گفتگوی تلفنی دو فیزیک‌دان درباره «هیچِ کوانتومی»

پرسش:

یک سوال فیزیکی- فلسفی داشتم در خصوص افت و خیز کوانتومی و برداشت­‌های فلسفی که آتئیست­‌ها از روی آن انجام می‌دهند؛ مانند هیچ کوانتومی و امثال آن. به همین خاطر می­‌خواستم ببینم افت و خیز کوانتومی یک مساله اثبات شده در فیزیک هست یا بر اساس چگونگی تفسیر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیرون می‌­آید؟ اگر عدم قطعیت را با نگاه بوهمی نگاه کنیم باز هم به همین نتیجه می‌­رسیم، یا نظریه­‌های موازی دیگر؟ آیا بحث افت و خیز کوانتومی مبتنی بر یک تفسیر خاصی از عدم قطعیت هایزنبرگ هست؟ نکته دیگر که شاید مبتنی بر مفاهیم دیگر هم باشد و لزوما به عدم قطعیت برنگردد اینکه مستندی که برای افت و خیز کوانتومی مطرح می‌کنند تبیین آزمایش کازیمیر[1] هست. خب آن هم وقتی نگاه می­‌کنیم می‌­بینیم از ریاضیات غیراستاندارد (زتا منفی یک) در آن استفاده شده است. که حالا اگر بخواهیم معنای فیزیکی به حاصل جمع عدد ۱ تا بی‌نهایت، در این قسمت هم محل طرح ایراد هست که چطوری چنین چیزی برابر منفی یک دوازدهم می‌­شود. ممنون می­‌شوم اگر توضیح بفرمایید.[۱]

پاسخ:

مقوله افت و خیز[2] (نوسان) بحثی در متد کوانتومی کردن[3] هست. شما موقعی که یک سیستم یا یک روش برای کوانتومی کردن اتخاذ کردید آن وقت می‌­توانید در مورد افت و خیز (نوسان) کوانتومی[4] بحث کنید. یعنی شما یا از کوانتومی کردن کانونی[5] یعنی از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ استفاده می­‌کنید یک سیستم را کوانتومی می‌­کنید یا از انتگرال روی مسیر[6] فاینمن. در هر دو حالت افت و خیز (نوسان) کوانتومی یک معنایی خواهد داشت. یعنی وقتی شما در تئوری میدان[7] به وسیله روش انتگرال روی مسیر فاینمن، یک لاگرانژینی[8] را به صورت کوانتومی در نظر گرفته و مسیرهای تصادفی[9] احتمالی برای حرکت ذره فرض کرده و به این شکل، یک سیستم را کوانتومی‌کردن می­‌کنید، آنجا هم افت و خیزهای کوانتومی در چیزی به نام پتانسیل موثر[10] خودشان را نشان می­‌دهند [که آن‌ها را] در تئوری میدان­‌ها حساب می­‌کنید. یعنی آن ترم­‌های (عبارات) اضافی را که در اثر نوسان به پتانسیل واقعی برهم‌­کنش[11] ذرات اضافه می‌­شود به دست می‌­آورید. به این ترم­‌های اضافی پتانسیل موثر می‌گویند. اما ما عموما با اعمال اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یک سیستم را کوانتومی می­‌کنیم که به آن کوانتومی‌کردن کانونی می­‌گوییم. یعنی کوانتومی کردن به روش طبیعی.

خب حالا فرض کنید ما به این صورت یک سیستمی را کوانتومی کردیم. یک سیستم یعنی چی؟ از دیدگاه مطابق مکانیک کوانتوم، این سیستم یعنی یک ذره کوانتومی که در یک پتانسیل قرار گرفته است. اما از دیدگاه روش تئوری میدان، این [سیستم] یعنی یک میدان کوانتومی خود تعامل‌گر[12]. یعنی یک میدان کوانتومی که در خودش و با خودش بر هم­کنش دارد. حالا ما همان حالت عادی کوانتومی را در نظر می‌گیریم. یک ذره­‌ای داریم در یک پتانسیل معین. این ذره را موقعی که کوانتومی کردیم، حالت­‌هایش را به دست آوردیم، این حالت‌ها، حالت­‌های کوانتومی این ذره به صورت گسسته[13] [هستند]. برای چی [این کار را کردیم]؟ برای اینکه ما همیشه از نوسانگر هارمونیک[14] استفاده می­‌کنیم. کوانتومی‌کردن کانونی یا اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، چیزی است که از ساده‌­ترین سیستم کوانتومی یعنی نوسانگر هارمونیک منتج می­‌شود. ما برای کوانتومی کردن سیستم­‌های دیگر از نوسانگر هارمونیک استفاده می­‌کنیم. خب موقعی که ما این اصل را اعمال می‌­کنیم یک سری لایه‌­های انرژی زیادی پیدا می‌­کند. یعنی سیستم، یک سیستم آماری می­‌شود که ذره می‌تواند در یکی از این لایه‌­های انرژی قرار بگیرد. این لایه‌­های انرژی را هم می­‌توانیم تعیین کنیم. همین‌طوری پشت سر هم با یک فاصله‌­ای قرار گرفته است مثل همان نوسانگر هارمونیک. حالا نوسان کوانتومی یعنی ذره در هر سطح انرژی که قرار گرفته می‌­تواند یک یا دو لایه به بالا و یا پایین بپرد. این یعنی نوسان. یعنی ذره به صورت ثابت در یک سطح انرژی [باقی] نمی­‌ماند. نوسان می‌­کند. بالا و پایین می‌­پرد. این مفهوم ساده نوسان است.

خب حالا خلاء این سیستم کجاست؟ پایین­‌ترین سطح انرژی این سیستم را بهش می‌گوییم خلاء سیستم. توجه کنید که منظور از خلاء، خلاء سیستم است. یعنی یکی از حالات یک سیستم فیزیکی. نه اینکه هیچ! اینجا هیچ مطرح نیست. ما این­جا [چیزی به نام] هیچ نداریم. اینجا داریم با یک سیستم فیزیکی برخورد می­کنیم. حالت خلاء این سیستم فیزیکی، پایین‌­ترین سطح انرژی این سیستم است. شما موقعی که به پایین‌­ترین سطح انرژی این سیستم آمدید، دیگر نمی­‌توانید یک لایه پایین‌­تر بروید. چون دیگر پایین­‌تر از آن وجود ندارد. مجبورید یک یا چند لایه بالا بپرید و بعد دوباره برگردید به حالت حداقل. بنابراین موقعی که شما در خلاء قرار بگیرید، این نوسان­‌ها یک طرفه می­‌شوند. یعنی همیشه از خلاء باید بپرید به سمت بالا. پایین نمی‌توانید بپرید. این یعنی وقتی یک ذره­‌ای در حداقل سطح انرژی یا حالت کوانتومی خودش قرار گرفته یک پرش­‌هایی به سطوح انرژی بالاتر و برگشت سریع به حالت خلاء دارد. والسلام! این یعنی خلاء کوانتومی[15].

