فلسفه مکانیک کوانتم

پیدایش مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم آغاز انقلابی بزرگ در پیش‌بینی‌هایی بدیع در عالم خُرد بود و در عین حال شالوده‌های فلسفیِ فیزیک کلاسیک را فروریخت و مسائل مفهومیِ مناقشه‌برانگیزی را به‌وجود آورد. پرسش‌هایی از این قبیل طرح شد: آیا توصیف مکانیک کوانتوم از واقعیت فیزیکی کامل است؟ آیا واقعیتْ ناموضعی است و واقعیات طبیعت از یک‌دیگر جدایی‌ناپذیرند؟ آیا اشیا قبل از اندازه‌گیری وضعیتی مشخص ندارند و اندازه‌گیری موجب جهش‌های غیرعلّی به وضعیت‌های مشخص می‌شود؟ به قول اینشتین آیا وقتی ماه را نگاه نمی‌کنیم، وجود ندارد؟ این مسائل از همان ابتدای صورت‌بندی کامل مکانیک کوانتوم ذهن فیزیک‌دانان نظری و فلاسفهٔ علم را مشغول کرد و با گذشت زمان نه‌تنها از شور و حرارت آن بحث‌ها کاسته نشد، بلکه با کاهش سلطهٔ پوزیتیویسم بیش‌تر هم شد و حتی برخی از افرادی که قبلاً این مسائل را جدی نمی‌گرفتند، نظر خود را تغییر دادند.

موافقان و مخالفان

با وجود آنکه غالب فیزیکدانان بر سر این مسئله اتفاق نظر دارند که تئوری کوانتومی پاسخگوی امور است و نتایجی را پیشگویی می‌کند که مطابقت خوبی با تجربه دارند، اما همواره مباحثات فزاینده ای پیرامون بنیادهای فلسفی آن در جریان بوده‌است. یکی از رایج‌ترین تعابیر فلسفی مکانیک کوانتومی به تعبیر کپنهاگی شهرت دارد که از سوی مبدعان اصلی و پیشگامان مکانیک کوانتومی بوهر و هایزنبرگ ارائه شده‌است. هایزنبرگ و بوهر با شور و حرارت از این تعبیر دفاع می‌کردند و سعی می‌کردند آن را به قلمروهایی جز فیزیک نیز تعمیم بدهند و از آن یک فلسفه تمام عیار برای حل یا دست کم برای بیان درست همه مسائل و مشکلات فکری بسازند. مباحثات بوهر و اینشتین که از منتقدان اصلی این تعبیر بود بخش گیرایی از تاریخ فیزیک را تشکیل می‌دهد. اگرچه اینشتین سرانجام سازگاری منطقی نظریه و توافق آن با حقایق تجربی را پذیرفت اما هرگز قانع نشد که نظریه کوانتومی حقیقت غایی را نشان می‌دهد. جمله مشهور اینشتین که «خداوند در خلقت جهان طاس نمی‌ریزد» به وضوح به ناخشنودی وی از کنار گذاردن علیت و رویدادهای منفرد به سود یک تعبیر صرفاً آماری اشاره دارد.

آزمایش افشار

بور در طول شکل‌گیری فیزیک کوانتومی بی‌محابا از آن جانبداری می‌کرد. هر جا به بن‌بست می‌رسید یا توسط منتقدان فیزیک کوانتمی به چالش کشیده می‌شد با بنا نهادن یک اصل فلسفی از ایده کوانتومی دفاع می‌کرد. وقتی سال ۱۹۳۵ اروین شرودینگر آزمایش گربه را پیش کشید؛ و در آن مسئله تأثیر اندازه‌گیری بر یک سیستم و اینکه چگونه صرف مشاهده می‌تواند زندگی یا مرگ گربه را رقم بزند، تناقض موضوع فرایند اندازه‌گیری در فیزیک کوانتومی را با درک عمومی بر ملا ساخت ولی این ادعا که اندازه‌گیری بر روی یک سیستم کوانتومی تأثیرگذار است جزء لاینفک فیزیک کوانتومی است که تاکنون هیچ آزمایشی آن را نقض ننموده‌است ولی این موضوع که اندازه‌گیری خاصیتی از یک سیستم اطلاعات ما را در مورد سایر خواص آن سیستم از بین می‌برد. در ژوئیه ۲۰۰۴ با اعلام نتیجه آزمایشی که پروفسور افشار از دانشگاه روان انجام داد به چالش کشیده شد ایده ناتوانی در اندازه‌گیری همزمان متغیرهای مکمل که از اصل مکملیت بوهر استنتاج می‌شود به طرز جالبی توسط آزمایش افشار رد شده‌است. افشار طی انجام یک آزمایش به‌طور عملی موفق شد که همزمان ماهیت موجی و ذره‌ای نور را مورد اندازه‌گیری و مشاهده قرار دهد. نتیجه این آزمایش به‌طور آشکارا با اصل مکملیت در تناقض است بنابراین هواداران تعبیر کپنهاگی یا باید نتیجه این آزمایش را در قالب اصل مکملیت توجیه نمایند یا دست از حمایت از این اصل بردارند ولی آنگونه که مشخص است موضع دوم محتمل تر به نظر می‌آید. بر همین اساس تاریخ باردیگر در حال تکرار شدن است و نیمه اول قرن بیست ویکم همانند نیمه اول قرن بیستم شاهد جدل‌های تازه‌ای بین هواداران تعبیر کپنهاگی و هواداران واقعیت عینی (اینشتین نیز به واقعیت عینی معتقد بود و عقیده داشت که واقعیت‌ها مستقل از اندازه‌گیری هستند) خواهد بود.

انشتین و مکانیک کوانتمی

نظریه کوانتومی که توسط پلانک و اینشتین ساخته و پرداخته گردید باسایه انداختن دیدگاه احتمال و عدم قطعیت برآن موجب نارضایتی و دلسردی اینشتین شد و راهش را از سایرین جدا کرد چراکه طرز فکری که نسبیت‌ها از آن تراوش کرده بودنند این اجازه را به اینشتین نمی‌داد که جهان عینی و علّی را رها کند و درسایه تردید و تزلزل در پی کشف حقایق عالم برآید ولی شاید اینشتین درست اندیشیده بود و این بوهر و همفکران او بودند که در بکارگیری و تعمیم اصل عدم قطعیت راه را به بیراهه رفتند.
آلبرت انیشتین با مکانیک کوانتومی کاملاً موافق نبود او معتقد بود یک نظریه کامل باید خود رویدادها را توصیف کند نه فقط احتمال آن‌ها را او می‌گوید: من ناچارم اعتراف کنم که برای تعبیر آماری ارزشی گذرا قائلم من هنوز به امکان ارائه طرحی از واقعیت یعنی نظریه ای که بتواند خود اشیاء را نمایش بدهد، نه فقط احتمال آن‌ها را ایمان دارم. انیشتین تا زمان مرگش حاضر به قبول مکانیک کوانتومی نشد.

قرن نوزدهم

در قرن نوزدهم، نظریه پردازان برای تشریح گروه متفاوتی از پدیده‌ها که متضمن نور و الکترومغناطیس بودند، از مدل اساسی دیگری استفاده کردند که عبارت بود از: انتشار امواج درمحیطهای میانجی پیوسته؛ ولی در اوایل قرن حاضر به نظر می‌رسید که چند آزمایش حیرت‌انگیز، استفاده از هر دو مدل موج و ذره را برای هر دو نوع از پدیده‌ها ایجاب می‌کند. از یک طرف، معادله انیشتین دربارهٔ اثر فتوالکتریک و کار کامپتون بر روی پراکندگی فوتون نشان داد که نور در بسته‌های مجزا و منفصل، با انرژی و اندازه حرکت معین، گسیل می‌گردد و بسیار شبیه به جریانی از ذرات عمل می‌کند، و از طرف دیگر و در مقابل آن، الکترون‌ها که همواره به صورت ذرات تصویر می‌شدند، آثار تداخل انتشار را که از ویژگی‌های امواج است، از خود نشان دادند. امواج، پیوسته و گسترده‌اند و به موجب فاز بر یکدیگر تأثیر متقابل دارند؛ اما ذرات، گسسته و به مکانی خاص محدودند و تأثیر متقابل آن‌ها براساس اندازه حرکت است. به نظرمی رسد هیچ راهی برای تلفیق این دو مدل، در مدل واحد، وجود ندارد.
در نظریه کوانتوم، هیچ مدل وحدت یافته‌ای از اتم پیدا نشده‌است. مدل اولیه بور دربارهٔ اتم به سادگی قابل تصویر و تجسم بود: الکترون‌های ذره وار در حرکت خود پیرامون هسته، به مانند یک منظومه شمسی کوچک، از مدارهایی تبعیت می‌کنند؛ ولی اتم در نظریه کوانتوم به هیچ وجه قابل تصویر و تصور نیست. ممکن است کسی بکوشد تا الگوهای موج‌های احتمال را که فضای پیرامون هسته را پر کرده‌اند، شبیه نوسان‌های یک سمفونی سه بعدی از اصوات موسیقایی که پیچیدگی حیرت‌انگیزی دارند، تصور کند؛ ولی این تمثیل کمک زیادی به ما نمی‌کند، اتم در دسترس مشاهده مستقیم قرار ندارد و بر وفق کیفیات حسی، قابل تصور نیست؛ حتی نمی‌توان آن را براساس مفاهیم کلاسیک نظیر فضا، زمان و علیت به گونه ای منسجم توضیح داد. رفتارشی بسیار خرد با رفتار اشیای تجربه روزمره، متفاوت است. ما می‌توانیم آنچه را در آزمایشها رخ می‌دهد با معادلات آماری توضیح دهیم، ولی نمی‌توانیم صفات کلاسیک اورانوس را به ساکنان جهان اتمی نسبت دهیم.
در بسط و توسعه‌هایی که طی سال‌های اخیر در نظریه کوانتوم، به سمت قلمروهای هسته ای و مادون هسته ای حاصل شده‌است، خصلت احتمالی نظریه اولیه کوانتوم، همچنان محفوظ، مانده‌است. نظریه میدان کوانتومی، تعمیمی است از نظریه کوانتوم که با نظریه نسبیت خاص، هماهنگ و منسجم است. از این نظریه با موفقیت بسیار در برهم کنشهای الکترومغناطیس و برهم کنش‌های مادون هسته ای و نظریه الکتروضعیف، بهره‌برداری شده‌است. اجازه دهید چالشی را که نظریه کوانتوم در قبال اصالت واقع ابراز کرده‌است، دنبال کنیم. نیلز بور از به‌کارگیری مدل‌های موج و ذره و دیگر زوج‌ها از مجموعه‌های مفاهیم متضاد، حمایت می‌کرد. بحث بور دربارهٔ آنچه او آن را اصل مکملیت نامید، چند موضوع را شامل شد. بور تأکید داشت که سخن ما دربارهٔ یک سیستم اتمی باید همواره به یک آرایش آزمایشگاهی مربوط باشد؛ ما هرگز نمی‌توانیم دربارهٔ یک سیستم اتمی به تنهایی و فی نفسه و عین معلوم را در هر آزمایشی مد نظر قرار دهیم. نمی‌توان هیچ خط فاصل دقیقی بین روند مشاهده و شیء مشاهده شده، رسم کرد. در صحنه آزمایش، ما بازیگریم نه صرفاً تماشاچی و ابزار آزمایشی مورد استفاده را خود برمی‌گزینیم. بور اظهار داشت که آنچه باید به حساب آید، روند تعاملی (کنشی - واکنشی) مشاهد است، نه ذهن یا شعور مشاهده گر.
موضوع دیگر در نوشتار بور، محدودیت مفهومی درک بشر است. در اینجا، انسان به عنوان یک عالم (داننده) و نه یک آزمایشگر، کانون توجه قرار می‌گیرد. بور، با شکاکیت کانت دربارهٔ امکان شناخت جهان فی نفسه سهیم است. اگر سعی ما آن باشد که قالب‌های مفهومی خاص را بر طبیعت تحمیل کنیم، در این صورت استفاده تام از سایر مدل‌ها را مانع شده‌ایم. بدین سان، باید بین توصیفات کامل علی یا فضا- زمانی، بین مدل‌های موج یا ذره، بین اطلاع دقیق از مکان یا اندازه حرکت، یکی را برگزینیم. هرچه بیشتر از یک مجموعه مفاهیم استفاده شود، کمتر می‌توان مجموعه مکمل را به‌طور همزمان به کار برد. این محدودیت دوجانبه از آن جهت رخ می‌دهد که جهان اتمی را نمی‌توان بر وفق مفاهیم فیزیک کلاسیک و پدیده‌های مشاهده پذیر توضیح داد.

اصالت واقع کلاسیک

نیوتن و تقریباً تمام فیزیکدانان قرن نوزدهم، نظریه‌ها را توصیفات طبیعت، آن گونه که فی نفسه و مستقل از مشاهده گر تحقق دارد، تلقی می‌کردند. فضا، زمان، جرم، و سایر کیفیات اولیه خواص همه اشیای واقعی‌اند. مدل‌های مفهومی، نسخه بدل‌هایی از جهانند که ما را قادر می‌سازند تا ساختار مشاهده ناپذیر جهان را با اصطلاحات مأنوس کلاسیک مجسم کنیم. اینشتاین این سنت را با پافشاری بر این نکته ادامه داد که یک توصیف کامل از سیستم اتمی، مستلزم مشخص کردن متغیرهای کلاسیک مکان - زمانی است که حالت آن را به گونه ای عینی و غیرمبهم، تعیین کند. او بر آن بود که چون نظریه کوانتوم چنین نیست پس نظریه ای ناقص است و عاقبت به وسیله نظریه ای که انتظارهای کلاسیک را تحقق بخشد، کنار گذاشته خواهد شد

ابزار انگاری

مطابق این رای، نظریه‌ها ساخته‌های مفید بشر و تمهیدهایی برای محاسبه‌اند که جهت مرتبط کردن مشاهدات و انجام پیش‌بینی‌ها به کار می‌آیند. آن‌ها همچنین ابزارهایی عملی برای دستیابی به کنترل فنی شمرده می‌شوند. مبنای داوری دربارهٔ آنها، مفید بودنشان در به ثمر رساندن این اهداف است، نه مطابقت آن‌ها با واقعیت. مدل‌ها، مجعول‌هایی تخیلی اند که موقتاً برای ساختن نظریه‌ها استفاده می‌شوند و پس از آن می‌توان آن‌ها را کنار نهاد؛ آن‌ها بازنمودهای حقیقی جهان نیستند. اگرچه می‌توانیم از معادلات کوانتومی برای پیش‌بینی پدیده‌های مشاهده پذیر استفاده کنیم، اما نمی‌توانیم در میان مشاهداتمان از اتم سخن بگوییم.

مکانیک کوانتم در حال حاضر

هم‌اکنون مکانیک کوانتومی در مسیر پیشرفت بی هیچ مشکلی دارای سرعتی حیرت‌آور است؛ و تا موقعی که مشکلی ایجاد نشود. (همانند مشکلات موجود در فیزیک کلاسیک که زمینه را برای تولد نظریه‌های نسبیت و کوانتوم فراهم نمود) دانشمندان نیازی به خلق نظریه‌ای جدید یا ایجاد تغییری در آن نمی‌بینند.