فیزیک کوانتوم

“اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است.”

این جمله ای بود که یکی از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم “نیلز بور” به زبان آورد. سعی داریم تا حد امکان مکانیک کوانتوم را به زبان ساده بیان کنیم و در ادامه موضوع پیدایش دنیا توسط فرضیه خلاء کوانتومی را شرح دهیم.

واقعیت این است که تا قبل از پیدایش فیزیک کوانتوم، دیدگاه ما به جهان بر اساس فیزیک نیوتونی استوار بود. این دیدگاه برای وجود دارد که جهان قابل پیش بینی است تا حدی که وجود یا عدم وجود انسان هیچ تأثیری در عملکرد جهان ندارد. با پیدایش فیزیک کوانتومی و با ورود علم به دنیای درون اتم ها مباحث بسیار شگفت انگیزی کشف شدند. آنجا بود که جهان بینی انسان نسبت به هستی و نسبت به خودش بشدت تغییر کرد.

ماهیت ماشین وار جهان جای خود را به عالمی زنده، آگاه، قابل پیش بینی و در عین حال گاهی غیرقابل پیش بینی، داد.

تأثیر انسان از دیدگاه فیزیک کوانتوم

نکته بسیار مهم در فیزیک کوانتوم این است که فیزیک کوانتوم، ذهن و آگاهی انسان را دارد واقعیت های جهان می کند. فیزیک کوانتوم معتقد است بدون وجود انسان واقعیت ها یعنی دنیای ماده اینگونه که مشاهده می شوند، وجود نداشتند. مهمتر از هر نقشی، نقش سطح آگاهی انسان است که تأثیر زیادی بر وقایع جهان دارد.

این نکته قابل توجهی است که آگاهی بر روی کنترل وقایع هستی می تواند نقش مهمی داشته باشد. هیچ جای تعجبی ندارد که بگوییم از دیدگاه فیزیک کوانتوم جهان درون اتم بیشتر شبیه سرزمینی سحرآمیز است.

قلمرویی عجیب که در آن نیروهای رازآمیز مانند انرژی اسکالر به مشابه عناصر عادی قلمداد شده و منطق دنیای ماده در آن جایگاهی ندارد.

یکی از کشفیات حیرت انگیز فیزیکدانهای کوانتوم این بود که اگر شما ماده را به تکه های کوچک تقسیم کنید، سرانجام به جایی می رسید که آن تکه ها، الکترونها، پروتونها و … دیگر حاوی ویژگی های شئ مادی نخواهد بود. مثلاً ما غالبا الکترون را به مشابه یک گوی کوچک در حال چرخش می شناسیم ولی این پندار از حقیقت بسیار دور است.

الکترون ذره کوچک منسجم

الکترونها گاه چنان عمل می کنند که گویی یک ذره کوچک منسجم هستند، ولی فیزیکدانها دریافته اند که الکترونها تقریباً واجد هیچ بعدی نیستند. این امر مارا وا می دارد که برای الکترونها آگاهی و یا شعور متصور شویم. درک و تصور این گفته برای اغلب ما مشکل است؛ زیرا هر چیزی در سطح وجود انسانی واجد بعد است. با این حال چناچه بخواهید عرض یک الکترون را اندازه بگیرید هرگز نمی توانید، زیرا یک الکترون مانند اشیاء معمولی دیگری که می شناسیم، نیست.

خاصیت ذره و موج گونهء الکترون

کشف دیگر فیزیکدانها این بود که الکترون قادر است هم به صورت ذره و هم به صورت موج نمود کند. این خاصیت الکترون به نظریهء مکمل یا دوگانگی موج-ذره مشهور است. اگر الکترونی را به سوی صفحه تلویزیون خاموش پرتاب کنیم، یک ذره تورانی بر روی صفحهء تلویزیون دیده می شود که از اصابت الکترون به مواد فسفری که پشت صفحه تلویزیون را فراگرفته، به وجود آمده است.

نقطه نورانی حاصل از اصابت الکترون، به وضوح ماهیت ذره ای الکترون را آشکار می کند. اما این تنها شکلی نیست که الکترون قادر است به خود بگیرد، الکترون می تواند به تودهء ابر مانندی از انرژی بدل شود و چنان عمل کند که گویی موجی است گشوده در فضا. هرگاه الکترون به صورت موج نمود کند، می تواند کاری کند که از هیچ ذره ای بر نمی آید. مثلاً اگر به مانعی که دو شکافت دارد برخورد کند، می تواند همزمان از هر دو شکافت گذر کند.

