واقعیت چیست؟

۱. فیزیک کوانتوم کار می‌کند، اما واقعیت چیست؟

کلیدهای خانه‌ی شما اتحاد موقتی از هزاران میلیارد میلیارد اتم‌اند، هر کدام در ستاره‌ای در حال مرگ در اعماق کیهان ساخته شده‌اند و هر یک در روزهای نخستین زمین به آن سقوط کرده‌اند.

دنیای کوانتوم. فیزیک کوانتوم، علمی که به بررسی ذرات بسیار ریز مانند اتم‌ها و ذرات بنیادی می‌پردازد، موفق‌ترین نظریه‌ی علمی تاریخ است که پایه و اساس همه چیز از ترانزیستورها تا ستارگان را تشکیل می‌دهد. با این حال، قوانین حاکم بر این جهان میکروسکوپی به طرز عجیبی با تجربه‌ی روزمره‌ی ما متفاوت است. اتم‌ها می‌توانند همزمان در چندین مکان حضور داشته باشند، امری که با منطق معمول ناسازگار است.

مسئله‌ی اندازه‌گیری. این رفتار عجیب ذرات ریز به نظر نمی‌رسد برای اشیای بزرگ‌تر مانند کلیدها یا گربه‌ها صدق کند. چرا؟ یا مرزی وجود دارد که فیزیک کوانتوم در آن متوقف می‌شود، یا فیزیک کوانتوم برای همه چیز صدق می‌کند اما تجربه‌ی ما با آن در تضاد است. ریاضیات نظریه درست عمل می‌کند، اما مشخص نیست که درباره‌ی واقعیت خودِ جهان چه می‌گوید، به‌ویژه درباره‌ی «اندازه‌گیری» که به نظر می‌رسد باعث می‌شود ذرات کوانتومی ناگهان یک حالت مشخص را انتخاب کنند.

پارادوکس گربه شرودینگر. اروین شرودینگر این مشکل را با آزمایش فکری مشهور خود نشان داد: گربه‌ای در جعبه‌ای که به یک رویداد کوانتومی وابسته است. اگر رویداد کوانتومی در حالت ابرموقعیت باشد (هم اتفاق افتاده و هم نیفتاده)، طبق ریاضیات، گربه نیز باید همزمان زنده و مرده باشد تا زمانی که مشاهده شود. این با تجربه‌ی ما کاملاً در تضاد است و شکافی عمیق در درک ما از واقعیت نشان می‌دهد.

۲. تفسیر کپنهاگ: سکوت کن و محاسبه کن؟

بر اساس تفسیر کپنهاگ، پاسخ این سؤال بسیار ساده است: فیزیک کوانتوم هیچ چیز درباره‌ی جهان نمی‌گوید.

اجتناب از سؤال. به جای توصیف دنیای کوانتومی، تفسیر کپنهاگ که توسط نیلز بور و ورنر هایزنبرگ مطرح شد، ادعا می‌کند فیزیک کوانتوم صرفاً ابزاری برای محاسبه‌ی احتمال نتایج آزمایش‌هاست. این تفسیر می‌گوید دنیای کوانتومی عینی و مستقل از مشاهده وجود ندارد؛ ویژگی‌ها تنها زمانی واقعی می‌شوند که اندازه‌گیری شوند.

اندازه‌گیری واقعیت می‌آفریند. طرفداران این دیدگاه مانند پاسکوال جردن معتقد بودند که اندازه‌گیری باعث می‌شود ذرات کوانتومی ویژگی‌های مشخصی به خود بگیرند. این دیدگاه از پرداختن به این سؤال که وقتی کسی نگاه نمی‌کند چه اتفاقی می‌افتد، اجتناب می‌کند و چنین پرسش‌هایی را بی‌معنی یا غیرعلمی می‌داند، مانند پرسیدن اینکه آیا درختی در جنگلی خالی سقوط کند صدایی دارد یا نه.

«فلسفه‌ی آرام‌بخش». این رویکرد، در حالی که به فیزیکدانان اجازه می‌داد «سکوت کنند و محاسبه کنند» و موفقیت‌های پیش‌بینی عظیمی کسب کنند، برای بسیاری از جمله آلبرت اینشتین بسیار ناراضی‌کننده بود که آن را «فلسفه‌ای آرام‌بخش» خواند که «بالشی نرم» فراهم می‌کند اما واقعیت را توصیف نمی‌کند.

۳. اینشتین در برابر بور: نبرد برای واقعیت

«ماخ تا حدی واقعیت جهان را نادیده می‌گیرد، اینکه ادراکات ما بر اساس چیزی عینی است»، اینشتین پاسخ داد.

تقابل غول‌ها. آلبرت اینشتین، یکی از بنیان‌گذاران فیزیک کوانتوم، به شدت با رد واقعیت عینی مستقل از مشاهده توسط تفسیر کپنهاگ مخالفت کرد. او دهه‌ها با نیلز بور، مدافع اصلی این تفسیر، بحث کرد و استدلال می‌کرد که فیزیک باید جهان را همان‌گونه که هست توصیف کند، نه فقط پیش‌بینی مشاهدات.

نگرانی اینشتین درباره‌ی موضعیت. مشکل اصلی اینشتین تصادفی بودن نبود («خدا تاس نمی‌اندازد») بلکه اصل موضعیت بود – این که رویدادها در یک مکان نمی‌توانند فوراً بر رویدادهای دوردست تأثیر بگذارند. او آزمایش‌های فکری مانند پارادوکس EPR را مطرح کرد و استدلال کرد که فیزیک کوانتوم یا ناقص است (اشیا پیش از اندازه‌گیری ویژگی دارند) یا غیرموضعی است (اندازه‌گیری در اینجا فوراً بر شیء دوردست تأثیر می‌گذارد).

دفاع مبهم بور. پاسخ‌های بور اغلب مبهم و دشوار فهمیده می‌شد و بر این ایده تأکید داشت که دستگاه‌های اندازه‌گیری باید به صورت کلاسیک توصیف شوند و ویژگی‌های کوانتومی مکمل‌اند (مانند دوگانگی موج-ذره) اما نمی‌توانند همزمان واقعی باشند. با وجود استدلال‌های روشن اینشتین درباره‌ی موضعیت، پیروان بور اغلب نگرانی‌های او را نادیده می‌گرفتند یا رد می‌کردند و معتقد بودند بور در مناظرات پیروز شده است.

۴. مخالفان اولیه: امواج راهنما و تسلط پوزیتیویسم

بر اساس نظر بورن، فون نویمان اثبات کرده بود که تفسیر کپنهاگ تنها راه ممکن برای فهم فیزیک کوانتوم است.

اثبات ناممکن بودن. برای دهه‌ها، فیزیکدانان باور داشتند که جان فون نویمان، ریاضیدان برجسته، اثبات کرده است که هیچ تفسیر جایگزینی برای فیزیک کوانتوم وجود ندارد و این باعث تثبیت تسلط تفسیر کپنهاگ شد. این اثبات، هرچند دارای اشکالات ظریف بود، بسیاری از منتقدان را ساکت کرد.

تأثیر پوزیتیویسم. جنبش فلسفی پوزیتیویسم منطقی، الهام گرفته از ارنست ماخ، دیدگاه کپنهاگ را تقویت کرد. پوزیتیویست‌ها ادعا می‌کردند که گزاره‌هایی درباره‌ی چیزهای غیرقابل مشاهده بی‌معنی‌اند و پرسش درباره‌ی دنیای کوانتومی پیش از اندازه‌گیری غیرعلمی است. این موضع فلسفی توجیهی مناسب برای اجتناب از پرسش‌های دشوار فراهم کرد.

چالش بوهم. دیوید بوهم، الهام گرفته از اینشتین، در سال ۱۹۵۲ اثبات فون نویمان را به چالش کشید و تفسیر جایگزین و قطعی خود را ارائه داد: تفسیر امواج راهنما. در این دیدگاه، ذرات همیشه موقعیت مشخصی دارند که توسط «امواج راهنما» هدایت می‌شوند. این نظریه تمام پیش‌بینی‌های کوانتومی را بدون فروپاشی تابع موج یا وابستگی به ناظر بازتولید می‌کند، اما عمدتاً توسط جامعه‌ی فیزیک نادیده گرفته یا رد شد.

۵. جنگ همه چیز را تغییر داد: تغییر تمرکز فیزیک

عصر علم بزرگ فرا رسیده بود و صبر چندانی برای پرداختن به معنای فیزیک کوانتوم نداشت.

خروج از اروپا. ظهور نازیسم باعث شد بسیاری از فیزیکدانان برجسته، به‌ویژه دانشمندان یهودی مانند اینشتین، بورن و فرمی، اروپا را ترک کنند و مرکز فیزیک به آمریکا و بریتانیا منتقل شود. این مهاجرت مغزها به فیزیک آلمان ضربه زد اما رشد سریع در جاهای دیگر را تسریع کرد.

پروژه منهتن. جنگ جهانی دوم، به‌ویژه رقابت برای ساخت بمب اتمی، فیزیک را به شدت دگرگون کرد. پروژه منهتن نیازمند بودجه و نیروی انسانی عظیم بود و فیزیکدانان را به سمت مسائل عملی و محاسباتی مانند فیزیک هسته‌ای و فیزیک حالت جامد سوق داد، نه پرسش‌های بنیادین و انتزاعی.

عمل‌گرایی پس از جنگ. پس از جنگ، بودجه نظامی به فیزیک سرازیر شد و تحقیقات کاربردی در اولویت قرار گرفت. دانشکده‌های فیزیک رشد کردند اما آموزش از مباحث فلسفی به تکنیک‌های محاسباتی کارآمد تغییر جهت داد. روحیه‌ی «سکوت کن و محاسبه کن» تفسیر کپنهاگ کاملاً با این محیط عمل‌گرایانه و کمتر فلسفی هماهنگ بود.

۶. تبعید و گمنامی: جایگزین‌های نادیده گرفته شده بوهم و اورت

«اگر نتوانیم بوهم را رد کنیم، باید قبول کنیم که او را نادیده بگیریم.»

تعقیب بوهم. دیدگاه‌های سیاسی دیوید بوهم (که به طور کوتاه با کمونیسم مرتبط بود) باعث شد در آمریکا تحریم و تبعید شود. با وجود ارائه‌ی تفسیر جایگزین قابل قبول، کارهای او با خصومت و بی‌اعتنایی مواجه شد، چنان‌که گفته می‌شود رابرت اوپنهایمر اظهار داشته اگر نتوان نظریه‌ی بوهم را رد کرد، باید آن را نادیده گرفت.

جهان‌های متعدد اورت. هیوج اورت سوم، دانشجوی درخشان پرینستون، تفسیر رادیکال دیگری ارائه داد: تفسیر جهان‌های متعدد. با برداشت لفظی از ریاضیات کوانتوم (معادله شرودینگر)، او پیشنهاد کرد که تابع موج هرگز فروپاشی نمی‌کند بلکه جهان با هر رویداد کوانتومی به شاخه‌های متعدد تقسیم می‌شود. این تفسیر مسئله اندازه‌گیری را حل می‌کند اما به نظر بسیاری عجیب می‌رسد.

نادیده گرفته شدن توسط جامعه. هر دو تفسیر امواج راهنما و جهان‌های متعدد برای دهه‌ها توسط جریان اصلی فیزیک نادیده گرفته شدند. تبعید بوهم مانع از ترویج ایده‌هایش شد و اورت نیز از دانشگاه خارج شد و به پژوهش‌های نظامی پرداخت و علاقه‌ای به مبارزه برای پذیرش تفسیرش نداشت.

۷. قضیه بل: کشف عمیق‌ترین

«اثبات فون نویمان، اگر واقعاً آن را بررسی کنید، در دستان شما فرو می‌پاشد!» بل گفت.

به چالش کشیدن اثبات. جان بل، فیزیکدانی در سرن، از ابهام تفسیر کپنهاگ و رد جایگزین‌هایی مانند بوهم ناراحت بود. او اثبات مشهور فون نویمان را با دقت بررسی کرد و دریافت که این اثبات اساساً نادرست است و بر فرضیات بی‌مورد استوار است.

آشکار شدن زمینه‌مندی. با فروپاشی این اثبات، بل نشان داد که فیزیک کوانتوم «زمینه‌مندی» را ایجاب می‌کند: نتیجه‌ی اندازه‌گیری به این بستگی دارد که چه ویژگی‌های دیگری همزمان اندازه‌گیری می‌شوند. این به معنای عدم وجود ویژگی‌ها پیش از اندازه‌گیری نیست، بلکه حساسیت آن‌ها به زمینه‌ی آزمایش را نشان می‌دهد.

بازنگری پارادوکس EPR. بل سپس به پارادوکس EPR پرداخت و آن را ساده کرد تا همبستگی‌های بین ذرات درهم‌تنیده را تحلیل کند. او اثبات کرد که هر نظریه‌ی موضعی طبیعت باید یک شرط ریاضی خاص (نامساوی بل) را برآورده کند. اما فیزیک کوانتوم پیش‌بینی می‌کند که ذرات درهم‌تنیده این نامساوی را نقض خواهند کرد.

۸. تأیید غیرموضعی بودن: آزمایش‌ها واقعیت موضعی را به چالش می‌کشند

«خدای من، این نتیجه‌ای بسیار مهم است.»

آزمایش بل. جان کلوزر، فیزیکدان آزمایشی جوان، به طور تصادفی به مقاله‌ی مبهم بل برخورد و فوراً اهمیت عمیق آن و امکان آزمایش تجربی را درک کرد. با وجود دلسردی‌ها و انگ‌های منفی نسبت به کارهای بنیادین، او تصمیم گرفت آزمایش را انجام دهد.

آزمایش CHSH. کلوزر با همکاری ابنر شیمونی، مایکل هورن و ریچارد هولت، طرح آزمایشی مشخصی (آزمایش CHSH) برای آزمون نامساوی بل با استفاده از فوتون‌های درهم‌تنیده ارائه داد. این موضوع را از یک بحث فلسفی به یک سؤال علمی قابل آزمایش تبدیل کرد.

پیروزی مکانیک کوانتومی. کلوزر و دانشجویش استوارت فریدمن اولین آزمایش موفق را در سال ۱۹۷۲ انجام دادند و پس از آن تیم‌های دیگر، به ویژه گروه آلن اسپکت در اوایل دهه ۱۹۸۰، آزمایش‌ها را بهبود بخشیدند و شکاف‌های کلیدی را بستند. نتایج به طور مداوم نامساوی بل را نقض کردند و پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی را تأیید کردند و نشان دادند که طبیعت غیرموضعی است – «عمل شبح‌وار از راه دور» واقعی است.

۹. فلسفه پاسخ می‌دهد: واقع‌گرایی در برابر پوزیتیویسم

«واقع‌گرایی»، او ادعا کرد، «تنها فلسفه‌ای است که موفقیت علم را معجزه نمی‌داند.»

زوال پوزیتیویسم. در حالی که فیزیکدانان عمدتاً پرسش‌های بنیادین را نادیده می‌گرفتند، فیلسوفان علم دچار انقلاب شدند. اندیشمندانی مانند دبلیو. وی. او. کواین، توماس کوهن و هیلاری پاتنام اصول بنیادین پوزیتیویسم منطقی را فرو ریختند و استدلال کردند که گزاره‌ها درباره‌ی موجودیت‌های غیرقابل مشاهده معنادار و ضروری برای علم‌اند.

ظهور واقع‌گرایی علمی. اجماع جدیدی شکل گرفت: واقع‌گرایی علمی، دیدگاهی که معتقد است علم دنیایی واقعی و مستقل از مشاهده را توصیف می‌کند. واقع‌گرایان استدلال کردند که موفقیت نظریه‌های علمی که به شدت به مفاهیم غیرقابل مشاهده مانند الکترون‌ها وابسته‌اند، بهترین توضیحش این است که این مفاهیم به چیزی واقعی اشاره دارند.

ضعف فلسفی کپنهاگ. فیلسوفان اشاره کردند که اتکای تفسیر کپنهاگ به ایده‌های پوزیتیویستی و مفهوم مبهم «اندازه‌گیری» آن را از نظر فلسفی غیرقابل دفاع می‌کند. آن‌ها استدلال کردند که اندازه‌گیری باید فرایند فیزیکی باشد که خود نظریه آن را توصیف می‌کند، نه چیزی خارج از آن، و فیزیک کوانتوم باید برای اشیای ماکروسکوپی نیز صدق کند.

۱۰. فروپاشی و جهان‌های متعدد: زندگی تازه برای جایگزین‌ها

«اگر اندازه‌گیری انجام دهید، درهم‌تنیدگی بین سیستم، دستگاه و ناظر ایجاد می‌شود»، زِه گفت. «ناظر تنها یک جزء [از حالت گربه شرودینگر] را می‌بیند و نه ابرموقعیت همه‌ی اجزای دیگر. پس این مسئله اندازه‌گیری را حل می‌کند.»

بازآفرینی جهان‌های متعدد. دیتر زِه، فیزیکدان نظری آلمانی، به طور مستقل ایده‌ی اصلی تفسیر جهان‌های متعدد را توسعه داد و به طور حیاتی، شرح مفصلی از «فروپاشی» ارائه کرد. فروپاشی توضیح می‌دهد که چگونه تعامل با محیط باعث می‌شود ابرموقعیت‌های کوانتومی به حالت‌های کلاسیکی مشخص به نظر برسند، بدون اینکه واقعاً فروپاشی رخ دهد.

رشد اهمیت فروپاشی. کار زِه که ابتدا نادیده گرفته شده بود، از طریق یوجین ویگنر و بعدها وویچخ زورک به شهرت رسید و توسعه یافت. فروپاشی توضیح می‌دهد چرا اشیای ماکروسکوپی را در ابرموقعیت نمی‌بینیم، اما توضیح نمی‌دهد چرا تنها یک نتیجه تجربه می‌شود و مسئله اندازه‌گیری بدون تفسیرهایی مانند جهان‌های متعدد حل نمی‌شود.

بازگشت بوهم. دیوید بوهم، الهام گرفته از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مسیرهای امواج راهنما توسط همکارانش، در دهه ۱۹۸۰ به تفسیر امواج راهنما بازگشت و تلاش کرد آن را اصلاح کند. هم نظریه امواج راهنما و هم نظریه‌های فروپاشی خودبه‌خودی (که مکانیک کوانتوم را کمی تغییر می‌دهند تا فروپاشی‌های تصادفی ایجاد کنند) توجه تازه‌ای به عنوان جایگزین‌های قابل قبول کپنهاگ جلب کردند.

۱۱. اطلاعات کوانتومی: بنیادها به عمل می‌رسند (اما هنوز مورد بحث‌اند)

«آیا می‌توان فیزیک را با یک کامپیوتر جهانی شبیه‌سازی کرد؟» فاینمن در کنفرانس پرسید.

از انتزاع به کاربرد. کار در بنیادهای کوانتوم، به