عجیب و غریب کلیدی فیزیک کوانتومی ممکن است حتی عمیق تر از حد انتظار باشد

ما هنوز در جستجوی درک غیر احتمالی مکانیک کوانتومی هستیم

ماهیت احتمالی مکانیک کوانتومی بیش از یک قرن است که محققان را متحیر کرده است. یک تجزیه و تحلیل جدید نشان می دهد که رهایی از تئوری از این ویژگی عجیب و غریب ممکن است حتی دشوارتر از آنچه پیش بینی می شد باشد.

متأسفانه، اشیاء کوانتومی می‌توانند در ترکیبی از حالت‌های ظاهرا منحصر به فرد وجود داشته باشند، مانند آزمایش فکری گربه شرودینگر که در آن حیوان در ترکیبی از حالت‌ها قرار دارد که باعث می‌شود هم زنده و هم مرده به نظر برسد، و همچنین هیچکدام. گربه بدون مزاحمت و ایزوله باقی می ماند، اما اگر مشاهده شود - اگر آزمایشگر جعبه اش را باز کند - به طور ناگهانی فقط به یک حالت مخلوط نشده کاهش می یابد.

اینکه دقیقا چگونه این اتفاق می‌افتد، سؤالی که به «مسئله اندازه‌گیری» معروف است، یکی از بزرگترین سؤالات حل نشده در مورد مکانیک کوانتومی است. در قلب آن یک قانون ریاضی به نام ماکس بورن فیزیکدان آلمانی وجود دارد. محققان مدت‌ها تلاش کرده‌اند که قانون Born را از اجزای ریاضی استخراج کنند که می‌تواند برخی از احتمال‌های عجیب مکانیک کوانتومی را از بین ببرد. جیاکسوان ژانگ در دانشگاه آکسفورد اکنون دریافته است که برخی از تأثیرگذارترین مشتقات این کار را به طور کامل انجام نمی دهند.

قانون Born دستور العملی برای تبدیل اطلاعات مربوط به یک شی کوانتومی به احتمالاتی است که احتمال مشاهده نتایج خاص را به ما می گوید. این قانون همچنین یک فرض است، به این معنی که بنیانگذاران مکانیک کوانتومی به جای استنباط، حقیقت آن را فرض کردند. اما این یک حقیقت دردسرساز است زیرا به این معنی است که مکانیک کوانتومی نمی‌تواند اطلاعاتی قوی‌تر از احتمال وقوع چیزی ارائه دهد، مانند زنده بودن گربه در 30 درصد مواقعی که جعبه آن را باز می‌کنید.

ژانگ می‌خواست بداند آیا تلاش‌های گذشته برای استخراج قانون Born از مفروضات ریاضی، به جای اینکه صرفا آن را فرض کند، هر گونه مؤلفه احتمالی را در نقطه شروع معرفی کرده است یا خیر. اگر چنین اجزای احتمالی مورد نیاز نباشد، ممکن است بتوان مکانیک کوانتومی را در زمینی قطعی تر قرار داد - و بنابراین آن را قابل درک تر کرد.

ژانگ می‌گوید: «من فکر می‌کنم اگر بتوانیم منشأ قانون Born را پیدا کنیم، شاید بتوانیم منشا احتمال کوانتومی را نیز پیدا کنیم. او حدود دو سال را صرف بررسی پنج مورد از تأثیرگذارترین اشتقاقات قانون متولد شده در تلاش برای به صفر رساندن آن منشا کرد.

انگیزه این پنج اشتقاق، طیف وسیعی از ایده‌ها در مورد چگونگی تفسیر معادلات مکانیک کوانتومی، با تکیه بر استدلال‌هایی از ملاحظات در مورد تقارن و درهم‌تنیدگی کوانتومی تا نظریه تصمیم برای ساکنان چندجهان کوانتومی بود. ژانگ موضعی تفسیری-اگنوستیکی اتخاذ کرد و صرفا به ریاضیات توجه کرد.

اما همانطور که او پیش فرض های زیربنایی قانون Born را بررسی می کرد، احتمال بیشتری پیدا کرد. ژانگ می‌گوید: «برای افرادی که می‌خواهند قانون احتمالاتی Born را فقط از اصول جبرگرایانه استخراج کنند، نتیجه من در حال حاضر از آن پشتیبانی نمی‌کند.

به عنوان مثال، او به این نتیجه رسید که برخی از نسخه‌های مفهومی به نام «افزایش» برای همه اشتقاق‌های قانون Born در تحلیل او ضروری است. اگرچه می‌توان آن را به‌طور کلی‌تر و انتزاعی‌تر بیان کرد، اما وقتی به تاس‌های منصفانه فکر می‌کنیم، درک افزودنی ساده‌تر است. در اینجا، افزودنی به این معنی است که احتمال چرخش هر عدد، از 1 تا 6، همیشه به 100 درصد می رسد.

به نظر من مقاله ژانگ جالب است زیرا به یک سوال اساسی می پردازد: احتمالات کوانتومی از کجا می آیند؟ آگوستو اسمرزی از دانشگاه فناوری شنژن در چین می گوید. او می‌گوید که نشان دادن اهمیت افزایشی بودن او به یک مشکل دیرینه روشن می‌شود.

اما اسمرزی می‌گوید که شناسایی واضح مفروضات زیربنایی قانون Born نباید به عنوان توضیحی برای اینکه چرا این قاعده در شکل ریاضی فرضی‌اش جهان ما را به خوبی توصیف می‌کند، اشتباه فهمیده شود. او می‌گوید: «صریح کردن مفروضات ضروری است، اما درک اینکه چرا طبیعت از آنها اطاعت می‌کند چیزی است که به یک مشتق معنای فیزیکی عمیق‌تر آن می‌دهد.» بنابراین، من نتیجه‌گیری‌های ژانگ را به‌عنوان بستن دری به روی توضیح عمیق‌تر احتمالات کوانتومی تفسیر نمی‌کنم، بلکه آن‌ها اهمیت ادامه جستجو برای چنین توضیحی را برجسته می‌کنند.

ژانگ می گوید که کار به هیچ وجه به پایان نمی رسد زیرا مشتقات بیشتری از قانون Born وجود دارد که او می خواهد آن ها را تحلیل کند. و او فکر نمی کند که برخی از شگفتی های ریاضی به طور کامل از تصویر خارج شده است. او می‌گوید در حالی که کار او این امکان را محدود می‌کند، شانس کوچکی وجود دارد که قانون Born بتواند بر پایه‌های جبری قرار گیرد.