هرگاه الکترونهای موج گونه به هم اصابت کنند بی درنگ الگوهای متداخل تولید می کنند. ماهیت دوگانه بودن الکترون را می توان در تمام ذرات زیر اتمی و تمام عناصری که تصور می شود تنها به صورت موج وجود دارند مانند؛ نور، اشعه های گاما، امواج رادیویی و اشعه ایکس نیز باز یافت و همه این عناصر می توانند از حالت موج گونه به ذره بدل شوند.

کوانتوم

پدیده زیر اتمی

امروزه فیزیکدانها معتقدند که پدیده زیر اتمی را نباید تنها به عنوان موج یا ذره طبقه بندی کرد، بلکه باید به صورت ماهیت دوگانه در نظر گرفت. این ماهیت دوگانه، کوانتا (quanta) نام دارد. فیزیکدانها معتقدند که کوانتا در حکم ماده اولیه ای است که جهان از آن به وحود آمده است. quanta جمع quantum است، یک الکترون، یک کوانتوم است. چند الکترون مجموعهء کوانتاها را تشکیل می دهند. ماکس پلانک، در سال 1900 میلادی نظریه کوانتومی خود را ارائه کرد.

بر اساس این نظریه، پرتوی نور، جریان پیوسته ای (غیر کوانتیده) از انرژی نیست. بلکه از تعداد بیشماری بسته ی کوچک و مجزای انرژی تشکیل شده است. بنابراین، انرژی نورانی نمی تواند هر مقدار دلخواهی داشته باشد. ماکس پلانک این بسته ها را کوانتوم نامید. انیشتین نیز دریافته بود که کوانتوم های نور، رفتاری شبیه ذره های ریز تشکیل دهنده ماده دارند. برای تأکید بر این رفتار ذره ای، کوانتوم نور را فوتون نامید؛ که در واقع نور هم رفتار موجی و هم رفتار ذره ای دارد.

حقیقتی در یک خلاء کوانتومی

قبل از پلانک، فیزیکدانها و حتی ماکسول، نور را به صورت یک موج الکترومغناطیس در نظر گرفته بودند. از این رو، همه تصور می کردند نور یک پدیده موجی است. ایده ی (مولکول نور)، در اواخر قرن نوزدهم، یک لطیفه تصور می شد. یک علامت سؤال بزرگ برای ماهیت موجی نور به وجود آمد، که به “فاجعه فرابنفش” مشهور شد.

فاجعه فرابنفش

یک محفظهء بسته و تخلیه شده که روزنهء کوچکی در دیواره آن وجود دارد را فرض کنید. آن را در کوره ای با دمای یکنواخت قرار دهید و آنقدر صبر کنید تا تمام اجزاء به دمای یکسان (تعادل گرمایی) برسند. در دمای به اندازه کافی بالا، نور مرئی از روزنهء محفظه خارج می شود، مانند سرخ و سفید شدن آهن گداخته در آتش آهنگری. در تعادل گرمایی، این محفظه دارای انرژی تابشی است. این انرژی تابشی، آن را در تعادل تابشی و گرمایی با دیواره ها نگه می دارد. به چنین محفظه ای “جسم سیاه” می گوییم. اگر روزنه به اندازه کافی کوچک باشد و پرتو نوری وارد محفظه شود، گیر می افتد و نمی تواند بیرون بیاید.

انرژی تابش

نمودار انرژی تابشی در واحد حجم محفظه، بر حسب رابطه ریلی جینز در فیزیک کلاسیک و رابطه پیشنهادی پلانک است. فرض کنید میزان انرژی تابشی در واحد حجم محفظه (یا چگالی انرژی تابشی) در هر لحظه U باشد.

سؤال: چه کسری از این انرژی تابشی که به شکل امواج نوری است، طول موجی بین 564 نانومتر (طول موج نور زرد) تا 578 نانومتر (طول موج نور سبز) دارند؟

جواب فیزیک کلاسیک به این سؤال برای بعضی از طول موج ها بسیار بزرگ است. یعنی در یک محفظه روزنه دار که انرژی محدودی وجود دارد، مقدار انرژی در برخی طول موج ها به سمت بینهایت می رود. این حالت برای طول موج های فرابنفش شدیدتر هم می شود. پلانک با ارائه نظریهء خود پایخ دندان شکنی به این سؤال داد که ستون های فیزیک کلاسیک را به لرزه در آورد.

