پارادوکس امواج شرودینگر

0

نوشته جان گریبین

ترجمه بهرام معلمی

اروین شرودینگر در ۱۲ اوت ۱۸۸۷ در وین به دنیا آمد و در ۴ ژانویه ۱۹۶۱ در همان جا رخت بربست. او یکی از جامع‌ترین فیزیکدانان نسل خود بود، در چندین زمینه فیزیک سهم مهمی داشت و افزون بر این، کتابی نوشت که بر دانشمندانی که ماهیت DNA را کشف کردند تأثیر عمده‌ای بر جای گذاشت. او به فلسفه و تاریخ علم علاقه‌مند بود کتاب‌هایی در این رشته‌ها، مناسب با فهم همگان، هم به انگلیسی و هم به زبان مادری خود نوشت که در نوع خود از جمله آثار کلاسیک دانسته شده‌اند. اما، دانشمندان بیشتر از هر چیز شرودینگر را به خاطر معادله موج، که نامیده به نام به اوست، به یادمی‌آورند، زیرا این معادله به صورت یکی از مفیدترین ابزار فیزیک کوانتومی درآمده است.

جالب اینکه، شرودینگر معادله مشهور خود را ارائه داد تا رفتار الکترون‌ها را در داخل اتم بر حسب امواج توضیح دهد. او در راستای اصلاح و تجدید حیات دیدگاه کلاسیک علم تلاش می‌کرد. دیدگاهی که از ایزاک نیوتون و جیمز کلرک ماکسول نشأت می‌گرفت. در دنیای آنها، امواج و ذرات چیزهای جدایی بودند، که مجموعه معادلات متفاوتی آنها را توصیف می‌کردند. شرودینگر خود نمی‌دانست که به تکمیل کردن جریان براندازی و اضمحلال این اندیشه‌های قدیمی کمک می‌کند، و دنیایی به جای آنها می‌گذارد که اشیای آن هم می‌توانند موج باشند و هم ذره. آواز پرداختن به مفاهیم مکانیک کوانتومی، مانند مفهومی که در عبارت مشهور آلبرت اینشتین مبنی بر اینکه “خدا تاس بازی نمی‌کند”(اینشتین در مخالفت با اینکه قوانین مکانیک کوانتومی بر پایه احتمالات استوار است، این جمله مشهور را بیان کرده است.) روی‌گردان بود. این سخن طعنه‌آمیز تا امروز همچنان زنده است، زیرا آشنایی تسلی بخش، هر چند کم مایه، با معادله موج هنوز هم بسیاری از استفاده کنندگانش را با این توهم آرام می‌کند که فیزیک کوانتومی در واقع تنها گسترشی از ایده‌های کلاسیک است. اما هیچ چیز نمی‌تواند فراتر از حقیقت باشد.

