نظریه کوانتوم



نظریه کوانتوم

نویسنده: نیکلاس کاپالدی
مترجم: علی حقی

درآمد:

علاوه بر کار آلبرت اینشتین، چندین پیشرفت مهم دیگر در فیزیک، در قرن بیستم صورت گرفته است. کندوکاو درباره همه آنها از حوصله این کتاب خارج است. اما نظریه ای در فیزیک قرن بیستم وجود دارد که برای فلسفه علم از اهمیت خاصی برخوردار است و آن نظریه کوانتوم(۱)است. دانشمند سرشناسی که با نظریه کوانتوم تداعی می شود هایزنبرگ(۲)است. اما، پیش از آنکه از نظریات هایزنبرگ راجع به علم، فلسفه و فلسفه علم بحث کنیم، لازم است گامهایی را که پیموده است تا به نظرگاهش دست یازد، مورد بررسی و بازبینی قرار دهیم. دانشمندان ناموری که در رشد و تکامل نظریه کوانتوم سهیم بوده اند عبارتند از: ماکس پلانک(۳)، آلبرت اینشتین، لویی دوبروی(۴) و ادوین شرودینگر(۵).

پلانک و اکتشاف کوانتوم ها

نگرش مکانیکی به عالم را می توان برحسب ذرات متحرک توضیح داد، در صورتی که این ذرات برحسب یک چارچوب سنجش نسبی که متضمن فضا و زمان است، فهمیده شوند. با در رسیدن قرن بیستم، این نگرش،‌ به گونه یا گونه هایی، حاکمیت پیدا کرد. اما، اینشتین ‌در نظریه نسبیتش همگام با رشد نظریه کوانتوم، با آن چالش جست. مسائل موردتوجه در نظریه کوانتوم، سرشت و ساختار ماده و انرژی و مؤلفه های بنیادی عالم است.
ماکس پلانک(۱۹۴۷-۱۸۵۸) فیزیکدان آلمانی، کارش را بر روی نظریه کوانتوم در حوالی سال ۱۹۰۰، هنگامی که مسائلی را در باب تشعشع مطالعه می کرد، آغاز نمود. از جمله این مسائل یکی این بود که اگر جسمی تا درجه ای بالا حرارت ببیند، باریکه ای از نور از جسم گداخته تابیده می شود که رنگ آن با تغییر درجه حرارت دگرگون می شود. به تناسب افزایش درجه حرارت، این باریکه نخست سرخ، ‌سپس نارنجی، ‌بعد زرد و سرانجام سفید می شود. مسأله ای که ذهن پلانک را به خود مشغول کرد، صورت بندی روابط ریاضی بین مقدار انرژی تابشی گسیل شده، طول موج باریکه نور حاصل از جسم گداخته شده و درجه حرارت بود.
پلانک در کارش به اینجا رسید که برای تحقیق درخصوص تابش جسم سیاه(۶)، از طیف نما(۷) استفاده کند. اما با کمال شگفتی دریافت که تابش انرژی به صورت جریانی متصل گسیل نشده بلکه گسیل آن در بسته های کوچک جداگانه موسوم به کوانتوا(۸) است. سیلان انرژی تابشی به گلوله هایی که از یک تفنگ شلیک می شوند بسیار بیشتر شبیه است تا به آبی که از شیلنگی به بیرون فوران می کند. رهنمون شدن به کوانتوم ها، پلانک را قادر ساخت تا معادله ای را که در جستجوی آن بود صورت بندی کند.

ثابت پلانک(۹)

هر کوانتوم انرژی ای دارد که می توان آنرا با این فرمول تعیین کرد: E=hv. در این فرمول، V بسامد نور یا طول موج آن است؛ h ثابت پلانک است که عددی بسیار کوچک است که پیوسته در فرمول های فیزیک قرن بیستم تکرار می شود.

نظریه موجی نور

همانطور که قبلاً از تاریخ نظریه موجی نور، به ویژه در قرن نوزدهم، سخن گفته ایم. اشخاصی نظر مکسول از قهرمانان این بینش بودند. دو پدیده بر نظریه موجی نور گواهی می دهند: پراش(۱۰) و تداخل(۱۱).
پراش تجزیه پرتوی از نور به دو دسته روشن و تیره یا به رنگهای طیف است که معلول تداخل بخشی از یک باریکه نور با بخشی دیگر است. پراش هنگامی رخ می دهد که پرتوی از نور در لبه یک شیء مات و کدر بشکند یا از شکاف باریکی بگذرد. آزمایش های بسیار وجود پراش را تأیید می کنند.
تداخل عبارت است از کنش متقابل دو موج یا جریان نور به منظور تقویت یا خنثی کردن یکدیگر بر طبق فازهای نسبی آنها هنگام تلاقی شان. آزمایش های متعدد وجود دارد که متضمن تداخل اند و حاکی از اینکه فقط نظریه موجی نور می تواند آنها را تبیین نماید.

اینشتین و اثر فتوالکتریک(۱۲)

همان گونه که قبلاً آموخته ایم، نور، حرارت، اشعه x و غیره، همگی از نمونه های انرژی تابشی اند. اینشتین در نظریه نسبیتش کار پلانک را به دیده قبول نگریست و تبیین نور برحسب کوانتوم ها را یکی از اصول موضوعه بنیادی نظریه اش قرار داد.
همچنین اینشتین با کشف اثر فتوالکتریک، به رشد نظریه کوانتوم یاری رساند. در ۱۹۰۵ اینشتین پی برد که نور مرکب از ذراتی به نام فوتون(۱۳)است. هنگامی که جریانی از فوتون ها گسیل شوند تا به یک صفحه فلزی برخورد کنند الکترون هایی که صفحه فلزی از آنها ساخته شده است تجزیه و آزاد می شوند. هر قدر گسیل فوتون ها قوی تر باشد،‌ فوتون های بیشتری تجزیه و رها می شوند. اثر فتوالکتریک از سوی اینشتین و سایر فیزیکدانان به گونه ای تعبیر شد که حاکی از این بود نور از امواج ساخته نشده است.

