جهان‌های پنهان متعدد مکانیک کوانتومی با پروفسور شان کارول

فیزیک مدرن پر از ایده‌هایی است که با درک عمومی مغایرت دارند، اما با این حال، ادعای قوی برای حقیقت دارند. نمونه بارز آن پارادوکس دوقلوهای اینشتین است، درباره دوقلوهای یکسان که اگر یکی از آنها با سرعت نزدیک به نور سفر کند، با نرخ‌های متفاوتی پیری می‌گذرانند. نمونه دیگر، آزمایش فکری اروین شرودینگر است که شامل گربه‌ای می‌شود که به‌دلیل ویژگی بنیادی مکانیک کوانتومی به‌طور قابل‌بحثی هم مرده و هم زنده است.

اما هیچ نظریه‌ای به اندازه “جهان‌های متعدد” به‌سختی قابل قبول نیست، پیشنهاد اینکه ما تنها یک شاخه از واقعیت‌های ممکن بی‌شمار را تجربه می‌کنیم که مانند شاخه‌های درخت، به جهان‌های موازی نامحدودی منشعب می‌شوند و همه آنها به‌یک اندازه واقعی هستند. این نظریه به طور رسمی به‌عنوان تفسیر جهان‌های متعدد (MWI) مکانیک کوانتومی نامیده می‌شود و این ایده به‌ظاهر پوچ ممکن است واقعاً آنچه در چندجهانی ما در حال وقوع است، باشد.

در جهان‌های پنهان متعدد مکانیک کوانتومی، فیزیکدان نظری مشهور و نویسنده محبوب، پروفسور شون کارول از دانشگاه جان هاپکینز، به‌خوبی نشان می‌دهد که جهان‌های متعدد چارچوبی است که بهترین توضیح را برای مکانیک کوانتومی، که علم ماده و انرژی در مقیاس‌های اتمی و زیر اتمی است، ارائه می‌دهد. در 24 درس جذاب و قابل‌دسترس، او شما را در تاریخ، استدلال و پیامدهای این فرضیه جسورانه راهنمایی می‌کند. پروفسور کارول همچنین نظریه‌های جایگزین را برای جهان‌های متعدد و پرسش‌های بی‌پاسخ در فیزیک بنیادی پوشش می‌دهد و این دوره را به یک پنجره جذاب به وضعیت کنونی این زمینه هیجان‌انگیز تبدیل می‌کند.

به اندازه‌ای که به نظر می‌رسد عجیب نیست

چقدر نظریه جهان‌های متعدد دور از انتظار است؟ این پیامدهای نظریه را در نظر بگیرید:

• چندجهانی: بی‌شماری از جهان‌ها به‌طور همزمان وجود دارند و این تعداد به‌طور نمایی در حال افزایش است. این جهان‌ها مکان مشخصی در فضا ندارند، اما فضا درون هر یک وجود دارد، درست مانند جهان خودمان.
• عدم تماس: هیچ راهی برای سفر به این جهان‌های دیگر وجود ندارد و هیچ سیگنالی نمی‌تواند بین آنها عبور کند. آنها ایزوله و ناشناختنی هستند - با این حال ساده‌ترین نسخه از نظریه کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که آنها وجود دارند.
• نسخه‌ها: نسخه‌های بی‌شماری از شما در این جهان‌های موازی وجود دارد. لااقل، آنها به این معنا که هر یک از شما گذشته یکسانی دارد، شما هستند. با این حال، هر نسخه از شما یک شخص متفاوت است که آینده‌ی منحصر به فردی را تجربه خواهد کرد.

این ادعاها ممکن است مانند داستان‌های علمی تخیلی به نظر برسند، اما دلایل خوبی برای باور کردن آنها وجود دارد. جهان‌های پنهان متعدد مکانیک کوانتومی شما را مرحله به مرحله از طریق مشاهدات، استدلال‌ها و پاسخگویی‌هایی که در ابتدا نظریه کوانتومی را بنا کردند و سپس گروهی از متفکران را ناگسستنی به سمت فرضیه جهان‌های متعدد رهنمون کردند، راهنمایی می‌کند. جهان‌های متعدد به‌هیچ وجه تفسیر مرسوم مکانیک کوانتومی نیستند. اما همانطور که پروفسور کارول نشان می‌دهد، جهان‌های اضافی تقریباً به‌طور معجزه‌آسا از معادله استاندارد ناشی می‌شوند - چه کسی بخواهد به آنها اعتقاد داشته باشد و چه نه.

تولد جهان‌های متعدد

جهان‌های متعدد پاسخی به “تفسیر کپنهاگ” مکانیک کوانتومی است، که نام آن به شهری که مروج اصلی آن، نیلز بور، آزمایشگاهی مشهور خود را در اوایل قرن بیستم داشت، مربوط می‌شود. طراحی شده برای توجیه پدیده‌های عجیب مشاهده‌شده در مقیاس کوانتومی، تفسیر کپنهاگ معتقد است که سیستم‌های کوانتومی با یک تابع موج توصیف می‌شوند که شامل چندین حالت به‌طور همزمان است. این تابع موج تحت تأثیر معادله شرودینگر تا زمان مشاهده سیستم قرار دارد. با اندازه‌گیری، سیستم یک حالت معین را می‌پذیرد، رویدادی که بور و همکارانش آن را “شکست تابع موج” نامیدند. طبق تفسیر کپنهاگ، تابع موج ابزاری ریاضی است که برای پیش‌بینی احتمال نتایج اندازه‌گیری استفاده می‌شود، نه نمایشی مستقیم از واقعیت.

در دهه 1950، فیزیکدان هیوج اورت به این اعتراض کرد که شکست تابع موج یک افزونه غیرضروری به معادله زیبا و ریاضیاتی شرودینگر است. در عوض، او پیشنهاد کرد که شکست تنها ظاهری است و باید به آنچه معادله به ما می‌گوید پایبند باشیم: همه نتایج ممکن به صورت موازی ادامه می‌یابند و منجر به ساختار در حال انشعاب از بسیاری از جهان‌های غیرمتعامل می‌شود.

آیا معماها حل شده‌اند؟

زیبایی جهان‌های متعدد این است که چندین پارادوکس ماندگار را که به مکانیک کوانتومی شهرت داده‌اند، رفع می‌کند. از جمله این موارد:

• “عمل شگفت‌انگیز در فاصله”: این اصطلاحی بود که اینشتین برای تعاملات کوانتومی که به‌نظر می‌رسید سریع‌تر از سرعت نور رخ می‌دهند، به‌دلیل شکست فوری تابع موج، به کار برد.
• گربه شرودینگر: این آزمایش فکری وضعیت گیج‌کننده‌ای از یک گربه را قبل از شکست تابع موج توصیف می‌کند که تعیین می‌کند آیا زنده است یا مرده به‌دلیل رهاسازی تصادفی سم.
• مسئله ناظر: در تفسیر کپنهاگ، عمل صرف مشاهده به‌طور فوری تابع موج را شکست می‌دهد و دنیای کلان افکار و اعمال انسانی را به بخشی تعیین‌کننده از یک سیستم کوانتومی تبدیل می‌کند.

در هر یک از این مثال‌ها، جهان‌های متعدد با فرض اینکه همه نتایج ممکن در واقعیت‌های جداگانه‌ای روی می‌دهند، از این مشکلات دور می‌شوند. در مورد “عمل شگفت‌انگیز در فاصله”، پیامدهای تعامل کوانتومی در جهان‌های مختلف ظاهر می‌شوند؛ بنابراین هیچ سیگنالی نمی‌تواند بین آنها عبور کند و هیچ سفری سریع‌تر از نور وجود ندارد. برای گربه شرودینگر، آن در یک جهان زنده است و در جهان دیگر مرده است. و در مسئله ناظر، نقشی ویژه برای ناظران وجود ندارد، زیرا همه نتایج اتفاق می‌افتند.

فیزیک ما را قبلاً شگفت‌زده کرده است

جالب توجه است که بسیاری از دانشمندان از رویکرد جهان‌های متعدد ناراحت‌اند و نظریه‌های رقیب دیگری را ارائه کرده‌اند که مشکلات تفسیر کپنهاگ را بدون توسل به واقعیت‌های متعدد به‌روشنی می‌پردازند. پروفسور کارول تعدادی از این پیشنهادات را معرفی می‌کند و قدرت‌های آنها را مورد بحث قرار می‌دهد در حالی که به این نکته اشاره می‌کند که هیچ‌یک به اندازه جهان‌های متعدد ریاضی ساده نیستند. این پیشنهادات شامل:

• متغیرهای پنهان: که توسط فیزیکدان فرانسوی لوئیس دِ بروگلی و فیزیکدان آمریکایی دیوید بوم پیشگام شده، این دسته از نظریه‌ها متغیرهای جدیدی به جز تابع موج اضافه می‌کنند تا آن را تعیین‌کننده کنند و رمز و راز مدل کپنهاگ را از بین ببرند.
• GRW: نظریه Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) واقعیت شکست تابع موج را تأیید می‌کند اما آن را خودبه‌خود و تصادفی می‌کند، نه به‌دلیل عمل اندازه‌گیری. این شامل اصلاح معادله معمولی است که تابع موج تابعیت می‌یابد.
• QBism: که به‌عنوان کوانتوم بیزینیزم شناخته می‌شود، این دیدگاه از استدلال بیزی برای انجام پیش‌بینی‌های احتمالی درباره آزمایشات کوانتومی استفاده می‌کند. طرفداران آن دیگر رویکردها را به‌خاطر عینی‌سازی حالت کوانتومی که QBism این کار را نمی‌کند، نقد می‌کنند.

و بر تمام این دروس، فیزیک کلاسیک وجود دارد، پروژه‌ای که توسط ایزاک نیوتن در قرن هفدهم آغاز شد و در ابتدای قرن 20 دچار مانعی غیرمنتظره شد، تا با نظریه کوانتومی جایگزین شود. تفسیر کپنهاگ سپس به‌عنوان تأثیرگذارترین دیدگاه درباره پدیده‌های کوانتومی برای دهه‌ها به سلطنت خود ادامه داد. منتقدان آن با پیشنهادهای متقابل پاسخ داده‌اند و به‌دنبال یک ایده انقلابی برای توضیح دنیای گیج‌کننده کوانتومی هستند.

جهان‌های پنهان متعدد مکانیک کوانتومی به یکی از برجسته‌ترین این پیشنهادات تمرکز می‌کند. پروفسور کارول با دقت برای داشتن یک ذهن باز، پرسشگر و بدبینانه تلاش می‌کند، در حالی که استدلال‌های قوی را جمع‌آوری می‌کند که جهان‌های متعدد - نظریه‌ای که تقریباً غیرقابل باور است - باید مورد باور قرار گیرد. این اولین بار نیست که فیزیک ما را شگفت‌زده می‌کند.