کوانتوم به زبان ساده

[azimi80]

واژه كوانتوم مترادف با ذرات موج گونه است؛ واژه ای كه در ارجاع به چیزهایی به كار می رود كه واجد هم جنبه ذره ای است و هم موج گونه .فیزیك كوانتوم می گوید كه اتم هیچ محدوده معینی ندارد مگر اینكه مورد مشاهده قرار گیرد.



مقدمه
تا قبل از تولد فیزیك كوانتوم؛ دیدگاه ما نسبت به جهان بر مبنای فیزیك نیوتونی استوار بود. این دیدگاه برای جهان یك ماهیت ماشینی و مكانیكی قائل و معتقد بودجهان قابل پیش بینی است تا حدی كه وجود یا عدم وجود انسان هیچ تاثیری در عملكرد جهان ندارد. باتولد فیزیك كوانتوم و با ورود علم به دنیای درون اتم چیزهایی آنچنان شگفت آور كشف شدند كه جهان بینی انسان نسبت به هستی و نسبت به خودش تغییر كرد. ماهیت ماشین وار جهان جای خود را به عالمی زنده ، آگاه ، غیر قابل پیش بینی و در عین حال كاملاً پاسخگو داد.
فیزیك كوانتوم ذهن و آگاهی انسان را وارد بر واقعیتهای جهان می داند بطوریكه معتقد است بدون وجود انسان واقعیتها یعنی دنیای ماده اینگونه كه مشاهده می شوند، وجود نمی داشتند. و مهمتر از همه نقش سطح آگاهی انسان در تاثیر گذاری بر وقایع جهان از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
از نگاه فیزیك كوانتوم جهان درون اتم بیشتر شبیه سرزمینی سحر آمیز است تا ادامه جهان طبیعی. قلمرویی عجیب كه در آن نیروهای راز آمیز به مثابه چیزهای عادی قلمداد می شود و منطق دنیای ماده در آن جای ندارد.یكی از كشفیات حیرت انگیز فیزیكدان های كوانتوم این بود كه اگر شما ماده را به تكه های كوچك تقسیم كنید، سرانجام به جایی می رسید كه آن تكه ها ، الكترونها ، پروتونها و غیره دیگر حاوی ویژگیهای شیء مادی نخواهند بود. مثلاً ما غالباً الكترون را به مثابه یك گوی كوچك در حال چرخش می پنداریم ، ولی این پندار از حقیقت بسیار دور است. گرچه الكترون گاه چنان عمل می كند كه گویی یك ذره كوچك منسجم است، ولی فیزیكدانها دریافته اند كه الكترون تقریباً واجد هیچ بعدی نیست. درك و تصور این گفته برای اغلب ما مشكل است چون هرچیزی در سطح وجود انسانی واجد بعد است با این حال چنانچه بخواهید عرض یك الكترون را اندازه بگیرید هرگز نمی توانید. چون یك الكترون مثل اشیای معمولی دیگری كه می شناسیم نیست.
كشف دیگر فیزیكدانها این بود كه الكترون قادر است هم به صورت ذره و هم به صورت موج نمود كند كه به نظریه مكمل یا دوگانگی موج – ذره مشهور است. اگر الكترونی را به سوی صفحه تلویزیون خاموش پرتاب كنیم، یك ذره نورانی پدیدار می شود كه از اصابت الكترون به مواد فسفری كه پشت صفحه تلویزیون را فرا گرفته به وجود آمده است. نقطه حاصل از اصابت الكترون بروشنی وجه ذره‌ای ماهیت آن را آشكار می سازد. اما این تنها شكلی نیست كه الكترون قادر است به خود بگیرد. چه الكترون می تواند به توده ابر مانندی از انرژی بدل شود و چنان عمل كند كه انگار موجی است گشوده در فضا. هر گاه الكترون به صورت موج نمود كند، كاری می كند كه از هیچ ذره‌ای بر نمی آید. مثلاً اگر به مانعی كه دو شكاف دارد بر خورد كند، می تواند همزمان از هر دو شكاف گذر كند. هرگاه الكترونهای موج گونه به هم اصابت كنند بی درنگ الگوهای متداخل تولید می كنند. این خصلت دوگانه الكترون را نیز می توان در تمام ذرات زیر اتمی و در همه آن چیزهایی كه تصور می شد تنها به صورت موج متجلی می شوند مانند نور، اشعه های گاما، امواج رادیویی و اشعه ایكس نیز باز یافت و همه اینها می توانند از حالت موج گونه به ذره بدل شوند.
امروزه فیزیكدانها معتقدند كه پدیده زیر اتمی را نمی باید تنها به عنوان موج یا ذره طبقه بندی كرد، بلكه باید به عنوان چیزهایی در نظر گرفت كه همواره به نوعی قادرند هر دو باشند. این چیزها كوانتا ( quanta ) نام دارند و فیزیكدانها معتقدند كه كوانتا در حكم ماده اولیه ای است كه كل جهان از آن به وجود آمده است. (quanta جمع quantum است یك الكترون یك كوانتوم است . چند الكترون مجموعه كوانتاهاست.

