آیا دستیابی به تئوری همه چیز در دنیای فیزیک واقعا ممکن است؟

به تازگی یک آزمایش فیزیکی جالب برای نشان دادن خواص عجیب جهان کوانتومی انجام شده است. در حال حاضر برایمان مشخص شده که دنیای کوانتومی حتی عجیب‌تر از آن چیزی است که ما پیش از این می‌پنداشتیم. این امر نه‌تنها می‌تواند ما را مجبور به تجدید نظر در برخی از جنبه‌های بنیادین مکانیک کوانتومی کند، بلکه می‌تواند در نهایت به‌عنوان کلیدی برای یکپارچه‌ ساختن دو مورد از بزرگ‌ترین نظریه‌های فیزیک مدرن باشد.

فیزیکدانان به شواهدی دست یافته‌اند که نشان می‌دهند یک بخش کلیدی از «آزمایش دو شکاف کلاسیک»، در واقع می‌تواند در دنیای واقعی مورد تست قرار بگیرد و پس از آن می‌توانیم بررسی کنیم آیا از قوانین اخیر فیزیکی پیروی می‌کند یا خیر. تست کردن چنین آزمایشی می‌تواند روشی کاملا جدید برای تحقیق و پژوهش روی حفره‌های فعلی موجود در مکانیک کوانتومی پیش روی ما بگذارد.

اجازه بدهید در ابتدا توضیح خود را با اشاره به آزمایش دو شکاف شروع کنیم. آزمایش یادشده یکی از عجیب‌ترین نتایج تجربی به ‌دست آمده در دنیای فیزیک مدرن را ارائه داد. مفهوم نسبتا ساده است: فرض کنید که شما یک تخته با یک شکاف در وسط آن دارید و توپ‌های پینگ‌پنگ را از میان آن شکاف به‌طور پیوسته شلیک می‌کنید! این توپ‌ها هنگامی که به قسمت پشتی تخته برسند، یک علامت ایجاد خواهند کرد؛ پس از آن نیز خیلی زود الگویی بر روی صفحه نمایش پدیدار خواهد شد؛ الگویی به شکل خطی مستقیم و عمودی که بازتاب‌دهنده‌ی شکل شکاف یادشده است.

اگر شما آزمایش فوق را با دو شکاف عمودی روی تخته تکرار کنید، این بار احتمالا با دو خط عمودی در پشت تخته در پایان آزمایش روبرو خواهید شد. در ادامه شما تخته با شکاف منفرد را برداشته و این بار یک موج (مانند موج آب یا صدا) به آن شلیک می‌کنید. موج از میان شکاف جریان خواهد یافت و روی صفحه‌ای که این بار هم در پشت تخته واقع شده است و با نقطه‌ای که با این شکاف در یک راستا قرار دارد، به بیشترین شدت برخورد خواهد داشت.

به عبارت دیگر نقطه‌ی اوج موج همیشه در نقطه‌ای درست در پشت این شکاف با صفحه‌ی مذکور برخورد خواهد کرد. این در واقع همان اتفاقی است که در توپ‌های پینگ‌پنگ هم رخ داده بود.

اما زمانی که شما امواج را از میان دو شکاف رها کنید، در این صورت آن‌ها شروع به تصادم و مخلوط شدن با هممی‌کنند و درنهایت به ایجاد الگویی منتهی خواهند شد که به‌عنوان الگوی تداخل شناخته شده است. گفته‌ی اخیر بدان معنا است که دیگر دو خط واضح و مشخص در پشت شکاف وجود نخواهد داشت، اما به‌جای آن الگویی از خطوط مختلف با فضاهای خالی در میانشان ایجاد خواهد شد. شما می‌توانید تصویر چنین الگویی را در تصویر بالای مقاله مشاهده کنید.

البته این اتفاق خیلی هم عجیب نیست. ما می‌دانیم که ماده (در مثال اولیه‌ی ما به منزله‌ی همان توپ پینگ‌پنگ فرض می‌شود) لزوما رفتاری مشابه رفتار امواج از خود نشان نمی‌دهد. اما زمانی که فیزیکدانان ذراتی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها را در دو شکاف شلیک می‌کنند، همواره انتظار دارند که آن‌ها رفتاری همانند ماده از خود نشان دهند؛ اما آن‌ها در عوض کنشی شبیه امواج از خود بروز می‌دهند و الگوهای تداخلی را به وجود می‌آوردند.

در ادامه خواهیم دید که ماجرا حتی عجیب‌تر از این نیز می‌شود. درست است که الکترون‌ها و فوتون‌هایی که به آن‌ها اشاره شد، همانند ماده رفتار نمی‌کنند، اما آن‌ها به‌طور کامل شبیه امواج هم رفتار نمی‌کنند. زیرا آن‌ها برای شکل دادن الگوهای تداخلی با همدیگر آمیخته نمی‌شوند.

ما از برداشت فوق اطمینان داریم. زیرا وقتی‌که الکترون‌ها یا فوتون‌ها به یک صفحه‌ی دوشکافی به‌صورت هم‌زمان شلیک شوند، در آن صورت آن‌ها همچنان  در انتها الگوهای تداخلی را تشکیل خواهند داد.

به نظر می‌رسد که این امر غیرممکن باشد، چون واقعیت این است که ذره‌های منفرد فوق احتمالا نمی‌توانند تشخیص دهند که ذره‌ی بعدی خودش را به‌طور دقیق در چه محلی جای خواهد داد. یا حتی می‌توان چنین مطرح کرد که این ذره‌ها نمی‌توانند تشخیص بدهند ذره‌ی پیش از خودشان به‌طور دقیق در چه محلی جای گرفته است. حال پرسشی که پیش می‌آید این است که آن‌ها واقعا چطور می‌توانند بدون هیچ برهم‌کنشی این الگوها را شکل دهند؟

آزمایش فوق نمونه‌ای کامل از چگونگی رفتار کاملا متفاوت جهان کوانتومی با ماده در مقیاس بزرگ‌تر است، اما در عین حال نمونه‌ای از وجود شکاف‌های جدی در درک ما از مکانیک کوانتومی را پیش رویمان می‌گذارد؛ چراکه ما به‌سادگی نمی‌توانیم آن را توضیح دهیم. در همین راستا فیزیکدان نظری ریچارد فاینمن گفته بود که این آزمایش ارائه‌دهنده‌ی رمز و رازهای مرکزی دنیای کوانتومی است. در واقع فاینمن حتی تا آنجا پیش رفت که آن را «تنها رمز و راز» دنیای مکانیک کوانتومی قلمداد کرد که می‌تواند کلیدی برای پی بردن به پاسخ پرسشی کلیدی باشد: چرا دو نظریه‌ی اساسی ما از فیزیک (مکانیک کوانتومی و نسبیت عام) به‌سادگی با هم مطابقت ندارند؟

ما به‌راحتی و به‌ طور بسیار جالبی می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که یک الکترون یا فوتون در طول آزمایش دو شکاف در چه محلی روی صفحه جای خواهد گرفت؛ حتی اگر نتوانیم سازوکار و علت آن را به‌خوبی درک کنیم. پیش‌بینی‌های ما بر یک اصل به نام اصل برن استوار است، اما اصل برن مشکلات مختص به خود را دارد. در همین زمینه آنیل آنانتاسوارمی (Anil Ananthaswamy) برای نیوساینتیست چنین توضیح می‌دهد:

در اینجا هیچ دلیل اساسی برای این که چرا قانون برن باید برقرار باشد، وجود ندارد. به نظر می‌رسد که این قانون در تمام شرایطی که ما تست کرده‌ایم، جواب می‌دهد؛ اما هیچ‌کس به‌طور دقیق نمی‌داند که به چه دلیل.

برخی تلاش کرده‌اند تفسیرهایی از خوانش «جهان‌های بی‌شمار» از مکانیک کوانتومی استخراج کنند.  تئوری جهان‌های بی‌شمار پیشنهاد می‌کند که تمام حالت‌های ممکن از یک سیستم کوانتومی می‌تواند در جهان‌های مختلف و موازی وجود داشته باشد. اما چنین تلاش‌های تاکنون بی‌نتیجه بوده است.

از آنجا که اصل برن نمی‌تواند توسط هیچ‌کدام از برداشت‌های فعلی ما از فیزیک توضیح داده شود؛ شاید بتوان آن را به‌عنوان کلیدی برای توضیح برخی از شکاف‌های اساسی در قوانین فعلی مکانیک کوانتومی به شمار آورد. این موضوع همچنین می‌تواند دلیلی را پیش رو بگذارد؛ برای اینکه هیچ فیزیکدانی تابه‌حال موفق به یکپارچه‌سازی این قوانین با نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین به‌منظور ایجاد یک «نظریه‌ی همه چیز» (theory of everything) -که نظریه‌ای پرطرفدار یکپارچه‌کننده تصور می‌شود- نشده است.

در واقع، اگر بتوانید پی ببرید به چه شکلی می‌توانیم قانون برن را «بشکنیم» یا اینکه آن را نقض کنیم؛ در آن صورت شما به‌طور بالقوه نقطه‌ی دقیقی را پیدا خواهید کرد  که در آن درک فعلی ما از مکانیک کوانتومی ناقص است. جیمز کواچ (James Quach) از انستیتوی علم و صنعت بارسلونِ اسپانیا در گفتگو با آنانتاسوارمی در این باره گفت:

 در صورتی که قانون برن نقض شود؛ به این معنی خواهد بود که یک اصل بنیادین از مکانیک کوانتومی نقض می‌شود و این امر می‌تواند در ادامه ما را به جایی برساند که نیاز به یافتن برخی تئوری‌های کوانتومی جدید در حوزه‌ی گرانش داشته باشیم.

