دكتر نبي هيكل

 

برگردان: م.ن. هیکل

منازعه در فیزیک

منازعه متغییرهای پنهان در فیزیک کوانتوم

نگارنده: Trevor J Pinch

Science Studies Centre, University of Bath

مطالعات اخیر پیرامون منازعات در علم نشان داده اند که این منازعات همیشه از طریق مراجعه به  طبیعت حل نگردیده اند. عوامل  اجتماعی و  سیاسی و همچنان عوامل  علمی اغلب بهم دست داده اند تا نتیجه ای را بار آورده اند  ( به گونه مثال مراجعه شود  به

 Forman 1971YCollins 1975Y Frankel 1976 and Wynne 1976). بنظر میرسد که "حقیقت" از آنچه ظهور میکند که میتواند یک مبارزه یا جدل حساس باشد، نه در فضایی که چنین بحث ها بصورت عموم فکر میشود که باید صورت گیرند.

بصورت سنتی دانش علمی چنان معرفی میگردد که از  "مطالعه" نسبتآ عاری از دشواری طبیعت ناشی میگردد .  ساینس بحیث پروسه ای دیده میشود که انسانها در آن نقش  غیر فعال دارند. این دید را آنانی به مبارزه طلبیدند که میخواهند استدلال نمایند که ساینس مقدم بر همه محصول فعالیت انسان است -  یعنی دانش علمی نتیجه فعالیت ابتکاری دانشمندان است(Kuhn1970). دانش علمی محصولی است که از نظر اجتماعی شکل میگیرد، و در واقعیت دانشمندان برای آن در محیط معیین اجتماعی و تاریخی میرزمند. از این دید این در زمان منازعات علمی است که همه یا بخشی از چنین دانش به مبارزه طلبیده میشود یا مورد سوال قرار میگیرد، و ابعاد اجتماعی ساینس به بهترین نحو صراحت میابند. همانگونه ای که اغلب دانشمندان علوم طبیعی بیشتر  در مورد سیستم تحت مطالعه زمانی میآموزند که بزرگترین ستریس یا فشار را تجربه میکنند، شاگردان نیز این فشار را که منازعه علمی بوجود میآورد برای  تبارز اهمیت پروسه های اجتماعی  ساینس با اهمیت تلقی مینمایند.

منازعه واریابلهای پنهان مثال خوبی از مواردی است که  آشکارا در نتیجه نفوذ های اجتماعی درگرفت. این منازعه در سالهای 1950 و 1960  به دنبال  آن مشتعل گردید که تیوریهای واریابلهای پنهان (hidden-variables theories) بیان ارتدوکس تیوری کوانتوم را به مبارزه فرا خواند. به گونه مثال به بیانات آتی دانشمندان فیزیک  دخیل در منازعه توجه کنید:

". . . مباحثات پیرامون واریابلهای پنهان میکانیکس کوانتوم ، از هردو کمپ، اغلب با روحیه خشونت راه انداخته میشوند که بیشتر به دفاع ارتدوکسی از یک ایدیولوژی شباهت دارد تا به بیطرفی علمی" (Jauch 1973, introduction).

" سوال کاملآ منطقی، آیا تیوریهای واریابلهای پنهان که با تیوری کوانتوم سازگار باشند، وجود دارند و اگر دارند مشخصات آنها چیست؟، با تاسف در ابر احساسات  پنهان شده است"( Ballentine 1970,p 374 ) .

 مقداری از آشفتگی ماحول این مباحثه را در تبصره   لیون روزینفیلد (Leon Rosenfeld)  - یکی از فیزیکدانان برجسته و مدافع دید ارتدوکس تیوری کوانتوم بر تیوریست های واریابلهای پنهان میتوان دریافت:

"  . . ." (Rosenfeld 1958, p658).

چنین تبصره  ها را به مشکل میتوانیم در مطالعه عاری از دشواری رازهای طبیعت توقع نماییم. منازعه در اینجا بر سر چیست؟ برای پاسخ به این سوال مجبوریم به انقلاب در فیزیک برگردیم که در نتیجه انکشاف تیوری کوانتوم در  سالهای 1929  صورت گرفت.

 

 ماهیت احصایوی تیوری کوانتوم

تیوری کوانتوم (Quantum theory) اساسا یک تیوری احصایوی میباشد که توضیح علی میکانیک کلاسیک را تعویض کرده است.ماهیت احصایوی این تیوری  در بسا از پروسه های بنیادی، مانند رادیو اکتویتی مشهود است. هرچند آشکار است که اتم رادیو اکتیف در یک مقطع زمانی فاسد میگردد لحظه یا زمان دقیق آن  بر اساس تیوری کوانتوم  نمیتواند تعیین گردد. فاسد شدن رادیواکتیف، همانند همه ی پروسه های کوانتوم بصورت ضروری ستاتیستیک / احصایوی اند، و آنچه میتواند گفته شود این احتمال است که اتم در یک فاصله زمانی معیین فاسد خواهد شد. در فیزیک کلاسیک چنین خلا وجود ندارد. قوانینی که سیستم های فیزیکی را توضیح میکنند کاملآ علی اند و رفتار آنها در پرنسیپ در زمان و مکان میتواند تعیین گردد.

وقتی آشکار گردید که تیوری کوانتوم یک تیوری احصایوی میباشد، سوالی که  نزد  نخستین فیزیکدانان میکانیک کوانتوم بروز نمود این بود که آیا کدام  لایه ی فرعی  تاثیرات احصایوی در جهان وجود دارد. شاید طبیعت از قوانین دیترمنیستی  پیروی میکردند اما ما فاقد تیوریی بودیم که بصورت کافی توانایی چنین توضیح را داراباشد. پدیده حرکت براون (Brownian motion) بحیث یک انالوجی مورد توجه قرارگرفت. حرکت پاره های موج-گون دود که با مانع گاز روبرو میگردند میتواند ازاین  طریق توضیح گردد که مالیکولهای گاز با مالیکولهای دود تصادم مینمایند.مالیکولهای گاز بر اساس قوانین میکانیک کلاسیک حرکت میکنند و این تنها نمادهای کلی (aggregate properties) آنها است که فاقدنظم به نظر میرسند.

هدف تیوریسنهای متغییرهای پنهان در میکانیک کوانتوم این بودکه موجودیت  متغییرهای "پنهان" را از راه  انالوجی مالیکولهای گاز در میکانیک احصایوی کلاسیک توضیح نمایند. این متغییر ها تیوری احصاییه را در موقعیتی قرار خواهد داد تا دریک  تیوری دیترمینستی بیشتر بنیادی قرارگیرد. دشواری این بود که برعکس آن در میکانیک احصایوی رخ داد موردی که رفتار مجتمع سیستمهای گردآوری شده باید از رفتار هریک از سیستم های منفرد نتیجه گیری میگردید. هدف  تیوریست های متغییرهای پنهان در فیزیک کوانتوم این بود تا رفتار هریک از سیستمها را بر اساس احصاییه های مجتمع آنها توضیح نمایند. . .

نخستین بحث متغییرهای پنهان در تیوری کوانتوم بوسیله جان واننیومن (John von Neumann) ریاضیدان آلمانی مطرح شد. در همان اثر ی که وان نویمن تیوری کوانتوم را مطرح نمود وی از  طریق( استدلال] معروف" impossibility proof " نشان داد که هیچ گونه تعبیر متغییرهای پنهان نمیتواند با با تیوری تثبیت شده سازگاری داشته باشد (von Neumann 1955). استدلال یا ثبوت  وان نویمن بر  آن چهار اکسیوم(axiom) استوار بود که وی برای دستیابی به پیشبینیهای احصایوی عادی تیوری کوانتوم مورد استفاده قرارداده بود. وی نشانداد که نوع مجتمع هایی را که بوسیله موجودیت متغییرهای پنهان اثر گذاشته باشد از آن اکسیوم هانمیتوان نتیجه گیری کرد. ثبوت حاوی استدلال خیلی مغلق الجبری بود، اما نتیجه آن بقدر کافی ساده بود:

