …) بر حسگر نقش بسته که یک در میان، تیره و روشن شده‌اند (تصویر شماره 1 – الف). فیزیکدان، بلافاصله تفنگ الکترونی را برمی‌دارد و به جایش یک چراغ قوه‌ی دقیق (که نورش کاملاً مستقیم است) قرار می‌دهد تا باز همان الگو را در آن‌سوی شکاف‌ها ببینیم. او می‌گوید: “درست مثل وقتی‌که دو انگشت‌مان را همزمان به سطح آب می‌زنیم، امواج نوری هم در پی گذر از شکاف‌ها به هم برمی‌خورند و همدیگر را طوری تقویت و تضعیف می‌کنند، که یک «الگوی تداخلی» ساخته می‌شود؛ نه یک الگوی چاپی شبیه به رنگ اسپری. پس الکترون‌ها هم که چنین رفتاری نشان می‌دهند، در واقع امواجی مثل نور هستند و نه ذراتی مثل پودر رنگ”.

اما چطور چنین چیزی ممکن است؟ دانشمندان بالغ بر یک قرن است که جرم الکترون را محاسبه کرده‌اند؛ پس اصولاً بایستی ذره باشد. اما فیزیکدان، ما را به تماشای آزمایش جالب‌تری دعوت می‌کند. او تفنگ الکترونی را باز به جای اولش برمی‌گردانَد و می‌گوید: “اگر الکترون ذره باشد و ما بیاییم آنقدر جریان الکترون‌ها را رقیق و بی‌رمق کنیم که تنها تعداد ناچیزی از ان‌ها باقی بمانند، دیگر هیچ توجیهی برای تولید الگوی تداخلی باقی نمی‌ماند؛ چراکه بر فرض اگر فقط یک الکترون باقی مانده باشد، دیگر نمی‌تواند همزمان از هر دو شکاف بگذرد و یک طرح تداخلی بسازد”. او همین کارها را می‌کند و نشان می‌دهد که حتی یک الکترون هم الگوی تداخلی می‌سازد! (تصویر شماره 2 – ب و ج)

طرحی از آزمایش دو شکاف. الف) الکترون‌ها هم مثل نور، به‌شکل جریان یک موج‌گونه دیده می‌شوند که با عبور از دو شکاف و تقویت و تضعیف همدیگر، الگوهای تداخلی را روی حسگر می‌آفرینند. ب) این در حالی‌ست که معمولاً انتظار می‌رود یک الکترون رفتار ذره‌ای از خود نشان بدهد و ردپای بارزی را بر روی حسگر به جا بگذارد. ج) حال‌آنکه الگوی ردپاهایی که عملاً روی حسگر ثبت می‌شود، با انتظارات‌مان ناهمخوان است؛ چراکه چهار الکترون، نمی‌توانند فرضاً ۱۱ ردپا از خودشان به جا بگذارند.

چطور امکان دارد این الکترون در نبود الکترون‌های دیگری که با آنها تداخل کند، باز هم یک الگوی تداخلی بیافریند؟ فیزیکدان به ما خواهد گفت: “این‌که فکر می‌کنیم یک ذره حتماً باید «نقطه»ای مشخص از فضا را اشغال کند، صرفاً یک عادت است؛ و لزوماً آن چیزی نیست که «واقعیت» دارد. ما برای ورود به جهان ذره‌ها، باید اول یک «جا» را برای خودمان تعریف کنیم و بعد بگوییم الکترون، همان جایی‌ست که باید احتمالاً باشد. قید «احتمالاً» نشان می‌دهد که فیزیکدانان هم انسان‌هایی مثل ما هستند و لذا عادت کرده‌اند که جا را همتراز یک نقطه از فضا بدانند. اگر از این عادت صرفنظر می‌کردیم، آنوقت آسوده می‌شد گفت الکترون همان جایی‌ست که باید باشد. از آنجاکه این «جا» هم یک نقطه نیست، پس ما یک اسم جدید برایش ساخته‌ایم: «سوپرپوزیشن» (Superposition). اگر رنگ‌دانه‌های اسپری هم به جای یک «نقطه»، در یک سوپرپوزیشن بودند، طرحی که روی دیوار ثبت می‌شد، یک طرح تداخلی بود”.

او باز هم دعوت‌‌مان می‌کند تا تردستی دیگری را ببینیم! تراکم الکترون‌ها را به همان وضع اولشان برمی‌گرداند و به ما می‌گوید: “دیدیم که الکترون‌ها موج هستند و مثل نور، همزمان از هر دو شکاف عبور می‌کنند. پس اگر دو حسگر داشته باشیم که به محض برخورد با یک الکترون بوق بزنند و آن دو را در کنار شکاف‌ها بگذاریم، باید اصولاً همزمان هم بوق بزنند”. او همین کار را می کند، و … حدستان درست است! فقط یکی‌شان بوق می‌زند. احتمالاً هیچ حرف دیگری برای گفتن نمانده است. اما فیزیکدان حرف‌های زیادی دارد:

آزمایش نقض اصل علیت توسط الکترون‌ها. زمانی‌که یک پرتوی الکترونی را به مانعی با دو شکاف (که یکی‌شان مسدود شده) می‌تابانیم؛ طرح چاپی شکاف را (به‌شکل یک مستطیل درخشان) روی حسگر مشاهده می‌کنیم. اما فرضاً اگر مابین مانع ما و حسگر، در حدود 1 دقیقه نوری فاصله بود (یعنی در  حدود ۱ میلیون و ۸۰۰ هزار کیلومتر)؛ انتظار می‌رفت که حداقل ۱ دقیقه بعد از گشایش شکاف دوم، طرح ساده روی حسگر، به یک طرح تداخلی بدل شود. اما آزمایش مشابهی در سال ۲۰۰۷ میلادی به سرپرستی فیزیکدان فرانسوی آلن اَسپه (Alain Aspect)، نشان داد که الکترون‌ها به‌محض گشایش شکاف دوم واکنش نشان می‌دهند و طرح تداخلی می‌آفرینند؛ حال‌آنکه طبق قوانین فیزیک کلاسیک، الکترونی که از شکاف اول گذشته نمی‌تواند به‌هیچ‌وجه از گشایش شکاف دوم باخبر شده باشد؛ چراکه سریع‌ترین راه انتقال اطلاعات در جهان، سرعت نور است.

“اگر حسگرمان فقط به ذره‌ها حساس باشد، الکترون هم به شکل ذره ثبت خواهد شد. درغیر اینصورت، الکترون موج است. یعنی تابع موج الکترون، که می‌گفت “الکترون در همان جایی‌ست که باید احتمالاً باشد”، به شکل “الکترون در همان جایی‌ست که حسگرمان نشان می‌دهد” تغییر می‌کند. ما به این اتفاق، «فروپاشی تابع موج» می‌گوییم”. اما چطور الکترون «فهمیده» که ما یک حسگر ذره‌ای پیش پایش گذاشته‌ایم؟ این سؤال را در علم فیزیک، «معضل محاسبه» (Measurement Problem) می‌گویند و هرکسی سعی دارد آن را به نحوی پاسخ بگوید. اما فیزیکدان ما داستان جالب‌تری برای گفتن دارد: “در سال ۱۹۷۸ میلادی، جان ویلر (John Wheeler)، پیشنهاد آزمایش جالبی را داد که البته در آن زمان عملی نبود. او گفت اگر یکی از شکاف‌ها را مسدود کنیم و دستگاهی داشته باشیم که بعد از فعال‌سازی تفنگ الکترونی و عبور الکترون از میان شکاف، شکاف دوم را لحظاتی قبل از رسیدن الکترون به حسگر باز کند؛ آن‌وقت به الکترون حقه زده‌ایم و اصولاً بایستی روی حسگرمان الگوی تداخلی ظاهر نشود (چراکه یک شکاف، نمی‌تواند الگوی تداخلی بیافریند). معلوم است که الکترون هم برنمی‌گردد تا ببیند یکی از شکاف‌ها را باز کرده‌ایم و باز حیرت‌زده‌مان کند. در سال ۲۰۰۷، گروهی از دانشمندان فرانسوی موفق به طراحی دستگاه مشابهی شدند. نتیجه این شد که الکترون واقعاً از ماجرا مطلع می‌شود و الگوی تداخلی می‌سازد! به عبارت دیگر، او گذشته خودش را تغییر می‌دهد و این ناقض اساسی‌ترین اصل علمی است: اصل علیت*. درست مثل این می‌ماند که شما حین یک امتحان سخت، به گذشته برگردید و تقلب کنید و بعد برگردید و بهترین نمره را بیاورید. الکترون‌ها واقعاً همین کار را می‌کنند!”.

بنابراین هیچ چیز از جهان ریز ذره‌ها بعید نیست. اما واقعاً این‌ها چه ربطی به جهان آشنای پیرامون ما دارد؟ این جهان هم از الکترون‌ها و پروتون‌ها و سایر ذرات زیراتمی شکل گرفته؛ حال‌آنکه محال است اصل علیت در آن نقض بشود. فیزیکدان کمی فکر می‌کند و دعوت‌مان می‌کند تا دور میزش بنشینیم. او از قبل یک حسگر ذره‌ای طراحی کرده که به محض ثبت الکترون، به جای بوق زدن، یک چکش ایستاده را رها می‌کند. او تفنگ الکترونی را خاموش می‌کند و این حسگر را به جای یکی از دو حسگر ذره‌ای واقع در اطراف شکاف‌ها می‌گذارد. بعد، از توی کشو یک مین ضدنفر را با کمال احتیاط خارج می‌کند و آن را دقیقاً زیر چکش ایستاده می‌گذارد. اگر فیزیکدان، تفنگ الکترونی را دوباره به راه بیاندازد، از آنجاکه دیدیم حسگرها همزمان فعال نمی‌شوند؛ دو سرنوشت کاملاً متفاوت پیش روی ما خواهد بود. شاید حسگر صوتی بوق بزند و هیچ اتفاقی نیفتد، و شاید هم حسگر چکشی فعال شود (که در اینصورت هردوی‌مان از بین می‌رویم). می‌پرسیم: نظریه کوانتوم چه می‌گوید؟ فیزیکدان می‌گوید: هیچ!

ادامه دارد …

پانوشت:

به عبارت دقیق‌تر، «موجبیت علّی»؛ بدین‌معنا که می‌شود از روی شرایط حال و با توسل به قوانین فیزیک، پی به شرایط آینده برد.

تصویر اول: آلن اسپه، فیزیکدان فرانسوی که در سال ۲۰۰۷ موفق به اثبات تجربی پدیده‌ای موسوم به «درهم‌تنیدگی کوانتومی» شد. 

در همین زمینه:

بخش اول: راز ژرف ماده