في هذه المدونة، سنستعرض خلفية ميكانيكا الكم، والنقاط الرئيسية لتفسير كوبنهاغن وتفسير العوالم المتعددة، وكيف ينظر هذان التفسيران إلى "الملاحظة"، ثم نتأمل في الغرض من ميكانيكا الكم.
في غابر الأزمان من تاريخ الفيزياء، نشر ماكس بلانك بحثًا ونتائج تجريبية مستندة إلى تجاربه على إشعاع الجسم الأسود، مصرحًا بأن "جميع الطاقة تتكون من حزم صغيرة جدًا ذات قيم منفصلة". هزّ هذا الاكتشاف أسس النظرة السائدة بين الفيزيائيين آنذاك، الذين كانوا يعتقدون أن جميع الظواهر في العالم العياني يمكن تفسيرها بالميكانيكا النيوتونية. ومنذ ذلك الحين، ومع تطور أجهزة القياس واكتساب الفيزيائيين القدرة على استكشاف العالم المجهري، نشروا نتائج تجريبية متنوعة كشفت عن قصور الميكانيكا النيوتونية. هذه النتائج، التي لم تستطع النظريات القائمة تفسيرها، سرعان ما أدت إلى إدراك الحاجة إلى إطار ميكانيكي جديد، ومن هنا وُلدت "ميكانيكا الكم". سرعان ما رسّخت ميكانيكا الكم مكانتها من خلال تقديمها إجابات ناجحة لظواهر طبيعية لم تستطع الفيزياء السائدة تفسيرها، مثل تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي ونموذج بور لطيف ذرة الهيدروجين. علاوة على ذلك، ومن خلال جهود عدد لا يحصى من الفيزيائيين والتطورات مثل نظرية التحويل التي اقترحها بول ديراك وباسكوال جوردان، فقد رسخت نفسها كمجال دراسة متميز.
مع ذلك، لم يُشر هذا إلا إلى اكتمال "الصيغة" الرياضية - الأداة المستخدمة لوصف محتوى ميكانيكا الكم - ولم يُشر إلى أنها قد وُضعت من منظور التفسير الفيزيائي. وحتى الآن، وبعد مرور عقود، لا تزال الخلافات قائمة بين الفيزيائيين البارزين حول "تفسير" ظواهر ميكانيكا الكم. فمن "تفسير كوبنهاغن" - الذي يُشار إليه غالبًا بالتفسير السائد - إلى "تفسير العوالم المتعددة"، الذي ظهر استجابةً لقصور التفسير الأول، وتفسيرات أخرى متنوعة، تستمر هذه المناهج المختلفة في تكامل بعضها البعض من خلال معالجة الثغرات التي لا يستطيع أي تفسير بمفرده تفسيرها بالكامل. في مؤتمر لميكانيكا الكم عُقد في النمسا سابقًا، أُجري استطلاع رأي بين 33 فيزيائيًا عالميًا مرموقًا، سُئلوا فيه عن التفسير الذي يدعمونه؛ فحصل تفسير كوبنهاغن على 42%، والتفسير القائم على نظرية المعلومات على 24%، وتفسير العوالم المتعددة على 18%. ونظرًا لعدم تجاوز أي تفسير نسبة 50% في هذا الاستطلاع، يبدو جليًا أن لكل تفسير حدوده الخاصة. سأقدم في هذه المقالة تعريفًا موجزًا لتفسير كوبنهاغن وتفسير العوالم المتعددة، اللذين يشكلان جزءًا كبيرًا من هذا المجال ويتبنيان وجهات نظر متضاربة حول فعل "الملاحظة"، وسأناقش حدود كل منهما. أما تفسير نظرية المعلومات، فقد استُبعد من هذه المناقشة لأنه ينظر إلى ميكانيكا الكم من منظور مختلف نوعًا ما عن التفسيرين الآخرين.
الإطار الأساسي لتفسير كوبنهاغن، الذي اقترحه بور وهايزنبرغ، هو كالتالي: "طالما لم يستخدم الراصد أجهزة قياس، يتحرك الإلكترون داخل الذرة وفقًا لقوانين السببية. مع ذلك، عند محاولة وصف الإلكترون في موضع وزمن ثابتين ضمن الزمكان، تتدخل تفاعلات منفصلة، مما يؤدي إلى انحرافه عن السببية، ولا يملك الراصد خيارًا سوى الاعتماد على الاحتمالات الكمومية." تنص الميكانيكا النيوتونية على أن الجسيمات المرصودة في العالم العياني تمتلك قيمًا محددة وواضحة للموضع والزخم عند حركتها. هذا يعني أنه في العالم العياني، حيث يوجد الراصدون - أي البشر - يكون الموضع والزخم ثابتين. أما في العالم المجهري، فيوجد الإلكترون المتحرك في حالة لا يمكن فيها تحديد هذه الكميات الفيزيائية بشكل قاطع كقيمة واحدة. بل تتعايش حالات مختلفة في آن واحد. على سبيل المثال، إذا كانت هناك ثلاث حالات ممكنة - 1 و2 و3 - يمكن أن يشغلها الإلكترون، فإنه يوجد في الحالات الثلاث جميعها في آن واحد قبل رصده. رياضيًا، يمكن التعبير عن ذلك كمجموع الدوال الموجية الموافقة للحالات 1 و2 و3. عندما يرصد مراقب في العالم العياني الإلكترون، يختزل الإلكترون إلى حالة واحدة من بين العديد من الحالات الممكنة، والتي تحددها احتمالية تلك الحالة. بعبارة أخرى، تُغير عملية "الرصد" حالة الإلكترون. على سبيل المثال، بمجرد تحديد أن الإلكترون في الحالة 1، تختفي إمكانية وجوده في الحالتين 2 و3 في آن واحد. هذا ما يُشير إليه تفسير كوبنهاغن بـ"انهيار الدالة الموجية". وبالتالي، فإن لعملية "الرصد" أهمية بالغة في تفسير كوبنهاغن.
