یگانگی کوانتومی؛ نظریه‌ای برای نجات فیزیک نوین از بحران

مشهورترین جمله‌ی اینشتین در مورد ماهیت جهان چنین بود: «غیرقابل‌‌درک‌‌ترین موضوع درباره‌‌ی جهان این است که [بدانیم] جهان قابل‌‌درک است.»

بااین‌حال، این روزها تنها چیزی که نمی‌‌توان در دنیای فیزیک دید، یک اجماع‌نظر بر سر درک‌‌پذیری جهان و حتی واحدبودن آن است. فیزیک بنیادی با یک بحران بزرگ رو‌‌به‌‌رو است؛ بحرانی که در ارتباط‌‌با دو نظریه‌ی پرطرفدار درمورد جهان بوده که بارها و بارها بدان‌‌ها استناد می‌‌شود. این دو نظریه را می‌توان در قالب دو کلمه خلاصه کرد: «چندجهانی» و «جهان بی‌‌قواره».

طرفداران نظریه‌‌ی چندجهانی (Multiverses) بر این باورند که احتمالا تعداد بی‌‌شماری از جهان‌‌های گوناگون وجود دارند که برخی از آن‌ها از فیزیک و تعداد ابعاد فضایی کاملا متفاوتی نسبت‌‌به جهان ما برخوردار هستند. و این یعنی احتمالا نسخه‌های بی‌‌شماری از من، شما و هر آنچه که تصور می‌‌کنید، در جهان‌‌هایی دیگر وجود دارند. آن‌‌گونه که کیهان‌‌شناسی از آفریقای جنوبی به نام جورج الیس می‌گوید:

نظریه‌‌ی چندجهانی ممکن است خطرناک‌ترین ایده در علم فیزیک باشد.

از نخستین روزهای ظهور علم روال بر این بوده است که کشف هر تقارن غیرمنتظره، یک نیاز برای توضیح و انگیزه‌‌ای برای جست‌وجو به‌‌دنبال دلایل پنهان پشت آن ایجاد می‌‌کرد. اجازه دهید یک مثال از فیزیک نوین برایتان مطرح کنیم: «به نظر می‌رسد قوانین فیزیک به‌‌گونه‌‌ای با دقت تنظیم شده‌‌اند تا مطابق آن امکان وجود موجوداتی هوشمند مثل ما فراهم شده تا این قوانین را کشف کنیم.» این تقارن عجیب موضوعی است که نیاز به توضیح دارد.

با ظهور ایده‌‌ی چندجهانی، توضیحی تازه ارائه شد: در میان چندین تریلیارد جهانی که طبق این نظریه وجود دارند، بروز چنین تقارن و تصادفی دیگر آنچنان عجیب نخواهد بود. اگر برحسب اتفاق، شرایط در یکی از این جهان‌‌ها برای پیدایش اشکال پیچیده، زندگی و آگاهی مساعد شده باشد، پس دیگر نباید از اینکه چرا اکنون ما در چنین جهانی حضور داریم، احساس شگفتی کنیم (تحت قوانین فیزیکی جهان‌‌های دیگر، احتمالا امکان پیدایش گونه‌‌ی ما اصلا وجود نمی‌‌داشت). اما این نوع «استدلال انسانی» عواقبی دیگری هم در پی خواهد داشت و عواقب از این جمله است که ما دیگر نمی‌توانیم چیزی را پیش‌بینی کنیم. دیگر هیچ اصول مشخصی برای فیزیکدانان در مرکز سرن (CERN) برای جستجوی ذرات جدید وجود نخواهد داشت و طبعا دیگر نمی‌‌توان وجود هیچ‌‌گونه قانون بنیادی را در ورای ویژگی‌های اتفاقی جهان متصور شد.

نظریه‌ی چندجهانی توانسته راه نجاتی را برای فرار از برخی از سردرگمی‌های بزرگ فیزیک مدرن فراهم کند

در سوی دیگر، با نظریه‌‌ی کاملا متفاوتی با نام جهان بی‌‌قواره (Ugyverse) مواجه هستیم که البته در غرابت، دست کمی از نظریه‌‌ی چندجهانی ندارد. بنابر عقیده‌‌ی فیزیکدان نظری، سابین هوسنفلدر، امروزه فیزیک مدرن به‌‌واسطه‌‌ی تعصب خود نسبت به «زیبایی» و گرایش به شکوه ریاضیات و تصوراتی موهوم-بی آنکه بویی از تجربیات واقعی برده باشد- به بیراهه کشیده شده است. او این‌‌چنین استدلال می‌کند که فیزیک در بیراهه‌‌ای از ریاضیات گم شده است. آنچه فیزیکدان‌ها در جستجوی آن هستند «زیبایی» در ساختارها و تقارن‌‌ها است. اگر ما نتوانیم بر چنین مفاهیمی تکیه کنیم، تشخیص تفاوت میان ادراک و یک تناسب صرف در داده‌های تجربی امری بس مشکل خواهد بود.

