چرا نظریه کوانتوم پس از گذشت صد سال هنوز برای فیزیکدانان معما است؟

به جای رویکرد یادشده، می‌توان به یک رویکرد «انتیک» اشاره کرد که اعتقاد دارد حالت کوانتومی نمایانگر واقعیت است (حداقل تا حدی). اما مشکل اینجاست که ما هرگز خود تابع موج را مستقیماً «نمی‌بینیم»؛ بلکه تنها از آن برای پیش‌بینی نتایجی که مشاهده می‌کنیم، استفاده می‌کنیم. می‌توانیم تابع موج را به‌عنوان نمایانگر یک برهم‌نهی از چندین نتیجه ممکن اندازه‌گیری در نظر بگیریم. بااین‌حال، پس از انجام یک اندازه‌گیری و ثبت نتیجه، دشوار است که به آن نتیجه به‌عنوان واقعیت نگاه نکنیم و آن را صرفاً به‌عنوان یک برهم‌نهی انتزاعی از امکانات پیشین در نظر بگیریم.

مدل‌های انتیکی متعددی در مکانیک کوانتومی وجود دارند که سعی دارند با رابطه پیچیده بین تابع موج و مشاهدات سازگار شوند. در مدل‌های «موج هدایت‌گر» یا «متغیرهای پنهان»، که برای نخستین بار در اوایل دهه ۱۹۵۰ به‌طور جامع توسط «دیوید بوهم» توسعه یافتند، توابع موج به‌عنوان موجودیت‌های واقعی در نظر گرفته می‌شوند، اما همچنین متغیرهای پنهانی دیگری وجود دارند که موقعیت واقعی ذرات را نشان می‌دهند. در این مدل موقعیت‌ها هستند که در نهایت مشاهده می‌شوند.

در مدل‌های «تفسیر چندجهانی»، که بعدها توسط «هیو اورت» معرفی شد، ناظران با سیستم‌هایی که اندازه‌گیری می‌کنند به‌طور عمیق درهم تنیده می‌شوند و هر نتیجه مجاز در شاخه‌های جداگانه‌ای از تابع موج تحقق پیدا می‌کند. این شاخه‌ها به‌عنوان جهان‌های موازی تعبیر می‌شوند. در «مدل‌های فروپاشی عینی» نیز، تابع موج به‌طور گاه به گاه خود را تنظیم می‌کند (که این امر با معادله شرودینگر متعارف در تضاد است) تا شبیه واقعیت نیمه‌کلاسیکی که ما مشاهده می‌کنیم، به‌نظر برسد.

اگرچه رویکردهای ذکر شده معمولاً به‌عنوان تفسیرهای متضاد در مکانیک کوانتومی در نظر گرفته می‌شوند، این تصور نادرست است، زیرا هر یک از آن‌ها نظریه‌های فیزیکی متمایز و مستقل از یکدیگر هستند.

مدل‌های فروپاشی عینی پیامدهای تجربی متنوع و مشخصی دارند؛ به ویژه در زمینه نقض اصل بقای انرژی. این نقض زمانی اتفاق می‌افتد که تابع موج به‌طور عینی فرو می‌ریزد؛ پدیده‌ای که ممکن است در سیستم‌های اتمی فوق سرد قابل مشاهده باشد. درحال حاضر آزمایش‌هایی درحال انجام است، اما هنوز هیچ شواهدی برای تأیید این اثرات یافت نشده است. تا آنجا که اطلاعات موجود نشان می‌دهد، هیچ آزمایشی وجود ندارد که بتواند بین رویکردهای موج هدایتگر و تفسیر چندجهانی اورت تمایز قائل شود. طرفداران هر یک معمولاً ادعا می‌کنند که دیگری به‌طور کافی تعریف نشده است.

بنابراین، فیزیکدانان بر سر مسائلی نظیر اینکه اندازه‌گیری دقیقاً چیست، آیا تابع‌های موج نمایانگر واقعیت فیزیکی هستند یا خیر، آیا متغیرهای فیزیکی دیگری به جز تابع موج وجود دارد یا خیر و آیا تابع موج همیشه تحت تأثیر معادله شرودینگر قرار دارد یا خیر، به توافق نرسیده‌اند. با وجود این اختلافات، مکانیک کوانتومی مدرن، برخی از دقیق‌ترین پیش‌بینی‌های علمی را ارائه داده است که با آزمایشات نیز همخوانی دارد.

نظریه «میدان‌های کوانتومی نسبیتی» که پایه‌گذار فیزیک ذرات مدرن است، باید در زمره بزرگ‌ترین موفقیت‌های مکانیک کوانتومی محسوب شود. نظریه میدان‌های کوانتومی نسبیتی به ما اجازه می‌دهد تا واقعیت مشاهده‌شده مبنی‌بر ایجاد یا نابود شدن ذرات را توضیح دهیم. این نظریه با تقارن‌های نسبیتی، براساس میدان‌های کوانتومی شکل گرفته است که در تمام فضا گسترش یافته‌اند.

قوانین نظریه کوانتوم نشان می‌دهند که نوسانات کوچک در این میدان‌ها مجموعه‌ای از ذرات فردی را تشکیل می‌دهند. تعاملات این ارتعاشات با یکدیگر به پدیده‌های قابل مشاهده‌ای منجر شده است که به‌طرز شگفت‌آوری توسط آزمایش‌ها تأیید شده‌اند؛ از چگونگی محبوس شدن کوارک‌ها برای تشکیل پروتون‌ها و نوترون‌ها تا وجود بوزون هیگز. این ذره از ارتعاشات میدان هیگز که تمام فضای جهان را دربر می‌گیرد به‌وجود می‌آید که به سایر ذرات جرم می‌دهد و توضیح می‌دهد که چرا نیروی هسته‌ای ضعیف چنین دامنه کوتاهی دارد. طبق نظریه «تورم کیهانی»، منشاء ستاره‌ها و کهکشان‌ها ممکن است به تغییرات کوچک کوانتومی در چگالی جهان اولیه نسبت داده شود.

نظریه میدان کوانتومی با وجود تمامی دستاوردهایش، با معماهای خاصی مواجه است. به‌طرز معناداری، یک محاسبه ساده از اصلاحات کوانتومی در احتمال پراکندگی دو ذره معمولاً به نتایج بی‌نهایت بزرگی منتهی می‌شود؛ خصوصیتی که قطعاً در محاسبات احتمال مطلوب نیست. فیزیک مدرن به این چالش پاسخ داده و از «نظریه‌های میدان مؤثر» بهره می‌برد که تلاش دارند فرآیندها را تنها در انرژی‌ها و تکانه‌های (نسبتاً) پایین توصیف کنند و بدین ترتیب بی‌نهایت‌های مزاحم را به‌طور کامل حذف کنند.

سپس بزرگ‌ترین چالش پیش روی ما وجود دارد: دشواری در ایجاد یک نظریه بنیادی کوانتومی از گرانش و ساختار منحنی فضازمان. بیشتر پژوهشگران در این حوزه بر این باورند که مکانیک کوانتومی خود به تغییر خاصی نیاز ندارد؛ بلکه فقط باید راهی بیابیم تا فضازمان منحنی را به طور سازگار در نظریه بگنجانیم. اما به نظر می‌رسد که تا دستیابی به این هدف هنوز فاصله زیادی داریم.

در عین‌حال، تجلی‌های متعدد نظریه کوانتوم همچنان کاربردهای بیشتری را در فناوری‌های روزمره پیدا می‌کنند. «شیمی کوانتومی» راه‌هایی برای طراحی داروهای پیشرفته، مواد نوآورانه و ذخیره انرژی فراهم کرده است. «متروژی» و «حسگری کوانتومی» امکان اندازه‌گیری دقیق مقادیر فیزیکی را به طرز بی‌سابقه‌ای افزایش داده‌اند، به گونه‌ای که حتی لرزش کوچک یک آونگ که توسط موج گرانشی عبوری از سیاه‌چاله‌ای در فاصله یک میلیارد سال نوری ناشی شده، قابل تشخیص است. همچنین، کامپیوترهای کوانتومی وعده انجام محاسبات خاصی را با سرعت‌هایی ارائه می‌دهند که اگر جهان براساس اصول کلاسیک عمل کند، غیرممکن خواهد بود.

تمام این دستاوردها در حالی رخ داده است که هنوز هیچ توافق کاملی درباره نحوه عملکرد مکانیک کوانتومی در هسته خود وجود ندارد. به‌طور تاریخی، پیشرفت‌های فناوری اغلب تسهیل‌کننده یا حتی ضروری برای ارتقاء فهم بنیادی بوده‌اند. ما به طور مداوم روش‌های جدیدی برای کشف واقعیت‌های پیچیده ابداع می‌کنیم و امیدواریم که تصویر مبهم سرانجام روشن شود.