يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.
با ابعادي ريزتر به اين اثر نگاه مي كنيم: در هنگام تابش يك فوتون به الكترون آزادي كه در سطح فلز قرار دارد برخورد مي كند و بخشي از انرژي خود را به الكترون مي دهد كه طي اين برخورد ذره را از مسير خويش منحرف كرده و به آن انرژي منتقل مي كند (شكل 1):
پس از اين برخورد بدليل اينكه اندازه حركت ثابت مي ماند فوتون تخريب مي شود كه اين تخريب با كاهش انرژي يا تغيير بسامد (رنگ) فوتون مي باشد. كه مقدار اين تغيير بسامد را مي توان با توجه به رابطه زير محاسبه كرد.(شكل 2)
از طرفي همانطور كه گفته شد انرژي ذره افزايش پيدا مي كند كه نتيجة اين افزايش انرژي، افزايش سرعت ذره مي باشد. (شكل 3)
با محاسبه انرژي فوتون پس از برخورد و با داشتن معلوماتي چون جرم الكترون، سرعت نور، انرژي ابتدايي فوتون مي توان زاويه انحراف الكترون را بدست آورد.(شكل 4)
(شكل 4)
ممكن است در برهم كنش فوتون با ماده همه انرژي فوتون به ماده منتقل شود و يا اينكه فوتون جذب الكترون شود:
اصل موضوعه اتم بور:
نيلز بور1 در سال 1913 بعد از اينكه نظريه اتمي رادرفورد نتوانست چرخش الكترون به دور هسته و پايدار ماندن اتم را توضيح دهد، مدلي نوين را براي اتم ارائه داد. در اين مدل بور به عناون اصل مي پذيرد كه الكترونها تنها مي توانند گذارهاي ناپيوسته اي از يك مدار مجاز به مدارهاي مجاز پايين تر انجام دهند، و تغيير انرژي، به صورت تابش با بسامد زير ظاهر مي شود:
اثر فوتوالكتريك:
اين اثر كه حالتي خاص از پديده كامپتون است يكي از 4 مقاله2 تكان دهنده اي بود كه آلبرت اينشتين3 در سال 1905 نوشت. البته تحقيقات اوليه اين اثر را هرتز4 در سال 1887انجام داد. هاينريش رودلف هرتز دانشمند آلماني كه سالهاي زيادي از عمر علمي خود را صرف تحقيقات بر روي امواج كرد آغازگر كشف اثري بود كه بعدها يك پايه استوار تجربي براي نظريه مكانيك كوانتوم و ذره ذره يا گسسته بودن انرژي شد.
هاينريش هرتز در حالي كه سرگرم مطالعات امواج الكترومغناطيس بود متوجه اين موضوع شد كه با تاباندن نور با طول موج هاي كوتاه يا ماورا بنفش به سطح كلاهك فلزي الكتروسكوپي با بار منفي باعث تخليه شدن كلاهك فلزي مي شود.
همانطور كه گفته شد كار بر روي اين اثر و توجيه آن در پرتو نظريه كوانتوم كه در آن روزها يك تئوري نوپا بود، به همت آلبرت اينشتين جوان انجام شد كه دستاوردي بزرگ براي او و علم فيزيك به همراه داشت. اينشتين به واسطه توجيه اين پديده نوبل فيزيك را از آن خود كرد و فيزيكدانان به نظريه بزرگ كوانتوم جدي تر از قبل نگاه كردند.
اين پديده مي گويد كه اگر برسطح فلزي براق نور بتابانيم مشاهده مي كنيم كه در فركانسي خاص و ويژه الكترونها از سطح فلز جدا مي شوند.(شكل 5)
(شكل 5)
حال اگر در محفظه اي ايده آل در مقابل سطح فلزي كه در حال گسيل كردن الكترون است (كاتد) قطعه اي آندي قرار دهيم. مي بينيم كه جريان الكتريكي ايجاد مي شود. كه به آن جريان فوتوالكتريكي مي گوييم. حال بايد ببينيم چه عواملي در اين پديده وجود دارد كه موجب مي شود تا براي توجيه آن به مكانيك كوانتوم رجوع كنيم.
آ - در اين پديده مشاهده مي شود كه شدت جريان فوتوالكتريكي ايجاد شده مستقل از شدت نور مي باشد و فقط به بسامد (رنگ) نور بستگي دارد. اين مشاهده در حالي انجام شد كه ماكس پلانك5 فيزيكدان بزرگ آلماني به تازگي با توجه به تابش جسم سياه اثبات كرده بود كه انرژي بر خلاف تصور مكانيك كلاسيك ماهيت كوانتايي يا ذره ذره دارد. كه مقدار انرژي نور تنها به بسامد بستگي داشته و از شدت آن مستقل است. اين مشاهده از پديده فوتوالكتريك به وسيله فرمول پلانك يا بطور كلي تئوري كوانتوم قابل توجيه بود
ب- هر كاتد داراي يك فركانس ويژه مي باشد بطوري كه اگر بسامد نور تابانده شده از اين فركانس ويژه يا بسامد آستانه كمتر باشد هيچ جريان فوتوالكتروني ايجاد نخواهد شد و اين آستانه براي فلزهاي مختلف متفاوت است. اينشتين با در نظر گرفتن كوانتومهاي انرژي نشان داد كه هر فوتون انرژي الكترون را به اندازه معين افزايش مي دهد پس بديهي است كه مقدار انرژي كه صرف جدا كردن الكترون مي شود از فلزي به فلز ديگر فرق كند، اما نبايد به انرژي الكترون بستگي داشته باشد.
اصل عدم قطعيت
يكي از بزرگترين دستاوردهاي علمي بشر اصل عدم قطعيت و تعابير فلسفي آن مي باشد
اين اصل را ورنر هايزنبرگ6 با كمك هاي نيلز بور در سال 1927 ارائه كرد.
براي آنكه تكانه و وضعيت آينده ذره اي را پيش بيني كنيم بايد بتوانيم وضعيت و تكانه فعلي آن را به دقت اندازه بگيريم . بديهي است براي اندازه گيري بايد ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهيم چون برخي از امواج نور به وسيله ذره پراكنده خواهند شد و در نتيجه وضعيت ذره مشخص مي شود . اما دقت اندازه گيري وضعيت يك ذره بناگزير از فاصله بين تاجهاي متوالي موج نور كمتر است در نتيجه براي تعيين دقيق وضعيت يك ذره بايد از نوري با طول موج كوتاه تر استفاده كرد . حال بنابر فرضيه كوانتوم پلانك ، نمي توانيم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را كم اختيار كنيم ، دست كم بايد يك كوانتوم نور مصرف كنيم . اين كوانتوم يا همان فوتون ذره را متاثر خواهد كرد . از اين گذشته براي آنكه وضعيت ذره را هر چه دقيق تر اندازه بگيريم . بايد از نوري با طول موج كوتاهتر استفاده كنيم كه با توجه به رابطه پلانك كه مي گويد فركانس با انرژي رابطه مستقيم دارد انرژي هم افزايش پيدا مي كند و بنابراين انرژي هر كوانتوم بيشتر مي شود . با افزايش انرژي نور تابانده شده مقدار انرژي جنبشي كه به الكترون تزريق مي شود افزايش پيدا مي كند. كه باعث زياد شدن اندازه حركت الكترون مي شود بنا براين هرچه تلاش كنيم كه موقعيت الكترون را دقيق تر مشخص كنيم اندازه حركت آنرا بيشتر تغيير خواهيم داد. به عبارتي ديگر ما هيچگاه نمي توانيم آينده ذرات را با وجود اصل ذاتي عدم قطعيت به طور دقيق مشخص كنيم كه اين دستاورد دقيقا در مقابل فلسفه فكري مكانيك نيوتوني قرار دارد.
با يك مدل ساده مي توان گفت كه مكانيك نيوتوني براي توصيف وضعيت ذره تنها نياز به يك عكس در لحظه اي معين از ذره دارد. يعني با داشتن خاصيت هاي كمي ذره مي تواند وضعيت ذره را پيش بيني كند حال آنكه مكانيك كوانتوم از ذره فيلم مي گيرد. يعني هزاران عكس از ذره را در نظر مي گيرد. و اساس توصيف وضعيت ذره را بر ميانگين و احتمالات مي گذارد. يا به عبارتي ديگر در برگيرنده همه چيز و در عين حال هيچ چيز.
اين اصل مي گويد اندازه حركت و مكان ذره (و هر زوج ديگري كه ديمانسيون حاصلضربشان با اين زوج برابر شود) در كوانتوم بر خلاف نظريه كلاسيك مكمل يكديگرند.
در ادامه بحث چند آزمايش در مورد عدم قطعيت را بررسي خواهيم كرد:
آ- پراش الكترون: فرض كنيد فاصله شكافها از يكديگر و فاصله شكافها تا پرده مقدار هاي معيني باشند. در اينصورت انتظار ما از آزمايش اينست كه با رقراري شرط محاسبه شده تداخل سازنده انجام شود. حال آنكه آزمايش با خطا همراه است و عدم قطعيت يك ابهام در مكان الكترون بوجود مي آورد.
كه دليل ايجاد شدن اين عدم قطعيت حضور ناظري بر آزمايش مي باشد.
ب- ميكروسكوپ هايزنبرگ: هدف اصلي اين آزمايش اينست كه بوسيله نوري كه الكترون ها پراكنده مي كنند مكان آنها مشخص شود. يعني بوسيله يك عدسي مي توان نور پراكنده شده توسط الكترون را مشاهده كرد. حال براي محاسبه دقيق تر مكان الكترون ها بايد توان تفكيك را تغيير داد يا به عبارتي ديگر عدم قطعيت در مكان الكترون را كه تابع طول موج و سينوس زاويه اي كه ميان محور اصلي و خط گذرنده از نقطه ابتداي عدسي مي باشد، را بايد كاهش داد. اما اين كار باعث مي شود تا تكانه با دقت كمتري محاسبه شود. كوانتوم مي گويد راستاي حركت فوتون پس از پراكندگي در محدوده تشكيل نامعين است. در نتيجه تكانه عدم قطعيتي دارد كه با زاويه ذكر شده رابطه مستقيم دارد. يا به عبارتي ديگر اگر ما بخواهيم بوسيله كاهش سينوس زاويه مذكور عدم قطعيت اندازه حركت را كم كنيم آنگاه عدم قطعيت ما در مكان افزايش مي يابد.
پ- الكترون ها در مدار اتم بور: در اين آزمايش تحت مطالعه قرار دادن الكترون باعث انتقال مهارنشدني تكانه به الكترون مي شود. كه خود عدم قطعيتي در انرژي الكترون ايجاد مي كند كه بسيار بزرگتر از اترژي بستگي الكترون در مدار مي باشد. يا به عبارتي ديگر اين جذب تابش در الكترون موجب خارج شدن الكترون از مدار مي شود. كه ازين رو نمي توان مدلي از مدار به دست آورد.
نكته مهمي كه از آزمايش آخر نتيجه مي گردد اينست كه عدم قطعيت تنها به زوج اندازه حركت و مكان محدود نمي گردد بلكه زوج هاي ديگري همچون انرژي- زمان را در بر مي گيرد. كه مي توان گفت كه اين زوج حاصل و ثمره نظريه نسبيت است.
در اين آزمايش او اتاقي در بسته را در نظر مي گيردكه درونش يك گربه وجود دارد و شامل مقداري سيانور در يك شيشه شكننده كه به يك چكش وصل است مي باشد. در اين اتاقك مقدار بسيار كمي ماده راديواكتيو است كه ممكن است در يك زمان طولاني حتي يك اتم آن تجزيه نشود. و در اين اتاقك شمارشگر گايگر موجود است كه به محض اكتيو شدن ماده راديواكتيو رله چكش را به كار مي اندازد و اين چكش شيشه حاوي سيانور را مي شكند و حيوان مي ميرد. حال سوال اينست كه آيا در صورت باز نكردن جعبه مي توانيم در مورد زنده بودن يا نبودن جانور حرفي بزنيم. شرودينگر مي گويد كه زندگي گربه پنجاه-پنجاه است. جان ويلسون مي گويد: « طبق كوانتوم گربه تا زماني كه كسي در جعبه را باز نكرده و مشاهده اي انجام نداده در حال زنده و مرده قرار دارد»
ث- در حيطه ماكروسكوپيك: اگر از خطاهاي كوچك در حوزه مكانيك كلاسيك چشم نپوشيم آنگاه اين اصل را مي توان براي اجسام ماكروسكوپيك هم بكار گرفت.
بطور مثال يك توپ را در نظر بگيريد اگر اين توپ را از ارتفاعي رها كنيم به زمين مي خورد و به سمت بالا بر مي گردد وآنقدر اين كار را ادامه مي دهد تا بايستد.اما آيا واقعا از حركت ايستاده است؟ اصل عدم قطعيت مي گويد نه! به اين دليل كه اگر اين توپ بخواهد دقيقا در يك نقطه باقي بماند در آن صورت مكان دقيقش مشخص مي شود طبق اصل عدم قطعيت اگر عدم قطعيت ما در مورد مكان كم باشد عدم قطعيت ما در مورد اندازه حركت فوق العاده زياد است
به حدي كه اصلا نمي توانيم عددي براي اندازه حركت قائل شويم. بنا براين احتمال اينكه توپ از حركت ايستاده باشد صفر است. يعني به محض مشاهده، نور به آن انرژي وارد مي كند پس ما هيچگاه نمي توانيم واقعيت يا همان از حركت ايستادن توپ را ببينيم.) بوسيلة اين اصل و استدلالي مشابه مي توانيم توجيه كنيم كه چرا ذرات داخل اتم مدام در حال حركت هستند.
آزمايشات ديگري نيز مطرح شده است كه از ميان آنها مي توان به مهمترين آنها يعني پديده تونل زني در كوانتوم كه بر اساس علم احتمالات در كوانتوم شكل گرفته است اشاره كرد.
اين اصل نگاه ديگري را به نوع نگرش فيزيك در طبيعت مي بخشد.كوانتوم بوسيله اين اصل توانست در خط فكري فلسفه قرن 20 و مسير كلي فلسفه علم تغييرات مهمي را ايجاد كند.
عدم قطعيت و سرنوشت غير قابل پيش بيني:
سالها از مطرح شدن اين اصل توسط هايزنبرگ مي گذرد اما اين اصل همچنان به قوت خويش باقيست. و تمام نظريه ها كه مطرح شد و تمام برداشتهايي كه بعدها از نظريه كوانتوم انجام شد اين اصل را محترم شمرد.
از دل اصل عدم قطعيت نظريه هاي ديگري بيرون آمدند كه از بين آنها مي توان به نظريه آشوب اشاره كرد. اين تئوري يكي از مهمترين جريانات در فيزيك مدرن پس از كوانتوم بود. اين نظريه تلاشي است براي پاسخگويي به پرسش هايي كه نشان از ايجاد حوادث مهم توسط حركات آشوبناك دارد. كشف وجود پديده هاي تصادفي در نظام غير قابل پيش بيني فيزيك به برآمدن رشته جديدي از علم منجر شده است كه مدعي جهان ما بسيار غير قابل پيش بيني تر از آنيست كه تصور مي شد! نظريه آشوب با در نظر گرفتن تمام آثاري كه فيزيكدانان آنها را تا پيش ازين از محاسبات خويش حذف مي كردند توانست جلوه ديگري از طبيعت را آشكار سازد: « پروانه اي در برزيل بال مي زند و در نقطه اي از آمريكاي شمالي سيل مي آيد » . البته نبايد ازين مسئله غافل شد كه نظريه آشوب غالبا در سيستم هايي حاكم است كه حساسيت فوق العاده نسبت به شرايط اوليه دارند يا اينكه به دليل دارا بدن فاكتورهاي زير تحت تاثير اثرات شگفت انگيز آشوب قرار مي گيرند:
ميان رشته اي بودن.
بزرگ مقياس بودن.
دارابودن تعداد زياد پارامتر هاي مداخله گر.
غير خطي يا بودن. بويژه زماني كه رفتار ديفرانسيلي باشد. يعني عامل زمان
(نرخ و سرعت تغيير) در سرنوشت و رفتار سيستم اثر بگذارد.
اين نظريه مدعي است كه پيچيده ترين ساختار ها تركيبي از چند قاعده ساده هستند.
اما اين نظريه تنها بر ژنتيك و هواشناسي حاكم نيست بلكه اگر به هر خاطره ذهني به چشم يك فركانس نگاه كنيم مي بينيم كه يك خاطره كوچك مي تواند آشوبي در ذهن به پا كند..
اما آشوب چگونه بوجود آمد؟
نخستين بار سيستمهايي مشاهده شدند كه اگرچه در قلمرو فيزيك مكانيك كلاسيك بودند، اما رفتار ديناميك و غير خطي آنها باعث شده بود تا پيش بيني رفتار بلند مدت آنها عملا غير ممكن گردد.
بعدا ثابت گرديد كه نه تنها در عمل پيش بيني نا ممكن است بلكه در تئوري نيز سدهايي براي رسيدن به يك پيش بيني دقيق و دراز مدت وجود دارد.
دانشمندي بنام لورنتس در سال 1965 مشغول پژوهش روي مدل رياضي بسيار ساده اي كه از آب و هواي زمين بود ، به يك معادله ديفرانسيل غير قابل حل رسيد.
وي براي حل اين معادله به روشهاي عددي با رايانه متوسل شد. او براي اينكه بتواند اين كار را در روزهاي متوالي انجام دهد، نتيجه آخرين خروجي يك روز را به عنوان شرايط اوليه روز بعد وارد مي كرد. لورنتس در نهايت مشاهده كرد كه نتيجه شبيه سازي هاي مختلف با شرايط اوليه يكسان با هم كاملا متفاوت است. بررسي خروجي چاپ شده رايانه نشان داده كه رويال مك‌بي رايانه‌اي كه لورنتس از آن استفاده مي كرد، خروجي را تا ۴ رقم اعشار گرد مي كند. از آنجايي محاسبات داخل اين رايانه با ۶ رقم اعشار صورت مي گرفت، از بين رفتن دورقم آخر باعث چنين تاثيري شده بود. مقدار تغييرات در عمل گرد كردن نزديك به اثر بال زدن يك پروانه است. اين واقعيت غير ممكن بودن پيشبيني آب و هوا در دراز مدت را نشان مي دهد..
نظم در آشوب:
هم شكلي: در تئوري آشوب ؛ نوعي شباهت بين اجزاء و كل قابل تشخيص است. بدين ترتيب كه هر جزئي از الگو همانند و مشابه كل مي باشند. خاصيت خودمانائي در رفتار اعضاي سازمان نيز مي تواند نوعي وحدت ايجاد كند ؛ همه افراد به يكسو و يك جهت و هدف واحدي نظر دارند.
جاذبه هاي بي نظم: جاذبه ها انواع مختلف دارند مانند جاذبه نقطه ثابت ؛ جاذبه دور محدود ؛ جاذبه گوي مانند و جاذبه بي شكل يا بي نظم. جاذبه هاي بي نظم برخلاف جاذبه هابي قبلي كه نوعي نظم و قابليت پيش بيني داشتند ؛ بي نظم هستند و به همين خاطر برخي آنها را جاذبه هاي بي نظم نيز ناميده اند. اما همين جاذبه بي نظمي از الگوهاي خاص و مشخصي تبعيت مي كنند.
پويا بودن: سيستمهاي بي نظم خود را با محيط پيرامون وفق مي دهند.
توضيحات پاياني:
1- دانشمند و فيلسوف بزرگ دانماركي كه مكانيك كوانتوم را بنيان نهاد.
نيلز بور
2- نسبيت خاص، حركت براوني، فيزيك براي مواد حالت جامد و اثر فوتو الكتريك
3- دانشمند بزرگ آلماني كه در سال 1879 در اولم آلمان بدنيا آمد و در سال 1955 در آمريكا درگذشت.
آلبرت اينشتين
صداي سخنراني اينشتين:
4- دانشمند پرتلاش آلماني كه وجود امواج الكترومغناطيس را اثبات كرد. وي در سال 1857 در آلمان بدنيا آمد و در سن 37 سالگي درگذشت.
هاينريش هرتز
ماكس پلانك
ورنر هايزنبرگ
7- كنفرانسي كه در آن بزرگان علم فيزيك براي تبادل نظر در مورد آخرين دستاوردهاي علم گرد هم مي آمدند
انجمن سلواي
8- فيزيكدان اتريشي كه در سال 1887 بدنيا آمد و در سال 1961 از دنيا رفت.
اروين شرودينگر
نوشته : محمدرضا عظيمي