البته چالش‌‌های بزرگی درمقابل این دیدگاه مطرح است. هوسنفلدر به‌‌درستی این پرسش را مطرح می‌‌کند که «چرا قوانین طبیعت باید برای آنچه من زیبا می‌‌پندارم، اهمیتی قائل شوند؟» و پاسخ این است: «هیچ دلیلی وجود ندارد. صدالبته در دیدگاه کلاسیک، طبیعت می‌تواند بسیار پیچیده، آشفته و غیرقابل‌‌درک باشد.» اما طبیعت این‌‌گونه نیست. طبیعت مکانیک کوانتوم است. حوزه‌‌ی اثر فیزیک کلاسیک را تنها می‌‌توان در زندگی روزمره دانست که در آن همه‌‌ی اشیا مفاهیمی قابل‌تفکیک و مجرد هستند. اما در مکانیک کوانتوم اوضاع به‌‌کلی متفاوت است. شما در فیزیک کلاسیک نمی‌‌توانید ارتباطی میان وضعیت اتومبیل و رنگ لباس همسرتان متصور شوید. اما در مکانیک کوانتوم، چیزهایی که با یکدیگر تماس سببی پیدا کنند، دچار همبستگی می‌‌شوند. این پدیده‌‌ای بود که اینشتین از آن به‌‌عنوان «کنش شبح‌‌وار از راه دور» یاد می‌‌کرد. این همبستگی بر پایه‌‌ی «ساختارها» شکل گرفته و ساختار خود به‌‌معنای زیبایی است.

سابین هوسنفلدر

فیزیک کوانتوم، علم پشت انفجارهای هسته‌ای، تلفن‌های هوشمند و برخورددهنده‌‌ی ذرات است. این علم به‌‌خاطر گزاره‌‌ی مشهور خود درباره‌‌ی حضور گربه‌‌ی شرودینگر در وضعیتی نیمه‌‌زنده و نیمه‌‌مرده، ما را با تعارضات سختی رو‌به‌رو کرده‌‌ است. در مکانیک کوانتومی، واقعیت‌هایی مختلف (مانند حضور همزمان ذرات در اینجا و جای دیگر یا موضوع مرگ و زندگی گربه) را می‌توان به‌‌سان امواجی روی یک دریاچه درنظر گرفت. مطابق این علم، ذرات می‌توانند در وضعیتی «نیمی اینجا» و «نیمی آنجا» باشند. این قضیه «برهم نهی» نامیده می‌شود و عامل ایجاد الگوهای تداخلی دیده‌‌شده در ذرات و امواج در نظر گرفته می‌شود.

باوجود اینکه فلسفه‌‌ی اصلی مکانیک کوانتومی، توصیف دنیای میکروسکوپی بوده، اما در سال‌های اخیر این علم توانسته سیطره‌‌ی خود را در دنیای اشیای بزرگتر نیز نشان دهد (البته اگر بتوان محیطی با ایزولاسیون کافی برای این اشیا ایجاد کرد). به هر حال، به نظر می‌رسد که ما در زندگی روزانه‌‌ی خود به‌‌صورت مرموزی از گزند تجربیات دیوانه‌‌وار دنیای کوانتوم مصون مانده‌‌ایم. هیچ‌کس تا به حال یک گربه‌‌ی زنده-مرده ندیده است و هر بار که شما اقدام به اندازه‌‌گیری موقعیت یک ذره کنید، نتیجه‌‌ی مشخصی به دست می‌آورید.

گربه‌ی شرودینگر، یکی از مشهورترین نمونه‌های تعارضات دنیای فیزیک بوده است

وقتی به‌‌منظور توجیه زیبایی فیزیک، به مکانیک کوانتومی متوسل می‌‌شویم، به نظر می‌رسد که دراین‌میان، مفهوم «یگانگی جهان» قربانی می‌‌شود. اما چنین نتیجه‌گیری‌‌ای از دید سطحی ما ناشی می‌‌شود. آنچه که معمولا در این دیدگاه نادیده گرفته می‌شود این است که ایده‌‌ی چندجهانی اورت، مفهومی بنیادین نیست. همان‌‌طور که دیوید والاس، فیلسوفی در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی تاکید دارد، این ایده تنها یک کرد ظاهری از واقعیت است.

برای درک این نکته باید بتوانیم اصول پنهان در پس اندازه‌گیری‌های کوانتومی و «کنش شبح‌‌وار از راه دور» را درک کنیم. ابزاری که برای درک این دو پدیده در اختیار داریم، مفهومی است که به‌‌عنوان «درهم‌تنیدگی» شناخته می‌شود. این مفهوم اولین‌‌بار توسط اینشتین، بوریس پولدولسکی و ناتانیل روزن در سال ۱۹۳۵ به‌‌کار گرفته شد. در مکانیک کوانتومی، اگر دو سیستم یک بار با هم اندرکنش داشته و سپس از هم جدا شوند، اندازه‌گیری روی یکی از آن‌ها، تأثیری آنی در حالت دیگری ایجاد می‌کند، حتی اگر این دو ذره خیلی از هم دور شده باشند. به‌طور مثال با مشخص شدن اینکه اسپین یکی از ذرات ساعت‌گرد است، اسپین ذره‌‌ی دوم بی‌درنگ به حالت پادساعت‌گرد می‌رود؛ چه فاصله‌‌ی این ذرات چند متر باشد و چه چند صد کیلومتر. درهم تنیدگی، روشی است که طبیعت از آن برای پیونددادن ذرات در یک سیستم بزرگتر بهره می‌‌برد. در چنین سیستم‌‌هایی، اجزا به‌‌صورت منفرد ویژگی خاصی ندارند و تنها کل سامانه‌‌، ویژگی‌‌ها را تعیین خواهند کرد.

هر زمان که یک سیستم کوانتومی مورد سنجش قرار می‌‌گیرد یا با محیط اطراف خود جفت می‌‌شود، درهم‌تنیدگی نقش مهمی را ایفا می‌کند: سیستم کوانتومی، ناظر و سایر جهان همگی باهم درآمیخته می‌‌شوند. از دیدگاه ناظر محلی، اطلاعات در محیطی ناشناخته پراکنده می‌شوند و فرآیندی به نام «ناهمدوسی کوانتومی» آغاز می‌‌شود (این پدیده برای اولین‌‌بار توسط اچ. دیتر زه در سال ۱۹۷۰ کشف شد). ناهمدوسی عاملی است که ازدست‌‌رفتن خواص کوانتومی یک سیستم را در زمان تعامل با محیط توصیف می‌‌کند. ناهمدوسی به‌‌مانند دری در میان واقعیات موازی موجود در فیزیک کوانتومی عمل می‌‌کند. از دیدگاه ناظر، به نظر می‌رسد که جهان و خود فرد به انشعابات اورت مجزایی تفکیک می‌‌شوند. ناظر یا گربه‌‌ی زنده را می‌‌بیند یا گربه‌‌ی مرده. و دراین‌میان، هیچ حالت بینابینی برای او وجود نخواهد داشت. دنیا از دیدگاه او کاملا کلاسیک به نظر می‌رسد، درحالی‌که از دیدگاه جهان، هنوز قوانین مکانیک کوانتوم جاری است. درواقع، در این دیدگاه کل جهان یک شی کوانتومی خواهد بود.

این همان مرحله‌‌ای است که «یگانگی کوانتومی» (Quantum Monism) وارد عمل می‌‌شود؛ جاناتان شافر، فیلسوف دانشگاه راجرز، اولین فردی بود که حین اندیشیدن درمورد ذات سازنده‌‌ی جهان، مفهوم یگانگی کوانتومی را مطرح کرد. براساس این مفهوم جدید، لایه‌‌ی بنیادین واقعیت از ذرات یا ریسمان‌‌ها تشکیل نشده؛ بلکه از خود جهان به‌‌معنای یک حالت کوانتومی درهم‌‌تنیده ساخته شده است و نه به‌‌مفهوم مجموعه‌‌ای از اشیاء کوچکتر.