تبلیغ: دوره آموزش الکترونیکی: پداگوژی، ابزارها و تولید محتوای آموزشی

در دهه ۱۹۲۰، مسائلی که فیزیکدانان را ناگزیر کرد با گذشته رشته پیوند بگسلند به رفتار الکترون‌ها در اتم‌ها ارتباط پیدا می‌کرد. فیزیکدانان می‌دانستند که الکترون‌ها می‌توانند فقط ترازهای انرژی معینی را درون یک اتم اشغال کنند. آنان گذار از یک تراز انرژی به تراز دیگر را به کمک طیف‌نمایی (اسپکتروسکوپی) مورد مطالعه قرار دادند. وقتی الکترونی از یک تراز انرژی بالاتر به تراز انرژی پایین‌تری می‌جهد مقدار صحیحی انرژی به صورت یک فوتون نور با طول موجی خاص گسیل می‌کند. اگر الکترون‌ها جهش مشابهی را به اندازه کافی انجام دهند، نتیجه کار خط درخشانی در طیف است. وقتی الکترون‌ها از یک تراز انرژی پایین‌تر به تراز انرژی بالاتری می‌جهند، مقدار درستی انرژی جذب می‌کنند، و در طیف خطی تاریک بر جای می‌گذارند. نیلز بور، دانشمند دانمارکی که پیش از جنگ جهانی اول در انگلستان به تحقیقات اشتغال داشت، وقتی پیشنهاد کرد که الکترون‌ها تنها می‌توانند “مدارهای” معینی را به دور هسته مرکزی اتم اشغال کنند، و جذب یا گسیل کوانتوم‌های انرژی با جهش از یک مدار به مدار دیگر متناظر است، در راستای فهم این پدیده نخستین گام را برداشت. اما این جهش‌ها چگونه اتفاق می‌افتند؟ چرا الکترون‌ها به مدارهای معینی محدود بودند؟ و در تصمیم اینکه چه موقع و به کجا بجهند، از چه قواعدی پیروی می‌کنند؟ یکی از رهیافت‌ها به این مسائل حاصل تابستان ۱۹۲۵ بود، وقتی که ورنر هایزنبرگ فیزیکدان آلمانی، توصیفی از رفتار الکترون‌ها بدست داد، که به عنوان مکانیک ماتریسی شناخته شد. پل دیراک در کمبریج و ماکس بورن این اندیشه را که نخستین بیان ریاضی خود سازگار از رفتار الکترون‌ها در اتم‌ها بود-یعنی نخستین نظریه کوانتومی واقعی-به سرعت دنبال کردند. اما دانشمندان آن زمان با این ریاضیات آشنا نبودند، ریاضیاتی که دشوار و فاقد “ادراک معمولی” شهودی بود که به فهم آن کمک کند. وقتی شرودینگر در ۱۹۲۶ با نظریه کوانتومی خود سازگار دیگری مبتنی بر امواجی که همگان با آن آشنا بودند، از راه رسید، روایت او قبول عام یافت، هرچند که دیراک و دیگران به زودی نشان دادند که در واقع میان این دو رهیافت تفاوت و اختلافی وجود ندارد.

رهیافت شرودینگر بر پایه کار لویی دوبروی، که اندیشه الکترون‌های موجی، و نه ذره‌ای را به میان آورده بود، پا گرفت. یک موج می‌تواند در مداری به دور هسته “ثابت” شود فقط اگر محیط مدار تعداد دقیقی از طول موج‌ها باشد. به نظر می‌رسید این بیان توضیح می‌دهد که چرا الکترون‌ها می‌توانند تنها مدارهای معینی را اشغال کنند.

وفاداری به نظم کهن

شرودینگر بهره‌گیری از این اندیشه را غنیمت شمرد، و بیان نظریه کوانتومی به روایت خود را در ضمن یک فعالیت شدید در خلال شش ماه در ۱۹۲۶، پدید آورد. او ۳۹ ساله بود، سنی که برای یک کار ریاضی نو مایه و اصیل خیلی دیر است. شاید، سن او سررشته‌ای به دستش داد تا نسبت به اندیشه دوبروی اشتیاق پیدا کند، او یک جوان انقلابی و برازنده وضع موجود نبود، بلکه مرد مسنی بود خواهان حفظ نظم کهن. این اندیشه را دوبروی ابراز کرد، اما از طریق اینشتین، کار دوبروی سال‌ها در ابهام باقی مانده بود. دانشمندان آن را چیزی بیش از یک ابهام ریاضی جالب توجه و بدون هیچ‌گونه واقعیت فیزیکی ندانسته بودند، تا اینکه مورد توجه اینشتین واقع شده بود. اینشتین درباره نظریه دوبروی با بورن سخن گفته بود و به این وسیله یک رشته کار آزمایشی ترتیب یافت که واقعیت امواج الکترونی را اثبات کردند. شرودینگر یکی از مقالات اینشتین را، که در فوریه ۱۹۲۵ چاپ شد، مطالعه کرد.

اینشتین ضمن تقریظی که به کار دوبروی نوشت، اظهار داشت: “به عقیده من این اندیشه شامل چیزی بیش از یک شباهت صرف است.”

در آن روزها فیزیکدانان به هر کلام اینشتین حجت می‌کردند. یک اشاره سر از سوی این مرد بزرگ کافی بود تا شرودینگر را به پژوهش در استنتاج‌هایی برانگیزد که به اندیشه دوبروی اعتبار می‌بخشید.

شرودینگر در میان فیزیکدانانی که نظریه کوانتومی نوین را تکامل دادند انسان غریبی بود. او دکترای خود را پیش از ۱۹۱۰ دریافت داشته بود. تا ۱۹۲۱، استاد فیزیک زوریخ، یکی از ارکان قابل احترام جامعه علمی، بوده است؛ اما سرچشمه آشکاری از اندیشه‌های نوین انقلابی نبوده است. ماهیت سهمی که در نظریه کوانتومی داشت تا حد زیادی همان بوده که از یک عنصر وابسته به نسل مسن‌تر نیمه دهه ۱۹۲۰ انتظار داریم. گروه گوتینگن، و حتی دیراک نیز خیلی بیشتر نظریه کوانتومی را تجریدی‌تر کرده بودند، و آن را از اندیشه‌های فیزیکی روزمره جدا کرده بودند.

از سوی دیگر، شرودینگر تلاش می‌کرد که مفاهیم فیزیکی را، با توصیف فیزیک کوانتومی بر حسب امواج، که جنبه‌های آشنای دنیای فیزیکی‌اند، به گونه‌ای که به آسانی فهمیده شوند، اصلاح کند. او تا پایان عمرش بر علیه اندیشه‌های نوین عدم موجبیت، و جهش الکترون‌ها به طور همزمان از یک حالت به حالت دیگر، مبارزه کرد. اگر برای حرکت الکترون‌ها میان ترازهای انرژی مختلف زمانی صرف نشود-که ظاهراً هم چنین اتفاقی می‌افتاد-پس نظریه نسبیت اینشتین نمی‌توانست اعمال شود و نیوتون هم نمی‌توانست مدلی فیزیکی را ایجاد کند.

دوبروی با اندیشه خود راهی را نشان داده بود که به موجب آن امواج الکترونی “واقع در مدار” به دور یک اتمی باید با تعداد صحیحی از طول موج‌ها در داخل هر مدار منطبق باشند. مدارهای میانی “ممنوع” بودند. شرودینگر، به کمک روابط ریاضی مربوط به امواج ترازهای انرژی “مجاز”، در هر وضعیت را محاسبه کرد.

ابتدا، او از پاسخ خود مأیوس شد؛ این ترازهای انرژی با الگوهای شناخته شده طیف‌های اتمی نمی‌خواندند. در روش او چیز اشتباهی وجود نداشت، تنها علت شکست اولیه او این بود که اسپین الکترون را به حساب نیاورده بود. این موضوع چندان مایه شگفتی نبود زیرا، در ۱۹۲۵، مفهوم الکترون‌های چرخنده هنوز هم روشن نبود.

شرودینگر به مدت چندین ماه کار را به کناری نهاد، و فراموش شد که او نخستین شخصی بوده است که بیان کامل ریاضی کوانتوم‌ها را، که منطقی و سازگار بود، منتشر کرده است.

وقتی دانشمندان از شرودینگر درخواست کردند که در نشستی کار دوبروی را توضیح دهد، وقتی برای آمادگی این اندیشه را مطالعه می‌کرد دریافت که اگر آثار نسبیت را از محاسبات خود کنار بگذارد، در موقعیت‌هایی که آثار نسبیتی اهمیتی ندارند به توافق خوبی با مشاهدات اتمی دست پیدا می‌کند. همانطور که دیراک بعداً نشان داد، اسپین الکترون ذاتاً یک خاصیت نسبیتی است. این خاصیت با خاصیتی به نام اسپین که ما به اجسام چرخنده در دنیای روزمره نسبت می‌دهیم هیچ وجه تشابهی ندارد. سهم عظیم شرودینگر در نظریه کوانتومی به صورت یک رشته مقاله در ۱۹۲۶ بود که، در پی مقالاتی پیرامون مکانیک ماتریسی، منتشر کرد.

شرودینگر با تصویر واضحی از اتم به عنوان یک موجود “واقعی” به این کار اقدام کرد. اندیشه‌ای که بر مبنای آن الکترون‌ها موج‌اند، در قلب نظریه او قرار داشت. هایزنبرگ با تأمل و سنجیدگی هرگونه تصویری را از اتم به کناری نهاد و تنها به کمیت‌هایی پرداخت که آزمایش می‌توانست آنها را اندازه‌گیری کند. گرچه، این تصور که الکترون‌ها ذره‌اند در قلب نظریه او جای داشت. این دو رهیافت نمی‌توانستند تفاوت دیگری داشته باشند، بلکه هر دو مجموعه معادلاتی پدید می‌آوردند که دقیقاً رفتار چیزهایی را توصیف می‌کرد که آنها را می‌شد در دنیای کوانتومی اندازه‌گیری کرد.

این امر، در بادی امر شگفتی‌آفرین بود. با همه اینها کوته مدتی نگذشته بود که، شرودینگر، سپس کارل اِکارت آمریکایی و پس از آنها دیراک، از لحاظ ریاضی اثبات کردند که این دو مجموعه معادلات دقیقاً با یکدیگر معادل‌اند. آنان دیدگاه‌های متفاوتی از یک دنیای ریاضی یکسانی ارائه می‌دادند. این کشف اعتماد فیزیکدانان نسبت به این دو برهان را تقویت کرد. به نظر می‌رسد که، هر نوع صورتبندی ریاضی را که بخواهید به کار گیرید، در موقع درگیر شدن با مسائل بنیادی نظریه کوانتومی بدون هیچگونه بروبرگردی به “پاسخ‌های” مشابهی می‌رسد. اما، طبیعی است که فیزیکدانان دهه ۱۹۲۰ کار با آشناترین روایت این معادلات، یعنی امواج شرودینگر، را برگزیدند. آنان می‌توانستند این معادلات را به آسانی بفهمند و در کاربرد آنها در مسائل فیزیکی معمولی، مانند نور شناخت، هیدرودینامیک و مانند آنها، کارآزموده بودند. اما موفقیت روایت شرودینگر از رفتار الکترون‌ها احتمالاً مانع درک بنیادی ما از دنیای کوانتومی شده است.

شکست فیزیک کلاسیک با تحقق این نکته تکمیل شد که نه تنها رفتار فوتون‌ها و الکترون‌ها بلکه تمامی “ذرات” زیر اتمی توضیح داده شد، و تمامی “امواج” بسته به اینکه چه چیزی اندازه‌گیری می‌شود به صورت امواج یا ذرات رفتار می‌کنند.

این دقیقاً همان چیزی نیست که می‌گوید مدل اتمی بور با “مدارهایش” برای الکترون‌ها تصویر مردودی است. تمامی تصویرها مردود بودند. نمی‌توانیم برای فهم آن چیزی که درون اتم‌ها جریان دارد شباهت‌هایی را ارائه دهیم. اتم‌ها مثل اتم‌ها رفتار می‌کنند، و نه چیزی دیگر.

سر آرتور ادینگتون در کتاب خود به نام ماهیت جهان فیزیکی، که در سال ۱۹۲۹ منتشر شد، این وضعیت را به طور تابناکی جمع‌بندی کرد.

او گفت: “هیچ کدام از مفاهیم آشنا را نمی‌توان در مورد الکترون به کار برد، و بهترین توصیف ما از اتم به این نتیجه می‌رسد که “چیز ناشناخته‌ای در کار است که ما نمی‌دانیم چیست”. او خاطر نشان می‌کند که این “حاکی از نظریه‌ای که به طور خاصی روشنگر باشد نیست”.

نکته این است که هرچند ما نمی‌دانیم الکترون‌ها در اتم‌ها چه کار می‌کنند، اما می‌دانیم که تعداد الکترون‌ها مهم است. کم یا زیاد شدن تعداد معدودی از آنها قضیه را از بیخ و بن عوض می‌کند؛ “هشت شبح گردان در اکسیژن، و هفت تا از آنها در نیتروژن وجود دارد، اگر یکی از این اشباح داخل اکسیژن به نحوی خارج شود، اکسیژن با پوشیدن جامه‌ای جادویی به نیتروژن تبدیل می‌شود”. این سخنی مطایبه‌آمیز و شوخی نیست. به شرط آنکه این تعداد نامتغیر باشند، که ادینگتون تقریباً ۶۰ سال پیش آن را خاطر نشان کرد، تمام بنیادهای فیزیک می‌تواند به همان “تعبیر قضیه از بیخ و بن” تعبیر شود. اگر ما همبستگی غریزیی را که در ذهنمان از اتم‌ها به صورت کره و از الکترون‌ها به صورت ذرات کوچک-یا امواج-داریم قطع کنیم، هیچ گونه فقدان معنی وجود نخواهد داشت و به طور قابل تصوری سود زیادی هم در بر دارد.

