(Phys.org) -- در قلب مکانیک کوانتومی، تابع موج قرار دارد؛ یک تابع احتمال که فیزیکدانان برای درک جهان در مقیاس نانو از آن استفاده می‌کنند. با استفاده از تابع موج، فیزیکدانان می‌توانند رفتار آینده یک سیستم را محاسبه کنند، اما تنها با احتمال معینی. این ماهیت ذاتاً احتمالی نظریه کوانتومی با قطعیتی که دانشمندان می‌توانند جهان کلاسیک را با آن توصیف کنند، متفاوت است و منجر به بحثی تقریباً یک قرنی در مورد چگونگی تفسیر تابع موج شده است: آیا تابع موج واقعیت عینی را نشان می‌دهد یا صرفاً دانش ذهنی یک مشاهده‌گر را؟ در مقاله‌ای جدید، فیزیکدانان راجر کولبک از موسسه پریمتر در واترلو، انتاریو، و رناتو رنر مستقر در ETH زوریخ، سوئیس، استدلالی قوی به نفع واقعیت عینی تابع موج ارائه کرده‌اند که می‌تواند به درک بهتر معنای بنیادی مکانیک کوانتومی منجر شود.
همانطور که کولبک و رنر در مقاله خود که در نشریه Physical Review Letters منتشر شده توضیح می‌دهند، دو تفسیر برجسته از تابع موج وجود دارد که به خاستگاه آن در دهه ۱۹۲۰ بازمی‌گردد. در یک دیدگاه، تابع موج با عنصری از واقعیت مطابقت دارد که به طور عینی وجود دارد، چه مشاهده‌گری آن را اندازه‌گیری کند یا نه. در دیدگاهی دیگر، تابع موج نمایانگر واقعیت نیست، بلکه نشان‌دهنده وضعیت دانش ذهنی مشاهده‌گر در مورد نوعی واقعیت زیربنایی است. در سال ۱۹۲۷، نیلز بور و دیگران از این دیدگاه جایگزین در تفسیر کپنهاگ دفاع کردند، که در آن تابع موج صرفاً یک احتمال ریاضی است که به محض اندازه‌گیری سیستم توسط مشاهده‌گر، فوراً تنها یک مقدار را به خود می‌گیرد و منجر به فروریزش تابع موج می‌شود. با این حال، دیگرانی نیز با هر دو دیدگاه مخالف بودند: در دهه ۳۰، انیشتین، پودولسکی و روزن استدلال کردند که تابع موج توصیف فیزیکی کاملی از واقعیت ارائه نمی‌دهد و پیشنهاد کردند که کل نظریه مکانیک کوانتومی ناقص است.
کولبک و رنر در مقاله خود، تفاوت بین دو دیدگاه اصلی در مورد ماهیت احتمالی تابع موج را با یک مثال ساده نشان می‌دهند:
آنها می‌نویسند: «یک هواشناس را در نظر بگیرید که پیش‌بینی‌ای در مورد هوای فردا ارائه می‌دهد (به عنوان مثال، هوا با احتمال ۳۳٪ آفتابی و با احتمال ۶۷٪ ابری خواهد بود). می‌توانیم فرض کنیم که مکانیک کلاسیک فرآیندهای مربوطه را به طور دقیق توصیف می‌کند، به طوری که آب و هوا به طور قطعی به شرایط اولیه بستگی دارد. آنگاه، این واقعیت که پیش‌بینی احتمالی است، صرفاً نشان‌دهنده فقدان دانش هواشناس در مورد این شرایط است. به طور خاص، پیش‌بینی عنصری از واقعیت مرتبط با جو نیست، بلکه بازتاب دانش ذهنی پیش‌بینی‌کننده است؛ هواشناس دومی با دانش متفاوت ممکن است پیش‌بینی جایگزینی ارائه دهد. با حرکت به سمت مکانیک کوانتومی، می‌توان پرسید که آیا تابع موجی که به یک سیستم کوانتومی نسبت می‌دهیم، باید به عنوان یک شیء ذهنی (مشابه پیش‌بینی آب و هوا) که نشان‌دهنده دانش یک آزمایشگر در مورد سیستم است، دیده شود یا اینکه تابع موج عنصری از واقعیت سیستم است (مشابه آفتابی بودن هوا).»
کولبک و رنر استدلال می‌کنند که برخلاف پیش‌بینی آب و هوا، تابع موج یک سیستم کوانتومی، خودِ واقعیت را به طور کامل توصیف می‌کند، نه صرفاً فقدان دانش یک فیزیکدان از واقعیت را. آنها در مقاله خود به طور منطقی نشان می‌دهند که تابع موج یک سیستم کوانتومی با «عناصر واقعیت» آن، یعنی متغیرهایی که رفتار سیستم را توصیف می‌کنند، تناظر یک به یک دارد. تنها مفروضات این ادعا این است که تنظیمات اندازه‌گیری را می‌توان آزادانه انتخاب کرد و اینکه نظریه کوانتومی پیش‌بینی‌های آماری صحیحی ارائه می‌دهد، که هر دو معمولاً در تحقیقات فیزیک به‌طور ضمنی وجود دارند و همچنین به صورت تجربی قابل ابطال هستند.
رنر به Phys.org گفت: «این [ایده که تابع موج واقعیت را نشان می‌دهد] به این معنی است که تابع موج شامل تمام اطلاعاتی است که اصولاً در مورد سیستم در دسترس است، یعنی چیزی کم نیست. با این وجود، حتی اگر تابع موج یک سیستم (و در نتیجه واقعیت) را بدانیم، رفتار آینده آن را نمی‌توان با قطعیت پیش‌بینی کرد. این بدان معناست که در طبیعت، تصادفی بودن ذاتی وجود دارد.»
ادعای دانشمندان بر دو گزاره ظاهراً متضاد استوار است: اول، هر اطلاعاتی که در لیست کامل عناصر واقعیت سیستم وجود دارد (لیست کامل است اگر شامل تمام پیش‌بینی‌های ممکن در مورد نتیجه آزمایشی باشد که روی سیستم انجام می‌شود) از قبل در تابع موج سیستم گنجانده شده است. یعنی تابع موج شامل تمام عناصر واقعیت است. فیزیکدانان این گزاره را در مقاله‌ای در سال گذشته فرمول‌بندی کردند. گزاره دوم، که فیزیکدانان در اینجا ارائه می‌دهند، این است که لیست عناصر واقعیت یک سیستم شامل تابع موج آن است. این دو گزاره با هم نشان می‌دهند که تابع موج یک سیستم با عناصر واقعیت آن تناظر یک به یک دارد. با نشان دادن اینکه تابع موج واقعیت را به طور کامل توصیف می‌کند، این استدلال همچنین دلالت بر این دارد که مکانیک کوانتومی یک نظریه کامل است.
رنر گفت: «دوباره قیاس کار هواشناس را در نظر بگیرید. در این قیاس، داده‌ها و مدل‌های مورد استفاده هواشناس جای تابع موج را می‌گیرند و واقعیت با هوای فعلی مطابقت دارد. اگر بین داده‌های هواشناس و آب و هوا تناظر یک به یک وجود داشت، در وضعیت بسیار مطلوبی قرار می‌گرفتیم: پیش‌بینی در آن صورت تا حد امکان دقیق می‌بود، به این معنا که هیچ اطلاعاتی وجود ندارد که در نظر گرفته نشده باشد.»
«به طور مشابه، نتیجه ما مبنی بر وجود تناظر یک به یک بین تابع موج و عناصر واقعیت به این معنی است که اگر تابع موج یک سیستم را بدانیم، دقیقاً در چنین وضعیت مطلوبی قرار داریم: هر اطلاعاتی که در طبیعت وجود دارد و می‌تواند برای پیش‌بینی رفتار یک سیستم مکانیک کوانتومی مرتبط باشد، به صورت یک به یک توسط تابع موج نمایش داده می‌شود. به این معنا، تابع موج توصیف بهینه‌ای از واقعیت است.»
این استدلال تنها استدلالی نیست که اخیراً به نفع نمایش کامل واقعیت توسط تابع موج ارائه شده است. در نوامبر ۲۰۱۱، تیمی از فیزیکدانان بریتانیایی (متیو اف. پوزی، جاناتان بارت و تری رودولف) استدلال کردند که تفسیر ذهنی تابع موج با مفروضات قابل قبول در مکانیک کوانتومی، مانند اینکه می‌توان سیستم‌های متعددی را به گونه‌ای آماده کرد که عناصر واقعیت آنها همبستگی نداشته باشند، در تضاد است. در حالی که این رویکرد کاملاً متفاوت از رویکرد مقاله حاضر است، پشتیبانی هر دو مقاله ممکن است به یافتن پاسخی برای یکی از دیرپاترین بحث‌ها در فیزیک کمک کند. در آینده، کولبک و رنر قصد دارند روی کمتر کردن محدودیت مفروضات نسبت به آنچه در حال حاضر هستند، کار کنند.
رنر گفت: «نتیجه ما بر این فرض استوار است که یک آزمایشگر می‌تواند، در اصل، 'آزادانه' انتخاب کند که چه اندازه‌گیری‌هایی را می‌خواهد انجام دهد. از این رو، اگر کسی آماده پذیرش این فرض باشد، پاسخ ما را می‌توان نهایی دانست. با این حال، قطعاً زیر سوال بردن این فرض 'انتخاب آزاد' (و همچنین نحوه تعریف 'انتخاب آزاد') مشروع است. ما در حال حاضر روی اثباتی کار می‌کنیم که این فرض را می‌توان با فرض ضعیف‌تری جایگزین کرد (که ممکن است آن را 'آزادی نسبی انتخاب' بنامیم).»
اطلاعات بیشتر: راجر کولبک و رناتو رنر. «آیا تابع موج یک سیستم با عناصر واقعیت آن تناظر یک به یک دارد؟» PRL 108, 150402 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.150402