چنین تفکراتی پیش‌‌از‌‌این نیز مطرح شده بود. به‌‌عنوان مثال، فیزیک‌‌دان و فیلسوفی به نام کارل فریدریش فون ویزاچر قبلا این ایده را مطرح کرده بود که بررسی جدی‌‌تر مکانیک کوانتوم چنین پیش‌‌بینی می‌‌کند که یک واقعیت کوانتومی منحصر‌‌به‌‌فرد در پس ایده‌‌ی چندجهانی وجود دارد. همگنی و نوسانات دمایی اندک در تابش زمینه‌ی کیهانی این واقعیت را نشان می‌دهد خاستگاه جهان قابل‌مشاهده‌‌ی ما می‌تواند به یک حالت کوانتومی منفرد بازگردد که معمولا با میدان کوانتومی عامل تورم اولیه شناسایی می‌‌شود.

هر دو مفهوم یگانگی کوانتومی و تعدد جهان‌‌های اورت حاصل پیش‌‌بینی‌‌های جدی علم مکانیک کوانتوم هستند. تنها چیزی که این دیدگاه‌‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند، زاویه‌ی نگاه ماست: «آنچه که از دیدگاه یک ناظر محلی به‌‌صورت تعدد جهان‌‌ها به نظر می‌‌آید، از دیدگاه جهانی، تنها یک جهان منحصر‌‌به‌‌فرد است» (این دیدگاه مانند آن است که کسی بتواند از بیرون به کل جهان نگاه کند).

جاناتان شافر در حال ارائه‌ی سخنرانی خود با موضوع متافیزیک در لندن (سال ۲۰۱۷)

به‌‌عبارت دیگر، آنچه که یک ناظر با اطلاعات محدود در مورد جهان از یگانگی کوانتومی می‌‌بیند، تعدد جهان‌‌ها است. در حقیقت، انگیزه‌‌ی اصلی اورت نیز، ارائه‌‌ی یک توصیف کوانتومی از کل جهان بااستفاده از یک «تابع موج جهانی» بود. این بدان معنا است که اگر بخواهید به بیرون از پنجره نگاه کنید، طبیعت برایتان به‌‌شکل قطعاتی مجزا به‌‌نظر خواهد آمد؛ اما این نتیجه‌‌گیری تنها حاصل نوع نگاه خود شماست.

همان‌‌طور که در اینجا نشان‌ داده شد، یگانگی کوانتومی باید به‌‌عنوان یک مفهوم کلیدی در فیزیک مدرن تلقی کرد. این مفهوم قادر است توضیح دهد که چرا «زیبایی» (درمعنای ساختار، همبستگی و تقارن در میان قلمروهای به ظاهر مستقل طبیعت)، تنها یک مفهوم آرمانی و تخیلی نیست؛ بلکه پیامدی از نزول طبیعت به یک حالت کوانتومی مجرد است. علاوه‌‌بر این، یگانگی کوانتومی برخی از ایرادات وارد بر چندجهانی را نیز مرتفع می‌‌کند؛ زیرا پیش‌بینی می‌کند که همبستگی تنها مختص‌‌به یک جهان کوچک خاص نیست؛ بلکه در هر شاخه از چند جهانی (نظیر گردش اسپین‌‌های درهم‌‌تنیده در خلاف جهت یکدیگر) کارکرد دارد.

درنهایت، یگانگی کوانتومی، می‌تواند ما را درمواجهه با بحران فعلی فیزیک بنیادی تجربی را در تکیه‌‌بر برخورددهنده‌‌های بزرگ و بزرگتر برای مطالعه‌‌ی اجزای کوچک و کوچک‌‌تر طبیعت یاری کند. چراکه این ایده را مطرح می‌‌کند که کوچک‌ترین ذرات قابل‌‌شناسایی به‌‌هیچ‌‌وجه شاکله‌‌ی لایه‌‌ی بنیادین واقعیت نیستند. از این‌‌رو، مطالعه‌‌ی مبانی مکانیک کوانتومی، قلمرو‌‌های جدید در نظریه‌‌ی میدان کوانتومی یا بزرگ‌ترین ساختارها در کیهان‌شناسی نیز ممکن است به همان اندازه مفید واقع شوند.

مسلما این بدان معنا نیست که هرگونه تقارنی که دیده می‌‌شود، به مبانی فیزیک اشاره دارد یا هر درکی از زیبایی باید در طبیعت تحقق یابد. اما به ما می‌گوید که نباید جست‌و‌‌جوی خود را متوقف کنیم. بدین سان، یگانگی کوانتومی توانایی نجات روح علم را دارد: این عقیده که بالاخره یک واقعیت منحصر‌‌به‌‌فرد، قابل‌فهم و بنیادی در جهان ما وجود دارد، بسیاری از پریشانی‌های فعلی ما را در مورد ذات جهان تسکین خواهد داد.