دحض علماء فيزياء مشهورون، مثل أينشتاين، تفسير كوبنهاغن، مستشهدين بتجارب فكرية متنوعة كدليل. من بين هذه التجارب، أشهرها "قطة شرودنغر". داخل صندوق مغلق، توجد قطة وجهاز قادر على إطلاق سمّ بناءً على حالة جسيم محددة كميًا. ما إذا كانت القطة داخل الصندوق حية أم ميتة بعد فترة زمنية معينة - وهي حالة بحد ذاتها - لا يُحدد إلا لحظة فتح الغطاء ومراقبة القطة. توضح هذه التجربة الفكرية أن تطبيق فعل "الملاحظة"، الذي يحمل أهمية بالغة في العالم المجهري، على العالم العياني يؤدي إلى استنتاجات غريبة؛ ونتيجة لذلك، فقد حفز ذلك على تأمل عميق في معنى الملاحظة في ميكانيكا الكم. من هنا يبدأ "تفسير العوالم المتعددة".
دحض إيفريت الثالث، الأستاذ السابق بجامعة برينستون، مزاعم تفسير كوبنهاغن، مُجادلاً بأن التوزيع الاحتمالي للجسيم لا يختفي بمجرد الملاحظة، بل توجد عوالم مُحتملة مُتعددة منذ البداية. بعبارة أخرى، لا يتحدد موقع الجسيم بقيمة واحدة من خلال الملاحظة؛ بل توجد عوالم مُتوازية مُتعددة، ونحن ببساطة نُلاحظ أحدها. أما الحالات التي لا نُلاحظها مُباشرةً فتتكشف في عوالم مُحتملة أخرى. على سبيل المثال، إذا أسفرت مُلاحظتنا عن الحالة 2، فإن الحالات الأخرى لا تختفي في تلك اللحظة، بل تتكشف في عوالم أخرى، ولا يُمكننا مُلاحظتها.
مع ذلك، فإن تفسير العوالم المتعددة لا يخلو من إشكاليات واضحة. فإذا وقع حدثٌ ما في جميع العوالم الممكنة، فما دلالة الاحتمالية المرتبطة بكل حالة؟ حاول إيفريت حل هذه المعضلة بضرب كل حالة بمعامل ترجيح. لكن يبقى معنى تفضيل عالم على آخر موضع نقاش.
بالنظر إلى هذين التفسيرين - ولكل منهما أهميته وحدوده - أميل إلى تفسير كوبنهاغن. إذا عدنا إلى أصول ميكانيكا الكم، نرى أنها وُلدت في الأساس لتفسير الظواهر في العالم المجهري. بعبارة أخرى، بما أنها وُضعت لكشف الظواهر من خلال الملاحظة والحقائق الناتجة عنها، فإن فعل الملاحظة نفسه يحمل دلالة بالغة الأهمية. في الملاحظة الفعلية للجسيمات، من أجل رصد حالة جسيم واحد، يجب أن نؤثر عليه بدرجة معينة. في الفيزياء، يُسمى هذا "اضطرابًا". بعبارة أخرى، تتضمن ملاحظة حالة الجسيم إحداث تغيير طفيف فيه ثم رصد استجابته. على الرغم من أن العلاقة بين إحداث تغيير في الجسيم وانهيار الدالة الموجية من الناحية الرياضية غامضة إلى حد ما، إلا أنهما يتفقان في أن كليهما يُغير الحالة الأصلية. هذا يعني أن فعل الملاحظة نفسه ذو دلالة فيزيائية.
لقد ابتعدت ميكانيكا الكم عن العقلية الحتمية للميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية، وتبنت نهجًا احتماليًا. كم من الناس يمكنهم بسهولة تقبّل فكرة أن موضع تفاحة أمامهم مباشرةً يتغير باحتمالات متفاوتة في كل مرة ينظرون إليها؟ صحيح أن لكل من تفسير كوبنهاغن وتفسير الأكوان المتعددة أهميتهما وحدودهما عندما يتعلق الأمر بمساعدة الناس -المعتادين على الحالات المحددة للأجسام- على فهم الظواهر التي تحدث في العالم المجهري. أنا طالب هندسة أدرس كيفية ابتكار تقنيات جديدة باستخدام الظواهر العلمية والنتائج المستخلصة من رصدها. لقد زودنا تطور ميكانيكا الكم بأدوات لتفسير الظواهر في العالم المجهري، وقد أدى ذلك مباشرةً إلى تقنيات مفيدة للناس. جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، الذي أسهم إسهامًا كبيرًا في الطب الحديث، طُوّر بتطبيق ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من ميكانيكا الكم. لا تُستخدم هذه التقنية في التحليل الطيفي فحسب، الذي يحدد البنى الجزيئية، بل تُستخدم أيضاً في استكشاف النفط. وبناءً على ذلك، أعتقد أن التفسير الأنسب لشرح الظواهر - والذي أعتبره غاية العلم - سيكون له أهمية أكبر.