" آنگونه ای که اغلب پنداشته میشود، این مساله تعبیر –مجدد میکانیک کوانتوم نیست: سیستم کنونی میکانیک کوانتوم باید از نظر عینی نادرست باشد،  تا اینکه توضیح دیگر از پروسه های  مقدماتی غیر از احصایوی ممکن باشد" (von Neumann 1955, p325). اکثر فیزیکدانان کوانتوم این را پذیرفتند و  احساس کردند که موضوع پایان یافته است. اما تعداد نازاضیان وجود داشتند که امیدوار بودند یک بیان بیشتر قابل قبول از تیوری ایجاد خواهد شد. آینشتاین یکی از برجسته ترین آنها بود. انشتاین هیچگاهی تیوری کوانتوم را  بحیث  سخن آخری در فیزیک مایکروسکوپیک  -  دیدی که در مقاله معروف وی ( من معتقد نیستم که خداوند دایس  بازی میکند) " I do not believe that God plays dice "   خلاصه گردیده - نه پذیرفت.

بوم و متغییرهای پنهان

آینشتاین(Einstein) بیست سال اخیر خود را در پرینستون (Princeton) در انزوا از تیوری کوانتوم به سر برد، و در این سالها بود که  دیوید بوم (David Bohm) یک فیزیکدان جوان  آن یکی که در محراق منازعه متغییرهای پنهان قراردارد، می آید تا با آینشتاین صحبت نماید.  بوم  که دکترای خود را از پوهنتون کالیفرنیا، برکلی، بدست آورده بود، در پرینستون تدریس میکرد. هنگام شرکت در لکچر های رابیرت اوپنهایمر (J Robert Oppenheimer) در برکلی به ایجاد اساسات یک تیوری علاقمند گردید، زیرا وی با آن تیوری قانع نبود. بوم فکر کرد بهترین راه دانستن تیوری متذکره این  است که در مورد آن یک کتاب بنویسد. کتاب وی تیوری کوانتوم نام داشت و در سال 1951  طبع گردید (Bohm 1960). چندین دانشمند نامدار فیزیک کوانتوم آن را مطالعه کردند ( و از آن زمان به یک متن معیاری مبدل گردید). آینشتاین بخصوص  آن کتاب را پسندید و آن را بهترین بیان ممکن  آن تیوری  توصیف نمود و از بوم (Bohm) خواست بیاید و در مورد آن بحث نماید. بوم با وصف این که در آن مورد کتاب نگاشته بود و از هواداران بیان ارتدوکس تیوری بود، بازهم میکانیک کوانتوم را برای دانستن دشوار میدانست. انتقادات آنشتاین و انتقادات فیزیکدانان روسی بلوخینستیف (Blokhintsev) و تیرلیتزکی (Terletzkii) بوم را انگیزه داد و  تشویق کرد تا بیان متغییرهای پنهان را بوجود آورد. وی فکر میکرد که چنین تیوری را میتواند ایجاد نماید و بعلاوه تمام معلومات  از نظرمنطقی سازگار بود و همه ی آنچه را دارا بود که یک بیان معیاری باید داشته باشد. بوم  نقل تیوری را به تعدادی از فیزیکدانان کوانتوم  فرستاد و نو شته وی در نهایت در نشریه فیزیکال ریفیو (Physical Review) منتشر گردید (Bohm 1952).

بوم خود را قربانی کمیته  سناتور مک کارتی(McCarthy) یافت و  وظیفه خود را در پرینستون از دست داد و به  پوهنتون ساو پاولو

 (Sao Paulo) در برابزیل رفت. وی فکر میکرد که فیزیکدانان بیان تیوری وی را در مورد متغییرهای  پنهان رد میکردند. هم  پاولی(Pauli) و دی بروگلی(de Broglie) وی را در 1927  به مساعی دی بروگلی برای ایجاد  یک تیوری مشابه که به نام ( تیوری " double solution " ) یاد میشد راجع  ساختند. . . بوم از  تیوری دی بروگلی که به دلایل نقایص فنی رد شده بود – آگاهی نداشت. وقتی بوم به آن نقایص متوجه شد دریافت که میتواند آنها را  از راه توسعه تیوری خویش به  پروسه اندازه گیری برطرف سازد. بیان بوم از اندازه گیری نیز بحیث ادامه نوشته قبلی وی منتشر گردید.

