تاريخ موجز لبدائل الكم

تقول ميكانيكا الكم "كوبنهاغن" أن الواقع لا وجود له حتى يتم قياسه ، لذلك يواصل الكثيرون البحث عن بدائل لهذا التفسير

في عام 1915 ، طور ألبرت أينشتاين ، بمساعدة أصدقائه ، نظرية الجاذبية ، التي حولت كل شيء اعتبرناه أساس الواقع المادي. فكرة أن المساحة التي نسكنها لا يمكن وصفها بالكامل من قبل الهندسة الإقليدية كانت غير مفهومة. لدرجة أن الفيلسوف إيمانويل كانط ، من عدة نواحٍ ، مفكرًا راديكاليًا ، قال إنه لا توجد نظرية للفيزياء يمكنها مواجهتها.

أشار الفيزيائي فيرنر هايزنبرغ لاحقًا إلى معنى خطأ كانط. افترض الفيلسوف العظيم أن فهمنا الحدسي لهندسة إقليدس القديمة يعني أنه كان أساسًا ضروريًا للواقع المادي. في الواقع ، تبين أن هذا خطأ ، مما يثير تساؤلات حول النظام الفلسفي الكامل لكانط.

على الرغم من الانفصال الجذري مع الأفكار السابقة حول المكان والزمان ، إلا أن نظريات أينشتاين سرعان ما انضمت إلى أفكار نيوتن كجزء من " الفيزياء الكلاسيكية ". أُجبرت البشرية على القيام بذلك لأن ثورة الفكر العلمي تبين أنها عميقة لدرجة أنها خلقت أثرًا مشرقًا في تاريخ العلم: تطوير نظرية فيزياء الكم.

ما الذي يمكن تسميته ثورة علمية أعمق من النظرية النسبية العامة؟ ما الذي يمكن أن يخلق نقلة تكتونية أقوى من فكرة أن المكان والزمان منحنيان بالمادة؟

لفهم هذا ، يجب علينا أولاً أن نحاول أن نفهم: هذا هو الغرابة المتأصلة في ميكانيكا الكم. بمجرد أن نبدأ في الشعور بعدم الارتياح في العالم الكمي ، سنبدأ في فهم لماذا ، بعد ظهور KM على المسرح ، حاول الفيزيائيون إنشاء بدائل لها - بدائل تعيد إنشاء نفس المراسلات الرائعة مع التجارب ، بينما تحافظ في الوقت نفسه على جزء من النواة الكلاسيكية التي تتوافق مع عمقنا فهم بديهي لكيفية تصرف الطبيعة.

كل ما تعرفه خطأ

ينشأ فهمنا العميق لطبيعة الواقع من الملاحظة والتفاعل مع العالم من حولنا ، بدءًا من الطفولة. حتى قبل أن نتمكن من التعبير عنها ، نبدأ في فهم علاقات السبب والنتيجة. سبب حدوث أي حدث هو حدث آخر حدث. يمكن التنبؤ بالعالم.

في وقت لاحق أصبحنا أكثر تعقيدًا. نحن نعترف بأن فهمنا للأسباب محدود ، ونحن ندرك عدم اليقين من عواقبها. ربما ندرس حتى نظرية الاحتمالات والإحصاءات ونتعلم كيفية التعبير عن حدود معرفتنا في شكل رياضي. لكننا نعتقد أن هذه هي حدودنا فقط وأن الطبيعة غير المرئية لنا وراء الكواليس تستمر في استخدام قواعد السبب والنتيجة الدقيقة. عندما نرمي عملة معدنية ، فإن نقص المعلومات حول حركة العملة والهواء هو ما يجعلنا نقول أن احتمال سقوط النسر هو ثانية واحدة. نفترض أنه إذا عرفنا جميع التفاصيل وكان لدينا جهاز كمبيوتر كبير بما يكفي لإجراء العمليات الحسابية ، فلن نضطر إلى الاعتماد على الاحتمالات.

ومع ذلك ، فإن مثل هذه النظرة "الواقعية" للأشياء لا يمكنها البقاء (ولم تنجو) من البيانات الصلبة التي تم الحصول عليها في التجارب على الفوتونات والجسيمات دون الذرية الأخرى. لم يكن الفيزيائيون هم الذين قرروا ، بسبب استعصامهم العنيد ، إنشاء نظرية تناقض أغلى مشاعرنا البديهية حول الواقع: في الواقع ، رفضت هذه النتائج التجريبية بعناد أن تتوافق مع أي تفسيرات كلاسيكية. كان اختراع الشكلية الكمومية عملاً يائسًا - الشيء الوحيد الذي نجح. إذا اقتصرنا على طرح الأسئلة التي تسمح بها نظرية الكم ، فسوف نكافأ بالإجابات الصحيحة. ولكن إذا أصررنا على محاولة توضيح ما تخبرنا به النظرية ، باستخدام مفاهيم العالم الكلاسيكي ، فسوف نكون في حيرة من أمرنا.

