فیزیک کوانتوم و ماهیت واقعی فوتون (1)

مبحث فعلی که در قالب 4بخش در این وبلاگ خواهم گذاشت مقدمه ای کلی بر درک فیزیک کوانتوم و شناخت ماهیت فوتون است. با شناخت واقعی فیزیک کوانتوم و فوتون درک واقعی از تاثیر آن بر بدن انسان و کمک آن به سلامتی را خواهید فهمید پس لطفا با دقت این بخش ها را مطالعه کنید.

وقتی گالیله در سال ۱۶۱۰ یافته های خود را در تائید نظر کوپرنیک مبنی بر ثابت نبودن زمین و گردش آن به دور خورشید منتشر کرد باعث شد تا وی از سوی کلیسا مورد بازجویی و فتیش عقاید قرار گیرد. این نظریه مخالف نص کتاب مقدس بود و از سویی با نظریات ارسطو که کلیسا حامی آن بود همخوانی نداشت. وی مجبور به امضای توبه نامه‌ای با این مضمون شد:

در هفتادمین سال زندگی در مقابل شما به زانو درآمده‌ام و در حالی که کتاب مقدس را پیش چشم دارم و با دستهای خود لمس می‌کنم توبه می‌کنم و ادعای خالی از حقیقت حرکت زمین را انکار می‌کنم و آنرا منفور و مطرود می‌نمایم.

شش سال بعد رسما از تدریس نظریه کوپرنیک در دانشگاه منع شد و تا سالها بعد مرتب مورد بازخواست کلیسا قرار می‌گرفت. سرانجام گالیله علیرغم اعتقاد درونی اش، مجبور شد اعتراف کند که نظریه ارسطو درست است و زمین مرکز جهان است. ولی با این حال همواره تا آخرین لخظه عمر قلبا اعتقاد داشت که زمین مرگز جهان نیست و به دور خورشید می چرخد

این را مقایسه کنید با کوانتوم

نظریه کوانتومی توسط پلانک مطرح شد اما خودش از آن خشنود نبود وقتی انشتین فتو الکتریک را براساس تئوری پلانک توضیح داد که تائییدی بر صحت نظریه او بود بلافاصله با آن به مخالفت برخاست

خود انشتین که باعث پشرفت و توسعه این نظریه بود با پیشرفت های بعدی از مخالفان سرسخت کوانتوم شد

شرودینگر که فرمولبندی مکانیک کوانتومی را انجام داد و به خاطر آن جایزه نوبل دریافت کرد هم در صحت کار خود شک داشت و کوشید تا با آزمایش ذهنی گربه در جعبه دیگران را متوجه پوچی کوانتوم کند

بدون شک، معمای رمزآلود فیزیک کوانتوم، معمای عمیقی است ولی رازی که در بطن فیزیک کوانتوم نهفته، به طور غیر مستقیم، درک ما را از حقیقی بودن جهان و هر آنچه در آن است (از جمله خود ما)، مورد هدف قرار می‌دهد درحالی ‌که تئوری فیزیک کوانتوم یکی از تئوری‌هایی است که از پیکار آزمایشات فراوانی در عرصه‌ی علم، جان سالم به در برده است. علی‌رغم مشخصه‌های نامأنوس فیزیک کوانتوم، برای بسیاری از دانشمندان در صحت این نظریه، تردید چندانی باقی نمانده. و مقاومت عده ای در برابر آن ناموجه جلوه می کند



آزمایش دو شکاف (The Double Slit Experiment)


برای صحبت درباره‌ی فیزیک کوانتوم، بهترین کار این است که با آزمایش یانگ در سال 1803 شروع کنیم. در آزمایش یانگ، از یک منبع ریز نور و یک صفحه استفاده شده بود. یانگ، میان این دو شیء، یک مانع با دو شیار نازک عمودیِ موازی با یکدیگر قرار داد.

یانگ می‌دانست در صورتی که نور، فقط جریانی از ذرات ریز باشد، باید از هر کدام از شکاف‌ها گذشته و روی صفحه‌ی پشت سوراخ‌ها جمع شود.