واژه كوانتوم مترادف با ذرات موج گونه است؛ واژه ای كه در ارجاع به چیزهایی به كار می رود كه واجد هم جنبه ذره ای است و هم موج گونه .) شاید اعجاب آورتر از همه این باشد و همه شواهد و مدارك هم موید آن است كه كوانتا ( كوانتوم ها) تنها زمانی به صورت ذره نمود می كنند كه ما بدانها می نگریم. برای مثال وقتی كسی به الكترون نگاه نمی كند، آزمایشها نشان می دهند كه همواره موج است. این اصل چه می خواهد بگوید و معنای آن در دنیای اتم و زندگی روزمره ما چیست؟ در واقع فیزیك كوانتوم می گوید كه اتم هیچ محدوده معینی ندارد مگر اینكه مورد مشاهده قرار گیرد. بدون شما ( ناظر) همه اتم ها با سرعتی فوق العاده به درون جهان گسترده می شوند. عمل مشاهده و توجه دقیق است كه گسترش مكانی اتمها را كاهش می دهد و آنها راتبدیل به واقعیتهای ملموس می كند. باز به بیان ساده تر می گوید اتم و الكترونهای اتم كه در یك محدوده مكانی مشخص به دور هسته (ذرات بنیادی) در گردش هستند و ما به آن ماده می گوئیم اگر انسان ( در فیزیك به آن ناظر و مشاهده‌گر گفته می شود) وجود نداشته باشد اتم محدوده مشخص خود را از دست می دهد و الكترونها و ذرات بنیادی تبدیل به موج شده با سرعت زیاد شروع می كنند به دور شدن از یكدیگر و به این ترتیب همه واقعیتهای ملموس ناپدید می شوند.
بنابراین بر خلاف دیدگاه فیزیك نیوتونی ( و آنچه به آن عادت داریم) كه واقعیات (جهان ماده) مستقل از ما هستند در فیزیك كوانتومی واقعیات وابسته به ما هستند. در واقع بدون ذهن ناظر وعمل تفكر هیچ ذره ، هیچ اتم و هیچ جهان مادی وجود ندارد و واقعیت با فعالیت های ذهنی ما ساخته و پرداخته می شود. اگر یك اتم مورد مشاهده قرار نگیرد اتم به اندازه یك میلیاردم از یك میلیارد قسمت یك ثانیه طول می كشد تا گسترده شده و محو گردد. این گستردگی تا آن زمان ادامه می یابد كه آن را مشاهده كنید. فیزیكدانها این محو شدگی را عدم قطعیت می نامند.


نیلز بور (۱۹۶۲-۱۸۸۵)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله ای دارد به این مضمون که:
"اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است."
ما هم در اینجا می خواهیم چیزی را برایتان توضیح دهیم که قرار است نفهمید!

تقسیم ماده:
بیایید از یک رشته‌ی دراز ماکارونی پخته شروع کنیم. اگر این رشته‌ی ماکارونی را نصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنیم و... شاید آخر سر به چیزی برسیم البته اگر چیزی بماند! که به آن مولکولِ ماکارونی می‌توان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ی تقسیم، به مولکول‌های کربن یا هیدروژن یا... بربخوریم.
این وسط، چیزی که به درد ما می خورد یعنی به دردِ نفهمیدن کوانتوم!این است که دست آخر، به اجزای گسسته ای به نام مولکول یا اتم می رسیم.
این پرسش از ساختار ماده که «آجرک ساختمانی ماده چیست؟»، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیک کلاسیک، چنین پاسخ گفته ایم: "ساختار ماده، ذره ای و گسسته است"؛ این یعنی نظریه‌ی مولکولی.

تقسیم انرژی:
بیایید ایده‌ی تقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب تری به کار ببریم، یا فکر کنیم که می توان به کار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخل یک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصف بیرون بدهیم. صوت یک موج مکانیکی است که می تواند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شود. چشمه های صوت معمولاً سیستم های مرتعش هستند.
ساده ترین این سیستم ها، تار مرتعش است، که در حنجره ی انسان هم از آن استفاده شده است. به‌راحتی(!) و بر اساس مکانیک کلاسیک می توان نشان داد که بسیاری از کمیت های مربوط به یک تار کشیده مرتعش، از جمله فرکانس، انرژی، توان و... گسسته (کوانتیده) هستند.
گسسته بودن در مکانیک موجی، پدیده ای آشنا و طبیعی است (برای مطالعه‌ی بیشتر می توانید به فصل‌های ۱۹ و ۲۰ «فیزیک هالیدی» مراجعه کنید). امواج صوتی هم مثال دیگری از کمیت های گسسته (کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند.
مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیک مدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد که جلوتر به آن می رسیم و یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است. پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومی نیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمیت های فیزیکی، همه‌ی مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمیت های گسسته در فیزیک کلاسیک هم وجود دارند. بنابراین، هنوز با ایده‌ی تقسیم کردن و سعی برای تقسیم کردن چیزها می‌توانیم لذت ببریم!

