جهان‌های موازی کوانتومی

سارا ایزدیار، علی هادیان | موضوع جهان‌های موازی در حد تصور و تخیل و ایده‌پردازی است. کسانی که ادعا می‌کنند جهان‌های موازی کشف شده و براساس آن شروع می‌کنند به خیال‌بافی و با هیجان نظریه می‌دهند و نتایج دل‌بخواهی می‌گیرند و آن را ربط می‌د‌هند به ایده‌های ماوراءالطبیعی و انواع خرافات و فال‌گیری و عرفان‌های شرقی و غربی و حلقه‌های کیهانی و سرنوشت‌های موازی و جهان‌های هولوگرافیک و اشعار قدما و متون کهن و این نوع حرف‌ها، قابل اعتنا نیستند. وقت‌تان را تلف نکنید، انتهای این ادعا‌ها که ممکن است خیلی هم پرزرق‌وبرق باشند، حقیقتی نیست. آن‌ها فقط خودشان را بیخود به علم می‌چسبانند تا از اعتبار آن استفاده بکنند.

آنچه فیزیک‌دانان درباره جهان‌های موازی می‌گویند، یک مجموعه تلاش‌های ریاضی است. ما هنوز کوچک‌ترین شواهد تجربی از وجود جهان‌های موازی نیافته‌ایم. هنوز هیچ آزمایشی حتی به طور غیرمستقیم از وجود آن‌ها حکایت نکرده است. فیزیک‌دانان خودشان صراحتا می‌گویند که این ایده‌ها صرفا تخیل و خیال‌پردازی است. در صد سال آینده ممکن است بفهمیم این ایده‌ها درست نبوده‌اند یا برعکس شواهدی بر تأیید آن‌ها کشف بکنیم؛ ولی چرا جهان‌های موازی ارزش حرف‌زدن دارند؟ چرا اگر از فیزیک‌دانان راجع به جهان سؤال کنیم، کم‌وبیش به موضوع جهان‌های موازی برمی‌خوریم؟

دلیلش این است که انواع مختلفی از جهان‌های موازی در ریاضیات نظریات فیزیکی ظاهر می‌شوند. آن‌هم نه فقط یک جا، بلکه در صد سال گذشته در شاخه‌های مختلف فیزیک مدام به این پیش‌بینی ریاضی برخورده‌ایم که جهان باید چند تا باشد؛ ولی ما چشم‌بسته به آنچه ریاضیات راجع به طبیعت می‌گوید، اعتماد نمی‌کنیم. هر نتیجه‌ای که از معادلات ریاضی در فیزیک به دست بیاید، الزاما درست نیست. مثلا فرض کنید شما طول و عرض یک میز را اندازه بگیرید و برای محاسبه قطر آن یک معادله درجه دو به دست بیاورید که به دو جواب می‌رسد: یکی، دو متر، یکی منهای دو متر. جواب منهای دو متر قبول نیست. پاسخ منهای دو متر در جهان ما اتفاق نمی‌افتد.

پیش‌بینی‌های ریاضی در فیزیک باید با آزمایش تأیید بشوند. ریاضیات به‌تن‌هایی بدون تکیه بر مشاهدات تجربی نمی‌تواند جهان ما را توضیح بدهد. فکر نکنید دانشمندان خیلی مشتاق‌اند که راجع به جهان‌های موازی حرف بزنند که نه می‌شود آن‌ها را دید و نه می‌شود اثری از آن‌ها یافت. در فیزیک جای این حرف‌ها نیست. جهان‌های موازی پایه نسبتا محکمی در ریاضیات نظریه‌های فیزیکی دارد؛ وگرنه اگر فیزیک‌دانی در دانشگاه از این نوع نظریه‌های خیالی بدهد، احتمالا شغلش را از دست می‌دهد. در واقع ایده جهان‌های موازی خودش را به فیزیک نظری تحمیل کرده و فکرکردن به آن اجتناب‌ناپذیر شده است.

