کالبد شکافی آزمایش های کوانتومیI

رازهایی که پشت پرده بسیاری از پدیده‌های به ظاهر معمولی وجود دارند، آنقدر جذاب و پیچیده هستند که به شاخه‌ای جدید از فیزیک برای توصیفشان نیاز داریم! در این پست قصد داریم تا وارد دنیایی عجیب بشویم که هیچ‌کس تاکنون آن را درک نکرده، ولی دنیای فردا را مدیون آن خواهیم بود!

فاجعه به سبک شیشه‌ای

حتما تا به حال یک شیشه را از نزدیک دیده‌اید و حتما متوجه شده‌اید که همزمان با این که می‌توانید پشت شیشه را ببینید( شفاف هست)، میتوانید خوتان را هم ببینید(مثل آینه)! خب سوالی که پیش می‌آید این است که چرا؟ چه دلیلی برای این که نور از شیشه بازتاب بشود یا نشود وجود دارد؟ در این مطلب زیاد وارد جزئیات این اتفاقِ به نظر ساده نمی‌شویم ولی جواب این است:

هیچی!

برای مثال شما دو فوتون (پرتو نور) را فرض کنید که همزمان به شیشه می‌رسند و یکی‌شان بازتاب و دیگری از شیشه رد می‌شود! در حالی که شرایط برای هر دو یکسان بوده! این یعنی فاجعه! ولی شانسی که علم فیزیک آورد این بود که این فوتون‌های به ظاهر بی‌سواد از یک آمار خاص پیروی می‌کنند، یعنی اگر تنها یک لایه شیشه داشته باشیم(ضخامت شیشه صفر باشد) 4% فوتون‌ها شانس دارند که بازتابیده یا رد شوند ( که عدد شانس به جنس شیشه، نوع پرتو(فرکانس)، زاویه تابش و از همه عجیب‌تر این که به قطر شیشه هم بستگی دارد) اما به محض این که دولایه شیشه داشته باشیم(ضخامت شیشه ناصفر باشد)، انتظار داریم این عدد به 8% افزایش یابد(فرض کنید که نور تنها با سطح شیشه برهم‌کنش دارد) اما برای عجیب‌تر کردن ماجرا بیایید یک آزمایش انجام بدهیم:

دو شیشه با قطرهای یک کیلومتر و یک میلیمتر داریم. کدام یک احتمال دارد که فوتون بیشتری بازتاب کند؟

شاید کمی گیج کننده باشد، ما شیشه‌هایی داریم که با قطر چند کیلومتر، کاملا شفاف هستند و شیشه‌هایی با قطر بسیار کم(در حد میلیمتر و یا حتی کمتر) داریم که بیشترین تعداد ممکن از فوتون‌ها را بازتاب می‌کنند(که برای شیشه معمولی و نور قرمز و زاویه تابشِ 90 این عدد تقریبا 16 فوتون از هر 100 فوتون است). بر اساس آزمایش‌های زیادی( که ابتدا توسط سر آیزاک نیوتون انجام شدند) شانس بازتاب فوتون بر حسب ضخامت شیشه بدین صورت می‌شود:

احتمال بازتاب فوتون بر حسب ضخامت شیشه(برای یه حالت خاص)
احتمال بازتاب فوتون بر حسب ضخامت شیشه(برای یه حالت خاص)

خب چه فرقی بین فوتونی که بازتاب شده و فوتونی که بازتاب نشده وجود دارد؟

در واقع هیچی! هیچ فرقی بین این دو فوتون وجود ندارد به جز آن که یکی بازتاب و دیگری بازتاب نمی‌شود؛ همین! خب این یک فاجعه محسوب می‌شود ولی یک راه فرار وجود دارد.

 

خدا تاس می‌اندازد!!