دو تا چیز خیلی مهم است که باید به آن دقت کنید. یکی اینکه در هر حال داریم از کوانتومی کردن با سیستم هایزنبرگ استفاده می­‌کنیم، بنابراین این تفسیر خاص معنا پیدا می­‌کند. دوم اینکه خلاء، همیشه خلاء یک سیستم است. اگر یک سیستم دیگر در نظر بگیرید حالت خلاء آن یک چیز دیگر است. هر سیستم فیزیک برای خودش یک خلاء دارد. ما خلاء جهانی (کلی)[16] نداریم. چون برخی دوستان وقتی راجع به خلاء صحبت می­‌کنند فکر می­‌کنند خلاء یعنی هیچ جهانی. چنین چیزی وجود ندارد. آن اثر کازیمیر[17] هم که شما نام بردید چیزی نیست جز نوسان در میدان الکترومغناطیس. شما موقعی که دو صفحه مسی را خیلی نزدیک به هم (در حد 0.1 میلی­متر) قرار می­‌دهید، یک جاذبه‌­ای بین‌شان برقرار می­‌شود. حالا این جاذبه چیست؟ می­‌گویند مربوط به نوسان میدان است. حالا اگر به جای نوسان میدان، بگوییم اثر کوانتومی میدان بهتر است، در اثر فشار کوانتومی میدان است. حالا فشار کوانتومی میدان یعنی چی؟ [توضیح می­‌دهم.] شما می‌­دانید حفاظ فارادی[18] چیست. هر وقت جایی را با یک فلز بپوشانید میدان الکترومغناطیس در آنجا یا صفر می‌­شود یا خیلی خیلی کوچک می‌­شود. توجه کرده­‌اید وقتی دارید با ماشین مسافرت می­‌کنید و رادیو گوش می­‌دهید وقتی داخل یک تونل وارد می‌­شوید می­‌بینید که رادیو قطع می‌­شود. چرا؟ چون در تونل بتن آرمه استفاده شده است. بتنی که در آن از میله‌­های آهنی استفاده شده است. این میله­‌های آهنی مشابه یک حفاظ عمل می‌­کنند و جلوی امواج الکترومغناطیس رو می‌­گیرند. چون فلز موج الکترومغناطیسی را منعکس می­‌کند. به همین دلیل اشیای فلزی با رادار قابل مشاهده هستند. حالا وقتی دو ورقه مسی را نزدیک هم گذاشتید میدان الکترومغناطیسی‌­ای که در فضا وجود دارد از یک طرف دارد فشار وارد می­‌کند، ولی در بین این دو ورقه میدان الکترومغناطیسی خیلی خیلی ضعیف است. بنابراین باعث یک تفاوت فشار از بیرون به درون می­‌شود که ما فکر می­‌کنیم یک نیرویی دارد این دو ورقه را به هم جذب می‌­کند. ما به این می­‌گوییم فشار میدان[19] که از اثرات کوانتومی میدان حاصل می‌­شود. ولی باز هم این نوسان در میدان مغناطیسی هست.

پس این که شما گفتید دوستان یک تعبیراتی می­‌کنند، این تعبیرات تعبیرات آبگوشتی هستند! به درد نمی­‌خورند. من تا اینجا هرچیزی گفتم داشتم درباره یک سیستم فیزیکی و حالت کوانتومی آن صحبت می­‌کردم. و البته یک حالت کوانتومی آن به نام خلاء کوانتومی یا حالت پایین‌­ترین سطح انرژی والسلام. این پایین­‌ترین سطح انرژی یک حالتی هست و مقداری انرژی هم دارد. خب، پس من نمی‌­دانم آن خلاء هیچ از کجا در آمده است؟ خلاء به معنای هیچ نیست و اصلا ربطی با هیچ ندارد. اصلا فراموش کنید مقوله هیچ را! هیچ، هیچ معنایی ندارد. چه به معنای فیزیکی چه به معنای فلسفی. تمام شد و رفت به همین سادگی.[۲]

دکتر حجت شبگرد، دکترای مکانیک و عضو مدرسه علم و دین.

[۱] دکتر رضا ضیاء توحیدی، دکتری عمران و کارشناسی ارشد فلسفه غرب، عضو هیأت علمی دانشگاه و عضو هسته پژوهشی نقدنئوآتئیسم.

[۲] استاد ریاضی فیزیک ساکن خارج از کشور.

[1] Casimir Effect

[2] Fluctuation

[3] Quantization

[4] Quantum fluctuation

[5] Canonical quantization

[6] Path Integral

[7] Field Theory

[8] Lagrangian

[9] Stochastic

[10] Effective Potential

[11] Interaction

[12] Self-interacting

[13] Discrete

[14] Harmonic Oscillator

[15] Vacuum Fluctuation

[16] Universal

[17] Casimir Effect

[18] Faraday Shield

[19] The Field Pressure