دوبروی

لویی دوبروی(۱۹۸۷-۱۸۹۲) فیزیکدان فرانسوی به سردرگمی عمومی رو به گسترش در این خصوص که نور آیا مرکب از ذرات یا امواج است، رأی دیگری را افزود. برای درک سهم دوبروی در این خصوص، یادآوری می کنیم که نظریه اتم نخستین بار از سوی نیلس بور(۱۴)، دانشمند پرآوازه دانمارکی، پیشنهاد شد. از نظر بور، ساختار اتم همانند منظومه شمسی کوچک شده ای است که هسته اتم نشان دهنده خورشید است که خود مرکب از ذراتی است. در پیرامون هسته، الکترون در گردش است که در هر عنصری یافت بشود، جرم و بار الکتریکی یکسانی دارد. برحسب این تمثیل، این گونه پنداشته شده است وقتی الکترون از یک سطح مدار انرژی به مدار پایین تر تنزل می کند، انرژی تابشی گسیل می دارد.
جهش الکترون های پیرامون از یک سطح فرضی به سطح دیگر، فیزیکدان ها را بدین جا رهنمون کرد که گمان بزنند الکترون ها براستی و به هیچ روی ذرات نیستند. در واقع، به نظر نمی رسید، الکترون ها موضع معینی را در فضا که همانا یکی از صفات مشخصه بنیادی ذره بود اشغال کنند.
در ۱۹۲۵، دوبروی به جهان اعلام کرد که الکترون ها ذرات نیستند، بلکه منظومه هایی از امواج اند. مضافاً به اینکه، پی برد طول موج الکترون ها را می توان برحسب این فرمول سنجید؛ x=h/mv، در این فرمول، v سرعت الکترون؛ m جرم آن و البته h ثابت پلانک است. توجه داشته باشید که برای دست یافتن به طول موج لازم نیست وضع الکترون را در فضا بدانیم. تنها چیزی که لازم است بدانیم تندی[=اندازه سرعت] یا سرعت آنهاست.

مکانیک موجی

اروین شرودینگر(۱۹۶۱-۱۸۸۷) فیزیکدان اتریشی، نظریه دوبروی را از آنچه که بود حتی پیشتر برد. او به توسعه یک صورت بندی ریاضی پرداخت که به وی این توانایی را داد تا نظریه موجی مکانیک را طرحریزی و پیشنهاد کند. به نظر او، نه فقط الکترون ها، بلکه فوتون ها، اتم ها و تمام مولکول ها را می توان به منزله امواج ملحوظ کرد. به سرپرستی دانشمندان امریکایی دیویسن(۱۵) و گرمر(۱۶)، آزمایش هایی صورت گرفت که اثبات شد این موجودات خواص موج را دارند، به ویژه پراش الکترون ها در هنگامی که در کریستال های فلزی به وقوع می پیوندد.

امواج و ذرات

در این لحظه، هایزنبرگ وارد صحنه می شود. هایزنبرگ در عنفوان جوانی به معادله هایی دست یافت که به فیزیکدانها این قدرت را داد که کوانتوم های نور را یا ذرات یا امواج محسوب کنند. استدلال او بر این پایه بود که عملاً هیچ تفاوتی نیست، زیرا دانشمندان در هر کجا که این دو تعبیر به کار آ‌یند،‌ با کمیت های عظیم سروکار دارند.
پدید شدن این تنگنا راجع به سرشت نور را می توان بدین گونه توضیح داد: برخی پدیده ها و آزمایش ها ایجاب می کنند که نور را مرکب از امواج بدانیم و پدیده ها و آزمایش های دیگر ایجاب می کنند که نور را مرکب از امواج به حساب آوریم. چندین آزمایش یا رهیافت محتمل وجود دارند که می توان در این تنگنا به آنها تمسک جست. یکم، می توان استدلال کرد که یا تعبیر ذره ای درست است یا تعبیر موجی و برای علم روزی آشکار خواهد شد که درست کدام یک از آنهاست. دوم، می توان استدلال کرد که هم ذرات و هم امواج می توانند در ذیل یک مقوله جدید، که پاره ای اوقات به آن به عنوان موج ذره(۱۷) اشارت می شود بگنجند، و از این راه هر دو دسته پدیده، از دیدگاه بنیادی تری، تبیین خواهند شد. سوم، می توان مانند هایزنبرگ استدلال کرد که این تنگنا ظاهراً فقط در جایی به وجود می آید که معادله هایی وجود دارند که به ما این توانایی را می دهند به هر دو دسته از پدیده ها بپردازیم. اگر پاسخ هایزنبرگ را بپذیریم، آنگاه به مسأله علمی و فلسفی ای از این هم ژرفتر رهنمون می شویم و آن اینکه آیا این معادلاتْ تدبیر و ترفندی موقتی و کاملاً موفقیت آمیزند یا مشعر به چیزی نهایی درخصوص سرشت ماده یا شناخت ماده نسبت به ماده اند.

یادآوری:

بدین سان، دوگانگی نور برحسب امواج و ذرات منتهی به دوگانگی های دیگر می شود: دوگانگی در انواع شناختی که علم تأمین می کند، و شاید یک دوگانگی در خود طبیعت. در مبحث زیر، این موضوعات را با تفصیل بیشتر، مطرح خواهیم کرد.
ورنرکارل هایزنبرگ(۱۹۷۶-۱۹۰۱)یکی از دانشمندان بزرگ و متعدد آلمانی در قرن بیستم است. به سبب کار اصلی و اثر بنیادی اش، مبانی فیزیکی نظریه کوانتوم(۱۸)، برنده جایزه نوبل فیزیک در ۱۹۳۲ گردید. او مدیر مؤسسه پلانک در گوتینگن(۱۹)بود.

اصل عدم قطعیت(۲۰)

در ۱۹۲۷، هایزنبرگ کوشش ورزید وضع و سرعت(سرعت و جهت) یک الکترون را محاسبه کند. دشواری ای که در محاسبه اوصاف یک الکترون وجود دارد این است که الکترون خردتر از یک موج نوری است. برای مشاهده یک الکترون به طور مستقیم فرضاً باید از میکروسکوپی استفاده بکنیم که از میکروسکوپهایی که اکنون در اختیار داریم، بسیار قویتر باشد. لکن هنگام استفاده از میکروسکوپ از یک چشمه نور هم استفاده خواهیم کرد. از پیش می دانیم که فوتون های نور(اثر فوتوالکتریک اینشتین) در وضع الکترون ها اختلال ایجاد می کند. بنابراین، برای محاسبه وضع و سرعت یک الکترون با دو مشکل مواجهیم؛ ما از نور معمولی نمی توانیم استفاده کنیم، چون الکترون ها طول موجی کوتاهتر از نور معمولی دارند و اصلاً از هر نوری که استفاده کنیم در وضع الکترون ها اختلال ایجاد خواهد کرد. ناگزیر از پرتوهای گامای رادیوم مدد می گیریم که چون آنها هم بسامد بالا دارند و موج هایی(بسیار کوتاه) با طول موج هایی کوتاهتر از نوراند قهراً باعث اختلال خواهند شد.
به این ترتیب، انجام یک آزمایش که با آن بتوانیم وضع و سرعت یک الکترون را محاسبه کنیم، نامیسر است. وانگهی، هر محاسبه ای که انجام دهیم، به سبب اختلالی که ابزار محاسبه گر به وجود می آورد، تقریبی خواهد بود. استدلال هایزنبرگ این است که نه تنها عملاً محاسبه کردن امکانپذیر نیست، بلکه نظراً هم انجام محاسبه به طور دقیق نامیسر است.
هایزنبرگ از این هم پیشتر رفت. سخن اولیه او این بود که نظراً تعیین دقیق وضع و سرعت یک الکترون نامیسر است. اینک استدلال می کند که با تعیین دقیق وضع یک الکترون، تعیینی کم و بیش دقیق، سرعت آن را مختل می کنیم. برای تعیین سرعت یک الکترون، کم و بیش به طور دقیق،‌ کاری می کنیم که تعیین وضع الکترون غیر دقیق تر بشود. هر محاسبه ای در محاسبه دیگر تداخل می کند. بنابراین، دستیابی به محاسبه کم و بیش دقیق وضع و سرعت یک الکترون به طور همزمان، امکانپذیر نیست. برهان قاطع او در این محاجه این است که درجه نامعین بودن سنجش ما برابر است با ثابت پلانک. فرمول زیر بیانگر رابطه عدم تعیین وضع و سرعت است:

در این فرمول، P و q به جای سرعت و وضع یک الکترون یا ذره زیر اتمی اند و البته h ثابت پلانک؛ Δp و Δq به ترتیب نشانه عدم قطعیت یا کجروی سرعت و وضع اند. نکته نهایی که می باید روشن شود این است که هایزنبرگ به این فرمول دست پیدا نکرده است یا نظریه اش را با آزمایشگری به دست نیاورده است. اصل عدم قطعیت متخذ از مفروضات راجع به دوگانگی موج-ذره است.

پیامدهای اصل عدم قطعیت

پیامدهای بسیار از اصل عدم قطعیت استخراج گردیده است، ‌هم توسط هایزنبرگ که آن را برای نخستین بار صورت بندی کرد و هم توسط دیگران، از جمله فیلسوفان و اشخاص عادی. چنانکه خواهیم دید، از برخی از این پیامدها نمی توان به عنوان پیامدهایی معتبر و ارزشمند دفاع کرد؛ پاره ای دیگر از این پیامدها بد تعبیر شده اند و بنابراین لازم است به بیان دیگری تقریر شوند، ضماً پاره ای از آنها بسیار حائز اهمیت اند. لذا باریک بینی در احوال شخص یا گروهی که به استخراج پیامد می پردازند و معنایی که از آن استنباط می کنند، از اهمیت برخوردار است.
خود هایزنبرگ سه پیامد زیر را از اصل عدم قطعیت اش، استخراج کرده است: یکم، اصل عدم قطعیت به نفی موجبیت(۲۱)منتهی می شود. چون نظراً تعیین وضع و سرعت هر الکترون یا ذره اتمی در لحظه معینی از زمان نامیسر است، نمی توانیم وضع و سرعت یک لحظه را با وضع و سرعت لحظه دیگر، به شیوه ای متعین و قطعی، ربط دهیم. بنابراین، ‌هیچ موجبیتی در سطح میکروسکوپی یا زیراتمی وجود ندارد.
دوم، اصل عدم قطعیت به نفی علیت منتهی می شود. در پدیده های زیراتمی فقط تعبیری آماری امکان پذیر است، ضمن اینکه این تعبیر آماری روشی مؤثر و کارآمد است. از این رو، اصل علیت در سطح زیراتمی کاربرد ندارد: علم، دیگر با زنجیره های علّی و معلولی یقین آور سروکار ندارد، بلکه سروکار او با احتمالات آماری است.
سوم، تفکیک سنتی بین فاعل شناسایی و موضوع شناسایی در دانش علمی، بین مشاهده گر و مشاهده شده، به سبب اصل عدم قطعیت، باید از درجه اعتبار ساقط شود. خود آن آزمایش هایی که برای پی بردن به سرشت واقعیت انجام می دهیم، متضمن تخطی از آن واقعیت اند.
دو پیامد دیگر معمولاً با اصل عدم قطعیت تداعی می شوند. یکی از این ها هیچ جاذبه علمی ندارد اما از نظر انسانی و فلسفی کشش زیادی دارد. این پیامد را که چهارمی خواهیم نامید، توسط دانشمند مشهور انگلیسی در قرن بیستم، سر آرتور ادینگتن(۲۲)، استخراج گردیده است. ادینگتن ادعا کرد نفی موجبیت و علیت در سطح زیراتمی این امکان را پدید می آورد که رفتار انسان بالمال غیرمتعین بشود. به تعبیر دیگر، اصل عدم قطعیت مشعر به امکان اراده آزاد[= اختیار] است.
پیامد پنجم که به طور مرسوم و متعارف از اصل عدم قطعیت استخراج گردیده، این است که علم دیگر وظیفه ندارد توضیح دهد واقعیت چیست، ‌بلکه فقط باید بگوید واقعیت چگونه رفتار می کند. این پیامد، از سوی طیف متنوعی از دانشمندان و فیلسوفان علم استخراج شده است.

یادآوری:

اگر نظری به پنج پیامد برجسته اصل عدم قطعیت بیفکنیم متوجه ظهور دوباره مسائل سنتی فلسفه علم می شویم: مفاد و معنی مفاهیم فضا و زمان در فیزیک زیراتمی نوین، نقش اصلی علیت و فحوای واژه علت، تمایز نمود از واقعیت، ‌تصور چیزی که واقعی است، انواع تبیین هایی که دانشمندان ارائه می کنند، و نقش پیش بینی ها در تبیین های علمی. برای درک کاملتر پیامدهای اصل عدم قطعیت و فهمیدن راه و رسم هر پیامد که چگونه مسأله یا مسائلی را در فلسفه علم پدید می آورد، هرکدام را با تفصیل بیشتر بررسی می کنیم.

موجبیت

در ارتباط با موجبیت این پرسش مطرح می شود که از چه رو نظریه کوانتوم موجبیت گروانه نیست و از چه رو نظریه های پیشین موجبیت گروانه انگاشته می شوند؟ به تعبیر دیگر، می خواهیم بدانیم منظور هایزنبرگ از موجبیت و عدم موجبیت چیست و به صورت متعارف و مرسوم این واژه ها چه معنایی دارند.
در ابتدا باید موجبیت را به عنوان وصف منطقی و معقول نظریه ها از درجه دقتی که نظریه در عمل آزمایشی بالفعل کسب می کند، تمییز دهیم. این تمییز مهم است چون مفهوم خطای آزمایشی در علم بر پایه این تجربه همگانی نهاده شده است که هیچ نظریه ای صد در صد معتبر و موثق نیست. موجبیت همیشه به عنوان ایده آلی مکنون در برخی نظریه ها انگاشته شده است، ایده آلی که دانشمندان در تکاپوی رسیدن به آن هستند و لکن آن در عمل، آن هم فقط به طور ناقص، قابل حصول و تحقق است.
موجبیتْ خاصه برخی از اقسام نظریه هاست. نظریه موجبیت گروانه است در صورتی که اطلاعی معین درباره رویدادهایی معین در زمان و مکان خاصی بدهد. قوانین یا اصول این نظریه منطقاً مشعر به شأن و مقام یگانه رویدادها برای همه زمانهای دیگرند، (یا آن را متعین) می کنند. نظریه چشمگیر، و از نظر تاریخی مهم ترین نظریه موجبیت گروانه، مکانیک کلاسیک بود. در مکانیک کلاسیک، آن گونه که توسط گالیله و نیوتون ساخته و پرداخته شد، اگر کسی وضع و سرعت( در اینجا نقطه- جرم(۲۳)نامیده می شود)یک جسم را در نقطه اولیه در زمان بداند و اگر از قوانین حرکت آگاهی داشته باشد، نظراً می تواند وضع و سرعت آن جسم را در هر زمان دیگر پیش بینی(یا معین)کند.
مع الاسف، در ارتباط با موجبیت مکانیک کلاسیک، برداشت های ناصوابی شده است. مکانیک کلاسیک بدل به رکن ایمان بسیاری از دانشمندان قرن نوزدهم شد. شاید خواندنی ترین و معروف ترین تقریر این ایمان را بتوان در آثار پی یر سیمون دولاپلاس(۱۸۲۷-۱۷۴۹)، اخترشناس فرانسوی و نویسنده کتاب نظریه تحلیلی احتمال(۲۴)(۱۸۱۲)پیدا کرد. به نقل از این کتاب ما باید وضعیت کنونی عالم را معلول وضعیت پیشین و علت وضعیتی که بعد از این می آید، تلقی کنیم. ذهن متفکری که [ این غالباً ابرمرد لاپلاس نامیده شده است] از همه نیروهای فعال در طبیعت در لحظه معینی و نیز از اوضاع زودگذر همه امور در عالم آگاه است، قادر خواهد بود در یک فرمول حرکات بزرگترین اشیاءِ جهان و سبکترین اتم ها را جای دهد، به شرطی که آن ذهن آن مایه از قدرت را داشته باشد که همه داده ها را به زیر سلطه تحلیل درآورد. برای چنین ذهنی هیچ چیز غیریقینی نخواهد بود، ‌آینده همان گذشته در برابر دیدگان او حاضر خواهد بود.
لاپلاس در داعیه اش از دو حیث مهم مبالغه کرده است: یکم، مکانیک نظریه ای عام است که به سبکی کاملاً نظری عنوان شده است. مکانیک خودش به چیزی دلالت ندارد، اما می توان از آن برای پیش بینی نظم و روند فعال همه رویدادها بهره برد. دوم، مکانیک از یک حیث خاص، موجبیت گروانه است، مکانیک کلاسیک فقط از لحاظ وضع و سرعت نقطه- جرم، موجبیت گروانه است و ادعا ندارد که در ارتباط با خواص متعدد، از جمله خواص شیمیایی،‌ موجبیت گروانه باشد. ممکن است لاپلاس ایده آلی را بیان کرده باشد، لکن او قطعاً بر محدودیت های عملی و واقعی مکانیک کلاسیک انگشت نمی نهد.
از این گذشته، اظهاراتی همانند اظهارات لاپلاس، این اثر را گذاشته بود که در برخی اذهان موجبیت و مکانیسم برابر انگاشته شوند. بر سبیل ولنگاری و مسئولیت گریزی، پنداشته شده بود که همه نظریه های موجبیت گروانه نظریه های مکانیکی هم هستند. نتیجه بعدی این بود که اوصاف مکانیکی، اوصاف همه نظریه های موجبیت گروانه انگاشته شد. مشخصاً، یک حالت مکانیکی به این صورت تعریف می شود(۱) راجع به تعداد محدودی از متغیرها باشد،(۲)به صورت نقطه ای آنی[ =بلامدت](۲۵) در زمان مشخص شده باشد، و (۳) اوصافی فردی داشته باشد که انفکاک پذیری آنها مفروض باشد.

یادآوری:

توصیف کردن حالت یا رویدادی بی آنکه از خواص حالت مکانیکی در توصیف ها بهره ببریم کاملاً امکانپذیر است. مثلاً در معادلات مکسول، در الکترومغناطیس، فرض می شد تعداد نامتناهی از متغیرها وجود دارند. با وجود این، ‌این معادلات می توانستند از عهده چنان موقعیتی به نیکویی برآیند. دوم، بسیاری از قلمروهای پژوهش علمی بر متغیرهایی بر یک فاصله از زمان یا در زمانهای متفاوت تصریح می کنند. مثلاً، برای بررسی ساییدگی فلزات(۲۶)می باید از توصیف های سابقه- حالت(۲۷) بهره ببریم. سوم، بسی پیشتر از نظریه کوانتوم، فیزیکدان ها آمار را به کار گرفته بودند تا یک حالت را برحسب خواص آماری، به جای خواص فردی، تشخیص دهند. مثال بارز این قسم تشخیص در مطالعه گازها یافت می شود.
هنگامی که اشخاص نفی می کنند موجبیت این گونه باشد منظورشان یکی از موارد زیر است:(۱)آنان ممکن است نفی کنند برخی پدیده ها را می توان از نظر مکانیکی تبیین کرد. اما، چنانکه از مطالب بالا معلوم می شود یک نظریه می تواند موجبیت گروانه باشد(مثلاً نظریه میدان الکترومغناطیسی) بی آنکه مکانیکی باشد.(۲) آنان ممکن است نفی کنند که ابرمرد لاپلاس بتواند آن پدیده ها را پیش بینی کند. اما ابرمرد لاپلاس حتی نتوانست همه خواص یک دستگاه مکانیکی را پیش بینی کند. نظریه موجبیت گروانه لزوماً همه خواص را معین نمی کند بلکه فقط بعضی از آ‌نها را تعین می بخشد.(۳) آنان ممکن است نفی کنند یک نظریه پیش بینی هایی می کند که خطاناپذیر و کاملاً درست اند. درخور ذکر است که هیچ نظریه ای موجبیت گروانه نخواهد بود مگر اینکه مبتنی بر پیش بینی های دقیق باشد. وانگهی، خطاهای پیش بینی را اگر در محدوده متعارف خطای آزمایشی باشند می توان به گونه های دیگر تفسیر کرد.
باری یا بارها اعلام شده است که به همه دلایل فوق، نظریه کوانتوم نظریه ای ناموجبیت گروانه است(۲۸). اما صریحاً می باید تذکر دهیم که اگر توصیف پیشین ما از نظریه موجبیت گروانه پذیرفته شود، نظریه کوانتوم موجبیت گروانه خواهد بود. در توصیف های حالت معین در درون مکانیک کوانتوم، ‌از معادلات موجی شرودینگر بهره برداری می شود. در صورت بندی شرودینگر، از تابعی ریاضی موسوم به تابع پسی( که متضمن توجه به زمان و مکان است) استفاده شده است. اگر کسی از ارزش های تابع پسی در یک زمان آگاهی پیدا کند، ‌می تواند ارزش های آن تابع را در هر زمان دیگر معین کند. مسلماً ارزش های آن تابع آماری اند، زیرا پیش بینی ها آماری اند. این گونه پیش بینی ها آن ارزشها را برای زمانهای دیگر معین می کنند.

یادآوری:

هایزنبرگ و دیگران پاره ای اوقات این مطلب را بد تعبیر کرده اند. هایزنبرگ گفته است که ما نمی توانیم پدیده ها را به عنوان روابط بین اشیاء در فضا و زمانتبیین کنیم. این سخن آن هم از هایزنبرگی که از مفاهیم فضا زمانی استفاده می کند، خنده دار است. منظور او از این گفته این است که دیگر معقول نیست الکترون ها و دیگر ذرات زیراتمی را به عنوان موجوداتی در نقطه ای معین در مکان و زمان تشخیص دهیم. برای شناخت آنها مفاهیم مکانی و زمانی متفاوتی، و نه فقدان آنها، مورد لزوم است.
باید صریحاً ذکر کنیم که هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را از شواهد آزمایشی استنتاج نمی کند بلکه رهاوردهای آزمایشی نتیجه می شوند یا باید بشوند اگر اصل عدم قطعیت صحت داشته باشد. سنجش ارزش موضع یک الکترون به تنهایی، و همزمان سنجش ارزش سرعت به تنهایی، برحسب تعریف درست است. اصل عدم قطعیت دقت ما را در سنجش ارزش های همزمان با هم به عنوان یک واحد، محدود می کند. ما نمی توانیم این ارزش ها را به صورت انفرادی بسنجیم. اصلاً چیزی به عنوان ارزش انفرادی وجود ندارد. بنابراین، واژه های موضع و سرعت یک الکترون در نظریه کوانتوم معنایی کاملاً متفاوت از آنچه در مکانیک کلاسیک داشته اند، دارند.

یادآوری:

در نتیجه، ناتوانی در امر پیش بینی موضع یک الکترون مطلبی درست و لکن پیش پا افتاده است؛ یعنی برحسب تعریف چنان موضعی وجود ندارد. بنابراین اشتباه است اگر کسی ادعا کند، چنانکه برخی کرده اند که بهبود در شیوه ها یا ابزارهای آزمایشگری می تواند ارزشهای یقینی و دقیق از خواص انفرادی موضع و سرعت یک الکترون به دست دهد.

علیت

نفی وجود علیت بیانی دوپهلو است. به یک معنی، نفی علیت برابر است با نفی موجبیت؛ یعنی کسی نمی تواند به قطع پیش بینی کند که رویدادی معین بعد از رویدادی دیگر، حادث خواهد شد. مثلاً کسی نمی تواند موضع آتی و دقیق یک الکترون را پیش بینی کند. لکن نظریه کوانتوم نظریه ای موجبیت گروانه است؛ و اصلاً اگر بخواهد نظریه ای علمی باشد باید چنین باشد. از این گذشته، دلیل اینکه کسی نمی تواند موضع دقیق یک الکترون را پیش بینی کند این است که تعبیر موضع دقیق در مفهوم الکترون در نظریه کوانتوم، هیچ فحوای تجربی ندارد.
به بیان دیگر، که شاید نزدیکتر به مقصود هایزنبرگ باشد، نفی علیت همسنگ نفی قطعیت است و اقرار به اینکه در برخورد با موجودات زیراتمی فقط می توانیم به احتمال آماری دست پیدا کنیم. لکن در گذشته، در تحلیل هیوم از علیت ملاحظه کرده ایم که علیت نمی تواند به معنی قطعیت مطلق در خطه تجربی باشد و اینکه علیت دربست با احتمال آماری سازگار است. علیت فی حد ذاته یک مفهوم تجربی نیست که بتوان آن را بر پایه تجربه نفی کرد. علیت کم و بیش بیانی است حاکی از اینکه دانشمندان چگونه به کندوکاو در جهان مبادرت می ورزند. علم در جستجوی روابط سنجش پذیر است و رهاورد آن پیش بینی پذیری(۲۹)است. علیت به مثابه یک اصل پژوهش علمی یا به مثابه یک اصل روش شناختی شکل این سنجش یا اقسام مفاهیمی را که مورد استفاده قرار می گیرند، مشخص و تحمیل نمی کند.

یادآوری:

استدلالی را که سرآرتور ادینگتون بر پایه احتمال آماری در نظریه کوانتوم اقامه کرده که همه قوانین علمی بایستی آماری باشند، از نظر علمی ارزشمند و چشمگیر و از لحاظ فلسفی بی جا و بی پایه است. استدلال بعدی او این است که اگر قانونی آماری باشد، نمی تواند علّی باشد. همان گونه که در گذشته دیده ایم،‌ استدلال دوم صرفاً بر پایه فهم نادرست تحلیل هیوم از علیت قرار دارد. اما به استدلال اول باز می گردیم.
ادینگتن فرض می کند چون جهان کبیر(۳۰) برحسب جهان صغیر(۳۱) پدیده های زیر اتمی تبیین شده است و چون جهان صغیر آماری است، پس باید جهان کبیر نیز آماری باشد. به سه دلیل این استدلال متین و مستدل نیست؛ یکم، اگر نظریه ای آماری باشد، نتایج آن می تواند آماری باشند، اما نه لزوماً. در واقع، احتمالات ممکن است ملغی شوند. دوم، اشیاءِ ‌جهان کبیر می توانند با یکدیگر به انحاء کلی و غیرآماری مرتبط شوند. سوم، هیچ شاهد تجربی دال بر عدم قطعیت در سطح جهان کبیر وجود ندارد.

شیء ‌و مشاهده گر

تفکیک بین شیء و مشاهده گر دچار همان آفت توصیف غیردقیقی است که در بحث از موضع دقیق الکترون متوجه آن شدیم. در نظریه کوانتوم، رابطه بین شیء و مشاهده گر عیناً همانند رابطه ای که در مکانیک کلاسیک است، نیست؛ در واقع، این تفکیک در نظریه کوانتوم وجود ندارد. سخن گفتن درباره خواص ذرات زیراتمی، هنگامی که آنها نه مشاهده شده اند نه مشاهده پذیرند، از لحاظ فحوای تجربی بی معنی است. پرسیدن این پرسش که اشیاء اگر مشاهده نشده اند مانند چه چیز خواهند بود، شبیه این پرسش قدیمی در معرفت شناسی است که اگر درختی در جنگل در شرف افتادن باشد و هیچ کس دور و بر آن نباشد که سروصدا بکند، آیا درخت بر زمین فرو می افتد؟ این پرسش بی معنی است. پرسش واقعی این است که هنگامی که کسی نباشد به آن درخت بنگرد، درخت به چه چیزی شبیه خواهد بود؟

یادآوری:

استدلال دیگر این است که ما همیشه از علم به شیء واقعی محرومیم، چه آن شیء ذاتاً غیر از چیزی است که ما از خواص آن مشاهده می کنیم، و این جمله که ما به شی واقعی علم داریم یا جمله ای بی معنی است یا یک فرض بی وجه است. بی معنی است زیرا مبتنی بر این تصور نادرست است که می توانیم درباره چیزی که قابل مشاهده نیست،‌ به طور مستقیم یا نامستقیم سخن بگوییم. در غیر این صورت، این استدلال مبتنی بر این فرض ناموجه است که شیء وقتی هم که قابل مشاهده نباشد وجود و خواصی دارد. چگونه می توانیم اصلاً به چنین چیزی علم پیدا بکنیم؟
مقایسه دوگانگیِ شیء- مشاهده گرا با دوگانگی ای که گالیله بین کیفیات اولیه و ثانویه قائل شد، درخور توجه است. هایزنبرگ این دوگانگی را به همه خواصی که در سطح زیراتمی وجود دارد، تعمیم داده است.

اراده آزاد و موجبیت

ما از مسأله اراده آزاد[= اختیار] و موجبیت به اختصار یاد خواهیم کرد. نظریه کوانتوم موجبیت گروانه است. از این گذشته، روش های آماری در نظریه کوانتوم حاکی از فقدان یقین و عدم قطعیت در سطح جهان کبیر، که مشتمل بر رفتار انسانی نیز خواهد بود، نیست. اگر رفتار انسانی تابع مغزی بود که آن معروض الکترون های سرگردان تصادفی بود، در این صورت پیوسته در حالت هول و هراس بودیم،‌ زیرا نمی دانستیم در آینده این الکترون های جهنده ما را به کدام سو خواهند راند. سرانجام، در اخلاق، مفروض است که مردم موجب(۳۲) هستند و به معنی کلاسیک و نامعقول این واژه، مختار نیستند والا دلیلی برای تنبیه، ستایش، نکوهش و اندرزنیوشی، وجود نخواهد داشت. همه اینها مبتنی بر این فرض است که ما می توانیم بر رفتار آینده دیگر انسانها تأثیر بگذاریم(‌یا آنها را متعین)کنیم.

واقعیت و علم

ما بارها علم را به عنوان مشغله ای وصف کرده ایم که در آن دانشمندان در پی آنند همه طبیعت را توصیف کنند. بعضی گفته اند که نظریه کوانتوم علم را وامی دارد تا نمودها و نه خود واقعیت را توصیف نماید. پیداست که فرض شده است واقعیت نامتغیر، مستقل از علم ما به آن،‌ یقینی و واحد(یگانی)است. نظریه کوانتوم از جهان زیراتمی شانس و تصادف، مستقل از عالم یا ناظر،‌آماری و دستخوش فقدان یگانگی(زیرا روشن نیست که آیا الکترون ها امواج اند یا ذرات)پرده برمی دارد. بدین سان، نظریه کوانتوم با نمود و نه با واقعیت سروکار دارد.
بحثی که در گفتار پیشین مطرح شد مبتنی بر تعریف یا تعاریف دو پهلو و دلبخواهی از چیزی که واقعی است، بود. در ابتدا باید بگوییم ما مستقیماً جهان زیراتمی را مشاهده نمی کنیم؛ ما این کار را نامستقیم و با استفاده از ابزارها و تجربه هایی که در جهان کبیر داریم، انجام می دهیم. در هر حال، چیزی که مشاهده می کنیم برحسب تعریف، جهان تجربه انسان است. اینکه چگونه دانشمندان جهان ما را توصیف می کنند بستگی به این دارد که چه نظریه هایی هم اینک ما را مدد می کنند تا به صورت موفقیت آمیز، روند رویدادها را از یک مشاهده یا تجربه تا دیگری، پیش بینی کنیم. این پیش بینی پذیری، از لحاظ عملی برای تکنولوژی اهمیت دارد اما خودش به فایده مندی اش بستگی ندارد. با وجود این، پیش بینی موفق معیار یک تبیین قابل قبول را در اختیار ما قرار خواهد داد، ولو آنکه نتوانیم آن پیش بینی ها را برای مقاصد عملی بکار ببریم.
یکم، گفته شده است که واقعیت نامتغیر است. اگر این گفته به این معنی باشد که واقعیت از یک الگوی منظم تبعیت می کند که پیش بینی موفق را رخصت می دهد، در این صورت علم با واقعیت سروکار دارد، زیرا که آن علم به طرز موفقیت آمیزی پیش بینی می کند. محاجه کردن در این خصوص که، نظریه کوانتوم با الکترون های بی نظم و سامان(۳۳) سروکار دارد، بی بهره از دقت و نادرست است. مفهوم شانس مطلق، خود نامعقول است: شانس همیشه به گونه ای پیش بینی ناپذیر نسبت به یک چارچوب سنجش یا نظریه، نسبی است. در ارتباط با نظریه کوانتوم، ما نمی توانیم موضع یک الکترون را پیش بینی کنیم. گفته می شود که پیش بینی موضع آن، محصول شانس است. به بیان دقیق تر، اصلاً چنین تصوری در نظریه کوانتوم، تحت عنوان موضع الکترون وجود ندارد. حتی سخن گفتن درباره شانس در نظریه کوانتوم، معنایی افاده نمی کند.
دوم، قبلاً بحث کرده ایم که تصور عالمی مستقل از معرفت ما، مفهومی نامعقول است. مشاهدات درشت بینانه(۳۴)ما از پدیده های زیراتمی، زمینه پیش بینی های موفقیت آمیز مشاهدات درشت بینانه بعدی ذرات اتمی را فراهم می کند. مسلماً ما نخواهیم توانست موضع دقیق یک الکترون را پیش بینی کنیم. اما، از اینکه بگذریم، در همان گام نخست باید بگوییم هرگز نمی توانیم چنین چیزی را مشاهده کنیم. نیز به اشکالی که از گالیله و تفکیک بین کیفیات اولیه و ثانویه گرفتیم، می توانیم بیفزاییم: ما نمی توانیم درباره خصوصیات یک شیء یا واقعیت اظهارنظر کنیم، مگر از طریق تخصیص یک چارچوب سنجش یا نظریه یا شرایط مضبوط(۳۵). سنجش موضع و سرعت یک الکترون، از حیث آنکه از این مفاهیم در نظریه کوانتوم بهره برداری شده است، متضمن شرایط مضبوط معینی است. جدای از این شرایط، نمی توانیم از این خصوصیات به طور معقول سخن بگوییم.
سوم، کاربرد مفاهیم آماری در توصیف، مانع پیش بینی موفق نمی شود. برای برخی نظریه پردازها، مفاهیم آماری یک راه چاره موقتی است؛ برای بعضی دیگر، این مفاهیم بی چون و چرا برازنده ترین مفاهیم برای عالم اند( یعنی برای پیش بینی های موفق). به هیچ وجه کسی نمی تواند بگوید عالم آماری است. فقط نظریه ها( زبان، مفاهیم و غیره)‌هستند که یا آماری اند یا ثابت و نامتغیر. استفاده از مفاهیم آماری بجای مفاهیم ثابت و نامتغیر به همان اندازه نارسا و نابسنده است که استفاده کپلر از مدارهای بیضوی به جای مدارهای مستدیر نارسا و نابسنده به نظر می رسید.
چهارم، شاید هیچ مفهومی ریشه دارتر از این مفهوم که واقعیت یکی است، نباشد. سرانگشتان بسیاری گذشته ژرف، اسرارآمیز، عرفانی و نیمه دینی تاریخ عقلانی بشر را کاویده اند، لکن این پندار وجود دارد که دست واحدی همه آنها را با هم یگانه می کنند. البته، این همان آموزه ای است که بر پایه آن گفته می شد هر تبیینی که براستی بسنده و شایسته است، در نهایت می باید منتهی به قانونی همگانی شود که هر چیزی را تبیین می کند. نظریه کوانتوم نه فقط تقسیمی ثنائی یا دوگانگی ای را بین موج و پدیده های ذره ای مطرح می کند، بلکه دوگانگی مضاعفی را بین آن قسم تبیینی که درخور عالم کبیر است( نظریه نسبیت اینشتین) و تبیینی که در خور عالم صغیر است( نظریه کوانتوم) معرفی می کند.
به هر دو تعبیر، به سبب فقدان یک قانون همگانی فراگیر، توجه خاص و أکید مبذول شده است. برخی، از جمله اینشتین، ‌پلانک و دوبروی استدلال کرده اند که باید یک نظریه میدان واحد( یعنی نظریه ای از سنخ قانون همگانی) وجود داشته باشد و در نتیجه نظریه کوانتوم، بر وفق آنچه در حال حاضر اظهار می شود، ناکامل است. در برابر این رأی، تعبیر کپنهاگی(۳۶)، به گونه ای که هایزنبرگ و دانشمند دانمارکی نیلس بور آن را صورت بندی کرده اند، قرار داد. بور استدلال کرده است که هیچ تصویر یگانه، هیچ مدل یگانه، هیچ نظریه کامل یکنواختی از پدیده ها، با نظریه کوانتوم تبیین نگردیده اند. کوشش ورزیدن برای ارائه نظریه ای از سنخ قانون همگانی، تقارن نظریه کوانتوم را تباه کرده و ثمره آن انتساب متناقض نمای(۳۷) خصایص موج و ذره به موجود واحدی است. تنها چیزی که می توانیم در حال حاضر از این نظریه انتظار داشته باشیم، این است که آن تعبیر و تبیین کارآمدی از همه پدیده های انفرادی به ما ارائه نماید. دلیل و شاهدی که برای پدیده های انفرادی وجود دارد مکملیت(۳۸) (اصل مکملیت)است و نه یک اصل واحد تعبیر.

یادآوری:

خواننده در اصل مکملیت بور این امکان را که پیش از این چندین بار از آن یاد کرده ام، باز خواهد یافت: تبیین های موفق علمی که مبتنی بر قانون همگانی نیستند. البته باید اینرا نیز بدانیم که نوابغی در آینده ممکن است عملاً نظریه میدان واحد را صورت بندی کنند. اما با وجود این کاملاً ممکن است که نظریه میدان واحد پدیده های اضافی را آن گونه که نظریه های بزرگ علم در گذشته تبیین کرده اند، تبیین نکند. نظریه میدان واحد احتمال می رود صرفاً یک صورت گرایی مفید و مناسب باشد.
کتابنامه:
Bohr,Niels,Atomic Theory and the Description of Nature.London:Macmillan,1934.
___,”Discussions with Einstein on Epistemological Problems in Atomic Physics”, in Albert Einstein,Philosopher-Physicist.Edited by P.A.Schilpp.New York: Tudor,1949.
D`Abro,op.cit,Vol.II
Eddington,A.S.,The Nature of the Physical World.London:Macmillan,1928.
Einstein,A.Podolsky B,and Rosen,N.,”Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”Physical Review,Vol.47(1935),pp.777-80.
Hanson,N.R.,”The Copenhagen Interpretation of Quantum Theory”,in Danto and Morgenbesser,op.cit.An interesting analysis of the criticism of quantum theory.Also see the article by H.Margenau,”Meaning and Scientific Status of Causality”.
Heisenberg,W.K.,The Physical Principles of the Quantum Theory.Chicago:Dover,1930.
Hoffman,B.The Strange Story of the Quantum.2nd edition,New York:Dover,1958.
Jeans,Sir James,The Mysterious Universe.London:Macmillan,1932.
Nagel,Structure,op.cit.,Chapter 10. An excellent treatment of the philosophical aspects of quantum theory.
Reichenbach,H.The Philosophical Foundations of Quantum Mechanics.Berkeley:University of California Press,1944.
Stebbing,L.Susan,Philosophy and the Physicists.New York:Dover,1958.

پی نوشت ها :

۱٫quantum theory
۲٫W.K.Heisenberg
۳٫Max Plank
۴٫Louis de Broglie
۵٫Edwin Schrodinger
۶٫black-body radiation، گسیل انرژی تابشی به وسیله جسم سیاه( جسمی که همه پرتوهای تابیده را جذب می کند) در یک دمای معین- م.
۷٫spectroscope
۸٫quanta
۹٫Planck`s constant
۱۰٫difraction
۱۱٫interference
۱۲٫ the photoelectric effect
۱۳٫photon
۱۴٫Niels Bohr
۱۵٫Davisson
۱۶٫Germer
۱۷٫Wavicle
۱۸٫The Physical Principle of Quantum Theory
۱۹٫Gottingen
۲۰٫principle of uncertainty
۲۱٫determinism
۲۲٫Sir Arthur Eddington
۲۳٫point-mass
۲۴٫Analytic Theory of Probability
۲۵٫instantaneous
۲۶٫metal fatigue
۲۷٫historical-state descriptions
۲۸٫indeterministic
۲۹٫predictability
۳۰٫macroscopic world
۳۱٫microscopic world
۳۲٫determined
۳۳٫chance-directed
۳۴٫mcroscopic
۳۵٫standard conditions
۳۶٫Copenhagen interpretation
۳۷٫paradoxical
۳۸٫complementary

منبع: کاپالدی، نیکلاس (۱۳۷۷)، فلسفه علم، علی حقی، تهران: سروش (انتشارات صدا و سیما)، چاپ سوم: ۱۳۹۰٫



لینک منبع

اشتراک گذاری مطلب

انتشار مطالب با ذکر منبع مجاز می باشد.