این دقیقاً همان چیزی بود که با پوشاندن یکی از شکاف‌ها و باز گذاشتن شکاف دیگر، اتفاق افتاد. یک نوار عمودی باریک از نور، روی صفحه‌ی پشت سوراخ ظاهر شد. یانگ مسلماً انتظار داشت وقتی شکاف دیگر را هم باز کرد، دو نوار باریک نوری ببیند، اما این طور نشد.

بیشتر بخش‌های صفحه را مجموعه‌ای از نوارهای عمودی روشن و تاریک پر کرد. یانگ این مشاهده را چنین توجیح کرد . نور، مثل یک موج عمل می‌کند و از هر دو شکاف می‌گذرد. بعد از گذشتن از میان شکاف‌ها، با یکدیگر تداخل می‌کنند. به این ترتیب، وقتی دو قله‌ی موج با هم تلاقی می‌کنند، باعث تقویت یکدیگر می‌شوند و وقتی یک قله‌ی موج و یک دره‌ی موج با هم تلاقی می‌کنند، هر دو خنثی می‌شوند. در نتیجه، مجموعه‌ای از نوارهای روشن و تاریک روی صفحه دیده می‌شود. دانشمندان، این پدیده را الگوی تداخل (interference pattern) می‌نامند، زیرا از تداخل امواج با یکدیگر حاصل می‌شود.

مثالی از الگوی تداخل

پس نور بدون شک یک موج بود. اما شواهدی نیز وجود داشت که نشان می‌داد خواص ذره ای نیز دارد (که بعدها به آن فوتون گفته شد). در نهایت چنین نتیجه گیری شد که فوتون‌ها ماهیتی دوگانه دارند و به صورت موج و ذره عمل می‌کنند. با این حال، دانشمندان هنوز هم از خود می‌پرسیدند اگر بتوانند فوتون‌ها را یکی یکی از دو شکاف بگذرانند، چه چیزی رخ خواهد داد.

سرانجام، منبع نوری اختراع شد که قادر بود هر بار تنها یک فوتون آزاد کند. آزمایش دو شکاف یانگ دوباره انجام گرفت. اما این بار به جای صفحه‌ی عادی، از کاغذ عکاسی استفاده شد، زیرا یک فوتون، کم‌نورتر از آن است روی صفحه دیده شود. حال آن که بعد از عبور میلیون‌ها فوتون از شکاف‌ها (به صورت تک تک)، الگوی مورد نظر بر روی کاغذ عکاسی قابل مشاهده می‌شد.

با ظاهر کردن عکس، همان الگوی تداخل پیشین مشاهده شد. دانشمندان این‌گونه نتیجه گرفتند که هر یک از فوتون‌ها به صورت موجی حرکت کرده‌، به طور همزمان از میان دو شکاف رد شده و با خودشان تداخل داشته‌اند و تنها هنگامی که سرانجام با کاغذ عکاسی برخورد کرده‌اند، به صورت ذره‌ای در موقعیت خاص ظاهر شده‌اند، و این بسیار عجیب بود.

دانشمندان تصمیم گرفتند کنار شکاف‌ها، ردیابِ فوتون کنار قرار دهند تا مسیر واقعی فوتون را مشاهده کنند. آن‌ها موفق شدند، ولی وقتی این آزمایش را انجام دادند، الگوی تداخل ناپدید شد و تنها دو خط باریک (پشت هر سوراخ یکی)، روی صفحه ظاهر شد. ظاهراً فوتون‌ها «می‌دانستند» که در معرض مشاهده شدن قرار دارند و به همین دلیل، به جای این که به صورت موجی عمل کنند، رفتار ذره‌ای پیش گرفته‌اند!

دانشمندان سپس تصمیم گرفتند که ردیاب فوتون را در جهتی از صفحه قرار دهند که با منبع نور فاصله‌ی بیشتری داشته باشد، تا به این ترتیب فوتون، فقط بعد از عبور از میان شکاف دیده شود. اما تغییری در نتیجه حاصل نشد. باز هم ظاهراً فوتون پیش از رسیدن به صفحه، «می‌دانست» در سمت دیگر آن یک ردیاب وجود دارد و به همین دلیل پیش از عبور از شکاف‌ها، به ذره تبدیل می‌شد.

سرانجام، دانشمندی به نام جان ویلر (John Wheeler) آزمایشی پیشنهاد کرد که طی آن، صفحه می‌توانست درست در آخرین لحظه‌ی پیش از برخورد فوتون، با یک دستگاه ردیاب نوری جایگزین شود، به این ترتیب می‌شد فهمید فوتون از کدام شکاف عبور کرده است. تصمیم درباره‌ی کنار کشیدن یا نکشیدن صفحه، باید بعد از عبور فوتون از میان شکاف گرفته می‌شد. در زمانی که ویلر این آزمایش را مطرح کرد، انجام آن از لحاظ فنی غیرممکن بود. اما چند سال بعد، امکان انجام آزمایش به وجود آمد. نتیجه‌ی آزمایش چنین بود: هنگامی که صفحه در جای خود قرار داشت، فوتون طبق الگوی تداخل رفتار می‌کرد، حال آن که اگر صفحه در لحظه‌ی آخر، برداشته می‌شد تا اطلاعات مربوط به این که از کدام شکاف عبور کرده، به دست آید، فوتون طبق الگوی تداخل رفتار نمی‌کرد. گویا فوتون می‌دانست هنگام رسیدن به شکاف چگونه عمل کند، هر چند که تصمیم درباره‌ی برداشتن یا برنداشتن صفحه در لحظه‌ی آخر گرفته می‌شد. ظاهراً یا فوتون می‌توانست آینده را پیش‌بینی کند یا این‌که تصمیم درباره‌ی قرارگیری صفحه، می‌توانست گذشته را تغییر دهد.

دانشمندان این طور نتیجه گرفتند که در نظریه‌ی کوانتوم، جایی برای علیت وجود ندارد. گویا اتفاقاتی که در زمان حال می‌افتند، می‌توانند گذشته را تغییر دهند، و این اوج غرابت کوانتوم بود.

اگر خواندن این مطالب، شما را آشفته کرده، نگران نباشید. افراد زیادی از این مسئله آشفته شده‌اند، از جمله آلبرت انشتین.

نور ستارگان، درخشش ستارگان

امشب بیرون بروید و ستارگان را تماشا کنید. اگر زمستان باشد (در نیکره‌ی شمالی)، حتماً خواهید توانست صورت فلکی شکارچی (یا جبار) را ببینید. تشخیص این صورت فلکی آسان است، زیرا سه ستاره در یک خط، کمربند شکارچی را تشکیل می‌دهند. به ستاره‌ی وسطی نگاه کنید. او یک ستاره‌ی ابرغولِ سفید-آبی به نام اپسیلون جبار (Alnilam) است که 1300 سال نوری از ما فاصله دارد. وقتی به این ستاره نگاه می‌کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ بر اساس بسیاری از کتاب‌ها، هزار و سیصد سال پیش- اوایل قرون وسطی در اروپا- الکترونی برانگیخته در یکی از اتم‌های هیدروژن موجود در لایه‌های بیرونی این ستاره، یک ذره‌ی انرژی ( یک فوتون) آزاد کرده است:.

فوتون آزاد شده از اپسیلون جبار، با سرعت نور، حدوداً 300000 کیلومتر در ثانیه، در جهت زمین حرکت کرده است. اگرچه فوتون‌ها چندان تحت تأثیر جاذبه قرار نمی‌گیرند، اما سیارات، ستارگان و سایر اجرام آسمانی که در مسیر فوتون یاد شده قرار دارند، به طور خفیفی بر آن تأثیر گذاشته و مسیری خاص به آن می‌دهند. با نزدیک شدن به زمین، فوتون، بدون برخورد با مولکول‌های اتمسفر، از آن‌ها می‌گذرد. درست وقتی به آسمان نگاه کردید، این فوتون توسط شما دریافت می‌شود. این فوتون (همراه بسیاری فوتون‌های دیگر)، شبکیه را که درست پشت چشمتان قرار دارد، تحریک می‌کند، پیغامی به مغز شما فرستاده می‌شود و شما در مغزتان نور ستاره را می‌بینید. این سیر حوادث، بسیار جالب است، منتها، با توجه به تئوری کوانتوم این به هیچ وجه چیزی نیست که اتفاق می‌افتد.