بصفتي طالبًا في الفيزياء ، شاهدت عرضًا تدريبيًا لما سمح لي بإلقاء نظرة سريعة على الغرابة غير المرئية للعالم من حولنا. يمكنك تكرار هذه التجربة في المنزل ، باستخدام مصباح يدوي فقط أو مؤشر ليزر ، بالإضافة إلى ثلاثة فلاتر استقطابية (يمكنك أيضًا استخدام نظارات من النظارات الشمسية المكسورة مع الاستقطاب). ضع المرشحين على التوالي ، مع ترك فجوة بينهما. مرر الضوء من خلال هذا الزوج وأدر مرشحًا واحدًا حتى يتوقف الضوء عن المرور ؛ أصبحت محاور الاستقطاب متعامدة. الآن أدخل الفلتر الثالث بين الأولين. سترى أن الضوء يبدأ بالمرور عبر هذه البنية: بطريقة ما ، فإن إضافة مرشح إضافي يسمح للضوء بالمرور.

كان هذا العرض جزءًا من الجزء التمهيدي من الدورة التدريبية حول ميكانيكا الكم. لعدة أسابيع كنا منغمسين في الشكلية لنظرية الكم ، التي ينشأ عنها هذا السلوك المتناقض على ما يبدو كنتيجة تافهة.

هناك أناس يدعون أنه لا يوجد مفارقة وأن مثل هذا السلوك يمكن تفسيره بالنهج الكلاسيكي. وبمعنى ما ، هم على حق تماما. لكن نتائج مظاهرة سطح المكتب ، الطلاب المذهلين الذين يعرفون بالفعل الفيزياء الكلاسيكية ، تنشأ بوضوح من الشكلية الكمومية. وهذا يعني شيئًا.


تجربة ثنائية الإلكترونات.

واجه العلماء في العقود الأولى من القرن الماضي نتائج تجريبية أكثر روعة ولا يمكن تفسيرها. غالبًا ما أذكر التجربة أعلاه بفتحتين. من خلال إجراء هذه التجربة باستخدام الإلكترونات أو الفوتونات ، نحصل على نفس النتائج: صورة تداخل ، كما لو أن موجتين متداخلتين نشأت من شقين. هذا يدل على أن الضوء هو موجة وأنه حتى الجسيمات ذات الكتلة ، مثل الإلكترونات ، يبدو أنها تتصرف في ظروف مثل الموجات.

ولكن يمكن تغيير التجربة بطريقتين غريبتين. أولاً ، إذا قمت بإبطاء وتيرة انبعاث الجسيمات (الفوتونات أو الإلكترونات أو حتى الجزيئات الكاملة) بحيث يمر جسيم واحد فقط من خلال الشقوق في المرة الواحدة ، فلن تتغير النتيجة. وهذا يعني أن الجسيم ينقسم إلى حد ما إلى جزئين ، ويمر عبر الشقوق ويتفاعل مع نفسه! ثانيًا ، إذا قمت بإجراء أي تغيير على الإعداد بحيث يتم من خلاله تحديد الفجوة التي يمر بها الجسيم ، فإن نمط التداخل يختفي ويتم استبداله بالنمط المتوقع إذا كانت الجسيمات جزيئات عادية بدون خصائص موجية: توزيعين متماثلين فقط ، توسيط بالنسبة لكل من الفتحات.

كان من الصعب العثور على نظرية تشرح النتائج وتناسب الجميع. يبدو أن الفوتونات أو الإلكترونات قررت في بعض الأحيان أن تتصرف مثل الموجات ، وأحيانًا مثل الجسيمات ، اعتمادًا على ما يريد المجرب النظر إليه.

ثم أصبح كل شيء أكثر غرابة. لقد تطورت التقنيات إلى حد يمكننا من اختيار نوع القياس الذي نقوم به بعد أن يبدأ الجسيم رحلته. وظلت نتائج تجارب "الاختيار المتأخر" كما هي. إذا نظرنا لمعرفة الاتجاه الذي اختاره الجسيم ، فسيتم تدمير التداخل. إذا ابتعدنا ، إذا جاز التعبير ، فإن نمط التداخل المألوف يعود. ومع ذلك ، كان على الجسيم أن "يقرر" ما إذا كان يجب أن يتصرف مثل الجسيم أو مثل الموجة قبل المرور عبر الشقوق وقبل إنشاء التكوين النهائي للتجربة.

