فیزیک بنیادی و دنیای ما...

اهمیت فیزیک بنیادی برای عصر مادکتر مهدی گلشنی؛ استاد پیشکسوت دانشکده فیزیکفيزيك عصر ما عمدتاً در مقام آن است كه نظريه‌هايی بسازد كه پديده‌ها را توصيف و حوادث را پيش‌بيني كنند و كاری به اين‌كه در پس معادلات چه می‌گذرد، ندارد. اما بنيان‌گذاران فيزيك جديد، از قبيل نيوتن، ماكسول و اينشتين، از اين فراتر می‌رفتند. آن‌ها مي‌خواستند ساختار عالم را درك كنند و به رابطة فيزيك و واقعيت پی‌ببرند. اين مستلزم اين است كه چارچوبی فراخ‌تر از تجربه‌گرایی به‌كار ببريم و يك ديد كل‌نگر داشته باشيم. در اين‌جاست كه فيزيك‌دان، رياضی‌دان و فيلسوف بايد همكاری كنند تا همة جهات قضايا درنظر گرفته شود و اين‌جا است كه پای فيزيك بنيادی در كار می‌آيد- فيزيكی كه با مبانی فيزيك سروكار دارد و به سختی می‌توان بحث‌هاي آن را كاملاً از بحث‌های فلسفي جدا كرد، گرچه كاملاً فلسفی نيست. خوشبختانه در چند دهه اخير- خصوصاً در دو دهه اخير- پرداختن به مسايل بنيادی فيزيك و يافتن پاسخ به سؤالات مبنايي فيزيك مورد توجه بعضی از علمای درجۀ اول فيزيك قرار گرفته است.در واقع كاوش‌ها در مبانی فیزیک بوده که موجب تکون بخش‌های نوينی همچون نظریۀ اطلاعات كوانتومی، كامپيوترهای كوانتومی و ... گرديده است. گسترش سريع و كاربردهای فراوان اين حوزه از فيزيك، در حوزه‌هايی نظير ماده چگال، علوم نانو، شيمی و بيوفيزيك، نويد آينده‌ای روشن را در اين زمينه می‌دهد.در اين‌جا به عنوان نمونه بعضی از بحث‌هايی را كه در بخش‌های فيزيك بنيادی روی آن‌ها كار مي شود، ذكر می‌كنيم:• موفقيت‌ها و محدوديت‌های نظريۀ كوانتوم• هستی‌شناسی ذرات و ميدان‌ها• علّيّت آماری• نظریۀ اطلاعات كوانتومی و كامپيوترهای كوانتومی• ناموضعيت كوانتومی و علامت‌دهی فوق نوری• مشكلات اندازه‌گيری در نظريۀ كوانتوم• گرانش كوانتومی و مسئلۀ زمان• محدوديت‌های كيهان‌شناخی و فناورانه علم فيزيك• چرا رياضيات در توصيف جهان فيزيكی موفق بوده است و آيا جهان را می‌توان صرفاً با زبان رياضی توضيح داد؟آيا واقعاً اين قبيل مسائل در متن فيزيك مطرح نيستند و بايد آن‌ها را با برچسب فلسفی كنار گذاشت؟ خوش‌بختانه در چند دهۀ اخیر پرداختن به مسايل بنيادی فيزيك تا حدی رونق گرفته است و بعضی از علمای درجه اول فيزيك يافتن پاسخ به سؤالات بنیادی فيزيك را مورد توجه قرار داده‌اند و بعضی از مجلات مشهور فيزيك از قبيل:Nature, Physical Review Letters, Physical Review A, Annals of physics, Physics Letters A, Journal of Physics A, Foundations of Physics, etc.به چاپ مقالات در اين زمينه مبادرت می‌كنند. همچنين بعضی از دانشگاه‌ها و مراكز پژوهشی جهان بخش‌های فيزيك بنيادی راه انداخته‌اند. مثلاً دانشگاه آكسفورد يك دورۀ چهار ساله "فيزيك و فلسفه" و دانشگاه كلمبيا يك دورۀ كارشناسي ارشد در "مبانی فلسفی فيزيك" داير نموده‌اند. همچنين دانشگاه‌های فيليپس (ماربورگ آلمان)، جرج تاون، جان هاپكينز، و مريلند (آمريكا)، باري (ايتاليا)، وين (اتريش) ، اوترشت (هلند)، ومؤسسه تاتا (هند) گروه مبانی فيزيك و رشته‌های مرتبط با آن را كه هم‌اكنون به بيش از ده‌ها مؤسسه پژوهشی مي‌رسد، تأسيس نموده‌اند.اندیشه را باید به چالش کشیدمحمدجواد کاظمی؛ فارغ‌التحصیل فیزیک بهشتیبه‌سختی می‌توان در مورد میزان موفقیت مکانیک کوانتومی در تبیین داده‌های آزمایشگاهی اغراق کرد. با این‌حال، علی‌رغم موفقیت‌های درخشان این نظریه در توصیف ریاضی طیف وسیعی از پدیده‌ها، تقریباً محرز است که فرم سنتی نظریۀ کوانتومی از مشکلی اساسی، به نام "مسئله اندازه‌گیری"، رنج می‌برد. این مشکل ریشه در تعارض دو اصل بنیادی نظریه، یعنی "اصل تحول خطی" و "اصل اندازه‌گیری"، دارد. این دو اصل با یکدیگر ناسازگارند، اگر اصل تحول خطی جهان‌شمول فرض شود [1]. و در صورت فرض عدم جهان‌شمولی، با نظریه‌ای ناکامل و تاحدی نامعین مواجه هستیم. به بیان استیون واینبرگ، صورت مسئله به شرح زیر است [2]:«نسخۀ بور از مکانیک کوانتومی عمیقاً ناقص بود، اما نه به دلیلی که اینشتین فکر می‌کرد. تفسیر کپنهاگی توصیف می‌کند که وقتی یک ناظر اندازه‌گیری می‌کند، چه اتفاقی می‌افتد، اما خود ناظر و عمل اندازه‌گیری به صورت کلاسیک در نظر گرفته می‌شوند. این مطمئناً نادرست است: فیزیک‌دانان و دستگاه آن‌ها باید توسط همان قوانین مکانیک کوانتومی اداره شوند که بر هر چیز دیگری در جهان حاکم است. ... مشکل این نیست که مکانیک کوانتومی احتمالاتی است؛ این چیزی است که ظاهراً فقط باید با آن زندگی کنیم. مشکل واقعی این است که آن موجبیتی نیز هست، یا به بیان دقیق‌تر، (مشکل) این است که یک تفسیر احتمالاتی را با دینامیک موجبیتی ترکیب می‌کند.»برای غلبه بر این مشکل، چندین تعبیر و فرمول‌بندی جایگزین از نظریۀ کوانتومی ارائه شده است، از این میان می‌توان به نظریۀ چندجهانی اورت، نظریۀ بوهم، مدل‌های رمبش خودبه‌خودی مانند نظریه پن‌رز و غیره اشاره کرد. برخی از این نظریات جایگزین، مانند مدل‌های رمبش خودبه‌خودی، به‌وضوح در مقیاس ماکروسکوپیک پیش‌بینی‌های متمایزی با تعبیر استاندارد دارند، و نتیجتاً در سال‌های اخیر با توجه به پیشرفت‌های صورت گرفته در فناوری کنترل سیستم‌های کوانتومی بزرگ مقیاس، تلاش‌های فراوانی برای آزمون تجربی آن‌ها صورت گرفته است (مثلاً نگاه کنید به [3]). از طرف دیگر در ابتدا به‌نظر می‌رسید برخی از تعابیر دیگر مانند نظریۀ بوهم و تعبیر چندجهانی اورت، علی‌رغم تفاوت‌های مفهومی بنیادی، از لحاظ آزمایشگاهی پیش‌بینی‌های دقیقاً یکسانی با پیش‌بینی‌های تعبیر استاندارد دارند، و نتیجتاً به‌نظر می‌رسید که اختلاف نظرها بیش‌تر جنبه نظری و مفهومی دارند. با این‌حال در سال‌های اخیر کم کم مشخص شده است که توصیف جان بل از وضعیت دقیق‌تر است [4-5]: «مکانیک بوهمی نتایج تجربی یکسانی با تعبیر استاندارد دارد، هرگاه دومی مبهم نباشد.» توصیف مشابهی در مورد رابطۀ تعبیر چندجهانی با تعبیر استاندارد را می‌توانید در مقالۀ اخیر تیپلر بیابید [6]. یکی از مواردی که به‌نظر می‌رسد پیش‌بینی نظریۀ کوانتومی تاحدی مبهم است، مربوط به پیش‌بینی کمیت‌های زمانی است. این به‌طور خلاصه به این علت است که زمان در فرم سنتی نظریۀ کوانتومی یک پارامتر است، نه یک عملگرخود-الحاق. به‌طور خاص دو پرسش بنیادی وجود دارد که هنوز پاسخ مورد توافقی در رابطه با آن‌ها نداریم: 1- چه مدت طول می‌کشد که ذره تونل بزند؟ 2- توزیع احتمال زمان آشکارسازی ذرات چیست؟ در چند ماه اخیر چند مقاله برای آزمایش و مقایسه نظریه‌های موجود در مورد توزیع‌های زمان آشکارسازی منتشر شده است، مقاله اخیر ما نیز در این راستا است که در آن نتایج نظریات مختلف در مورد توزیع زمان آشکارسازی ذرات در یک آزمایش دوشکاف نامتعارف، مقایسه شده‌اند و نشان داده شده است که با فناوری‌های تداخل‌سنجی موجود، امکان تفکیک تجربی آن‌ها وجود دارد. آزمایش مشابهی توسط ماکونه و همکاران پیشنهاد شده است [7]، که ظاهراً در حال پیگیری برای انجام عملی آن هستند. سخن آخر این‌که، به گمان من کمی خوش‌بینانه است اگر کسی تصور کند که با یک آزمایش، بتوان به‌طور قاطع به چنین بحث عمیق و دامنه‌داری خاتمه داد. با این‌حال تجربه تاریخی نشان داده است که به چالش کشیدن تجربی اندیشه‌ها بسیار ثمر بخش است.[1] R. Penrose, Found Phys 44, 557--575 (2014).[2] S. Weinberg, Physics Today 58, 31--35 (2005).[3] M. Bahrami and et.al, Phys. Rev. Lett. 112, 210404 (2014).[4] J. S. Bell, Selected Papers Of John S Bell, World Scientific, pp. 788-792, (1995).[5] S. Das and D. Durr, Sci Rep 9, 2242 (2019).[6] Frank J. Tipler, arXiv:2105.10431v1.[7] S. Roncallo and et.al, When does a particle arrive? Quantum 7, 968 (2023).قلب مکانیک کوانتومیعلی آیت‌الله ‌رفسنجانی؛ دانشکده فیزیک شریفآزمایش دو شکاف یکی از آزمایش‌های علمی بسیار قدیمی و معروف است که از بیش از ۲۰۰ سال گذشته تاکنون، همواره فهم ما را از طبیعت متحول کرده است. از قرن ۱۷ میلادی اختلاف نظری دربارۀ ماهیت نور وجود داشت. نیوتن معتقد بود که نور، مانند اجسام فیزیکی، از ذرات گوی مانند تشکیل شده است. اما هویگنس نور را با استفاده از مفهوم موج توصیف می‌کرد. در آن زمان، نظر نیوتن غالب بود و تا حدود ۱۰۰ سال این مسئله دربارۀ ماهیت نور در هاله‌ای از ابهام باقی ماند، تا این‌که آزمایش دو شکاف یانگ در سال ۱۸۰۱ انجام شد و خاصیت موجی نور را تأیید کرد.در اوایل قرن ۲۰ بود که اینشتین مجدد توصیف ذره‌ای نور را به نحوی دیگر وارد مفاهیم فیزیک کرد و با معرفی فوتون به عنوان کوانتای انرژی نور، یکی از پایه‌های اصلی نظریۀ کوانتوم را بنا کرد. در ۱۹۲۴ یک دانشجوی فرانسوی به عنوان رسالۀ ‌دکتری خود، ایدۀ انقلابی را در این مورد مطرح کرد. لویی دوبروی از خودش سؤال مهمی پرسید: اگر نور، که فکر می‌کردیم یک موج است، می‌تواند مانند ذره باشد، ‌پس چرا ذراتی مثل الکترون نتوانند مانند موج رفتار کنند؟ ایدۀ دوبروی به قدری عجیب به نظر می‌رسید که به سختی توانست از آن دفاع کند، اما حمایت اینشتین باعث شد که او دکترای خود را در ۱۹۲۴ بگیرد و پنج سال بعد نیز جایزۀ نوبل را ببرد. در دهۀ ۷۰ میلادی، مجدد این آزمایش دو شکاف بود که بر روی خاصیت موجی ذرات صحه گذاشت و برای اولین بار طرح تداخل موجی تک الکترون در این آزمایش دیده شد.پس از اولین مشاهدۀ طرح موجی ذرات در آزمایش دو شکاف، تاکنون آزمایش‌های بنیادی بسیاری بر پایۀ ‌این ستاپ طراحی و انجام شده است (برای مثال آزمایش پاکسازی تأخیری اطلاعات کوانتومی را در این‌جا ببینید). این آزمایش به قدری پر مفهوم و مهم است که به قول ریچارد فاینمن «قلب مکانیک کوانتومی را درخود جای داده است» و هنوز هم در اکثر کتاب‌های پایه کوانتوم برای توضیح مفاهیم این نظریه از این آزمایش استفاده می‌کنند. با این‌حال، با وجود این‌که بیش از ۱۰۰ سال است که از پیدایش نظریۀ کوانتوم می‌گذرد، همچنان رمز و رازهای بسیاری در پایه‌های آن وجود دارد و فیزیک‌دانان دربارۀ ‌معنای آن اتفاق نظری با یک‌دیگر ندارند (ببینید). همچنین وجود بیش از ۱۸ تعبیر و نظریۀ ‌جایگزین برای کوانتوم (که همگی تاکنون آزمایش‌های کوانتومی را به درستی توجیه کرده اند) شاهدی بر این مدعاست (ببینید).وجود معضلات بنیادی و چالش‌های عمیق کوانتوم باعث شده است که عده‌ای از فیزیک‌دانان برجسته صریحاً آن را متناقض و غیر قابل دفاع بدانند (برای مثال مکاتبۀ ما با بنیانگذار نظریه GRW را در این‌جا ببینید) و عدّه‌ای دیگر چون واینبرگ علاوه بر آن معتقدند که «درحال رفتن به سمت انقلابی در علم، مشابه گذار از فیزیک کلاسیک به کوانتوم، هستیم.» (ببینید) از این‌رو اگر بتوان از میان این تعداد زیاد از تعابیر و نظریات بدیل تعدادی را به بوتۀ آزمایش گذاشت، کمک بسیار بزرگی در فهم ما از پدیده‌های کوانتومی و تسریع در این تحول علمی خواهد بود.مقالۀ ‌پیش‌رو تلاشی است تا نشان دهد که می‌توان باز هم از آزمایش معروف دو شکاف برای فهم عمیق‌تر پدیده‌های کوانتومی بهره برد. ما با استفاده از معضل زمان در کوانتوم (ببینید) چیدمانی جدید از آزمایش دو شکاف را پیشنهاد نمودیم، و با محاسبات و تحلیل‌های عددی نشان دادیم که تعابیر و نظریات بدیل کوانتومی، در مورد طرح تداخل فضا-زمانی ذرات در این آزمایش سازگاری ندارند. با توجه به پیشرفت‌های تداخل سنجی اتمی در دهه‌های اخیر، نشان دادیم که ابعاد این طرح‌ها به‌گونه‌ای است که می‌توان با تکنولوژی‌های موجود نیز این اختلافات را مشاهده کرد. در ادامۀ ‌این پژوهش، در مقالۀ دیگر (که نسخۀ اولیۀ آن را می‌توانید در این‌جا ببینید)، با استفاده از فرمالیزم بوهمی برای ذرات درهم تنیده، طرح تداخل ناموضعی در زمان رسیدن ذرات در آزمایش جفت دو شکاف پیش‌بینی شده است. امیدواریم با انجام این آزمایش‌ها در آینده‌ای نزدیک، نوری بر روی این مسئله ۱۰۰ ساله بیفتد و درک ما از بنیان‌های کوانتوم کمی غنی‌تر گردد.