هیچ کس دقیقاً نمی‌داند در سطح کوانتوم چه اتفاقی می‌افتد، با این حال، چند تفسیر از نظریه‌ی کوانتوم وجود دارد که می‌توانند به ما در فهم مسئله کمک کنند. معروف‌ترین آن‌ها تفسیر کُپنهاگی(Copenhagen Interpretation) نامیده می‌شود، زیرا قسمت عمده‌ی آن توسط نیلز بور (Niels Bohr)، فیزیکدان اهل کپنهاگ، ارائه شده است. دانشمندان و مهندسان، سال‌هاست از کپنهاگ به عنوان روشی استاندارد جهت درک دنیای کوانتوم استفاده می‌کنند. تفسیر کپنهاگی نظریه‌ی کوانتوم، مشاهده شدن اپسیلون جبار توسط شما را این گونه توضیح می‌دهد:

آنچه که حدود 1300 سال پیش، اتم هیدروژن را ترک کرد، فوتون نبود، بلکه یک موج احتمال بود. این موج، بیانگر مکان احتمالی فوتون نبود، بلکه بیانگر این احتمال بود که در صورت مشاهده شدن فوتون، این اتفاق در چه مکانی روی خواهد داد. موج با سرعت نور به بیرون حرکت کرد، اما نه به سوی زمین، بلکه به شکل کُره‌ای که با سرعت نور بزرگ و بزرگ‌تر می‌شد. سیارات، ستارگان و سایر اجرامِ نزدیک به آن، بر مکان احتمالی مشاهده‌ی شدن فوتون تأثیر گذاشتند، اما هنوز این امکان وجود داشت که فوتون در هر جایی از کره‌ی در حال انبساط، ظاهر شود. موج/کره، 1300 سال بزرگ شد، تا این که قطری برابر 2600 سال نوری پیدا کرد. جبهه‌ی موج از اتمسفر زمین گذشت. درست در این لحظه، شما چشمتان را بر روی اپسیلون جبار متمرکز کردید و جبهه‌ی موج با سلول‌های شبکیه‌ی چشم شما درگیر شد. سپس، جایی میان شبکیه‌ی چشم شما که با موج درگیر شده و مغزتان که ستاره را دیده، این واقعه رخ داد.

بلافاصله، موج احتمال به قطر 2600 سال نوری، از میان رفت و فوتون در برخورد با شبکیه‌ی چشم شما، ظهور کرد. اگر شما در لحظه‌ی مناسب به آسمان نگاه نکرده بودید، شاید فوتون، چند ثانیه‌ی دیگر، در سوی دیگر اپسیلون جبار، توسط ناظر بیگانه‌ای در یک سیاره‌ی دیگر با فاصله‌ی هزاران سال نوری، از هم می‌پاشید. اما مشاهده شدن فوتون توسط شما در کره ی زمین، برای همیشه این احتمال را از میان برد.

وقتی شما این فوتون را دیدید، سرنوشتی منحصر به فرد برایش رقم خورد. مسیری ایجاد شد تا او از آن اتم هیدروژن در اپسیلون جبار، به چشم شما برسد.

شاید این طور به نظر بیاید که نابودی چیزی با وسعت 2600 سال نوری غیرممکن است، زیرا لازمه‌ی آن، پیشی گرفتن از سرعت نور می‌باشد. اما این مورد، تنها یکی از موارد متعددی است که در آن، نظریه‌ی کوانتوم، حداکثر سرعت کیهانی را به چالش می‌طلبد. این مسئله نیز، انشتین را عمیقاً آشفته کرد.

چه چیزی در فیزیک کوانتوم، انیشتین را بر آشفته می کرد؟ اول از همه، غیر قابل پیش‌بینی بودن آن. اگر قرار باشد یک تفنگ را تنظیم کنید و آن را به هدف بزنید، با معلوم بودن سرعت و جهت گلوله، تعیین مسیر آن بعد از خروج از لوله‌ی تفنگ، بسیار ساده است. اما فوتون این طور نیست. همان‌طور که مثالِ ما درباره‌ی موج نورِ رهسپار شده از یک ستاره‌ی دوردست، نشان داد، فوتون به صورت موج احتمال حرکت می‌کند. فوتون ممکن است هرجایی در مسیر حرکت موج، ظاهر شود. هر چند، احتمال ظهور آن، در بعضی مکان‌ها بیشتر است. این باعث شد انشتین به طعنه بگوید که باورش نمی‌شود «خدا با هستی تخته نرد بازی کند».

انشتین کمک کرد نظریه‌ی کوانتوم به وجود بیاید، ولی بسیار از آن آشفته گشت.

دومین نکته‌ای که انشتین را آزار می‌داد، این ایده بود که با توجه به کپنهاگ، یک جسم پیش آن‌که مورد مشاهده قرار گیرد، تنها به شکل موج احتمال وجود دارد. شاید وقتی حرف از یک فوتون باشد، این مسئله چندان مهم به نظر نرسد، چون بسیار بسیار کوچک است. اما این تنها فوتون‌ها نیستند که از قوانین فیزیک فیزیک کوانتوم پیروی می‌کنند، بلکه الکترون‌ها، پروتون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها نیز مشمول این قوانین هستند. همه‌ی آن‌ها پیش از مشاهده شدن، تنها موج‌اند و آزمایش دو شکاف، با موادی به بزرگی مولکول‌های فولرن (Fullerene) که 60 اتم کربن دارند، انجام شده است.

در نهایت اگر فکر کنیم، می‌بینیم تمام جهان ما، از اتم‌ها و مولکول‌ها تشکیل شده و خود ما نیز. آیا این بدان معناست که ما تنها، امواج بزرگ احتمال هستیم؟

این تصور که هر چیزی در جهان ما، در صورت مشاهده نشدن، ماهیتی مستقل ندارد، انشتین را واداشت به شوخی بگوید: «ترجیح می‌دهم فکر کنم ماه، حتی وقتی نگاهش نمی‌کنم، باز وجود دارد».

آزمایش فرضی گربه‌ی شرودینگر

همانطور که گفتیم انشتین، تنها بنیانگذار نظریه‌ی کوانتوم نبود که به آن شک داشت. اِروین شرودینگر، که معادلات کلیدی را برای پیش‌بینی چگونگی تغییر سیستم کوانتوم در طول زمان مطرح کرد. و این کار برای او جایزه‌ی نوبل سال 1933 را به ارمغان آورد. با بعضی از مفاهیم فیزیک کوانتوم، مشکل داشت و برای نشان دادن بی‌معنا بودن آن‌ها، مثالی مطرح کرد. آزمایش فرضی مشهور گربه را مطرح کرد تا نشان دهد این نظریه ناقص است.


در آزمایش فرضی شرودینگر، یک گربه درون جعبه‌ای مهر و موم شده قرار می‌گیرد. در درون این جعبه، یک دستگاه «نابودگر» شامل یک ماده‌ی رادیواکتیو، یک شمارشگر گایگر مولر و یک ظرف شیشه‌ای قرار دارد. ماده‌ی رادیواکتیو به اندازه‌ای است که در عرض یک ساعت به احتمال 50 درصد تجزیه شده، ذره‌ای آزاد می‌کند که باعث به کار افتادن شمارشگر می‌شود. شمارشگر نیز به گونه‌ای تعبیه شده که در صورت شناسایی ذره، چکشی را رها می‌سازد و موجب متلاشی شدن ظرف شیشه‌ایِ پر از گاز کشنده‌ی هیدروژن سیانید می‌شود.

بعد از گذشت یک ساعت، احتمال این که جعبه را باز کنید و گربه را زنده یا مرده بیاید، پنجاه/ پنجاه است. اما گربه پیش از باز کردن جعبه، در چه وضعیتی است؟ از آنجایی که نابودی اتم، رویدادی کوانتومی است، با توجه به تفسیر کپنهاگ، می‌توان گفت تا زمانی که اتم (به عنوان تابع موج احتمال)، مشاهده نشده، در حالت برهم نهی قرار دارد- یعنی همزمان در دو وضعیت است. به این معنی که دستگاه نابودگر و گربه نیز در حالت برهم نهی هستند، گربه هم زنده است و هم مرده.

شرودینگر چنین ایده‌ای را مضحک یافت و تلاش کرد از آن، برای نشان دادن کاستی‌های نظریه‌ی کوانتوم، استفاده کند و بگوید این نظریه یا اشتباه است یا ناقص.

این امر با نحوه عملکرد جهان در مقیاسی که برای بشر قابل درک است، مغایرت دارد. شاید احمقانه به نظر برسد اما شرودینگر تاکید داشت ، وجود اصل بر هم نهی از لحاظ ریاضی ضروری است، تا تئوری کوانتوم بتواند پیش گویی های دقیق خود را از عملکرد جهان در سطح زیراتمی ارائه دهد. طی بیش از نیم قرن، گربه مرده و زنده شرودینگر با فیزیکدانان لجبازی می کرد و بنابراین لازم بود به طور دقیق دریابیم که چگونه حوزه کوانتوم با جهان قابل درک توسط انسان مرتبط می شود.

فروپاشی اتمی نه اتفاق می افتد و نه اتفاق نمی افتد، گربه نه کشته می شود و نه کشته نمی شود، مگر هنگامی که ما به درون جعبه نگاه کنیم و ببینیم که چه اتفاقی رخ داده است. نظریه پردازانی که تفسیر استاندارد از مکانیک کوانتومی را می پذیرند می گویند که گربه در حالتی غیرقطعی و نامعین، به عبارت دیگر در یک « ابرمرتبه حالت ها » ( Superposition of States )، نه مرده و نه زنده وجود دارد، تا زمانی که یک مشاهده گر واقعاً به درون جعبه بنگرد و ببیند که گربه زنده است یا مرده در نتیجه برخلاف میل شرودینگر، این تجربه تخیلی نه تنها باعث نشد که فیزیکدانان پوچی بعضی از خصوصیات نظریه کوانتوم را درک کنند، بلکه گربه شرودینگر برای اکثریت فیزیکدانان به مثال اعلای استلزام های غیرمعمول و فوق العاده این نظریه بدل شد. « ابرمرتبه حالت ها » به جای به هم ریختن نظریه کوانتوم، به خصلت معرف آن بدل شد. آنهایی که تجربه خیالی شرودینگر را با معنایی که در نظر داشتند مطرح می کردند، می توانستند با این حقیقت تسکین یابند که موقعیت یاوه ای که در آن گربه به طور همزمان هم زنده و هم مرده است به طور واقعی در آزمایشگاه قابل بازآفرینی نیست.

و در حالی که در موجودیت های فیزیکی در اندازه اتم ممکن است در یک « ابرمرتبه حالت ها » وجود داشته باشند، موجودیت های بزرگ تر، به خصوص در اندازه یک گربه، که متشکل از میلیاردها اتم هستند، در یک حالت منفرد و معین ثابت می شوند. در نتیجه افرادی که با موضع اینشتین همدلی دارند می توانند مدعی شوند که گرچه خصوصیات غریب کوانتومی ممکن است در جهان زیراتمی مصداق داشته باشند، در دنیای روزمره متشکل از اشیای معمول مثل گربه، کتاب و افراد و... خدا از هر لحاظ تاس نمی اندازد. اما اکنون حتی این دفاع (تاحدی نومیدانه) از شعور عام نیز در خطر سرنگون شدن است.