جعلت نتائج التجارب مع الاختيار المتأخر أكثر من فيزيائي واحد يفترض أن المعلومات حول اختيار سلوك الجسيم أو الموجة تنتقل في الوقت المناسب ، من وقت الاختيار في وقت ما قبل مرور الجسيم عبر الجهاز. حقيقة أن هذا الافتراض تمت مناقشته بجدية تامة يجب أن يمنحك فكرة عن مدى صعوبة تفسير نتائج التجارب في العالم الصغير باستخدام مجموعة من المفاهيم (مثل السببية ) ، مأخوذة من وجهات نظرنا الواقعية للعالم. واستمر تفسير العودة بالزمن حتى اللحظة الأخيرة عندما أجرينا تجربة مع ذرات الهيليوم البطيئة والباردة في مخطط مماثل. مرت الذرات عبر الجهاز تحت تأثير الجاذبية فقط ، وبالتالي ، انقضى وقت طويل بين لحظة المرور واختيار طريقة المراقبة. على الرغم من أن الفيزيائيين يصفون في بعض الأحيان بعض العمليات دون الذرية السريعة جدًا على أنها تستخدم شكلًا محدودًا من السفر عبر الزمن ، إلا أن المدة الطويلة في التجارب مع الهليوم جعلت مثل هذا التفسير مستحيلًا.

ما تبقى لنا؟ من المستحيل وصف نتائج هذه التجارب والعديد من التجارب الأخرى باستخدام المفاهيم التقليدية القائمة على الواقع: أن الكائنات موجودة مع مجموعة معينة من الخصائص ؛ أنه إذا قررنا عدم قياس الملكية الفردية ، فلا يزال لها بعض المعاني. كان لدى الفيزيائيين خبرة في العمل مع عدم اليقين قبل الثورة الكمومية بوقت طويل ، لكن هذا الشك كان من نوع مختلف تمامًا. لقد كان عدم اليقين في المعرفة ، مما يدل على مستوى غير معروف ، ولكن موجود ، من الواقع المحدد في إطار ما ندركه مباشرة.

إذا تجاهلنا كل هذه المفاهيم الأساسية للغاية لفهمنا للعالم ، فلماذا يجب أن نستبدلها؟ بعد كل شيء ، لم يصبحوا فقط جزءًا بديهيًا من تجربتنا اليومية ، ولكنهم يعملون أيضًا كأساس لمجالات أخرى من العلوم.

ما لا نراه

في القرن التاسع عشر ، أدت الحتمية على المستوى المجهري إلى أول نجاح ضخم في التفكير الاحتمالي في الفيزياء: النظرية الحركية للغازات . لقد استندت إلى الفكرة القديمة بأن المادة تتكون من عدد ضخم من الذرات البسيطة التي تتنافر مثل كرات بينج بونج دون المجهرية. بفضل بعض الافتراضات البسيطة ، بالإضافة إلى حصة جيدة من الرياضيات التي خلقت النظرية الحركية ، تمكن العلماء من اشتقاق قوانين الديناميكا الحرارية المعروفة لنا كمتوسط ​​قيم لسلوك الذرات المثالية. لقد أظهرت النظرية الحركية كيف يمكن للظاهرة التي نلاحظها أن تنشأ من السلوك المتوسط ​​للعديد من العمليات التي لا نستطيع ملاحظتها بشكل مباشر. ومع ذلك ، تصرفت هذه السلوكيات المتوسطة وفقًا للقوانين القطعية المعروفة للميكانيكا الكلاسيكية - استندت النظرية بأكملها عليها.


جزيئات تظهر الحركة البراونية.

حتى في القرن العشرين ، لم يؤمن العديد من العلماء بواقع الذرات. كانت نقطة التحول مقالة آينشتاين عن الحركة البراونية ، التي نُشرت عام 1905. واستخدمت المنطق الإحصائي ، الذي أظهر أن الحركة العشوائية لجزيئات اللقاح المعلقة في الماء يمكن تفسيرها بقصف مجموعة غير مرئية من الجسيمات.

حصل أينشتاين على جائزة نوبل ليس لهذا العمل ، وليس لمقال آخر في عام 1905 ، حيث قدم مفهوم النسبية E = mc ² . وقد مُنحت له الجائزة لعمل آخر نُشر في العام نفسه ومُخصص للتأثير الكهروضوئي. أطلق هذا المنشور عن غير قصد عملية أدت إلى انهيار واقعنا الكلاسيكي.

شرح مقال آينشتاين الحائز على جائزة العديد من النتائج الغامضة للتجارب حول تفاعل الضوء والمادة. من المفترض أن الضوء يمتص وينبعث من المادة بكميات منفصلة من الطاقة تسمى الكميات . شهد هذا العمل ولادة فيزياء الكم - وبدأ طفل آينشتاين هذا في التطور في اتجاه أثار غضب حتى والده.