تا‌به‌حال دانشمندان بیش از ۱۰ نوع مختلف از جهان‌های موازی را فهرست کرده‌اند که هریک در بخشی از ریاضیات یکی از نظریه‌های فیزیکی ظاهر شده‌اند. برخلاف آنچه معمولا در فیزیک دیده شده است که وجوه مختلف یک پدیده به‌تدریج در آزمایش‌ها و نظریات ظاهر شده‌اند و بعدا دریافته‌ایم آن‌ها جلوه‌های مختلف یک پدیده واحد بوده‌اند، گونه‌های مختلف جهان‌های موازی در فیزیک، وجوه مختلف یک امر واحد نیستند. آن‌ها از نظریه‌های متفاوت فیزیکی سر برآورده‌اند و بنابراین مفهوم آن‌ها کاملا با هم متفاوت است. ما در اینجا به اولین نوع از جهان‌های موازی در فیزیک می‌پردازیم. این نوع از جهان‌های موازی از ریاضیات نظریه مکانیک کوانتومی برمی‌خیزد.

مکانیک کوانتومی
مکانیک در فیزیک به آن شاخه‌ای گفته می‌شود که به قوانین حرکت اجسام می‌پردازد؛ ولی چرا به دنبال مکانیک، واژه کوانتومی را می‌آوریم؟ علتش این است که از صد سال پیش دانشمندان متوجه شدند قوانین حرکت ذرات خیلی ریز در حد ذرات زیراتمی با قوانین حاکم بر حرکت اجسام معمولی که ما هر روز می‌بینیم، متفاوت هستند. در ظاهر یک الکترون باید مثل یک توپ بیلیارد حرکت کند؛ فقط خیلی کوچک‌تر و سبک‌تر است؛ ولی همان قوانین باید برایش صادق باشد؛ ولی در حوزه زیر‌اتمی پدیده‌ها عجیب‌وغریب‌اند و هنوز هم بعد از صد سال با عقل جور درنمی‌آیند.

وقتی یک توپ بیلیارد از جایی حرکت می‌کند و به جای دیگری می‌رسد، ما می‌دانیم این توپ در هر لحظه از زمان در نقطه‌ای از مسیر قرار گرفته و سرعت معینی دارد که اگر وسایل اندازه‌گیری مناسبی داشته باشیم، اصولا می‌توانیم با هر دقتی که بخواهیم، مکان و سرعت آن را تعیین کنیم. اصلا چه ما بدانیم، چه ندانیم، توپ در هر لحظه در جای مشخصی است و سرعت معینی دارد؛ ولی درباره الکترون آزمایش‌ها نشان می‌دهند که وضع این‌گونه نیست. وقتی یک الکترون از نقطه‌ای به سمت نقطه دیگر حرکت می‌کند، ما نمی‌دانیم در هر لحظه معین الکترون دقیقا کجاست.

تابع موج
مکانیک کوانتومی می‌گوید الکترون مثل هر ذره زیراتمی دیگری یک تابع موج دارد. این تابع که از نظر ریاضی خیلی هم دقیق است، احتمال یافتن الکترون در هر نقطه از مسیر را به ما می‌دهد. ولی الکترون در یک لحظه معین کجاست؟ نمی‌دانیم. تابع موج می‌گوید احتمال اینکه الکترون در فلان نقطه باشد، مثلا ۵۰ درصد است، احتمال اینکه قدری این‌طرف‌تر باشد، ۱۰ درصد است، احتمال اینکه قدری آن‌طرف‌تر باشد، ۱۰ درصد است و...؛ یعنی در هر لحظه به ما یک توزیع احتمال می‌دهد و همچنان که زمان می‌گذرد و الکترون حرکت می‌کند، تابع موج هم با زمان تغییر می‌کند و توزیع احتمال مکان الکترون جابه‌جا می‌شود.

الکترون با احتمال‌های مختلف می‌تواند در هر نقطه‌ای باشد. الکترون در مسیرش اصلا جای مشخصی ندارد. نه اینکه ما نمی‌دانیم کجاست، اصلا خودش جای معینی ندارد. آزمایشات این را نشان می‌دهند. اگر الکترون جای معینی داشته باشد، نمی‌توانیم آزمایشات مختلف را توجیح کنیم.

می‌گوییم خب اینکه کاری ندارد، یک وسیله‌ای می‌سازیم و می‌گذاریم در مسیر حرکت الکترون. هروقت الکترون از آن نقطه رد شد، وسیله چراغش روشن بشود. آن‌وقت ما می‌فهمیم الکترون در این نقطه است. می‌گویند بسیار خب اگر اندازه‌گیری کنید، می‌توانید بگویید الکترون کجاست؛ ولی تا قبل از آن، جای معینی ندارد. الکترون تا قبل از اندازه‌گیری به صورت موج احتمال در حرکت است که توسط تابع موج تعیین می‌شود و با آن می‌توان با دقت فوق‌العاده، نتایج آزمایشات را پیش‌بینی کرد. تابع موج بعد از اندازه‌گیری فرومی‌ریزد و الکترون می‌شود همان ذره‌ای که انتظار داشتید و در مکانی که اندازه‌اش گرفته‌اید، ظاهر می‌شود. اندازه‌گیری باعث فروپاشی تابع موج می‌شود. طبیعت این‌طور رفتار می‌کند. طبیعت به هیچ‌کس تضمین نداده مطابق عقل سلیم او رفتار کند. ما باید فهم‌مان را با رفتار طبیعت تنظیم کنیم.

آزمایش ۲ شکاف
اگر فقط همین بود، به قول قدیمی‌ها آن را یک جای دل‌مان جا می‌دادیم؛ ولی حالا این را ببینید: یک منبع نور را در مقابل دو شکاف نزدیک به هم که روی یک تکه ورق تیره ایجاد کرده‌ایم، قرار می‌دهیم. آن طرف شکاف‌ها یک پرده می‌گذاریم تا نور از دو شکاف رد بشود و به صفحه برخورد کرده و آن را روشن بکند. چون نوری که از هر شکاف می‌گذرد، مقابل خودش را روی پرده روشن می‌کند، واضح است که روی پرده دو نوار نورانی با یک فاصله معینی می‌بینیم. چون نور خاصیت موجی دارد، وقتی از دو شکاف به‌طور هم‌زمان عبور می‌کند، بعد از شکاف‌ها دو شعاع نور با هم تداخل می‌کنند و اگر فاصله دو شکاف را روی مقدار معینی تنظیم کنیم، به‌جای اینکه روی پرده دو نوار روشن مجزا ببینیم، مجموعه‌ای چندتایی از نوار‌های روشن و تیره خواهیم دید که با هم موازی هستند. این خاصیت امواج است که به خوبی شناخته شده است.

حالا منبع نور را برمی‌داریم و به‌جای آن دستگاهی می‌گذاریم که به طرف دو شکاف الکترون شلیک بکند. پرده را هم فسفری می‌کنیم تا هروقت الکترون به هر جای آن خورد، از خودش نور بدهد؛ ولی با کمال تعجب می‌بینیم باز نوار‌های تداخلی ظاهر می‌شوند! یعنی چه؟ این‌ها ذره‌اند؛ ذره‌ها که با هم تداخل نمی‌کنند. طبیعت بازی‌اش گرفته؟ کاش اینجا بازی تمام می‌شد، یک فکری برایش می‌کردیم.

مثلا شاید فکر می‌کردیم ممکن است الکترون‌ها بعد از عبور از دوشکاف، به نوعی با هم برهم‌کنش می‌کنند و موجب تشکیل نوار‌های تداخلی تیره و روشن می‌شوند. برای اینکه از موضوع سر دربیاوریم، شدت دستگاه شلیک الکترون را کم می‌کنیم؛ طوری‌که الکترون‌ها را یکی‌یکی به طرف شکاف‌ها شلیک بکند؛ یعنی در یک لحظه فقط یک الکترون به طرف شکاف‌ها بیاید و الکترون بعدی وقتی شلیک بشود که الکترون قبلی از شکاف‌ها عبور کرده و به پرده خورده است؛ ولی می‌بینیم بعد از مدتی که تعداد زیادی الکترون به صورت تک‌تک شلیک می‌کنیم، باز هم نوار‌های تداخلی ایجاد می‌شوند! الکترون‌ها ما را دست انداخته‌اند؟ چطور می‌شود یک الکترون با الکترون قبلی یا بعدی خودش تداخل بکند؟ اینکه نمی‌شود. تنها راهی که می‌ماند، این است که فکر کنیم یک الکترون هم‌زمان از هر دو شکاف رد می‌شود و با خودش تداخل می‌کند؛ یعنی چه؟ این فیزیک است. شعبده‌بازی که نیست. الکترون یک ذره است.

یک تک‌الکترون یا باید از این شکاف رد بشود یا از آن شکاف. اما دانشمندان از الکترون‌ها باهوش‌ترند. با خودشان فکر کردند این الکترون که بالاخره باید از یکی از این شکاف‌ها رد بشود. کاری ندارد، یک دستگاه آشکارساز الکترون کنار شکاف‌ها قرار می‌دهیم تا ببینیم تک‌الکترونی که شلیک می‌شود از کدام شکاف عبور می‌کند. با کمال حیرت، به محض اینکه اندازه‌گیری کنید که الکترون از کدام شکاف رد می‌شود، نوار‌های تداخلی از بین می‌روند و تصویر روی پرده تبدیل می‌شود به دو نوار روشن. انگار الکترون می‌فهمد که دارید نگاهش می‌کنید! تا قبل از اینکه مسیرش را اندازه‌گیری بکنید، هر تک‌الکترون از هر دو شکاف می‌گذرد!

دانشمندان می‌گویند الکترون به شکل یک موج احتمال مطابق تابع موج به شکاف‌ها نزدیک می‌شود، مثل یک موج معمولی از هر دو شکاف می‌گذرد، بعد خودش تنهایی به دو موج احتمال تبدیل می‌شود که هماهنگ هستند و با هم تداخل می‌کنند و در نهایت نوار‌های تداخلی را می‌سازند، ولی وقتی مکان الکترون را اندازه می‌گیرید، عمل اندازه‌گیری باعث فروپاشی تابع موج می‌شود و بنابراین الکترون رفتار ذره‌ای نشان می‌دهد و فقط از یک شکاف عبور می‌کند و تداخلی هم در کار نیست. ابداع‌کنندگان مکانیک کوانتومی ازجمله بور و هایزنبرگ، ۳۰ سال بحث و جدل کردند تا سایر دانشمندان ازجمله اینشتین و شرودینگر را راضی بکنند چاره دیگری جز پذیرش این تعبیر نیست.

مطابق این نظر که به «تعبیر کپنهاگی» از مکانیک کوانتومی معروف است، در جهان موجودی فیزیکی وجود دارد به نام آگاهی که موقع اندازه‌گیری با سیستم فیزیکی برهم‌کنش می‌کند و موجب فروپاشی تابع موج می‌شود که نتیجه‌اش می‌شود اینکه الکترون به صورت ذره رفتار می‌کند.

قبل از ورود آگاهی؛ یعنی قبل از اینکه ما عمل مشاهده را روی سیستم انجام بدهیم، الکترون مطابق تابع موج همه حالت‌های کوانتومی ممکن را هم‌زمان دارد. تا قبل از دخالت آگاهی، تابع موج حالت سیستم را تعیین می‌کند و بر سیستم حاکم است، ولی بعد از دخالت آگاهی، دیگر این ریاضیات معتبر نیست. این امر نه‌تن‌ها برای الکترون، بلکه برای همه ذرات زیراتمی صادق است. ولی این آگاهی دقیقا چیست؟ نمی‌دانیم، فقط هست. از کجا می‌آید و چه قوانینی بر آن حاکم است؟ نمی‌دانیم. چرا و چگونه تابع موج را فرومی‌پاشد؟ نمی‌دانیم. چرا ریاضیات مکانیک کوانتومی فقط تا لحظه خاصی معتبر است و بعد از آن بی‌اعتبار می‌شود؟ معلوم نیست. تعبیر کپنهاگی مشکلات فیزیکی فراوانی داشت.

جهان‌های متعدد
در دهه ۱۹۵۰ دانشجوی جوانی به نام اِوِرِت که با توضیحات تعبیر کپنهاگی قانع نشده بود، نگاه دقیقی به تابع موج انداخت و با خود گفت: آیا نباید به هرآنچه تابع موج اقتضا می‌کند تن بدهیم؟ آیا راهی هست که ریاضیات مکانیک کوانتومی را به‌طور کامل بپذیریم و نیازی به فروپاشی آن نداشته باشیم؟ آیا تابع موج می‌تواند همیشه معتبر باشد؟ خوشبختانه تابع موج یک تابع خطی است که کار با آن سرراست است. از نظر ریاضی یعنی کل آن با مجموع اجزایش برابر است. اورت اندیشید که سیستم کوانتومی به‌علاوه همه ذرات دستگاه اندازه‌گیری و ذرات سازنده مشاهده‌گران و سایر ذرات سازنده جهان همگی باید با هم در نظر گرفته شوند و در اصل جمعا یک سیستم هستند و بنابراین باید در نهایت بشود برای آن‌ها یک تابع موج کلی در نظر گرفت.

او نشان داد که این تابع موج کلی به دو قسمت قابل تفکیک است: قسمت اول عبارت است از تابع موج کل سیستم، وقتی الکترون از شکاف اول عبور می‌کند و قسمت دوم عبارت است از تابع موج کل سیستم، وقتی الکترون از شکاف دوم رد می‌شود. این دو قسمت قبل از اندازه‌گیری با هم هماهنگ یا به‌اصطلاح همدوس هستند و بنابراین تابع موج کلی الکترون هم‌زمان از هر دو شکاف می‌گذرد و نوار‌های تداخلی ظاهر می‌شوند. هنگام انجام عمل اندازه‌گیری این دو تابع موج ناهمدوس می‌شوند، ولی همچنان هر دو معتبر هستند. یکی بیانگر جهانی است که در آن الکترون از شکاف اول رد شده و دیگری به طور کامل جهانی را توصیف می‌کند که در آن الکترون از شکاف دوم رد شده است. اگر به نتایج ریاضی تابع موج پایبند باشیم، بعد از اینکه اندازه‌گیری کردیم دو جهان باید وجود داشته باشد، چون دو تابع موج داریم.

این دو تابع موج که هر یک معادل یک جهان هست، پس از اینکه ناهمدوس شدند ارتباطشان قطع می‌شود و یکدیگر را نمی‌بینند. بعد از یک اتفاق کوانتومی (یعنی عمل اندازه‌گیری)، تابع موج به دو تابع تقسیم می‌شود که هر یک توصیف‌کننده یک جهان مجزاست که یکی از اتفاقات کوانتومی ممکن در آن افتاده. به‌این‌ترتیب هر گاه یک اتفاق کوانتومی روی می‌دهد که چند حالت خروجی محتمل دارد، جهان ما به چند جهان موازی تقسیم می‌شود. در همه این جهان‌ها همه‌چیز شبیه به هم است، مگر نتیجه آن رویداد کوانتومی که جهان‌ها را از هم جدا کرده است.

در هر یک از جهان‌ها مشاهده‌کننده فکر می‌کند نتیجه اندازه‌گیری فقط همان است که خودش دیده، درحالی‌که هر نتیجه محتمل کوانتومی در یک جهان مجزا روی داده است. ساکنان هر یک از این جهان‌ها فکر می‌کنند خودشان نسخه اصلی هستند، درحالی‌که نسخه‌های متعدد از آن‌ها در جهان‌های موازی ناشی از اندازه‌گیری کوانتومی وجود دارند. بنابر این تعبیر، در هر رویداد کوانتومی، به تعداد خروجی‌های محتمل، جهان‌های موازی ایجاد می‌شود و بنابراین به آن تعبیر «جهان‌های متعدد» از مکانیک کوانتومی می‌گوییم؛ مثلا اگر خاطرتان باشد در بازی ایران و اسپانیا در جام جهانی، در دقایق آخر بازی توپ به طارمی رسید و ضربه او با اختلاف کمی گل نشد. فکر کنید موقعی که طارمی به توپ ضربه زد مولکول‌های پای او با مولکول‌های توپ برخورد کردند و در جایی در آن میان یک اتفاق کوانتومی باعث شد توپ جهتی بگیرد که گل نشود.

اگر آن اتفاق کوانتومی خروجی کمی متفاوت داشت، توپ طارمی گل می‌شد و ما به دور بعد صعود می‌کردیم. مطابق تعبیر جهان‌های متعدد از مکانیک کوانتومی، یک جهان موازی وجود دارد که در آن اتفاق کوانتومی دوم رخ داده است. در آن جهان ما به دور حذفی جام جهانی صعود کرده‌ایم، همگی خوشحال شده‌ایم و تیم ما بازی دور بعدی را انجام داده است. در مکانیک کوانتومی هر اتفاق کوانتومی می‌تواند به چند حالت کوانتومی مختلف منجر شود. در تعبیر جهان‌های متعدد، هر یک از حالت‌های کوانتومی در جهان جداگانه‌ای اتفاق می‌افتد. در هر اندازه‌گیری کوانتومی، جهان به چندین جهان مختلف و مجزا تقسیم می‌شود.

دانشمندان می‌گویند احتمال اینکه اطلاعی از یکی از این جهان‌ها به دیگری برسد وجود دارد، ولی احتمالش به‌قدری کم است که برای رخ‌دادن آن باید بیشتر از عمر جهان صبر کنیم. غیر از این دو تعبیری که اینجا از نظریه کوانتومی شرح دادیم، تعبیر‌های دیگری هم ارائه شده‌اند، ولی درحال‌حاضر اکثریت فیزیک‌دانان تعبیر جهان‌های متعدد از مکانیک کوانتومی را به تعبیر‌های دیگر آن ترجیح می‌دهند.