او در حال حاضر یک راه جدید را پیشنهاد کرده است که می‌توانیم از طریق آن قانون برن را نقض کنیم و در واقع این نقض را در طی یک آزمایش مورد سنجش قرار دهیم.

کواچ در مقاله‌ی علمی جدید خود توضیح می‌دهد که اگر شما تمامی احتمالات را برای محل‌هایی که در آن یک الکترون یا فوتون می‌تواند بر روی صفحه‌ی مورد آزمایش در حین شلیک الکترون‌ها یا فوتون‌ها از میان تخته‌ی دوشکافی جای گیرد، در نظر بگیرید؛ در آن صورت برخی از مسیرهای عجیب و «غیر کلاسیک» وجود خواهند داشت که منجر به الگوهای تداخلی گوناگونی شوند که حتی قانون برن هم نتواند آن‌ها را پیش‌بینی کند.

این درواقع همان چیزی است که خود فاینمن در سال ۱۹۴۸ پیشنهاد کرده بود. به تعبیر کواچ، پیشنهاد وی به این صورت بود که تمامی مسیرهای بین نقاط دارای تابع موجی هستند. وی همچنین اضافه می‌کند که گفته‌ی فوق حتی شامل مسیرهایی می‌شود که ابتدا از میان یک شکاف و سپس شکاف دیگر شکل می‌گیرند؛ پیش از اینکه به صفحه برخورد کنند.

این برداشت به‌جای دو مسیر، سه مسیر ممکن را برای ذرات پیش روی ما می‌گذارد: مسیر اول مسیری است که از میان شکاف A شکل می‌گیرد؛ مسیر دوم به سمت شکاف B می‌رود و مسیر سوم هم از میان شکاف B به‌سوی صفحه می‌رود.

آنانتاسوارمی در این باره چنین توضیح داده است:

کواچ به ما نشان می‌دهد که اگر ما تداخل‌های این سه مسیر را به‌حساب آوریم، در آن صورت احتمالات به‌دست‌ آمده با پیش‌بینی‌های حاصل‌شده بر پایه‌ی قانون برن متفاوت خواهد بود.

کواچ پیشنهاد می‌دهد که می‌توانیم حالت پیشنهادی وی را با جای دادن دو آشکارساز پس از تخته‌ی دو شکافی تست کنیم. یکی از این تخته‌ها برای آشکارسازی این امر به کار‌ می‌رود که آیا ذره‌ای از میان شکاف‌های A یا B‌ گذشته است یا خیر و آشکارساز دیگر هم برای این تعبیه شود که تشخیص دهیم آیا ذره از تنها یک شکاف عبور کرده یا اینکه از دو شکاف هم رد شده است، البته توانایی تشخیص اینکه از کدام‌یک عبور کرده را ندارد.

وی در این باره چنین نتیجه‌گیری می‌کند:

احاطه شدن این مسیرهای نامتداول که به‌صورت کلاسیک نیستند، منجر به توسعه‌ی تصحیح‌هایی با درجه‌ی بالاتر روی الگوهای تداخلی خواهد شد.

اگر بخواهیم واضح‌تر بگوییم، پیشنهاد او باید به‌طور رسمی مراحل بررسی اولیه از سوی داوران و متخصصان رو پشت سر بگذارد. پس باید در نظر داشته باشیم که این یافته‌ها صرفا به‌منزله‌ی آغاز یک ایده هستند و جامعه‌ی فیزیک دنیا باید آن‌ها را به‌دقت مورد بررسی و سنجش قرار دهد و نظر خود را اعلام کند. نسخه‌ی اولیه و پیش از انتشار مقاله‌ی مرتبط با این ایده در حال حاضر منتشر شده است و شما می‌توانید از این لینک به آن دسترسی داشته باشید.

اما نمی‌توان منکر این حقیقت شد که یافته‌های فوق، از مواردی هستند که ذهن فیزیکدانان را برای بیش از نیم قرن اخیر به خود مشغول کرده‌اند و ما هم‌اکنون برای نخستین بار به سرنخ‌ها و نشانه‌هایی از تئوری‌هایی رسیده‌ایم که شاید واقعا بتوانند برای توجیه ابهامات ما به‌خوبی کار کنند.

به‌طور امیدوارانه‌ای افرادی پیدا شده‌اند که پیشنهاد کواچ را کاملا جدی گرفته‌اند و سعی دارند تا آن را در دنیای واقعی و به‌صورت عملی امتحان کنند؛ زیرا این آزمایش‌ها واقعا می‌توانند برخی حفره‌های موجود در برداشت‌های بنیادی ما از حقیقت جهان هستی را پر کنند. همان‌طور که اشاره کردیم، مقاله‌ی کواچ  به‌صورت آنلاین در دسترس است و علاوه بر آن در صورتی‌ که علاقه داشته باشید درباره‌ی آزمایش دوشکاف و سایر موارد مشابه فیزیک کوانتوم بیشتر بدانید، می‌توانید یک ویدیوی جالب را در انتهای این گزارش مشاهده کنید: