حل معمای گربه شرودینگر

فیزیکدانان موسسه ملی معیارها و تکنولوژی واقع در بولدر (ایالت کلورادو) تحت هدایت "کریس مونرو" و "دیوید واین لند" با اشعه لیزر روی یک واحد اتم بریلیوم (سنگ گرانبهای سبز رنگ) کار ظریفی انجام دادند. به نوشته نشریه "ساینس" بنظر می آید که اتم همزمان در دو نقطه فیزیکی (مادی) جداگانه قرار دارد.

هدف فیزیکدانان از این آزمایش، کشف این نکته بود که آیا یک اتم در کلیت خود میتواند همان رفتار عجیب ذرات زیر ـ اتمی (نظیر الکترونها، فوتونها، کوارکها، نئوترینوها و سایر تقسیمات زیر ـ اتمی) را داشته باشد. در سطح زیر ـ اتمی ماده که به دنیای کوانتوم مشهور است، عملکرد ذرات ریز بر مبنای قوانینی فیزیکی صورت میگیرد که با "قوانین کلاسیک فیزیکی" مربوط به عملکرد اجسام بزرگتر در سطح "ماکروسکوپی" ماده تفاوت بسیار دارد.برای مثال در مشاهده ذرات زیر اتمی که "بیان سیزو" آنها را "ویویکل" (موجذره ـ ترکیب موج و ذره) می نامند، بسته به روش مشاهده، بنظر میرسد گاه عملکرد مشخصه ذرات را دارند و گاه مشخصه امواج را. و در عین حال، تئوریهای با نفوذ در عرصه غالب فیزیک مدرن ادعا میکنند که ذرات زیر ـ اتمی برخلاف ماده ماکروسکوپی، یک "مکان" (استقرار) ندارند.در تاریخ فیزیک کوانتوم، بر سر اینکه چرا اجسام در سطح ماکرو به همین نحو عمل نمیکنند، مشاجره زیادی درگیر بوده است. و در مورد امکان تعمیم قوانین فیزیک کوانتوم که در مورد ذرات زیر ـ اتمی مطرح است به اجسام ماکروسکوپی (شامل ملکول ها یا حتی اشیاء قابل رویتی که ما در زندگی روزمره با آن سر و کار داریم)، نظراتی ابراز شده است.در آزمایش فوق الذکر، فیزیکدانان کوشیدند ببینند "زمانیکه اصل شرایط فوق العاده کوانتوم را به سیستمهای ماکروسکوپی که بطور سنتی توسط فیزیک کلاسیک تشریح شده اند بسط دهیم، چه اتفاقی می افتد.

"بنا بر گزارش فیزیکدانان در نشریه "ساینس"، آنها یک واحد اتم بریلیوم را در یک حصار مغناطیسی حبس کرده و سپس از طریق جدا کردن یکی از الکترون هایش، یک بار الکتریکی به اتم دادند. (اتمی که بار الکتریکی یافته را یون می نامند.) "یون حاصله فورا حصار مغناطیسی را حس میکند و درونش محبوس میشود. به گفته "مونرو" گام بعدی، سرد کردن یون توسط لیزر است تا اینکه یون در مرکز حصار واقعا بی حرکت بایستد. حال که یون نمیتواند بجنبد، فیزیکدانان از دو اشعه لیزر که رنگهایشان با هم تفاوت اندکی دارد استفاده میکنند تا یون را با شرایط فوق العاده وضعیتهای درونی کوانتوم همساز کنند. منظور وضعیتهای فوق العاده ریزی است که به آن چرخش صعودی و چرخش نزولی (چرخش همزمان روی دو محور ـ فرفره ای یا اسپینی) میگویند..." یون بریلیوم همزمان دو وضعیت متفاوت را بنمایش میگذارد؛ به همان نحوی که آن را "شرایط فوق العاده" می نامند.

تا اینجای آزمایش چندان عجیب نبود. اما سپس "مونرو" و گروهش از اشعه لیزر برای ایجاد یک موج استفاده کردند تا "یون را با فرکانسی مشابه فرکانس نوسان طبیعی خودش در حصار حرکت دهند." نیروی حاصله، یون را به حرکت در می آورد؛ بسیار شبیه به نیروی متناوبی که شما ممکنست برای حرکت دادن یک کودک روی تاب بکار ببرید. "مونرو" میگوید که لیزرها طوری تنظیم شده که فقط بر یکی از دو وضعیت فوق العاده ریز تاثیر بگذارد. گروه مذکور از طریق تغییر در تنظیم لیزرها، نخست یکی از وضعیتهای فوق العاده ریز را به حرکت درآوردند. سپس، دومی را خارج از فاز اولی حرکت دادند...

در واقع فیزیکدانان مذکور جهت اندازه گیری فاصله بین دو وضعیت، نخست آنها را بسمت یکدیگر هل دادند تا آنجا که بر هم منطبق شده و در هم تداخل کردند."بعبارت دیگر، "مونرو" و "واین لند" مدعیند که دو وضعیت این واحد اتم را با کشش از هم جدا کرده اند. بدین ترتیب، این اتم در آن واحد، در دو مکان ظاهر میشود. چون این دو "بخش موج یونی" ظاهرا در دو مکان متفاوت قرار داشتند، دیگر بنظر نمی آمد که خود اتم آنگونه که معمول ماده ماکروسکوپی است، یک مکان واحد داشته باشد.

فیزیکدانان ادعا کردند که دو وضعیت حدودا ۸۰ نانومتر از هم دور شدند ـ که این از معیارهای اتمی بسیار دور است. نشریه "ساینس" گزارش میدهد که این فاصله "از هر بخش موجی بزرگتر بوده و از یون موجود هم بسیار بزرگتر است."گربه شرودینگر حول و حوش این آزمایش، مباحثه فراوانی در مورد پارادکس گربه شرودینگر براه افتاده است. اروین شرودینگر یک دانشمند اتریشی بود. او در دهه ۱۹۳۰ لطیفه ای در هجو برخی دانشمندان ساخت. این دانشمندان مدعی بودند که رفتار غیر قابل پیش بینی ذرات زیر ـ اتمی نشان میدهد، دنیای واقعی فقط زمانی موجودیت دارد که شخص به مشاهده اش بپردازد.

لطیفه شرودینگر میگفت: تصور کنید گربه ای در یک جعبه گیر افتاده و در آنجا شیشه زهری هم هست. یک قطعه جسم رادیواکتیوی نظیر اورانیوم هم در جعبه قرار دارد. اگر یک اتم اورانیوم زوال یابد، یک ردیاب الکترونیکی چکشی را به حرکت در خواهد آورد؛ آن چکش شیشه زهر را خواهد شکست و گربه کشته خواهد شد. اما بعلت غیر قابل پیش بینی بودن ذرات در سطح زیر ـ اتمی (نظیر زوال رادیواکتیو هسته اورانیوم) شما فقط میتوانید بر امکان زوال یک اتم واقف باشید، اما نمیتوانید لحظه دقیق را پیش بینی کنید. بعبارت دیگر، شما نمیتوانید از قوانین فیزیک زیر ـ اتمی برای پیش بینی اینکه گربه مرده است یا نه استفاده کنید. تنها راه پی بردن به این مسئله، نگاه کردن به داخل جعبه است. برخی دانشمندان میگفتند از آنجا که نمیشود عملکرد یک ذره زیر ـ اتمی را در لحظه دقیقا گمان زد، معنایش اینست که تا وقتی شما چیزی مشاهده نکرده اید این ذره واقعا کاری انجام نداده است ـ یعنی یا ذرات بنوعی در چارچوب کوانتوم مسکوت گذاشته میشوند و یا اینکه مشاهده شما به تردید خاتمه می بخشد.

شرودینگر این نظریه را مسخره میکرد و میگفت ما تا وقتی جعبه را باز نکرده ایم این را هم نمیتوانیم بگوئیم که گربه مرده است یا زنده. پس بر مبنای منطق برخی افراد، تا وقتی جعبه باز نشده گربه هم زنده است و هم مرده! یک اتم اورانیوم ممکنست زوال یافته باشد ـ اما این مشاهده ماست که واقعا گربه را خواهد کشت. شرودینگر به افسانه معتقد نبود.

یکی از نقطه نظرات وی این بود که قوانین ماده زیر ـ اتمی را نمیتوان در مورد ماده ماکروسکوپی (مثلا یک گربه) بکار بست. اما داستان گربه زنده ـ مرده بعنوان یک تبارز سمبلیک از شکاف بین رفتار ماده در دو دنیای زیر ـ اتمی و ماکرو بر سر زبانها باقی ماند.فیزیکدانان "موسسه ملی معیارها و تکنولوژی" واقعا ادعا نمیکنند که یک "گربه شروی دینگر" حقیقی پیدا کرده اند. یعنی نمیگویند یک پدیده ماکروسکوپی بر مبنای قوانین فیزیک کوانتوم عمل کرده است. اتم بریلیوم در مقایسه با سایر اتمها، بسیار کوچک است. این اتم فقط از ۴ اکترون، ۴ پروتون و ۵ نئوترون ساخته شده است. بعبارت دیگر، اتم بریلیوم در محدوده اتمها بسیار به دنیای زیر ـ اتمی نزدیک است. بنابراین آزمایش بر روی یک واحد اتم بریلیوم، آنقدرها هم در سطح ماکروسکوپی ماده نمیگنجد.

این عمل در سطح "مزوسکوپی" ماده انجام میگیرد. یعنی در سطح گذاری بین سطوح زیر ـ اتمی و ماکروسکوپی. به قول یکی از دانشمندان، برای اینکه بتوان ادعا کرد فیزیکدانان مذکور یک گربه شرودینگر پیدا کرده اند، یعنی پلی بین دو دنیای زیر ـ اتمی و ماکرو یافته اند، "دو وضعیت (یون بریلیوم) باید از لحاظ ماکروسکوپی صاحب مختصاتی بوضوح متمایز باشند... نه اینکه صرفا به لحاظ فیزیکی با هم ۸۰ نانومتر فاصله داشته باشند."مجله "ساینس" گزارش داده که وقتی جدائی دو بخش موج یونی به حد ماکروسکوپی رسید، عمر آنها ظاهرا "بینهایت کوتاه شد." ـ "زمانیکه جدائی را بیشتر (یا کلاسیک تر) کردند، عمر شرایط فوق العاده به پایان رسید.

" بعبارت دیگر، وقتی دانشمندان کوشیدند دو بخش موج یونی را بیش از حد با کشش از هم دور کنند، نتوانستند دو وضعیت جداگانه باثبات را حفظ نمایند.فیزیکدانان امیدوارند که آزمایشات بیشتر در این راستا، تصویر گسترده تری از تضادهای بین دنیای کوانتوم و "دنیای کلاسیک" بدست دهد. اینهاست زمینه بحثی که بر سر پیدا شدن "گربه شروی دینگر" در آزمایش موسسه ملی براه افتاده است.علم و مبارزه طبقاتیبه لحاظ تاریخی، اکتشافات جدید علمی به برخی تلاشها در ارائه درک متافیزیکی و ایده الیستی از رفتار ماده دامن زده است. برای مثال، کشف این مسئله که اتمهای رادیوم بر اثر تشعشع زوال می یابند، باعث شد برخی افراد قانون قبلی فیزیک کلاسیک که میگفت "ماده را نه میتوان آفرید و نه نابود کرد" را زیر سئوال برند. زمانیکه برخی افراد اعلام کردند "ماده ناپدید میشود"، این ایده پا گرفت که نوع بشر نمیتواند واقعا بداند که یک واقعیت مادی عینیتا موجود است.

سپس برخی افراد نظیر دانشمندی بنام "ارنست ماخ" اصرار کردند که ما نسبت به پدیده ها فقط "احساسات" داریم؛ اما واقعا نمیتوانیم شناخت مطمئنی از آنها داشته باشیم. در سالهای قبل از انقلاب روسیه، این ایده ها تاثیر مهمی بر مبارزه طبقاتی داشت. در همان دوره، لنین علیه تئوریهای ماخیستی که توانائی مردم در شناخت واقعی جهان و تغییر آن را نفی میکرد بحث و استدلال نمود.در قرن نوزدهم، مردم فکر میکردند که نور صرفا یک موج الکترومغناطیسی است. اما بعدا کشف شد که نور از ذراتی هم درست شده است. این ذرات، فوتون نام گرفتند. مردم دریافتند که نور فقط بعنوان موج وجود نداشته بلکه بعنوان ذره هم موجود است.

اکتشافات بیشتر در قرن بیستم روشن کرد که اتمها از ذرات بسیار کوچکتری ساخته شده اند. اینها را ذرات زیر ـ اتمی نامیدند. این کشف به مباحثه بر سر قوانین ماده در سطح زیر ـ اتمی پا داد. بعلاوه این بحث هم جریان یافته که آیا نوعی ذره زیر ـ اتمی "نهائی" که واحد پایه ای ساختمان کائنات باشد و نتوان آن را به بخشهای کوچکتری تقسیم کرد وجود دارد یا نه.مقاله "بیان سیزو" سابقه این مباحثات را ذکر نموده و مطرح میکند که "ماده تا بینهایت قابل تقسیم است."امروز، ۹۰ سال بعد از لنین و ۲۰ سال بعد از نگارش مقاله "بیان سیزو"، حرفهای زیادی درباره "عصر اطلاعات"، "جامعه پسا ـ صنعتی" و حتی (مجددا) درباره "ناپدید شدن ماده" براه افتاده است.

"سیاستهای هویتی" رایج این نظر را جلو میگذارند که واقعیات برای افراد مختلف، بسته به تجربه اجتماعی آنها، متفاوت است. بنابراین ضروری است که یکبار دیگر موجودیت واقعیت عینی را مورد بحث قرار دهیم.آزمایش اخیر "موسسه ملی معیارها و تکنولوژی" همانند آزمایشات علمی قبلی، به اظهار نظراتی انجامیده که کشفیات جدید علمی را در تقابل با درک رایج از قوانین ماده مطرح میکنند. روزنامه "نیویورک تایمز" فورا در صفحه اول خود مقاله ای با این عنوان منتشر کرد: "یک فیزیکدان اتم را در آن واحد، در دو مکان قرار داد." این مقاله همچنین بسیار نگران تاثیر احتمالی وضعیتهای جداگانه یون بر سیستم بانکی بین المللی سرمایه داری بود.

این حدس در مقاله مذکور مطرح شده که اگر "پدیده بتواند در آن واحد در دو نقطه باشد"، میتوان کامپیوترهای کوانتوم فوق العاده سریع جدیدی ابداع کرد که بسادگی بتوانند همه کدهای رمزی مورد استفاده در موسسات عظیم مالی بین المللی را باز کنند. (تصورش را بکنید! از امکان ابداع کامپیوترهای فوق العاده سریع جدید بحث میکنند و تنها مسئله مهم اجتماعی که بنظرشان می آید تاثیر این کامپیوترها بر اسرار بانکی است!) بعدا همین روزنامه، مقاله جدی تری نوشت که علیه معرفی نادرست آزمایش مورد بحث هشدار میداد. اما حتی در مقاله دوم هم حدسیاتی درباره امکان "کائنات دوگانه" مطرح شده است.

این موضوع، باب طبع سریال "پیشتازان فضا" بود. در چارچوب این تصور، کائنات های جداگانه و در کنار هم موجودند که از وجود یکدیگر بی خبرند؛ مگر اینکه کسی به کائنات "دیگر" برود و آن را مشاهده کند.علاوه بر آزمایش فوق الذکر، هم اکنون یک مباحثه داغ دیگر در مورد رابطه میان علم و جامعه جریان دارد. آیا مبارزه طبقاتی هیچ ربطی به تئوری علمی دارد؟

برخی دانشمندان نافی میشوند که فعالیتشان در یک چارچوب فرهنگی، اجتماعی و طبقاتی صورت میگیرد و این چارچوب بر مشاهدات، نتیجه گیریها و تئوریهایشان تاثیر میگذارد. و برخی دانشمندان فکر میکنند که غیر متخصصان نمیتوانند مباحثات علمی مدرن را حقیقتا درک کنند و بنابراین نمیتوانند آگاهانه در آن شرکت جویند. آنها معتقدند غیر متخصصان مسلما هیچ حقی ندارند که عینی بودن و معتبر بودن تئوریهای علمی یا (دقیقتر گفته باشیم) تئوریهای مطرح شده توسط دانشمندان را زیر سئوال ببرند.