 

تیوری متغییرهای پنهان بوم

تیوری بر تعبیر فیزیکی جدید معادله شرودینگر (Schrodinger) متمرکز بود.  با ارایه  ty   بحیث    ty = R exp (ish)که آر (R) و ایس (S) در آن  رابطه های (function) واقعی اند، بوم توانست معادله شرودینگر را به  شکل مشابه با معادله هامیلتون – جاکوبی (Hamilton-Jacobi equation) بیان کند. از طریق اعطای موقف ایکس (x) و مقدار سرعت (mu)  به هر  ذره (particle)  یک مجتمع توانست سیر متداوم ذره را در صورتیکه موقف یا موقعیت اولی آن معلوم میبود، تعریف نماید.

[. . .]

دید ارتدوکس این بود که هرنوع مدل سازی واقعیت کوانتوم غیر ممکن میباشد. آنچه ممکن بود ارزو شود عبارت بود از  سازگاری  الجبری تیوری  که پیامدهای احتمالی را امکان میبخشید  از نظر تجربی اندازه گیری گردند. بوم از راه مودل سازی سیستمهای کوانتوم از لحاظ متغییرهای  پنهان ،  تلاش میکند این محدودیت تیوری سازی را برطرف نماید. هرچند که برخورد بوم تلاش داشت  یک دید کلاسیک واقعیت کوانتوم را اعاده نماید، تیوری وی غیر کلاسیک بود. . .

 

پاسخ به تیوری بوم

پاسخ به تیوری بوم در مجموع منفی بود اما وی  با وصف آن متحدان مهمی دریافت. مهمترین آنها لیویس دی بروگلی (de Broglie) بود که به نوشته بوم از راه   قبولی متغییرهای پنهان پاسخ گفت- آنچه را وی 25 سال قبل ترک گفته بود. بعلاوه کار تیوریکی خودش و تشویق ،بروگلی تلاش برای باز سازی اساسات میکانیک کوانتوم را هنگامی آشکارا مورد حمایت قرارداد که مقدمه ای را بر کتاب بوم در مورد متغییرهای پنهان در سال 1957 تحریر نمود (Bohm 1957). بروگلی  از بوم در (Nature) در برابر حملات لیون روزینفیلد(Leon Rosenfeld) دفاع کرد(دی برگلی 1958). اما حمایت فعال کمتری از  متغییرهای پنهان وجود داشت، تنها بوم، بروگلی  تعدادی از فیزیکدانان در انستیتوت (Henri Poincari) در پاریس و برجسته ترین آنها (Jean-Paul Vigier) بود که بیرق فیزیکدانان رادیکال را حمل میکرد. برخورد متغییرهای پنهان توسط این دانشمند اند در دهه 1950 و اوایل دهه 1960 انکشاف داده شد، اما با موفقیت کمتر روبرو گردید.

مهمترین نوع انتقاد از تیوری بوم این بود که میتافیزیک بود  زیرا بر اساس تیوری ارتدوکسی به نتایج تجربی نمی انجامید. بوم به این نوع انتقادات  از این طریق پاسخ داد که تیوری ارتدوکس  نیز بر باورمندیهای میتافیزیک اتکادارد. . . انتقاد دیگر متداول این بود که تیوری وی  تناسب/ تعادل (symmetry)  را که – به گفته یک منتقد – محتوی "  قدرت و جلال تیوری کوانتوم " میباشد تخریب کرده است(Hanson 1963, p88). . .

هرچند اصولی مانند  سیمیتری/ تعادل(symmetry) و لینیاریتی/ خطی (linearity)  اصول رهنمودی مهم در فیزیک اند، به آن توانایی نیستند که یک تیوری را  رد نمایند. طبیعت ممکن است  از سلیقه زیبا شناسی ما اطاعت نه نماید. برخی از انتقادات به نکات مهم مربوط میشدند و بوم قادر بود  به آنها پاسخ دهد. مهم است ابراز گردد که تیوری بوم چیزی نبود که به دست فراموشی سپرده شود. بوم خود نیز از شهرت خوبی بحیث فیزیکدان برخوردار بود.

پس از مبارزات قبلی برای قبولی تعبیر کوپنهاگن در کانگرسهای سول -وی (Solvay) در  سالهای 1920  به مشکل محتمل  دانسته میشد که ایلیت فیزیک اجازه دهد تا بنیاد های تیوری بوسیله فیزیکدانان از نسل پس از جنگ  برهم زده شود.

[ . . .]

 

ثبوت "  " وان نویمن (von Neumann)

هرگاه وان نویمن متغییرهای پنهان را غییر ممکن (impossible) ساخته و  تیوری بوم (von Neumann) وجود دارد، پس یکی از این دو باید  بی اعتبار باشد. پانزده سال بعدی صرف  تحقیق در مورد ثبوت وان نویمن گردید تا اشتباه دریافت گردد و استدلال برای رد تیوریهایی مانند  تیوری بوم تقویت گردد. مجموع این مساعی در گزارشی بوسیله  جی. اس. بیل (J S Bell) در سال 1966 ارایه گردید که نشان داد یکی از آکسیوم های وان نویمن با صراحت متغییر های پنهان را رد مینماد(Bell 1966). تمام آنچه وان نویمن انجام داده بود این بود که نشان دهد متغییرهای پنهان برحسب تعریف وی غیر ممکن اند. استدلال الجبری وان نویمن درست بود اما وی بر اساس یک طبقه مشخص تیوری متغییرهای پنهان ( نه آن یکی که چندان محتمل است) به نتیجه گیری در مورد  همه ی چنین تیوریها دست یافته است. به نظرمیرسد که اشتباه در ثبوت وان نویمن قراردارد نه در تیوری بوم. تا امروز نیز نه نقش منطقی  تیوری بوم نشان داده شده و نه هم کاستی تجربی آن.

فیزیک از سالهای 1950 بدیسنو انکشاف نموده و کار بوم  در رابطه با متغییرهای پنهان امروز مورد علاقمندی چندان قرار ندارد، اما این رویداد در تاریخ فیزیک یک درس مهم را برای انشمندان بخصوص فیزیکدانان که باورمند اند از عوامل اجتماعی متاثر نمیگردد، می آموزاند. . .

 

 

References

Ballentine L E 1970 Rev. M. Phys4.2 358-81

Belinfante F J 1973 A Survey of Hidden Variables Theories

Bell J S 1966 Rev. Mod. Phys3. 8 447-52

Bohm D J 1952 Phys. Rev. 85 166-93

Bohm D J 1957 Causality and Chance in Modern Physics

Bohm D J 1960 Quantum Theory 8th edn (London:

Bridgman P W 1960 Sci. Am. 203 206

Collins H M 1975 Sociology 9 205-24

de Broglie L 1958 Nature 181 1874

Forman P 1971 in McCormrnach R (ed) Historical Studies

in the Physical Sciences vol. 3 (Philadelphia: University

of Pennsylvania Press) ppl-l15

(Oxford: Pergamon)

(London: Routledge and Kegan Paul)

Prentice Hall)

Frankel E 1976 Social Studies of Science 6 141-84

Hanson N R 1963 The Concept of the Positron (London:

Cambridge University Press)

Jammer M 1974 The Philosophy of Quantum Mechanics

(New York: Wiley)

Jauch J M 1973 Are Quanta Real? (London: Indiana

University Press)

Kuhn T S 1970 The Structure of Scientific Revolutions

(Chicago: University of Chicago Press)

Pinch T J 1977 in Mendelsohn E, Weingart P and Whitley R

D (eds) The Social Production of Scientific Knowledge

(Dordrecht: Reidel) pp172-215

Rosenfeld L 1958 Nature 181 658

von Neumann J 1955 Mathematical Foundations of

Quantum Mechanics (Princeton: Princeton University

Press) first published in German in 1932

Wynne B 1976 Social Studies of Science 6 307-48

CONTROVERSIES IN PHYSICS

 

 

---

بالا
 
بازگشت