چرا حتی فیزیکدانان پس از ۱۰۰ سال هنوز نظریه کوانتومی را نمی‌فهمند؟
مکانیک کوانتومی واقعیتی ضد شهودی را نشان می‌دهد که در آن عمل مشاهده بر چیزی که مشاهده می‌شود تأثیر می‌گذارد و تعداد کمی از افراد در مورد معنای آن به توافق می‌رسند.
همه افراد یک نمونه مورد علاقه از یک ترفند دارند که به طور مداوم یک کار خاص را انجام می‌دهد، حتی اگر دقیقا ندانند چرا. ممکن است در گذشته این کار زدن بر روی تلویزیون زمانی که تصویر تار می‌شد بود، و امروز ممکن است خاموش و روشن کردن کامپیوتر باشد.
مکانیک کوانتومی — موفق‌ترین و مهم‌ترین نظریه در فیزیک مدرن — مشابه این است. این نظریه به طرز شگفت‌انگیزی کار می‌کند و چیزهایی از لیزرها و شیمی تا بوزون هیگز و ثبات ماده را توضیح می‌دهد. اما فیزیکدانان نمی‌دانند چرا. یا حداقل، اگر برخی از ما فکر می‌کنیم که چرا را می‌دانیم، بیشتر دیگران با آن موافق نیستند.
ویژگی خاص نظریه کوانتومی این است که نحوه توصیف سیستم‌های فیزیکی با آنچه در هنگام مشاهده آنها مشاهده می‌شود متفاوت است. بنابراین، قوانین کتابی مکانیک کوانتومی برای توصیف «اندازه‌گیری» یا «مشاهده» به فرآیندهای خاصی نیاز دارند، برخلاف هر چارچوب قبلی برای فیزیک. به عنوان یک حوزه، فیزیک هیچ توافقی در مورد دلیل این مسئله یا معنای آن ندارد.
اولین نشانه‌های رفتار کوانتومی در طبیعت در آثار فیزیکدانان ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ و آلبرت اینشتین در ۱۹۰۵ یافت شد. آنها نشان دادند که برخی ویژگی‌های نور بهترین توضیح را زمانی دارند که تصور کنیم نور در قطعات گسسته و ذره‌ای به جای امواج هموار در نظریه الکترومغناطیس کلاسیک می‌آید. اما ایده‌های آنها نتوانست یک نظریه کامل را توصیف کند. این فیزیکدان آلمانی، ورنر هایزنبرگ بود که در سال ۱۹۲۵ اولین نسخه جامع مکانیک کوانتومی را مطرح کرد. بعدتر همان سال، ماکس بورن و پاسکوال جورדן به همراه هایزنبرگ به آن پرداخته و ارون شرودینگر به سرعت فرمول‌بندی مستقل خود از نظریه را ارائه کرد.
بنابراین، جشن گرفتن سال ۲۰۲۵ به عنوان سال صدسالگی نظریه کوانتومی منصفانه است. اگرچه چنین یادبودهایی می‌توانند به موفقیت‌های تجربی شگرفی اشاره کنند، اما باید فضایی برای پذیرش سوالات بنیادی که هنوز بدون پاسخ مانده‌اند باقی بگذارند. مکانیک کوانتومی یک قلعه زیبا است و خوب است که اطمینان حاصل کنیم این قلعه بر روی شن ساخته نشده است.
از زمانی که آیزاک نیوتن مکانیک کلاسیک را در قرن هفدهم فرمول‌بندی کرد، نظریه‌های فیزیک یک الگوی مشخص را دنبال کرده‌اند. شما یک سیستم تحت نظر دارید: شاید یک سیاره که در حال چرخش به دور یک ستاره است، یا یک میدان الکتریکی یا یک جعبه گاز. در هر لحظه زمانی، سیستم توسط «وضعیت» خود توصیف می‌شود که شامل پیکربندی فعلی سیستم و نرخ تغییر آن است؛ برای یک ذره ساده، این معادل موقعیت و سرعت (یا به طور معادل، تکانه) آن است. سپس معادلات حرکت را دارید که به شما می‌گویند سیستم چگونه در حالت فعلی خود تکامل خواهد یافت. این دستورالعمل اساسی برای همه چیز از گرانش نیوتنی تا نظریه‌های نسبیت اینشتین کار کرده است، که مانند نظریه کوانتومی، محصول اوایل قرن بیستم هستند. اما با ظهور مکانیک کوانتومی، این دستورالعمل به طور ناگهانی شکست خورد.
شکست الگوی کلاسیک به یک مفهوم واحد و تحریک‌آمیز مربوط می‌شود: اندازه‌گیری. اهمیت ایده و عمل اندازه‌گیری توسط دانشمندان در طول تاریخ شناخته شده است. اما در نظریه‌های پیش از کوانتوم، مفهوم اساسی آن به طور ضمنی پذیرفته شده بود. هر مقداری که یک نظریه از ویژگی‌های فیزیکی پیشنهاد می‌داد فرض می‌شد که در هر موقعیت خاص مقادیر مشخصی دارند. اگر می‌خواستید، می‌توانستید آنها را اندازه‌گیری کنید. اگر شما یک آزمایشگر بی‌دقت بودید، ممکن بود خطاهای اندازه‌گیری قابل توجهی داشته باشید یا سیستم را هنگام اندازه‌گیری مختل کنید، اما اینها ویژگی‌های اجتناب‌ناپذیر فیزیک نبودند. با تلاش بیشتر، می‌توانستید چیزها را به دقت و ظرافت اندازه‌گیری کنید، حداقل تا جایی که قوانین فیزیک اجازه می‌دهند.
مکانیک کوانتومی داستان بسیار متفاوتی را روایت می‌کند. در حالی که در فیزیک کلاسیک، یک ذره مانند الکترون در هر لحظه موقعیت و تکانه واقعی و عینی دارد، در مکانیک کوانتومی، این مقادیر به طور کلی قبل از اندازه‌گیری «وجود» ندارند. موقعیت و تکانه چیزهایی هستند که می‌توانند مشاهده شوند، اما آنها واقعیت‌های از پیش موجود نیستند. این یک تفاوت اساسی است. بارزترین پیامد این وضعیت، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که در سال ۱۹۲۷ معرفی شد، که می‌گوید هیچ حالتی برای یک الکترون وجود ندارد که در آن بتوانیم موقعیت و تکانه آن را به طور کامل پیش‌بینی کنیم.
در عوض، نظریه کوانتومی وضعیت یک سیستم را به صورت یک تابع موج توصیف می‌کند، مفهومی که شرودینگر در سال ۱۹۲۶ معرفی کرد، همراه با معادله‌ای که نحوه تغییر سیستم را در طول زمان توصیف می‌کند. برای الکترون واحد ما، تابع موج یک عدد است که به هر موقعیتی که ممکن است الکترون در آن قرار گیرد اختصاص می‌یابد — به عبارت دیگر، یک موج که ممکن است عمدتاً در نزدیکی هسته اتمی متمرکز باشد یا در سراسر فضا گسترده باشد.
جایی که مسائل پیچیده می‌شود، در رابطه بین تابع موج و مقادیر قابل مشاهده‌ای مانند موقعیت و تکانه است که ممکن است بخواهیم اندازه‌گیری کنیم. پاسخ این مسئله توسط بورن بلافاصله پس از مقاله اصلی شرودینگر پیشنهاد شد. طبق تفسیر بورن، ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم نتیجه یک اندازه‌گیری کوانتومی را به دقت پیش‌بینی کنیم. به جای آن، می‌توانیم احتمال به دست آوردن هر نتیجه خاص برای موقعیت یک الکترون را محاسبه کنیم، با محاسبه مربع تابع موج در آن موقعیت. این دستورالعمل کاملاً ایده یک جهان معین و ساعت‌کار را که از زمان نیوتن حاکم بود، زیر و رو کرد.
