جدال دو نابغه: مروری بر مناظرات بوهر-اینشتین

نیلز بور (چپ) با آلبرت انیشتین (راست) در خانه پل ارنفست در لیدن (دسامبر 1925)مناظرات بوهر-اینشتین عنوان معروفی است که به یک سلسله جدال نظری و بحث‌های عمومی بین آلبرت اینشتین و نیلز بوهر درباره فیزیک کوانتومی داده شده است. دو نفری که به همراه جمعی دیگر از فیزیکدانان اوایل قرن بیستم چون ماکس پلانک، هایزنبرگ، اروین شرودینگر، پل دیراک، ولفگانگ پائولی، لویی دوبروی و ماکس بورن از بنیانگذاران نظریه کوانتومی به شمار می‌آیند. این جدال‌ ها و مباحثات به دلیل اهمیت آنها در تفسیر مکانیک کوانتومی، از منظر تاریخ و فلسفه علم دارای اهمیت بوده و مورد توجه است. اینشتین دانشمندی شناخته می‌شود که به کشف آنچه فراسوی فرمول‌ها و معادلات ریاضی، در جهان واقعی رخ می‌‌دهد، علاقه‌مند است. حال آنکه بوهر مجذوب تبیین ریاضی بوده و نگران ماهیت اساسی واقعیت نیست.موضع اینشتین در برابر مکانیک کوانتومی برخلاف آنچه درنوشته‌های عمومی و کتب عامه فهم تصویر شده، بسیار هوشمندانه و عاری از جزمیت بود. تداوم و قدرت نقدهای او بر مکانیک کوانتومی، مدافعان آن نظریه را واداشت تا فهم خود را از مفاهیم فلسفی وعلمی آن نظریه، مورد بازنگری قرارداده و شفاف‌تر سازند.مباحثات اولیهاینشتین نخستین دانشمندی بود که گفت کشف ویژگی کوانتومی انرژی توسط پلانک مستلزم بازنویسی فیزیک خواهد بود. او در سال ۱۹۰۵ با پیشنهاد لحاظ رفتار ذره‌ای برای نور در برخی پدیده‌ها (نظریه فوتوالکتریک)، ذراتی که آنها را کوانتای نور (امروزه فوتون نامیده می‌شود) نامید، تاییدی بر ادعای خود ارائه کرد. بوهر یکی از مهمترین مخالفان ایدۀ فوتون بود و آشکارا از پذیرش آن تا سال ۱۹۲۵ امتناع کرد. توانایی بعدی وی در کابرد خلاقانۀ ایده‌‌ای که مدتی طولانی مخالف آن بوده، در تاریخ علم موردی بسیار استثنایی است. اینشتین ایدۀ فوتون را بکار گرفت بخاطر اینکه آن را یک واقعیت فیزیکی (هرچند واقعیتی عجیب وغیرعادی) درفراسوی اعداد وارقام می دانست. بوهر به آن علاقمند نبود زیرا آن بر اساس انتخاب یک راه حل ریاضی دلخواه، ساخته می‌شد. بوهر دوست نداشت که یک دانشمند مجبور به انتخاب بین معادلات باشد.درسال ۱۹۱۳ بوهر، مدل اتمی هیدروژنی خود را که تبیینی کوانتومی برای طیف هیدروژن بود، ارائه کرد. اینشتین ابتدا نسبت به مدل بوهر مشکوک بود، اما به سرعت نظرش را تغییر داد و آن را پذیرفت. او علی‌رغم اینکه مدل بوهر قادر به رائه تصویری از ساختار واقعیت نبود، عجالتا آن را پذیرفت زیرا آن را قدمی رو به جلو می‌‌‌دانست.انقلاب کوانتومیانقلاب کوانتومی در اواسط دهه ۱۹۲۰ با هدایت اینشتین و بوهر رخ داد و جدال و مباحثات بعدی آنها در راستای فهم عمیق‌تر این تحول انجام شد. شوک‌‌های اینشتین از سال ۱۹۲۵ و با ارائه مکانیک ماتریسی از طرف ورنر هایزنبرگ آغاز شد که مفاهیم نیوتنی فضا-زمان را از هرگونه واقعیتی عاری می‌دانست. شوک دوم وقتی وارد شد که در سال ۱۹۲۶ ماکس بورن پیشنهاد کرد که مکانیک کوانتومی به عنوان یک توضیح احتمالی و بدون هیچ تبیین علّی در نظر گرفته شود. شوک آخری درسال ۱۹۲۷ وارد شد هنگامی که هایزنبرگ و بورن اعلام کردند که انقلاب کوانتومی کامل شده و به هیچ چیز دیگری نیاز ندارد. دراین مرحله آخر بود که شکاکیت اینشتین، او را به وحشت انداخت. او معتقد بود که کارهای زیادی انجام شده است، اما استدلالات طرفداران مکانیک کوانتومی هنوز به روشنی فابل فهم نبودند.