شاید در ابتدا این فکر خنده‌دار به نظر برسد که تعیین نتیجه پدیده‌های طبیعی باید از تاس استفاده کرد(تصادفی بودن طبیعت)، ولی گویا طبیعت می‌گوید که بلی پدیده‌ها هر چقدر قطعی و یا هر چقدر ناممکن، احتمال دارد رخ بدهند و ما تا زمانی که مشاهده‌ای از نتیجه نداشته باشیم اظهار نظر خاصی نمی‌توانیم بکنیم!

ولی این با عقل جور در نمی‌آید که هر لحظه امکان دارد تمام مولکول‌های بدن شما به صورت ناگهانی هوس مریخ کنند و یک سر به مریخ بزنند! مثلا وقتی که شما دارید امتحان بسیار سختی را می‌دهید ناگهان در وسط مریخ ظاهر می‌شوید و بعد به سر جلسه آزمون باز می‌گردید!! یا زمانی که شما از اتاق بیرون می‌رود احتمال دارد که صندلی شما به ماه سفر کند! و زمانی که شما به اتاق برگردید به سر جایش باز گردد.

یک تابلو با نوشته تامل برانگیز که اوج فاجعه را بهتان نشان میدهد!
ترجمه: زمانی که به این علامت نگاه نمی‌کنید، در اسپانیا است!

ولی گویا این یک واقعیت محض است! اما نه در این حد فاجعه! مثلا تنها راهی که برای خلاصی از فاجعه شیشه‌ای وجود دارد همین دیدگاه احتمالی است!یعنی مثلا هر فوتون 16% احتمال دارد بازتاب بشود یا آن که از شیشه رد شود(که با فرض یکسان بودن فوتون‌ها تناقضی ندارد ولی این احتمال‌گویی‌ها یک عقب‌نشینی تمام عیار به حساب می‌آیند که ماهیت علم را هم زیر سوال می‌برند!). برای آن که حرف‌هایی که می‌زنیم کمی از شهودی بودن خارج بشوند( گرچه کلا شهودی حرف می‌زنیم!) بیاییم برای یک ذره نمودار احتمال وجودش را یا به اختصار تابع موج ذره را بکشیم.

نمایش یک تابع موج کاملا کاربردی و معروف
این یک تابع موج هست که میزان شانس ذره مورد نظرمان را در مکان‌های مختلف نشان می‌دهد

(منظورمان از موج دقیقا همان موج‌هایی‌ست که در کنار دریا می‌بینیم!)

این نموداری که می‌بینید ، همان تابع موج مضحک است! که میزان شانس یافتن یک ذره در مکان‌های مختلف را نشان می‌دهد. برای همین هم آن همه اتفاقات به ظاهر ناشدنی(احتمال وجود ذره در یک بازه و نه یافتن قطعی آن در یک نقطه)، شدنی هستند چون همه‌ی ذرات تابع موج دارند!(که این خود یک نتیجه احمقانه می‌دهد! این که ذره‌ها ذره نیستند و موج‌ها موج نیستند، بلکه هردو هردو‌اند!)

جمع‌بندی:

پس فهمیدیم که نباید برای طبیعت تعیین تکلیف کنیم، او گاهی می‌خواهد که تاس بیندازد! اما جواب سوال ما چه می‌شود؟ راه فرار از آن مهلکه چیست؟

تا به حال تنها یک راه فرار پیدا شده و آن هم یک عقب‌نشینی به تمام معنا از قطعیات و پیش‌بینی‌های کاملا قطعی به مشتی احتمال( که در واقع بی‌نهایت تا هستند) و این عقب‌نشینی به ظاهر دردناک و اسفناک، بزرگترین، روشنترین و مبهمترین دریچه در تمام فیزیک را گشود! آن دریچه چیزی نبود جز مکانیک کوانتومی! شرودینگر فیزیکدان بزرگ، به این امید تابع موج را مطرح کرد که بتواند دوباره مکانیک کلاسیک را زنده کند! اما مکانیک کوانتومی با هر حمله‌ای که به آن می‌شد، قویتر و بهتر می‌شد، مکانیک کوانتومی یکی از موفق‌ترین نظریه‌ها بوده که دقیق‌ترین پیش‌بینی‌ها را کرده( بله درست فهمیدید! از مشتی احتمال، دقیق‌ترین پیش‌بینی‌های کل تاریخ بشریت حاصل شده‌اند!)، نیروهای الکترومغناطیس و هسته‌ا‌ی ضعیف و قوی را یکی کرده و با قدرت به سوی جاذبه در حال حرکت است. اما با این حال و با وجود آن که بالغ بر 100 سال از عمر این مکانیک می‌گذرد و هزاران هزار نفر روی آن کار کرده اند، هیچ‌کسی موفق به فهمیدن آن نشده است! اما با این حال گویا مکانیک کوانتومی از یک فاجعه اتمی جلوگیری کرده است!

سوال باحال:

در سال 1993 کمی بعد از پایان جنگ سرد، یک عالم بمب اتمی روی دست آمریکا باد کرد، از آن جا که هزینه‌های نگهداری بمب اتمی به طرز سرسام‌آوری زیاد است، دولت آمریکا تصمیم می‌گیرد تا برخی از بمب‌ها را از کار بیاندازد، این بمب‌های اتمی چاشنی‌هایی دارند که به محض دریافت نور منفجر می‌شوند! دولت افرادی را استخدام کرد تا آن چاشنی‌ها را در بیاورند، ولی از آن جایی که انسان ممکن‌الخطاست، دولت آمریکا از شما درخواست می‌کند که راهی بیابید که تنها با تاباندن نور به بمب بفهمیم بمب خنثی شده یا نه!( و برای مسائل امنیتی تا زمان مشخص نشدن نوع بمب هیچ‌کس نمی‌تواند داخل اتاق بشود!)

راهنمایی: حتما فکر کرده‌اید که این سوال چه ربطی به متن داشت، درواقع تمام چیزی که می‌خواستم بگم این بود که می‌توانیم با فوتون‌ها( ذرات) مانند امواج رفتار کنیم، که این موضوع به ما در حل بحران شیشه کمک شایانی کرد( حواستان باشد که هنوز راه‌حل بحران شیشه‌ای را به طور کامل نگفته‌ایم). حال در این جا ما می‌توانیم فوتون‌ها را مانند یک موج در نظر بگیریم( همان موجی که بر اثر ضربه زدن شما به آب ایجاد می‌شود) و یادتان باشد که دو موج می‌توانند همدیگر را تشدید یا کاملا نابود کنند( فعلا این دو حالت را بدانید کافی است). حال با دو نیم آینه( 50% شانس عبور، 50% شانس بازتاب شدن) و دو آینه و یک لیزر که تک فوتون آزاد می‌کند بمب‌های خنثی نشده را تشخیص دهید و دنیا را از فاجعه اتمی نجات دهید.

این یکی از صدها هزاران سوال باحال(و عمدتا تخیلی) هستند که مکانیک کوانتومی بهترین راه‌حل‌ها را به ما نشان می‌دهد. منتظر جواب سوال باحال و ادامه مطلب باشید.

منابع:

1.فاینمن ، کیو.ای.دی. نظریه عجیب نور و ماده بخش مقدمه و فصل اول

علیرضا غضنفری

نویسنده: علیرضا غضنفری

بنده علیرضا غضنفری هستم متولد اسفند 1379، کلا به چالش کشیده شدن رو دوست دارم برا همین تو هرچیزی که تونستم یه سرکی کشیدم، کامپیوتر ، فیزیک نوین، فیزیک سرد ، والیبال و همینطور در شطرنج که توش حریف می طلبم و همینطور برای شما آرزوی خفن بودن دارم(کلا سعی کنید توی حداقل یه چیز خفن بشید)

1 دیدگاه برای مطلب “کالبد شکافی آزمایش های کوانتومیI” موجود است.

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *