مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت

*** s.mahdi ***

مدیر بازنشسته
کاربر ممتاز
[h=2]مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت
[/h]


ظهور مکانیک کوانتوم:


در اوایل قرن بیستم، دنیای علم با یک رشته آزمایشات که فیزیک نیوتنی سیصد ساله را مورد سوال قرار می دادند، دچار آشفتگی شد. دنیا شاهد حمله سخت و ناگهانی فیزیک جدیدی شد که از خاکستر نظام قدیمی بر می خاست. از این وضعیت آشفته؛ نه تنها یک، بلکه دو نظریه پیدا شد. اینشتین پیشگام اولین نظریه، یعنی نسبیت عام بود و کوششهای خود را در درک ماهیت نیروهایی مانند گرانش و نور متمرکز کرد. اما پایه های درک ماهیت ماده، با نظریه دوم؛ یعنی مکانیک کوانتومی ریخته شد که بر دنیای پدیده های زیراتمی حاکم شد. این نظریه به وسیله هایزنبرگ و همکارانش آفریده شد.




نظریه کوانتومی در 1900، زمانی بوجود آمد که فیزیکدانان از چیزی که آن را «تابش جسم سیاه» می نامیدند، گیج شده بودند. به عنوان مثال، آنها قادر نبودند توضیح دهند که چرا یک میله فولادی، اگر به دماهای بالا برسد می درخشد و ابتدا از شدت گرما قرمز و بعد سفید می شود. یا چرا رنگ مواد مذابی که از دهانه آتشفشان غلیان می کند، قرمز است. با فرض اینکه نور یک پدیده کاملا موجی است و می تواند با هر بسآمد نوسان کند، آنها متوجه شدند که نظریاتی که تا آن زمان مورد قبول بودند، نمی توانستند قرمز و سفید شدن را در اثر گرما، پیش بینی کنند. در واقع، این نظریه ها پیش بینی می کردند که با بسآمدهای بالا، میزان انرژی تابش باید به بینهایت میل کند، چیزی که غیر ممکن می نمود. در دسامبر 1900، ماکس پلانک، فیزیکدان آلمانی، راه حلی برای این مسئله دشوار پیدا کرد. او در آن زمان استاد دانشگاه برلین بود که بعضی از دقیقترین آزمایشات مربوط به تابش جسم سیاه در آنجا انجام گرفته است. زمانی که پلانک نتایج کار خود را به انجمن فیزیک برلین ارائه کرد، فوق العاده متواضع بود، زیرا تنها از بخشی از نتایجی که این نظریه می رفت داشته باشد، آگاه بود. او پیشنهاد کرد که تابش، آن طور که فیزیکدانان تصور می کردند، یک پدیده کاملا موجی نیست؛ بلکه انتقال انرژی، در بسته های معین صورت می گیرد. جامعه فیزیکدانها با بدبینی نسبت به اندیشه جدید پلانک و نتیجه منطقی آن که نور یک پدیده پیوسته نیست بلکه از دانه هایی تشکیل شده است، واکنش نشان دادند. طرح اینکه نور را می توان به «کوانتـا» هایی که مانند ذرات هستند، تبدیل کرد، به نظر نامعقول می آمد.



پنج سال بعد، اینشتین که هنوز یک فیزیکدان ناشناخته بود، نظریه کوانتوم را با آفرینش پدیده فوتو الکتریک، به مرحله قاطعی رسانید. با استفاده از نظریه کوانتای پلانک، اینشتین سوال کرد که اگر یک ذره از نور به فلز برخورد کند، چه روی خواهد داد؟ اگر نور ذره ای باشد که از نظریه پلانک پیروی کند، در این صورت باید الکترونها را از بعضی از اتمهایی که در فلز وجود دارد، بیرون راند و الکتریسیته تولید کند. اینشتین با استفاده از ثابت پلانک، انرژی الکترون پرتاب شده را محاسبه نمود. آزمایش معادلات پلانک و اینشتین، برای فیزیکدانان تجربی زیاد طول نکشید. پلانک جایزه نوبل فیزیک را در 1918 برای نظریه کوانتوم به دست آورد و در پی آن، جایزه نوبل فیزیک سال 1921 به اینشتین، برای پدیده فوتوالکتریک اهدا شد.


در طول هزاران سال، این طور تصور می شد که ذرات و امواج، هستیهای جداگانه ای هستند. اما در آستانه قرن بیستم، این جدایی مردود شناخته شد. نه تنها پلانک و اینشتین نشان دادند که نور به طور روشن، مشخصه هایی شبیه به ذره دارد، بلکه آزمایش با الکترونها نشان داد که ذرات نیز مشخصه های شبیه موج از خود بروز می دهند. در 1923، یک شاهزاده جوان فرانسوی و دانشجوی فیزیک به نام لویی دوبروی روابط اساسی را یک «ماده موج» باید از آن پیروی کند، بیان کرد. او اعلام کرد که الکترون باید مانند امواج نور، بسآمد و طول موج معینی داشته باشد. سه سال بعد، اروین شرودینگر معادله کاملی را نوشت که این امواج باید از آن پیروی کنند. تقریبا در همان زمان، شکل دیگر ولی معادلی توسط هایزنبرگ برای این معادله پیشنهاد شد. با این نوآوریهـا، نظریه کوانتومی قدیمی پلانک، اینشتین و بور؛ جای خود را به مکانیک کوانتومی نورسیده شرودینگر و هایزنبرگ داد.




در سال 1927؛ هایزنبرگ مطرح کرد که شناخت همزمان سرعت و مکان یک جسم غیر ممکن است. یک موج، در نهایت جسمی است که مکان آن مشخص نیست. به عقیده هایزنبرگ، این عدم قطعیت از آنجا ناشی می شود که در قلمرو زیراتمی، نفس عمل مشاهده یک جسم، مکان و سرعت آن را تغییر می دهد. به عبارت دیگر، فرآیند اندازه گیری هر دستگاه اتمی، دستگاه را چنان دگرگون می کند که دستگاه از حالتی که قبلا داشته است، خارج می شود. به عنوان مثال، الکترون آن قدر کوچک است که برای اندازه گیری مکان آن در یک اتم، باید فوتون های نور به آن برخورد کرده، بازتاب نمایند. اما نور آن قدر قوی است که الکترون را از اتم بیرون می راند. در نتیجه مکان و سرعت نور تغییر می کند. با این وجود ممکن است استدلال کرد که آیا نمی توان با یک دستگاه اندازه گیری دقیقتر، مکان و سرعت الکترون را بدون آنکه وضعیت آن تغییر کند، اندازه گرفت؟ به نظر هایزنبرگ، پاسخ این سوال منفی است. مکانیک کوانتومی روی این موضوع تکیه می کند که هر قدر هم ما دستگاه های اندازه گیری خود را حساستر کنیم، هرگز نخواهیم توانست سرعت و مکان دقیق یک الکترون را، همزمان اندازه بگیریم. ما می توانیم یکی از این دو کمیت را اندازه گیری کنیم ولی نمی توانیم هر دو را همزمان بدانیم. این واقعیت، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نام گرفته است.



طبق نظر هایزنبرگ، جبر نیوتنی که برگرفته از فلسفه نیوتنی است و اعلام می دارد که سه قانون حرکت نیوتن می توانند حرکت دقیق تمام ذرات در جهان را با ریاضی مشخص کنند، بی معنی است. اصل عدم قطعیت پیش بینی رفتار هر یک از اتمها را غیر ممکن می سازد. به علاوه در قلمرو زیراتمی، تنها احتمالات را می توان محاسبه کرد. به عنوان مثال، چون شناخت مکان و سرعت دقیق الکترون امکان پذیر نیست، نمی توان در مورد رفتار الکترون هیچ گونه پیش بینی انجام داد. اما می توان با دقت شگفت انگیزی، احتمال رفتار خاص تعداد زیادی از الکترونها را پیش بینی کرد.



با وجود اینکه دانشمندان هرگز شاهد نقض قواعد مکانیک کوانتومی در آزمایشگاه نبوده اند، این نظریه پیوسته «درک عمومی» را زیر پا می گذارد. مفاهیم مکانیک کوانتومی، آن قدر ساده هستند که اروین شرودینگر در سال 1925 آزمایش فکری زیرکانه ای تدوین کرد که معمای گربه شرودینگر نامیده می شود. تصور کنیم که یک گربه در جعبه ای محبوس شده و شیشه ای محتوی گاز سمی در کنار گربه قرار دارد. ما اجازه نداریم که در جعبه را باز کنیم و نمی توانیم به داخل جعبه نگاه کنیم. اما می توانیم با اطمینان بگویم که گربه یا زنده است یا مرده. حالا تصور کنیم که شیشه محتوی گاز سمی، به یک شمارشگر گایگر متصل است که می تواند تابش یک تکه سنگ اورانیوم را آشکارسازی کند. اگر فقط یک هسته اورانیوم واپاشی کند، تابشی گسیل می دارد که عقربه آشکارساز گایگر را به حرکت در می آورد. این حرکت شیشه گاز سمی را می شکند و گربه کشته می شود.


طبق نظریه مکانیک کوانتومی، ما هیچ گاه نمی توانیم با اطمینان، زمان واپاشی یک هسته تنهای اورانیوم را پیش بینی کنیم. فقط می توانیم احتمال واپاشی میلیاردها هسته را حساب کنیم. بنابراین برای تشریح یک هسته تنهای اورانیوم، مکانیک کوانتومی فرض می کند وضعیت این هسته، مخلوطی از دو حالت است: یکی آنکه دست نخورده مانده و دیگر آنکه هسته واپاشی کرده است. گربه، بوسیله یک تابع موجی تشریح می شود که هر دو امکان، یعنی زنده بودن یا مردن گربه را شامل می شود. به عبارت دیگر، ما باید از نظر آماری فرض کنیم که گربه در مخلوطی از این دو حالتها قرار دارد. البته به محض اینکه به ما اجازه داده شود که در جعبه را باز کنیم، می توانیم با اطمینان تشخیص دهیم که گربه زنده است یا مرده. اما قبل از باز کردن در جعبه، بر پایه احتمالات و از نظر آماری، گربه در هیچ یک از حالتهای مرده یا زنده نیست. شگفت آورتر از این واقعیت آنکه همان باز کردن در جعبه، تصمیم می گیرد که گربه زنده یا مرده است. از نظر مکانیک کوانتومی، نفس فرآیند اندازه گیری، وضعیت گربه را مشخص می کند. موضوع از آن نظر پیچیده تر می شود که طبق یکی از نتایج مکانیک کوانتومی، اجسام در یک حالت مشخص وجود ندارند، مگر آن که مشاهده شوند.




در دهه های 1930 و 1940، مکانیک کوانتومی با اشتیاق فراوان رو به رو شد و شاید بیش از 99% فیزیکدانان سراسر جهان در این اشتیاق سهیم بودند. اقلیت کوچکی از دانشمندان که فیزیکدان برنده جایزه نوبل اوژن ویگنر جزو آنان بود، عقیده داشتند که اندازه گیری، مستلزم نوعی خودآگاهی است. آنها استدلال می کردند که تنها یک وجود خودآگاه می تواند یک اندازه گیری انجام دهد. بنابراین؛ از دیگاه این اقلیت، چون بر طبق مکانیک کوانتومی وجود هر ماده به اندازه گیری بستگی دارد، وجود جهان نیز به خودآگاهی وابسته است. با وجود این، اکثریت عظیم فیزیکدانان بر این باور عملی تکیه می کنند که اندازه گیری می تواند در واقع بدون خودآگاهی انجام پذیرد. بنابر عقیده این گروه؛ اندازه گیری می تواند بدون یک مشاهده کننده خودآگاه انجام شود و مشاهده مستلزم خودآگاهی نیست. [بیشتر فیزیکدانان، معمای شرودینگر را به این طریق حل می کنند که تفاوتی بین اشیا میکروسکوپیک، به عنوان مخلوطهای عجیبی از حالتهای اتمی و اشیا ماکروسکوپیک قائل می شوند. راه حل استاندارد این معما بر پایه این فرض است که یک تفاوت اساسی بین رویدادهای میکروسکوپیک (برخورد دو اتم) و رویدادهای ماکروسکوپیک (پخش شدن دود سیگار در اتاق) آن است که رویدادهای میکروسکوپیک، برگشت ناپذیر هستند. به عنوان مثال؛ اگر ما فیلمی از برخورد دو اتم را تماشا کنیم، اگر فیلم را در یک جهت یا جهت معکوس نشان دهیم، این رویداد عادی به نظر خواهد آمد. بنابراین، در رویداد میکروسکوپیک، زمان می تواند به عقب یا جلو برود. اما در سطح ماکروسکوپیک، کشیدن سیگار تنها در حالتی که دود از دهان به بیرون می رود قابل درک است نه هنگامی که دود سیگار به درون دهان می رود. به عبارت دیگر، در رویداد میکروسکوپیک، برخورد دو اتم برگشت پذیر است اما در رویداد ماکروسکوپیک، پخش دود سیگار، تنها در جهت پیکان زمان قابل درک است. بنابراین رویدادهای ماکروسکوپیک، پیکان زمان را در جهتی که بی نظمی را افزایش می دهد، تعیین می کنند. فیزیکدانان می گویند که آنتروپی رویدادهای ماکروسکوپیک، جهت زمان را تعیین می کند و همچنین موجب ایجاد تفاوت بین رویدادهای برگشت پذیر ماکروسکوپیک و رویدادهای برگشت ناپذیر میکروسکوپیک می شود. جنبه اساسی یک مشاهده آن است که برگشت ناپذیر است. بنابراین، انتقال اطلاعات، افزایش آنتروپی را به دنبال دارد. خودآگاهی، جنبه اساسی یک مشاهده نیست. جنبه کلیدی مشاهده؛ انتقال اطلاعات است که برگشت ناپذیری زمان را ایجاب می کند.]
 

Similar threads

بالا