در بادی امر، چنین به نظر می‌رسید که توصیف موجی، به راستی، فیزیک کلاسیک را به همان مرکزیت خود بازگردانیده، و فوریت رازآمیز الکترون‌ها میانگین ترازهای انرژی را به کناری نهاده است. آنان که نظریه موجی را ارائه دادند ابتدا فکر می‌کردند که تغییرات انرژی با تغییرات شیوه‌های معمولی ارتعاش یک ریسمان-از هماهنگ اول به هماهنگ دوم و الی آخر-معادل است. پس از تحلیل دقیق‌تر، فیزیکدانان پی بردند که داشتن تصویری از یک “الکترون واقعی” دقیق نیست. آنان فقط یک فرمول ریاضی در اختیار داشتند تا توصیف کنند که اشباح سرگردان وقتی به روشی معین برانگیخته می‌شوند چگونه به این سو و آن سو حرکت می‌کنند.

این مطلب را هایزنبرگ در کتابش به نام فیزیک و فلسفه بیان کرد؛ “پارادوکس‌های دوگانگی میان تصویر موجی و تصویر ذره‌ای حل نشدند”؛ “آنها به نحوی در طرح ریاضی نهان بودند”.

شرودینگر قانع نشده بود. او همانطور که در ۱۹۲۶ به بور خاطرنشان کرده بود تصمیم گرفته بود از دست این “جهش کوانتومی لعنتی” رهایی یابد. اگر مکانیک موجی این کار را برای او انجام نمی‌داد، پس “من علاقه‌ای به آن ندارم و متأسفم که یک زمانی برای این مکانیک کاری کرده‌ام”.

بورن اندیشه امواج شرودینگر را به صورت امواج “احتمال” که اهمیتی فیزیکی نداشت اما در تعیین محتمل‌ترین مکان الکترون مؤثر بود، تکامل داد. این همان چیزی است که اینشتین را به اظهارنظر معروفش درباره اینکه به خدایی که با عالم تاس بازی می‌کند اعتقادی ندارد، برانگیخت.

بور این اندیشه را که هیچ چیز واقعیت ندارد مگر رویدادهایی که مستقیماً در آزمایش مشاهده می‌کنید، به تعبیر متداول مکانیک کوانتومی افزود. بور می‌گفت، اگر الکترون واقعاً آشکار سازی نمی‌شود، پس عملاً، وجود ندارد. این الکترون به همان سادگی که یک موج است می‌تواند ذره باشد. آزمایش‌هایی که برای آشکار سازی امواج طراحی می‌شدند همیشه همین طور پاسخ می‌دادند: آزمایش‌هایی که برای الکترون انجام می‌شد تا ذرات را به دام اندازد همیشه به همین نتیجه می‌رسیدند. هیچ آزمایشی نمی‌توانست هر دو نوع رفتار را در آن واحد اندازه‌گیری کند. بنابراین دوگانگی موج-ذره همیشه تنها یک چهره را در یک زمان نشان می‌دهد. این پذیرش پارادوکس که به تعبیر کپنهاگی معروف شد، شرودینگر را تحت تأثیر قرار نداد. او در ضمن هواداری از اینشتین، “آزمایش ذهنی” مشهور خود را درباره گربه‌ای در یک جعبه ارائه داد تا این مفهوم را به تمامی به سخره گیرد.