شبیه سازی ذرات و نوسانات در خلاء کوانتومی

عمل مشاهده و توجه دقیق است که گسترش مکانی اتمها را کاهش می دهد و آنها را تبدیل به واقعیت های قابل درک می کند. به بیان ساده تر اتمها و الکترونهای اتم در یک محدوده مکانی مشخص به دور هسته در حال گردش هستند، که به آن ماده می گوییم. اگر انسان که به آن در فیزیک ناظر گفته می شود، نباشد، اتم محدوده مشخص خود را از ذست می دهد. حال الکترونها و ذرات بنیادی تبدیل به موج شده و با سرعت زیاد شروع به دور شدن از یکدیگر می کنند.به این ترتیب همهء واقعیت های ملموس ناپدید می شوند.

بنابراین برخلاف دیدگاه فیزیک نیوتونی، که جهان ماده، مستقل از ما هستند، در فیزیک کوانتومی واقعیات وابسته به ما هستند.

کوانتوم

تقسیم ماده

یک ماده را فرض کنیم به نصف آن تقسیم کردیم. باز نصف آن را نصف کنیم، همین روند را آنقدر را آنقدر ادامه می دهیم تا به مولکول یا اتم ماده برسیم.

مولکول نور

فرض کنید یک باریکهء نور را به طور مدام تقسیم کنیم. آیا دست آخر به مولکول نور (فوتون) می رسیم؟ چشمه های نور معمولاً از جنس ماده هستند. یعنی تقریباً همهء نورهایی که اطراف هستند از ماده تابش می کنند. ماده ساختار ذره ای-اتمی دارد.

تابش الکترون

در سال 1911، رادرفورد (1947-1871) نشان داد که اتمها، دارای هسته مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترونها به دور هسته می چرخند. اما الکترونهای در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصول الکترومغناطیسی، ذره باردار شتابدار باید تابش کند. در نتیجه انرژی از دست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. طیف تابش اتمها، بر خلاف فرضیات فیزیک کلاسیک گسسته است. به عبارت دیگر، نوارهایی روشن و تاریک در طیف تابشی دیده می شوند. یک اتم خاص، نه تنها در اثر تابش فرو نمی ریزد، بلکه نوری هم که از خود تابش می کند، رنگها یا فرکانس های گسسته و معینی دارد.

شرح پیدایش عالم توسط خلاء کوانتومی

از دید فیزیک، آیا می شود ماده ای از هیچ به وجود بیاید؟

از دید بسیاری از مردم این عقیده پذیرفته شده است که ماده نمی تواند از هیچ به وجود بیاید ولی بسیاری از فیزیکدانان با آن موافق نیستند. از دیدگاه فیزیکدانان، وجود دارند ماده هایی که از هیچ به وجود بیایند. در فیزیک موضوعی وجود دارد به نام تغییر و تحولات و نوسانات در خلاء کوانتومی نام گذاری می شود (quantum vacuum fluctuations).

در فیزیک کوانتوم، از ذراتی یاد می شود که به آنها ذرات مجازی “virtual partiecles” می گویند. این ذرات مجازی زوج هایی از ذرات و پاد ذرات هستند. از نظر فیزیکی علت و دلیل به وجود آمدن این زوج های ذره و پاد ذره، معادلات اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است.

در فیزیک کلاسیک پایستگی انرژی یک اصل اساسی و بنیادین است. در فیزیک کلاسیک انرژی نه به وجود می آید نه از بین می رود، فقط از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود. وقتی به محدوده ی فیزیک کوانتوم می رویم این اصل همیشه صحیح نیست. در آنجا اصل عدم قطعیت هایزنبرگ اصل اساسی و بنیادین است. در دنیای میکروسکوپیک کوانتومی، انرژی می تواند از هیچ به وجود بیاید و سپس ناپدید شود. این ظاهر شدن و ناپدید شدن انرژی، به صورت خود به خودی و غیرقابل پیش بینی است.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

اصل عدم قطعیت یک نتیجه بسیار عجیب دارد؛ اینکه ذرات می توانند در بازه زمانی بسیار کوتاهی به وجود بیایند، حتی اگر انرژی کافی برای ایجاد آنها وجود نداشته باشد. در حقیقت این ذرات از عدم قطعیتی که در انرژی هست، به وجود می آیند. به بیان ساده تر، این ذرات انرژی لازم برای خلق شدنشان را قرض می گیرند و پس از مدت کوتاهی قرض خود را پس می دهند و ناپدید می شوند. این امر دائماً در حال تکرار است. بخاطر اینکه این ذرات حضور دائمی ندارند، آنها را ذرات مجازی می نامند.

ما ذرات مجازی را نمی توانیم ببینیم ولی می دانیم که در فضای خالی هستند. چرا؟

چون از فعالیتشان ردپایی به جای می گذارند. به عنوان مثال یکی از اثرات فوتون های مجازی این است که انتقال بسیار جزئی و کوچکی را در ترازهای انرژی اتمها به وجود می آورند. آنها تغییرات جزئی و ناچیزی نیز در گشتاور مغناطیسی الکترونها ایجاد می کنند. این تغییرات اگر چه خیلی جزئی است ولی در عین حال بسیار پر معنی است. فیزیکدانان موفق شدند این تغییرات جزئی را با استفاده از روش ها و تکنیک های اسپکتروسکوپیک اندازه گیری کنند.

این اثرات بسیار کوچک هستند، به اندازه یک در میلیارد ولی با این وجود قابل اندازه گیری هستند. در سال 1953 دانشمندی به نام Wilis Lamb حالت برانگیخته شدهء اتم هیدروژن را اندازه گیری نمود. به همین دلیل این جابجایی و تغییر در تراز انرژی  اتم را Lamb shift نامیده اند.

خلاء

خلاء و هیچ از دیدگاه فیزیکی، فضایی است که مملو و سرشار از ذرات مجازی است. حقیقت این است که در فیزیک مدرن دیگر چیزی به نام “هیچ چیز” یا “عدم وجود” معنی ندارد. حتی در خلاء مطلق، نیز زوج هایی از ذرات مجازی دائماً خلق و نابود می شوند.

نکات عجیب درباره ذرات مجازی

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ امکان حضور و پیدایش چنین ذراتی با طول عمر بسیار کوتاه را فراهم می آورد. اگر چنین ذراتی با طول عمر طولانی در جهان ما پدیدار شوند، قانون اول ترمودینامیک را نقض می کنند. برخی از فیزیکدانان به همین دلیل این امکان که عالم هستی و جهان ما از چنین نوسان های کوانتومی آغاز شده است، را رد می کنند. به خصوص آنانی که از لحظه خلق شدن دنیا می گریزند مجبوراند چنین فرضی را قبول کنند. برخی از فیزیکدانان، برای حل چنین مشکلی هم فرض هایی را ارائه داده اند؛ که تنها فرض است. به عنوان مثال، ادوارد تریون عنوان کرده بود که می توان کل عالم و جهان را یک افت و خیز عظیم در نظر گرفت.

کوانتوم

برای اینکه این عنوان را مجاز بشمارند مجبور هستند فرض کنند مجموع انرژی موجود در جهان صفر است. برای رفع این ایراد، انرژی گرانشی را منفی در نظر گرفتند. به بیان آنها مواد موجود نشان دهنده، انرژی مثبت عالم هستند.

جواب استیون هاوکینگ

به گفته استیون هاوکینگ به اندازه (یک 1، 85 صفر بعد از آن) ذره در محدوده عالمی که ما می توانیم رویت کنیم وجود دارد. از نظر او تئوری مکانیک کوانتومی این اجازه را می دهد که ذرات مادی از درون انرژی به صورت زوج های ذره و پاد ذره به وجود آیند.

این سؤال به وجود می آید، این همه انرژی از کجا آمده است؟

جواب هاوکینگ این است که مجموع تمام انرژی عالم دقیقاً صفر است. او می گوید مواد موجود در عالم یکدیگر را به خاطر نیروی گرانشی به سمت هم جذب می کنند.

چرا انرژی میدان گرانشی را منفی فرض کرده اند؟

اگر بخواهید دو ماده را که در کنار هم قرار گرفته اند، از هم دور کنید باید انرژی صرف کنید و بر جاذبه بین آنها غلبه کنید. بنابراین می توان نتیجه گرفت انرژی میدان گرانشی منفی است. اگر بتوانیم فرض کنیم جهان هستی تقریباً یکنواخت در فضا پخش شده باشد، می توان نشان داد که انرژی منفی گرانشی دقیقاً همه انرژی مثبت مادی را خنثی کرده باشد. حال انرژی کل عالم در مجموع صفر می شود.

فضا و زمان

عده ای از فیزیکدانان ادعا می کنند که این نوسانات کوانتومی به عنوان بذر اولیه برای تورم ناگهانی فضا و زمان در نظر گرفته می شوند. از دیدگاه این نظریه ماده موجود در عالم به عنوان، یک اثر جانبی از تورم ناگهانی فضا و زمان تولید شده است. در نظریه نسبیت عام اینگونه عنوان شده است که فضا و زمان خود موجودی واقعی است. در واقع فضا و زمان یک صحنه نمایش است که تئاتر ما و تمام رویدادهای عالم هستی بروی آن اتفاق افتاد و روی می دهند.

 

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”