شهد العقدين التاليين انفجارًا في الأبحاث التجريبية في مجال جديد للفيزياء والكيمياء الذرية. تم تحرير الإلكترون من أغلال الذرة وبدأ في تجربتها مباشرة. بدأت ظواهر أكثر غرابة في الظهور في نتائج التجارب ، ظهر عدد من النظريات والنماذج غير المكتملة ، ظهرت تفسيرات رياضية لوصف العالم الصغير. بدأ كل شيء بالتجمع تدريجياً وتمكن الفيزيائيون أخيراً من توقع النتائج التجريبية. لكن هذا يتطلب بنية رياضية مجردة غير عادية ومجموعة من القواعد التي تربطه بجوانب الطبيعة المقاسة ، وهي ميكانيكا الكم. (يتم سرد هذه القصة في كتاب مكتوب بشكل جيد للغاية من قبل ديفيد ليندلي.)

بحلول العقد الثالث من القرن العشرين ، قبل جميع العلماء تقريبًا واقع الذرات وحتى الجسيمات الصغيرة. لكنهم مثلوها كنسخ صغيرة غير مرئية لأشياء مألوفة: تم استخدام الكواكب وكرات البلياردو وحبوب الرمل للمقارنة. معظم العلماء الذين لا ينتمون إلى الدائرة الصغيرة التي خلقت أو فهمت النظرية الجديدة افترضوا أنها نسخة أخرى من شيء مثل النظرية الحركية للغازات. واليوم ، ربما يفكر معظم الناس بطريقة مماثلة: قد يكون للذرات والمكونات الأخرى للعالم الصغير خصائص غريبة ويتبعون قواعد رياضية غريبة ، لكنهم على الأقل يشاركون في الواقع الذي نعرفه. ومع ذلك ، تدعي ميكانيكا الكم العكس.

واحدة من الشخصيات الرئيسية في تطورها هي Niels Bohr (مع تأثير كبير من Max Born و Werner Heisenberg) ، الذي كان أيضًا أحد أغرب الشخصيات في تاريخ الفيزياء. كان بور فيلسوفًا فيزيائيًا ، ضجر زملائه من خلال نطق جمل طويلة ومفصلة وأحيانًا غير مفهومة. على الرغم من أنه كان يعرف بلا شك النظرية تمامًا وكان معروفًا بحل العديد من الألغاز في المرحلة الأولية من البحث الذري ، إلا أنه غالبًا ما فضل المحادثات الخاملة التي لا طائل من ورائها للتلاعب بالمعادلات. أصر على الحاجة إلى فهم معنى كل شيء. (بحثه عن المعنى لم يشاركه بعض الرواد الآخرين في فيزياء الكم ، لأنهم بدأوا بالفعل البحث باستخدام نهج Shut Up and Calcute ).


شعار الأسرة نيلز بور.

مستوحى جزئياً من نظرية الفيزياء ، التي ساعد في إنشائها ، بدأ بور تدريجياً في تطوير جانبه الغامض ، بل أضاف رمز "yin-yang" إلى شعار النبالة الخاص به.

أصبح هذا الفهم أو التفسير الأول لميكانيكا الكم لاحقًا معروفًا باسم "تفسير كوبنهاجن" تكريمًا لجامعة بور. لا تزال وجهة النظر القياسية لميكانيكا الكم ، على الرغم من عدم وجود تعريف رسمي. بل هي مجموعة من القواعد العملية المعتمدة عالميًا المتعلقة بتلك الأجزاء من النظرية التي يمكن ملاحظتها في المختبر. يمكن صياغتها بطرق مختلفة ؛ فيما يلي نسخة تعكس الفهم الحديث للجوانب الرئيسية:

• يتم تحديد حالة النظام (موضعه ، زخمه ، وما إلى ذلك) بشكل كامل من خلال "دالة الموجة" - وهو كائن رياضي يتم تحويله بشكل حتمي وفقًا لمعادلات ميكانيكا الكم. لا يمكن ملاحظة دالة الموجة مباشرة ؛ ومع ذلك ، فإنه يعطينا احتمالية أنه في وقت القياس ، سنجد النظام في حالة معينة. يمكن لهذه "الأنظمة" أن تكون جسيمات أولية ، على سبيل المثال ، الإلكترونات والبروتونات أو الذرات أو حتى الجزيئات الكبيرة. في عملية القياس ، "تتقلص" دالة الموجة واحتمالاتها مع القيمة المقاسة.
• لا يوجد "واقع" غير حساب الاحتمالات. لا توجد طبقة أساسية من الحتمية. لا توجد آليات خفية تسجل ما سيتم قياسه قبل أخذ القياسات. لا تعكس هذه الاحتمالات نقص معرفتنا ، كما هو الحال في الفيزياء الإحصائية الكلاسيكية ، لأنه لا يوجد شيء يجب معرفته. هناك احتمال فقط.
• هناك قيود أساسية لما يمكن قياسه ، موصوفة بعلاقات عدم اليقين: يمكن قياس أزواج معينة من الكميات في وقت واحد مع درجة معينة من الدقة (أمثلة على الزخم الموضع وطاقة الوقت أمثلة). هذا لا علاقة له بالتكنولوجيا أو الأساليب التجريبية ؛ هذه القيود هي جزء من الطبيعة ولا يمكن تجنبها.

يتواءم تفسير كوبنهاجن جيدًا مع جميع التعقيدات المحيطة بالظواهر مثل التجارب مع الاختيار المؤجل الموصوف أعلاه. ليست هناك حاجة لإرسال إشارات غامضة تسافر بالزمن إلى الوراء ، أو لإنشاء نظريات معقدة مصممة للحفاظ على أفكارنا حول الواقع. نحتاج فقط إلى التخلي عن هذه الأفكار وقبول حقيقة أن الخصائص لا توجد بغض النظر عن قياسها. تصبح القيم حقيقية فقط عندما يتم قياسها ، وتخبرنا ميكانيكا الكم أنها مجرد احتمالات لوقائع مختلفة.

لا يوجد مخرج؟

إن عواقب ميكانيكا الكم ، إلى جانب تفسير كوبنهاجن ، غير بديهية وغريبة وغير مجازية مجازياً. لقد كانت أولوية الاحتمالات وتدمير السببية المحددة هي التي جعلت أينشتاين يعترض على أن الله "لا يلعب النرد مع العالم". فلماذا يسعد الفيزيائيون بقبول هذه النظرية؟ لماذا لا نقول أنه يمكن أن تكون هناك "معلمات خفية" حتمية أصبحت أسباب احتمالات العالم الكمي؟

السبب الأكثر أهمية وفورية هو نظرية بيل.تظهر هذه النظرية ، التي أثبتها جون ستيوارت بيل في عام 1964 ، أنه إذا كانت هناك طبقة من المعلمات المخفية التي لا يمكننا قياسها ، فيجب أن تعطي بعض التجارب نتائج معينة. حتى الآن ، هناك أدلة كثيرة على تجارب دقيقة للغاية أن القياسات لا تؤدي إلى مثل هذه النتائج. يتطلب المنطق الاعتراف بأنه في العالم الصغير لا توجد طبقة حتمية غير معروفة.

يمكن لنظرية بيل أن تسمح للنتائج التجريبية والمعلمات الحتمية الخفية بالتعايش فقط تحت شرط واحد: يجب أن ينتشر تأثير هذه المعلمات بشكل أسرع من سرعة الضوء. ومع ذلك ، لا يمكن لهذا التأثير أن يكون نقلًا كلاسيكيًا حقيقيًا للمعلومات ، لأن إمكانية ذلك مستبعدة من قبل النظرية النسبية الخاصة. كما أشار آينشتاين ، فإن نقل المعلومات بشكل أسرع من سرعة الضوء سوف ينتهك أفكارنا حول الأسباب والآثار: سوف يسمح للآثار أن تسبق الأسباب ، حتى على مستوى العالم الكبير.

الاحتمال الآخر هو السماح للمعلمات المخفية بنقل التأثير السريع الزوال لميكانيكا الكم ، التي تنتشر على الفور ، لكنها لا تنقل المعلومات بالمعنى الكلاسيكي. أطلق آينشتاين بسخرية على هذه التأثيرات الغامضة "العمل الرهيب بعيد المدى" ، لكننا نفسر معهم نتائج قياسات الجسيمات المتشابكة. بالنسبة لهم ، يمكن أن يخبرنا قياس حالة الجسيم عن نتيجة قياس جسيم آخر يقع على مسافة عشوائية. النظريات التي تتجنب تأثير نظرية بيل ، التي تسمح بوجود متغيرات مخفية تنقل بعض التأثير الفوري عن بعد ، تسمى "النظريات غير المحلية للمعلمات المخفية". لكنها الطريقة الوحيدة لجعل ميكانيكا الكم أكثر راحة لنا.


تجربة أقل شهرة مع أنبوب Schrödinger.

الحرية لها ثمن

لا يجب أن تتفاجأ من أن الفيزيائيين كانوا يبحثون عن مخرج من الوضع منذ الأيام الأولى لميكانيكا الكم. ولكن كيف يمكن لشيء آخر أن يكون ممكنًا إذا لم تترك لنا نظرية بيل مخرجًا؟

تعتمد أي نظرية دائمًا على افتراضات ، صريحة وضمنية. يستخدم دليل بيل رياضيات بسيطة إلى حد ما ، ويبدو أنه لا يتم تطبيق أي افتراضات لن نقبلها بالفعل على أنها صحيحة. لكن المشاكل المعقدة بشكل يائس تلهم الناس لاتخاذ تدابير يائسة. كان منظّرو الكم يبحثون عن بدائل لتفسير كوبنهاجن ، يستكشفون بعض هذه الافتراضات الضمنية - تلك التي نادراً ما يتم التشكيك فيها ، لأنه لا يمكن لأحد أن يتخيل أنها غير صحيحة.

منطق الكم

يؤثر أحد هذه الافتراضات غير المستكشفة على قواعد المنطق التي يقوم عليها أي نوع من التفكير ، بما في ذلك الرياضيات. تسمى تفسيرات ميكانيكا الكم التي تغير المنطق نفسه ، في محاولة لاستبدال شيء ما ، منطق الكم . هذا المجال من المعرفة له أصل محترم وينشأ من جون فون نيومان ، وهو عالم رائع كتب الصيغة الرياضية المبكرة لنظرية الكم. مرة أخرى في 1930s ، أظهر أن البنية الرياضية للنظرية مرتبطة بالمنطق الذي يختلف عن الفيزياء الأساسية للمنطق الأرسطي. لا يزال البحث في هذا المجال مجالًا غريبًا (وممتعًا) للدراسة ؛ حتى الآن لم يبتكر أحد بديلاً فعالاً ومرضيًا تمامًا لتفسير كوبنهاجن.

على الرغم من أن هذه المنطقة عميقة جدًا وغامضة إلى حد ما ، إلا أن هناك أمثلة بسيطة على كيفية عدم تناسب المنطق المألوف بشكل جيد مع العالم الكمي وكيفية إنشاء بديل له. واحدة من الأولى في الأدب هناك فكرة كمية فريدة لتراكب الدول. في عالم الكم ، يتم استبدال مفاهيمنا المعتادة للواقع بدالة موجية ، والتي تعطينا احتمالات اكتشاف نظام في حالات مختلفة. إذا كان النظام يمكن أن يكون في إحدى الحالتين فقط ، فقبل إجراء القياسات نفسها ، يكون في حالة ليست واحدة منهما أو كلاهما في حالة تراكب. مثال شائع على ذلك هو تجربة فكرية مع قطة شرودنغر ، والتي تعتبر حية وميتة على حد سواء حتى يتم فتح الصندوق الذي تجلس فيه. التجربة هي صراع دراماتيكي مع الميكانيكا الكلاسيكية وأفكارنا اليومية حول الواقع: تتطلب "القطة" أن يكون النظام في الواقع في واحدة من حالتين ممكنتين ، ويكشف لنا فعل القياس فقط ما كانت عليه الحالة طوال هذا الوقت.


إروين شرودنغر

أحد الطرق الممكنة لإعطاء معنى تراكب هو تطبيق قواعد المنطق الأخرى. في منطقنا المعتاد ، إذا كانت العبارة p (على سبيل المثال ، "الإلكترون في الحالة مع اتجاه السبين لأعلى") خاطئة ، وبيان q ("الإلكترون في الحالة مع اتجاه السبين لأسفل") خطأ ، فإن p ∨ q (حيث ∨ تعني " أو ") يجب أن تكون خاطئة أيضًا. هذا هو بالضبط ما يحدث مع القياسات الكلاسيكية. في ميكانيكا الكم ، لا يمكن أن تكون p صحيحة ما لم يتم قياسها. سواء كان يجب اعتبارها "خاطئة" بالمعنى الكلاسيكي ، أو أي شيء آخر هو سؤال آخر. وبالمثل ، لا يمكن أن يكون q صحيحًا أيضًا. ومع ذلك ، يجب أن تكون التركيبة p ∨ q صحيحة، لأن هذا هو تعريف التراكب الذي يقع فيه الإلكترون قبل القياس. لذلك ، يجب أن يسمح منطقنا الكمي أن تكون p ∨ q صحيحة عندما لا يكون p ولا q صحيحين ، على عكس منطق أرسطو.

قد يبدو من الغريب الاعتماد على تغيير في قواعد المنطق نفسها. ولكن بهذه الطريقة يمكننا تقليل غرابة ميكانيكا الكم إلى مستوى واحد أو مستويين ، من مستوى الفيزياء إلى مستوى القواعد ، التي يمكننا استخدامها للتفكير.

الميكانيكا العشوائية

هذا التفسير ، أو تفسير ميكانيكا الكم ، يترك المنطق كما هو ، لكنه يضيف عملية فيزيائية جديدة. بدأ الفرع الحديث والواعد لميكانيكا الاستوكاستك بمقال عام 1966 بقلم إدوارد نيلسون ، الذي أعلن بجرأة:

"في هذه المقالة يجب أن نظهر أن الانحراف الراديكالي عن الفيزياء الكلاسيكية الناجم عن ظهور ميكانيكا الكم قبل أربعين عامًا لم يكن ضروريًا".

كانت النتيجة الرئيسية للمقالة مثيرة للإعجاب: اشتق المؤلف معادلة شرودنغر - المعادلة المركزية لميكانيكا الكم - على افتراض أن الجسيمات تتعرض لقوى عشوائية تتأرجح بسرعة. ونتيجة لذلك ، تُظهر الجسيمات المجهرية ، مثل الإلكترونات ، شيئًا مشابهًا للحركة البراونية. من خلال اشتقاق المعادلة ، يستخدم نيلسون بنشاط الرياضيات من الفيزياء الإحصائية.

منذ مقالة نيلسون ، تطورت هذه المنطقة بشكل مطرد واجتذبت مجتمعًا كبيرًا من الباحثين. بعض إنجازات مثيرة للالناجحة هي تفسيرا من الزخم الزاوي الكم ( "تدور")، والإحصاءات الكم والشهيرة التجربة dvuhschelny . ومع ذلك ، لا تزال ميكانيكا الاستوكاستك بعيدة عن استبدال تفسير كوبنهاجن أو ميكانيكا الكم التقليدية. يستخدم ما يشبه الإجراء الفوري غير المادي على مسافة ويعطي تنبؤات غير صحيحة في بعض أنواع القياسات. ومع ذلك ، فإن مدافعيها لا يستسلمون. كما يقول نيلسون في التحليل من هذا الموضوع ، "كيف يمكن أن تكون النظرية صحيحة جدًا وفي نفس الوقت خاطئة جدًا؟"

نظرية الموجة التجريبية

يعود هذا الإصدار من ميكانيكا الكم إلى بدايات الحقل. إذا تم وضع أول قطعة من اللغز الكمومي في عام 1905 من قبل أينشتاين ، عندما أوضح كيف يتم امتصاص الضوء وانبعاثه من المادة بكميات منفصلة ، ثم تم وضع الجزء الثاني في عام 1924 بواسطة لويس دي بروجلي. ذكر De Broglie أنه في حين أن موجات الضوء يمكن أن تتصرف مثل الجسيمات ، فإن الجسيمات مثل الإلكترونات يمكن أن تتصرف مثل الموجات.

في العام التالي ، أوضح دي بروجلي نظريته عن الموجة التجريبية ، حيث يتم توليد موجات المادة التي لوحظت في الأشياء المادية الحقيقية عن طريق حركة الجسيمات. بطريقة ما ، كان هذا هو التفسير الأولي لميكانيكا الكم ، ولكن سرعان ما هزمه تفسير كوبنهاغن. أعيد اكتشاف أفكار De Broglie في الخمسينيات من قبل ديفيد بوم ، الذي قدمهامزيد من التطوير . في هذه الصيغة ، يتم التحكم في وظيفة الموجة أيضًا بواسطة معادلة شرودنغر ، لكن نظرية الموجة التجريبية تضيف معادلة مشتقة منها تؤثر بشكل مباشر على حركة الجسيمات. تعتبر الجسيمات مسارات حقيقية موجودة بشكل مستقل عن القياسات ؛ تنشأ التأثيرات الكمومية المميزة ، مثل التداخل في تجربة مع شقين ، من مسارات معقدة تتبعها الإلكترونات أو الفوتونات أثناء التجربة. يعيد هذا التفسير إنشاء نسبة كبيرة من سلوك العالم الكمي ، مع الحفاظ على الواقعية. إنها ترجع الاحتمال إلى مكاننا المعتاد ، أي أن الاحتمال يصبح مرة أخرى مؤشرًا لمعرفتنا غير المكتملة ، وليس جزءًا لا يتجزأ من الطبيعة.


Louis de Broglie

إحدى العقبات الخطيرة التي تعترض نظرية الموجة التجريبية هي أن مسارات الجسيمات التي تخلقها معقدة وغريبة في الغالب. عقبة أخرى هي أنه يتطلب عدم تموضع شديد ، والذي يصف من حيث المبدأ حركة الجسيمات على أنها تعتمد على حالة جميع الجسيمات الأخرى في الكون. ومع ذلك ، يعتبر العديد من الفيزيائيين هذه النظرية أكثر البدائل الواعدة لتفسير كوبنهاجن ، ويتم دراستها بنشاط .

من السمات المثيرة للاهتمام لنظرية الموجة التجريبية إمكانية مراقبة نظائر بعض السلوكيات المتوقعة للميكروفيل على مقياس مجهري. تجربة الفيديو تظهر قطرات النفط الطاردة سلوكًا رائعًا تلعب فيه القطرات دور الجسيمات دون الذرية ، ويؤدي الحمام الزيتي الذي يتم تعليقه عليه بعض وظائف الموجة التجريبية.

عوالم متعددة

أحدث تفسير " ميكانيكا العالم" لميكانيكا الكم الكثير من الضجيج في الصحافة الشعبية. لذلك ، اكتسب العديد من الناس ، بما في ذلك بعض علماء الفيزياء ، وجهات نظر غير صحيحة حول هذه النظرية.

لا يصر هذا التفسير على خلق كون جديد لكل بعد ، كما يعتقد عادة. إنها ببساطة تأخذ ميكانيكا الكم التقليدية على محمل الجد ووصفًا لعالمنا وكل شيء فيه. تصف ميكانيكا الكم الجسيمات ، على سبيل المثال ، الإلكترون ، كما هو موجود في تراكب لجميع الحالات الممكنة ؛ عند القياس ، يتم استبدال التراكب بالحالة المقاسة. توسع وجهة نظر العالم المتعدد فكرة التراكب للتحكم في كل شيء ، بما في ذلك تركيب القياس ومشغليه. وتدافع عن وجهة النظر القائلة بأنه من أجل ضمان النزاهة ، يجب أن يكون العالم كله موجودًا في تراكب.

يشير مفهوم "عوالم كثيرة" إلى تراكب الدول المطبقة على العالم كله ؛ كل حالة محتملة ، أو الكون ، موجودة بالفعل بالمعنى الميكانيكي الكمومي ، حيث يكون لكل حالة ممكنة للجسيم دون الذري وجود محتمل. يقيس قياس حالة الجسيم نتيجة واحدة ممكنة ويجعلها حقيقية. في الوقت نفسه ، يختار القياس نتيجة واحدة محتملة للكون: النتيجة التي حصل عليها المجرب مع هذا القياس بالذات.

تعتبر عوالم متعددة حتمية وتزيل الحاجة إلى تقلص دالة الموجة. يزعم منتقدوها أنها ما زالت لا تستطيع التخلص من الدور المركزي للاحتمال ولا يمكنها احتواء الجاذبية.

هناك العديد من الأساليب البديلة الأخرى التي ليس لدينا ببساطة مساحة كافية لوصفها. غالبًا ما تكون أقرب إلى الميتافيزيقا من الفيزياء. إحدى هذه الأفكار ، الواقعة بين العلم والفلسفة ، هي الحتمية الفائقة . على الرغم من أن هذه الفكرة لم تتمكن بعد من إعادة إنشاء نتائج ميكانيكا الكم ، فقد جذبت اهتمامًا مستمرًا ، ربما بسبب سمعة المدافع الرئيسي ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء ، جيرارد تي هوفت. كان من المفترض أن تكون الحتمية الفائقة ثغرة في نظرية بيل ، وقد وصفها بيل نفسه قدر الإمكان . تتجنب النظرية الافتراضات الأساسية لنظرية بيل من خلال النظر في كل شيء في الكون ، بما في ذلك اختيار المجرب للقياسات ، كما هو محدد من بداية الوقت. بطبيعة الحال ، ينكر أي إمكانية للإرادة الحرة. تطور مثير للاهتمام للنظرية في هذا المجال هو محاولة هوفت لتطبيق أفكاره من خلال إنشاء نموذج لميكانيكا الكم في الخلية الخلوية.

القلق الميتافيزيقي

كان لدى آينشتاين فهم جيد للكلمة وطبيعة مفهومة بعمق. لقد ترك لنا عبارتين ملونتين نستمر في اقتباسهما للتعبير عن استيائنا من الجوانب ذات الصلة بميكانيكا الكم: "العمل الرهيب بعيد المدى" و "الله [...] لا يلعب النرد مع العالم".

على الرغم من أن تفسير كوبنهاجن لا يزال سائدًا ، ويقبل بهدوء كلتا العبارتين ، إلا أن عدم الرضا المؤلم الذي ولدهما سيستمر في تحفيز أجيال جديدة من الفيزيائيين على البحث عن بدائل. قد يكون هذا البديل تطويرًا إضافيًا لأحد النماذج الموصوفة هنا ، أو أحد تلك المشاريع التي لم نتمكن من التفكير فيها ، أو فكرة جديدة تمامًا. ولكن لا يمكن لأحد أن يقول على وجه اليقين ما إذا كان أحدهم سيحصل على اعتراف عالمي في المستقبل.

نبذة عن الكاتب: لي فيليبس هو فيزيائي ومساهم منتظم في آرس تكنيكا. وقد كتب سابقًا عن موضوعات مثل إرث لغة البرمجة فورتران والفيزياء المتغيرة لإيمي نويثر .