این معما اولین بار در ۱۹۳۵ چاپ شد. اینشتین طرح شرودینگر را “زیبا ترین راه” برای نشان دادن این موضوع دانست که نمایش موجی ماده نمایشی ناکامل از واقعیت است. پارادوکس گربه هنوز هم در نظریه کوانتومی امروز مورد بحث است. در این پارادوکس حل نشده است اما، به رغم نیت شرودینگر، هیچ نتیجه فیزیک کوانتومی هم بر اثر خنده و استهزاء از میدان به در نرفته است. طرح شرودینگر چنین بود که فرض می‌کنیم جعبه‌ای حاوی یک چشمه رادیو اکتیویته، آشکارسازی، مانند شمارشگر گایگر، که وجود ذرات رادیو اکتیو (پرتوزا) را ثبت می‌کند، یک بطری شیشه‌ای که حاوی سم، مانند سیانید است، و یک گربه زنده داشته باشیم. این دستگاه‌ها را چنان در جعبه‌ای می‌آراییم آشکارساز درست به مدتی روشن باشد که برای آنکه یکی از اتم‌های ماده پرتوزا فروپاشد شانس ۵۰/۵۰ وجود داشته باشد. اگر یک اتم فروپاشد، آشکارساز یک ذره را ثبت می‌کند. اگر آشکارساز رویدادی را ثبت کند، ظرف شیشه‌ای می‌شکند و گربه می‌میرد. در غیر این صورت، گربه زنده می‌ماند. برای آگاهی از “نتیجه” این آزمایش هیچ راهی نداریم جز آنکه جعبه را باز کنیم و به درونش نگاه کنیم. واپاشی رادیو اکتیو کاملاً تصادفی و غیر قابل پیش‌بینی است، مگر به یک مفهوم آماری. مطابق تعبیر متداول فیزیک کوانتومی، این دو امکان همپوشی چیزی را تولید می‌کنند که به آن بر همنهی حالت‌ها می‌گویند. این قاعده که برهمنهی “واقعی” است بر کل آزمایش، گربه و همه چیزهای دیگر، حاکم است تا زمانی که به آزمایش نگاه کنیم، تنها در لحظه مشاهده تابع موج-موج احتمال بودن_به یکی از دو حالت فرو می‌ریزد. همین که به داخل نگاه کنیم، نمونه رادیو اکتیوی وجود دارد که هم واپاشیده است و هم وانپاشیده است، ظرفی شیشه‌ای از سم که هم شکسته و هم نشکسته است، و گربه‌ای که هم زنده و هم مرده است، نه زنده است و نه مرده.

این همان چیزی است که ذره‌های بنیادی مانند الکترون را چنان فرض کنیم که نه اینجاست و نه آنجا بلکه یک برهمنهی از حالت‌هاست، و تصور چیزی آشنا مانند گربه‌ای با حیات در حالت تعلیق، خیلی دشوار است. شرودینگر این مثال را عنوان کرد تا ثابت کند در تعبیر استاندارد تندبادی در جریان است، زیرا گربه “آشکارا” نمی‌تواند در عین حال هم زنده باشد و هم مرده. اما آیا از این “واقعیت” هم “آشکارتر” است که الکترون در آن واحد نمی‌تواند هم ذره باشد و هم موج؟

عقل سلیم به عنوان راهنمایی به سوی واقعیت کوانتومی آزموده شده و انتظارات را برآورده است. تنها چیز مطمئنی که از دنیای کوانتومی می‌دانیم، یعنی همان اصول اساسی تعبیر بور، این نیست که به عقل سلیم خود اعتماد کنیم. باید تنها به چیزهایی اعتقاد داشته باشیم که مستقیماً می‌بینیم. یا با ابزاری که در اختیار داریم آنها را بدون ابهام آشکارسازی کنیم و تا به داخل جعبه نگاه نکنیم نمی‌دانیم درون آن چه می‌گذرد.

دانشمندان پنجاه سال است درباره گربه در جعبه بحث کرده‌اند. یکی از نحله‌های فکری می‌گوید مسئله‌ای وجود ندارد، زیرا گربه کاملاً قادر است برای خودش تصمیم بگیرد که زنده است یا مرده، و اینکه آگاهی گربه برای راه انداختن جریان فروریزش تابع موج کافی است. در این مورد، چه خطی را دنبال می‌کنید؟ آیا یک حشره یا باکتری از ماجراهایی که اتفاق افتاد باخبر بود؟ اگر از جهت دیگری به مسئله نگاه کنیم، از آنجا که این تنها یک آزمایش ذهنی است، می‌توانیم یک آدم داوطلب را که در جعبه جای گربه را گرفته است به تصور درآوریم. فیزیکدانان گاهی این داوطلب را به نام اوگن ویگنر، فیزیکدانی که پیرامون تغییرات آزمایش گربه در جعبه عمیقاً فکرکرده است، “دوست ویگنر” می‌نامند. انسان ساکن در جعبه آشکارا ناظر صالحی است که دارای توانایی مکانیک کوانتومی برای در هم ریختن تابع موج است. وقتی جعبه را باز می‌کنیم، با فرض اینکه این خوشوقتی را داریم که او را هنوز زنده می‌یابیم، کاملاً می‌توانیم مطمئن باشیم که منبع رادیو اکتیو در زمان معین از تولید هر ذره‌ای بازمانده است. اما، برای ما که در بیرون جعبه‌ایم تنها روش درست توصیف کردن شرایط درون جعبه، یا زمانی که نگاه می‌کنیم، برهمنهی حالت‌هاست.

اگر به جای دوست ویگنر کامپیوتری قرار دهیم، می‌تواند اطلاعاتی درباره واپاشی رادیو اکتیو، یا فقدان آن، را ثبت کند. آیا کامپیوتر می‌تواند تابع موج را، دست کم در داخل جعبه، فرو ریزد؟ چرا که نه؟ مطابق یک دیدگاه دیگر، نکته مهم آگاهی انسان از نتیجه آزمایش، یا حتی آگاهی از یک موجود زنده نیست، بلکه این واقعیت مهم است که نتیجه یک رویداد در سطح کوانتومی ثبت شده باشد، یا با جهان “کبیر” تماسی داشته باشد. اتم رادیو اکتیو ممکن است در یک برهمنهی از حالت‌ها باشد، اما به محض آنکه حتی یک شمارشگر گایگر، به “جستجوی” محصولات واپاشیده یا غیر واپاشیده، رانده می‌شود.

شما نمی‌توانید گربه در جعبه را با تعبیر استاندارد نظریه کوانتومی آشتی دهید بدون اینکه “واقعیت” گربه مرده-زنده را بپذیرید. با همه اینها مکانیک کوانتومی به عنوان ابزاری عملی برای طراحی لیزرها، مدارهای حالت جامد یا برای توضیح فرمول‌های شیمیایی مولکول‌های زیستی به طرز زیبایی کار می‌کند. در مقیاسی وسیع، دنیای خود را بر درک معادلات مکانیک کوانتومی بنا کرده‌ایم که بورن و بور در اواخر دهه ۱۹۲۰ آنها را بدست دادند. ما هنوز هم اندیشه‌ای نداریم که چیزی در پشت این معادلات نهان است.

تصویر جذاب امواجی که از نظر فیزیکی واقعی‌اند دارد و هسته‌های اتمی را دور می‌زنند، یعنی تصویری که به کشف معادله موجی شرودینگر انجامیده و اکنون به نام خود اوست، اشتباه است. مکانیک موجی دیگر راهنمایی به دنیای اتمی نیست چنانکه مکانیک ماتریسی هست؛ اما، مکانیک موجی بر خلاف مکانیک ماتریسی تصوری از چیزی آشناتر بدست می‌دهد. این تصور تا امروز دوام آورده است، اختلاف کلی میان دنیای اتمی و جهان روزمره را غیر واقعی جلوه می‌دهد. چندین نسل دانشجو، که هم اکنون استاد دانشگاه شده‌اند، اگر ناچار می‌شدند با ماهیت انتزاعی رهیافت هایزنبرگ و دیراک سر و کار پیدا کنند به درک بسیار عمیق‌تری از نظریه کوانتومی دست می‌یافتند، و در عوض آن به این تصور رسیدند که آنچه درباره رفتار امواج در دنیای معمولی می‌دانسته‌اند تصویری از شیوه رفتار اتم‌ها به آنها داده است. به نظر من، به همین علت است که هر چند در راستای کاربرد مکانیک کوانتومی به شیوه دستورالعملی در بسیاری از مسائل جالب کوچک گام‌های عظیمی برداشته شده است، ما امروزه در ارتباط با ادراک بنیادی خود از فیزیک کوانتومی، نسبت به فیزیکدانان اواخر دهه ۱۹۲۰ در وضعیت بهتری نیستیم. موفقیت معادله شرودینگر به عنوان ابزاری عملی از اندیشیدن آدمیان درباره اینکه این ابزار چگونه و چرا کار می‌کنند، جلوگیری کرد.

شرودینگر اظهار نظرش در کتاب حیات چیست؟ (۱۹۴۶) مبنی بر اینکه “اساسی‌ترین سهم یک سلول زنده، یعنی کروموزوم، را می‌توان به طرز درخوری یک بلور غیر تناوبی نامید”، در تکامل علم زیست شناسی مولکولی سهم عمده‌ای ایفا کرد.

هر بلور متناوب می‌تواند تنها مقدار محدودی اطلاعات حمل کند. یک بلور غیر تناوبی که ساختارش از قوانین بنیادی معینی پیروی می‌کند اما تکرار کندی ندارد، می‌تواند مقادیر عظیمی اطلاعات حمل کند. شرودینگر از اصطلاح “دستخط رمزی” برای چیزی بهره گرفت که ما اکنون رمز ژنتیکی می‌نامیم. این اندیشه را معرفی کرد، و این کار را به نحوی انجام داد که هر یک از آنها، که در روزهای دانشجویی خود در دوره لیسانس با بلورنگاری پایه آشنا بودند، می‌توانستند آن را فوراً درک کنند. ساختارها، گروه‌های مولکولی منفرد، حتی شاید اتم‌های منفرد، هرکدام جزئی بودند چندان مهم که حروف جداگانه الفبا برای نوشتن این مقاله اهمیت دارند. به گفته شرودینگر “تعداد اتم‌های (مختلف) در چنین ساختاری لازم نیست خیلی زیاد باشد تا تعداد تقریباً نامحدودی از آرایش‌های ممکن را پدید آورد”. او رمز مورس را به عنوان مثال ارائه کرد، که در آنها “دو علامت مختلف نقطه و خط تیره در گروه‌هایی با ۴ علامت، ۳۰ مجموعه، یا مشخصه را امکان‌پذیر می‌کنند”. به کمک یک علامت سوم، افزون بر نقطه و خط تیره، که در گروه‌هایی به کار رفته‌اند که تعدادشان از ۱۰ پیشتر نیست، می‌توانید ۸۸۵۷۲ “حرف” مختلف تشکیل دهید؛ با پنج علامت و گروه‌هایی تا ۲۵، این تعداد به ۳۷۲۵۲۹۰۲۹۸۴۶۱۹۱۴۰۵ بالغ می‌شود. می‌دانیم که رمز ژنتیکی DNA در واقع صورت حروف الفبای سه علامتی نوشته می‌شود، که از رمز مورس پیچیده‌تر نیست: چهار پایه DNA به صورت گروه‌های سه تایی آراسته می‌شوند، که به آنها “نرینه” می‌گویند.

تأثیر کتاب شرودینگر فراوان بود. کتابی بود که به موقع، به قلمی زیبا و زبانی شیوا نوشته شده بود، و نویسنده یکی از معتبرترین فیزیکدانان زمان خود بود. فرانسیس کریک و جیمز واتسون دو تن از پژوهندگان در تحقیقات نوین زیست شناختی نیز از جمله بسیار کسانی بودند که صریحاً بر تأثیر عمده این کتاب در زندگیشان اقرار کردند. سهم شرودینگر در سرگذشت DNA، جز در میان آگاهان، نسبت به معادله موج او، یا حتی گربه مشهورش، کمتر شناخته شده است. از نظر شیوه تکامل مکانیک کوانتومی بعد از ۱۹۲۶ محتمل به نظر می‌رسد که او ترجیح می‌داده که هر بحثی پیرامون کار علمیش به این مسئله ختم شود، تا اینکه به این جمله پایان پذیرد که “جهش کوانتومی لعنتی”.

مأخذ:

مجله دانشمند دهه ۶۰ –

نوشته جان گریبین

ترجمه بهرام معلمی

New Scientist,

۲۷ Aug. 1987

ممکن است شما دوست داشته باشید

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.