ما از چه ساخته شده ایم؟( فیزیک کوانتوم)
اسماعیل افشار | جمعه, ۶ شهریور ۱۳۹۴، ۰۱:۲۳ ق.ظ
از ذرات یا امواج؟
در آخرین تحقیقات، دانشمندان در حال تحقیق بر روی کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی می باشند، و حتی در حال تجربه بر روی جابجایی کوانتومی هستند. فیزیک کوانتوم همه جا در اطراف ما مشغول به کار است و بدون آن، کسی نمی توانست توضیح دهد به عنوان مثال چرا آسمان آبی است، علف ها سبز هستند، و خورشید زرد است.
بدون آن، کسی نمی توانست توضیح دهد چرا یک میز جامد است و آب مایع است، و چگونه گیاهان نور خورشید را جذب می کنند و آن را در فرایندی به نام فتوسنتز به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند.
روز جدید فیزیک کوانتوم همه اش خیلی وقت قبل با یک سئوال قدیمی در باره طبیعت نور شروع شد.
این بحث به قرن هفدهم باز می گردد زمانی که نیوتن استدلال کرد که نور باید از ذره تشکیل شده باشد. این شخص فیزیکدان و ریاضی دان برجسته انگلیسی، آیزاک نیوتن بود.
و آن زمان ریاضی دان و فیزیکدان بسیار برجسته کریستیان هویگنس دلیل آورد که نه، نور موج است. و مباحثات در باره طبیعت واقعی نور به طور اساسی برای تقریبا ۳۰۰ سال ادامه یافت.
دست آخر، کشف شد که، در واقع می توان به هر دو شکل یک ذره و یک موج با آن برخورد کرد. اولین جهش در قرن بیستم، در این جهت، توسط ماکس پلانک و در اولین روز قرن بیستم روی داد. او به سادگی تلاش کرد که این واقعیت را درباره توزیع شدت تابش که یک فرد از ستارگان دریافت می کند، یا از اجسام داغ تابش می کند، درک کند. او فهمید که به شیوه ای بسیار عجیب می تواند درکش کند. این شیوه این را در بر داشت که انرژی تنها در بسته های گسسته می آید.
ماکس پلانک پیشنهاد کرد که نور شامل واحدهای انرژی منفصل از هم می باشد. او این واحد را کوانتوم نامید، و در همین زمان تئوری کوانتوم را متولد ساخت.
هیچکس به این موضوع در ابتدا توجهی نکرد، به جز یک فرد بسیار جوان که در دفتر ثبت اختراعات در سوئیس کار می کرد؛ وی آلبرت اینشتین بود، فردی که توجه کرد، و او در واقع فهمید که می تواند تمام این جور چیزها را درک کند، و از همه بیشتر قابل توجه اینکه اثر فتوالکتریک این ایده را به کار می گیرد.
پس از آن، نیلس بور درک کرد که می تواند ساختار اتمی را با استفاده از این ایده درک کند. بعد لوئیس بروکلی در فرانسه این ایده ها را به ماده بسط دهد.
در اوایل سال ۱۹۲۰، فیزیکدانان فهمیدند که هر دوی ماده و نور می توانند در شکل امواج با شکل قطعات ماده یا انرژی ظاهر شوند. بعدا، اروین شرودینگر و ماکس بورن معنای ریاضیاتی به این ها بخشیدند “امواج امکان“.
این دوگانگی ذره – موجی بسیار عجیب بود.
امواج اشیاء کوانتومی به صورت آنی به محض اینکه دانشمندان تلاش برای اندازه گیری آنها یا دریافتن چیزی در باره آنها بکنند، تبدیل به ذرات می شوند.
خوب بیایید پایه ای ترین بروز امواج امکان را که “بر هم نهی” است با استفاده از یک مثال ساده بررسی کنیم.
یک سکه بر می داریم، سکه می تواند شیر یا خط بیاید. خوب اولین سیمای شگفت آور مکانیک کوانتومی یک “برهم نهی” خوانده می شود.
سکه فقط نمی تواند شیر یا خط باشد بلکه می تواند چیزی باشد که برهمنهی هر دو خوانده می شود. به عبارت دیگر، فقط شیر یا خط نیست؛ مخلوطی از این دوتاست. این اصل برهمنهی خوانده می شود. این اصل اصولا بیان می کند که یک سکه لزومی ندارد که در یک وضع یا وضع دیگری باشد. می تواند در مخلوطی دلخواه از این دو باشد.
دکتر استمپ می گوید، به طور ذاتی، تا زمانی که ما به سکه نگاه نمی کنیم، سکه در یک حالت برهمنهی از هر دو حالت “شیر رو” و “خط رو” قرار دارد. اما این چیزی بیشتر از این حرف ها می باشد. در مورد ذرات کوانتومی، ما در واقع می توانیم به طور فیزیکی وجود برهمنهی حالات کوانتومی مختلف را آشکارسازی کنیم.
حال بیایید نگاهی بیاندازیم به آزمایشی که با نام آزمایش دو شکافی شناخته می شود.
فیزیکدان پر آوازه و استاد افسانه ای فیزیک دکتر ریچارد فایمان، مرسوم بود که بگوید ” تمام مکانیک کوانتومی میتواند از تفکر دقیق در مفاهیم این تک آزمایش برداشت شود.”
پس بیایید با دقت دنبالش کنیم:
وقتی ذرات ماده (مثلا توپهای بیس بال را در نظر بگیرید)به سمت یک شکاف یا دو شکاف شلیک می شوند، آنها نواری که رد شکاف می باشد، بر روی دیوار مقابل تشکیل می دهند.
زمانی که امواج به یک شکاف تکی یا دوتایی می رسند، آن ها هم یک نوار تکی ایجاد می کنند یا در حالت شکاف دوتایی، دو موج با یکدیگر اندرکنش می کنند، در حالی که قله ها و حضیض ها جایی که به هم می رسند، یکدیگر را خنثی کرده و منجر به تشکیل یک الگوی تداخلی می شوند.
حال بیایید ذرا ت تشکیل دهنده مواد یعنی الکترونها را در نظر بگیریم.ذراتی از قبیل الکترون ها یا فوتونهای نور کار عجیبی می کنند. وقتی به سمت دو شکاف شلیک می شوند یک الگوی تداخلی مانند امواج تشکیل می دهند، در حالی که باید دو نوار مانند ماده درست کنند.
چرا؟؟؟؟؟
چرا باید ذرات الکترون از خود طرحی تداخلی همانند امواج به جا بگذارند؟؟؟
آیا الکترونها موج هستند؟
حتی زمانی که به صورت تکی شلیک می شوند، یک تک ذره که به سمت یک دو شکافی می رود، به دو نیم خواهد شد، و اقدام به عبور از هر دوی شکافها خواهد کرد، و بعد با خودش تداخل می کند تا یک الگوی تداخلی مانند یک موج تولید کند.
بدین سان موجب می شود تا از میان هر دو شکاف برود: هم دومی و هم اولی.
اما زمانی که اندازه گیری صورت می گیرد چیز عجیبی رخ می دهد.
برخلاف الگوی تداخلی قبل، الگوی مربوط به ذره مشاهده شده شبیه به الگوی ماده است.
تنها عمل مشاهده کردن که کدام شکاف انتخاب شده است در واقع موجب می شود که ذره تنها از درون یک شکاف برود.
چیزی که این را حتی بیشتر متحیر کننده می کند این است که شکافی با عرض ۰٫۱ میلی متر مورد استفاده در این آزمایش، که تقریبا ۲۰ میلیارد بار از قطر کلاسیک الکترون عریض تر است، می تواند در واقع حرکت الکترون را منحرف کند. این شبیه به این است که چیزی یک سنگ یک سانتی متری را در حین عبور از یک دهانه ۲۰ هزار کیلومتری، منحرف کند.
دلیل این امر اصل عدم قطعیت مشهور هایزنبرگ است. فیزیکدان برجسته آلمانی ورنر هایزنبرگ محدودیت های مشاهدات ما را از دنیای اطرافمان مورد سنجش قرار داد. او دریافت که رفتار یک ذره، که محصولی از فاصله و تکانه ذره می باشد، نمی تواند بدون عدم قطعیت اندازه گیری شود، با یک حداقل مقدار متناسب با ثابت پلانک. این ثابت پلانک یک عدد بسیار کوچک است، برابر با صفر بعد ممیز، بعد ۳۳ صفر که بعد از آن عدد ۶۶ باشد. این عدد کوچک برای اشیاء مرئی قابل صرف نظر کردن است، اما برای یک الکترون بسیار کوچک محدود در فضا، گسترش به یک شکاف با عرض ۰٫۱ میلی متر منجر به تغییر تکانه الکترون و در نتیجه انحراف جهتی که الکترون در طی عبور از شکاف در پیش می گیرد، می شود.
چیزی که بسیار متحیر کننده است این است که به نظر می رسد یک الکترون به دو الکترون که به طور همزمان در حال عبور از هر دو شکاف است، می شکافد، و یک الگوی تداخلی روی دیوار پشت این شکافها طرح می ریزد.الکترون چنان که اگر یک موج در حال پراشیدن شدن باشد، رفتار می کند؛ و نه همچون یک قطعه واحد ماده.
اما آیا بیشتر از این، در مورد آن چیزی هست؟
اخیرا، دکتر آنتوان زلینگر و محققان در دانشگاه وین یک الگوی تداخلی مشابه در یک آزمایش دو شکافی را شرح میدهند. به جای انجام آزمایش با استفاده از الکترون، آن ها از ملکول کربن سی ۶۰ استفاده کردند که عموم آن را یک “باکی بال” می خوانند.
باکی بال تقریبا قطرش ۱ نانومتر است. و تقریبا نسبت به یک الکترون یک میلیون بار بزرگتر و حدودا ۱۰۰ هزار بار سنگین تر است.
در واقع، قطر آن قابل مقایسه با قطر مارپیچ دوگانه حلزونی “دی ان ای” که مشهور است و تقریبا ۲ نانومتر است، میباشد.
قطعا، به سختی کسی می تواند آنچنان ملکول های بزرگی را به عنوان موجدر نظر بگیرد.
اما این ملکول هم دقیقا چون یک موج رفتار می کند.
آیا دی ان ای ما انسانها هم می تواند همچون موج رفتار کند؟
آیا امواج دیگر نیز می توانند در دی ان ای ما و در نتیجه نسل و آینده ما تاثیر بگذارند؟
آیا موسیقی بر دی ان ای تاثیری دارد؟ اصلا آیا دی ان ای ما انسانها موسیقی می نوازد؟
آیا انرژی افکار و اعمال ما بروی ژنهای ما تاثیر می گذارند؟
شما چه فکر می کنید؟
آزمایش دو شکافی همچنین نشان داد که زمانی که یک الکترون با جهان بیرون اندرکنش انجام می دهد، الگوی تداخلی ناپدید می شود. برای نمونه، زمانی که ما از یک آشکارساز استفاده می کنیم تا تلاش کنیم الکترون را در یکی از دو شکاف مشاهده کنیم، الگوی تداخلی ناپدید می شود.