همچنین بخوانید: نظریه‌های علمی چیستند؟امتناع اینشتین از پذیرش مکانیک کوانتومی، به این ادعای آن نظریه برمی‌گشت که مواضع ذرات کوانتومی در فضا-زمان را نمی‌توان هرگز با قطعیت دانست و روش احتمالاتی کوانتومی هیچ علل مبنایی را نشان نمی‌دهد. در واقع این ادعا واقعگرایی و موجبیت علّی را که اینشتین به آن قائل بود، رد می‌کرد. او آمار و و احتمال را فی‌نفسه رد نمی‌کرد بلکه خود وی یکی از بزرگترین اندیشمندان مکانیک آماری بود. آنچه انیشتین رد می‌کرد، فقدان هر دلیلی برای یک رویداد بود. بوهر در این میان، بدون استفاده از مفاهیمی که باعث آشفتگی اینیشتین می‌شد، او را به وحشت انداخته بود. اینشتین مخالفت خود را با عدم پذیرش اصل مکملیت بوهر که بر نقش مشاهده‌‌‌کننده روی مشاهده‌شونده تاکید می‌کرد، کامل کرد.دور اول جدال: کنفرانس سولوی ۱۹۲۷همان‌طور که اشاره شد موضع اینشتین پذیرش موقت و تردیدآمیز تحولات پیش آمده در طول سالیان بود. در مرحله اول جدال اینشتین اعتبار اصل عدم قطعیت کوانتومی را رد کرد و در پی آن بود تا نشان دهد که اصل عدم قطعیت می‌تواند نقض شود، پیشنهاد ماهرانۀ آزمایشی ذهنی که امکان مشاهده و اندازه‌گیری هم‌زمان دو کمیت مانعه‌الجمع مثل سرعت و مکان را مجاز می‌کرد، یا آنا وی‍ژگی موجی و ذره‌ای را نشان می‌داد.نخستین جدال و حملۀ اینشتین به تعبیر مقبول کوانتومی در پنجمین کنگرۀ فیزیک در انستیتوی سولوی در۱۹۲۷ صورت گرفت. انیشتین نشان داد که چطور او ممکن می‌داند که بر اساس اصل پذیرفته شده بقای انر‍ژی و ممنتم می‌توان مکان ذره‌ای در یک فرایند تداخل را که بر اساس اصل عدم قطعیت یا مکملیت غیرممکن است، محاسبه کند.شکل 1برای فهم استدلال اینشتین و ارزیابی پاسخ بوهر، مناسب است که به دستگاه آزمایشی در شکل ۱ رجوع کنیم. یک پرتو نور افقی بر صفحه‌‌ای با شکاف باریکی (در نسبت با طول موج پرتو) می‌تابد و پس از عبور از شکاف اول، پراش ناشی از آن به صفحه دوم با دو شکاف برخورد می‌کند. با تداوم عبور پرتوها یک طرح تداخلی در صفحه آخر تشکیل می‌شود.انیشتین استدلال می‌کند: بر اساس قانون بقای تکانه با مشاهده حرکت صفحه اول به بالا یا پایین می‌توان جهت حرکت ذره در خروج از صفحه اول را استنباط کرد که در واقع نشان‌گر آن است که ذره از کدام شکاف صفحه دوم عبور می‌کند. باید توجه داشت که آزمایش اندازه‌گیری تکانه اول پس از عبور ذره از آن، سیستم را در مراحل بعد مختل نمی‌کند، یعنی هنوز می‌توانیم طرح تداخلی روی صفحه آخر داشته باشیم. و از طرف دیگر با مشاهده نقطه برخورد هر ذره بر روی صفحه سوم، کل مسیر ذره قابل استنباط است. پس ما هم‌‌زمان هم خاصیت ذره‌ای (مسیر) و هم خاصیت موجی (تداخل) را مشاهده کرده‌ایم پس اصل مکملیت ابطال می‌شود.بوهر نشان دادکه اندازه گیری میزان تکانه وارد بر صفحه اول همواره با عدم قطعیت در مکان آن همراه است. و میزان عدم قطعیت در مکان صفحه اول در تطابق با فاصله بین دو حلقه مجاور در تداخل ایجاد شده در صفحه دوم بوده بنابراین طرح تداخلی تشکیل نخواهد شد. در نتیجه ایراد اینشتین وارد نخواهد بود.همچنین بخوانید: جهان همچون اراده و تصور شاهکار آرتور شوپنهاوردور دوم جدال: کنفرانس سولوی ۱۹۳۰در جدال در ششمین کنفرانس سولوی، در سال ۱۹۳۰ انیشتین سعی کرد با طرح آزمایشی ذهنی عدم قطعیت زمان و انر‍ژی را رد کند. براساس اصل عدم قطعیت زمان-انرژی نمی‌‌توان این دو مقدار را برای یک سیستم با دقت واحد اندازه گرفت. و همواره داریم:او بدین منظور دستگاهی پیشنهاد کرد که در شکل زیر نشان داده شده است.شکل 1این دستگاه جعبه ای است که در یک طرف آن سوراخی تعیبیه شده است که می‌‎توان به کمک کشویی آن را باز و بسته کرد. خود کشو را ساعتی که در درون جعبه نصب شده است به حرکت در می‌آورد. فرض کنیم در شروع کا ر جعبه مقداری تابش دارد و ساعت به گونه‌ای تنظیم شده است که کشو را در زمان مشخصی برای لحظه‌ای باز نگه می‌دارد. با پایان کار می‌توان تعیین کرد که تنها یک فوتون در یک لحظه از سوراخ عبور کرده است که این لحظه را می‌توان با هر دقت دلخواه تعیین کرد. همچنین مسلما این امکان وجود دارد تا جعبه را قبل و بعد از عبور فوتون از سوراخ وزن کرد و وزن انرژ‍ی یا فوتون را با استفاده از رابطه‌ هم ارزی جرم و انرژی درنسبیت خاص (E=mc2) با دقت دلخواه تعیین کرد، بنابراین قادر به محاسبه با قطعیت زمان و انرژی یک فوتون شده‌ایم، امری که با عدم قطعیت متقابل کمیت‌های زمان-انرژی در مکانیک کوانتومی تناقض آشکار دارد.ارائه این مثال نقض نوعی دعوت جدی بوهر به مبارزه بود. بوهر پاسخ خود را با شکل دقیق‌‌تر زیر (شکل ۳) توضیح داد که د ر آن علاوه بر جعبه فوتون انیشتین عقربه‌ای قرار دارد که محل جعبه را بر روی خطکشی که بر پایه ترازو نصب شده تعیین می‌کند. خود جعبه نیز به ترازوی فنری آویزان است. بدین ترتیب وزن جعبه را می‌توان با آوردن عقربه بر روی صفر از طریق افزودن وزنه با دقت دلخواه تعیین کرد .اما نکته اساسی در این مورد این است که تعیین محل جعبه با دقت مورد نظر با عدم قطعیتی بر اندازه‌گیری تکانه جعبه همراه است که این عدم قطعیت مسلما باید کوچکتر از ضربه ای باشد که در زمان توزین t از طریق میدان گرانش به جسمی به جرم m وارد می‌شود.شکل 3اما براساس نظریه نظریه نسبیت عام ساعتی که در جهت گرانش، تغییر مکانی داشته باشد تغییری در آهنگ حرکتش ایجاد می‌شود که در پایان کار زمان را با اختلاف (tدلتا) نشان می‌دهد. بنابراین بعد از توزین در تنظیم کردن ساعت نوعی بی‌دقتی وجود دارد . نتیجتا استفاده از دستگاه به منظور اندازه گیری انرژی فوتون ما را از تعیین زمان خروج آن باز خواهد داشت.دور سوم جدال: مقاله EPRبعد از جدال کنگره سولوی ۱۹۳۰ و پاسخ بوهر، اینیشتین همچنان قانع نشد و بنابراین نوع حملات خود را به نظریه تغییر داد. اینیشتین پس از ناکامی در اثبات ناسازگاری نظریه سعی کرد کامل نبودن آن نظریه را ثابت کند.همچنین بخوانید: تاریخ معرفت‌شناختی علوم و کارکردهای آن در آموزش علمایراد انیشتین بر ناقص بودن مکانیک کوانتومی در مقاله‌ای که در سال ۱۹۳۵ به همراه بوریس پودولسکی و ناتان رزن که به EPR معروف شد، تشریح شده است. دلایل ارائه شده در این مقاله بر معیاری مبتنی است که آن را می‌توان چنین بیان کرد:در صورتی که در سیستمی داده شده، بدون آنکه در آن اختلال ایجاد کنیم بتوانیم با قطعیت یعنی با احتمالی برابر با واحد، مقدار یک کمیت فیزیکی را پیش‌بینی کنیم در این‌ صورت باید جزئی از یک واقعیت فیزیکی وجود داشته باشد که با این کمیت مطابقت کند.بنابراین EPR دو ذره A وB را در نظر می‌گیرد که قبلا با هم برهمکنش داشته و حال از هم جدا شده‌اند. باتوجه به جابجایی‌پذیری کمیت‌های مکان و تکانه و قانون بقای تکانه، با اندازه‌گیری تکانه ذره A با دقت واحد و قابل اندازه‌گیری بودن اصولی مجموع تکانه‌ها، می‌‌توان تکانه ذره B را بدون اندازه‌گیری و بنابراین بدون ایجاد اختلال درسیستم به دست آورد و همینطور درمورد مکان B. و از آنجا که مجموع مکان‌‌ها و تفاضل تکانه‌های دو ذره واقعیتی فیزیکی است، پس مقادیر به دست آمده برای مکان و تکانه B نیز به واقعیتی فیزیکی مربوط خواهد بود. بنابراین ما بدون انجام اندازه‌گیری روی ذره B توانستیم مقادیر فیزیکی مکان و تکانه آن را اندازه بگیریم، و این برخلاف ادعای مکانیک کوانتومی است، زیرا براساس تعبیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی، بدون اندازه‌گیری نمی‌توانیم از کمیات یک واقعیت فیزیکی مطلع شویم. پس گروه EPR نتیجه می‌گیرد که مکانیک کوانتومی برای توصیف واقعیت نظریه‌ای ناقص است.بوهر پاسخ خود به مقاله EPR را حدود شش ماه بعد در همان سال (۱۹۳۵) منتشر کرد. بوهر در پاسخ اصل مکملیت خود را بکار می گیرد. بوهر تعریف EPR از واقعیت فیزیکی را مبهم می‌داند. بوهر اشاره می‌کند که دو ذرۀ مذکور را نمی‌توان مجزا فرض کرد. فقط با انجام آزمایش می‌توان در مورد مجزا بودن ذرات صحبت کرد و این آزمایش خودِ سیستم را مختل خواهد کرد. پس فرض مجزا بودن دو ذره و اینکه اندازه‌‌‌گیری روی یکی، مقادیر دیگری را باطل نمی‌کند، فرض عدول ازمفروضات نظریه کوانتوم و بنابراین نادرست است.تداوم بحث‌هاجدال علمی بوهر و اینشتین تا پایان عمر مشترک آنها تداوم داشت. اینشتین هرگز مکانیک کوانتومی را نپذیرفت بلکه در بهترین حالت آن را توضیحی موقتی برای توصیف واقعیت می‌‌دانست. او نتوانست واقعگرایی و موجبیت را رها کند.مقاله EPR بعد از مناظرات بوهر-اینشتین توجه فیزیکدانان بسیاری را برانگیخت .درسال ۱۹۶۶ جان بل نامساوی معروف خود را ارائه کرد که زمینه را برای آزمون عملی ادعای EPR فراهم نمود. به طوری که آلن اسپه وهمکارانش در سال ۱۹۸۱ نامساوی بل را در معرض آزمون تجربی گذاشتند و نتیجه ادعای بوهر یعنی نظریه کوانتومی را تایید کرد و همچنان بوهر برنده این مباحثات باقی ماند، اما اینشتین نیز در مقام منتقدی جدی به پیشرفت مکانیک کوانتومی و فهم بهتر آن کمک بسیاری کرد.