مولکول نور:
خوب! تا اینجا داشتیم سعی می کردیم توضیح دهیم که مکانیک کوانتومی چه چیزی نیست. حالا می رسیم به شروع ماجرا: فرض کنید به جای رشته‌ی ماکارونی، بخواهیم یک باریکه‌ی نور را به طور مداوم تقسیم کنیم. آیا فکر می کنید که دست آخر به چیزی مثل «مولکول نور» (یا آنچه امروز فوتون می‌نامیم) برسیم؟
چشمه های نور معمولاً از جنس ماده هستند. یعنی تقریباً همه‌ی نورهایی که دور و بر ما هستند از ماده تابش می‌کنند. ماده هم که ساختار ذره ای ـ اتمی دارد. بنابراین، باید ببینیم اتم ها چگونه تابش می کنند یا می توانند تابش کنند؟

تابش الکترون:
در سال ۱۹۱۱، رادرفورد (۹۴۷-۱۸۷۱) نشان داد که اتم ها، مثل میوه‌ها، دارای هسته‌ی مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترون‌ها به دور هسته می چرخند. اما الکترون های در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصول الکترومغناطیس، «ذره‌ی بادارِ شتابدار باید تابش کند» و در نتیجه انرژی از دست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. این سرنوشتی بود که مکانیک کلاسیک برای تمام الکترونها پیش ‌بینی می‌کند.
طیف تابشی اتمها، بر خلاف فرضیات فیزیک کلاسیک گسسته است. به عبارت دیگر ، نوارهایی روشن و تاریک در طیف تابشی دیده می‌شوند. اگر الکترونها به این توصیه عمل می‌کردند، همه‌‌ مواد (از جمله ما انسانها) باید از خود اشعه تابش می‌کردند (و همانطور که می‌دانید اشعه برای سلامتی بسیار خطرناک است)، ولی می‌بینیم از تابشی که باید با حرکت مارپیچی الکترون به دور هسته حاصل شود اثری نیست و طیف نوری تابش ‌شده از اتمها بجای اینکه در اثر حرکت مارپیچی و سقوط الکترون پیوسته باشد، یک طیف خطی گسسته است؛ مثل برچسبهای رمزینه‌ای (barcode) که روی اجناس فروشگاهها می‌زنند. یعنی یک اتم خاص ، نه تنها در اثر تابش فرو نمی‌ریزد، بلکه نوری هم که از خود تابش می‌کند، رنگهای یا فرکانسهای گسسته و معینی دارد. گسسته بودن طیف تابشی اتمها از جمله علامت سؤالهای ناجور در مقابل فیزیک کلاسیک و فیزیکدانان دهه‌‌ی 1890 بود.

فاجعه‌ی فرابنفش:
ماکسول (۱۸۷۹-۱۸۳۱) نور را به صورت یک موج الکترومغناطیس در نظر گرفته بود. از این رو، همه فکر می کردند نور یک پدیده‌ی موجی است و ایده‌ی «مولکولِ نور»، در اواخر قرن نوزدهم، یک لطیفه‌ی اینترنتی یا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب می شد. به هر حال، دست سرنوشت یک علامت سؤال ناجور هم برای ماهیت موجی نور در آستین داشت که به «فاجعه‌ی فرابنفش» مشهور شد:
یک محفظه‌ی بسته و تخلیه‌شده را که روزنه‌ی کوچکی در دیواره‌ی آن وجود دارد، در کوره ای با دمای یکنواخت قرار دهید و آن‌قدر صبر کنید تا آنکه تمام اجزا به دمای یکسان (تعادل گرمایی) برسند. در دمای به اندازه‌ی کافی بالا، نور مرئی از روزنه‌ی محفظه خارج می‌شود، مثل سرخ و سفید شدن آهن گداخته در آتش آهنگری. در تعادل گرمایی، این محفظه دارای انرژی تابشی‌ای است که آن را در تعادل تابشی - گرمایی با دیواره ها نگه می‌دارد.به چنین محفظه‌ای «جسم سیاه» می‌گوییم. یعنی اگر روزنه به اندازه‌ی کافی کوچک باشد و پرتو نوری وارد محفظه شود، گیر می‌افتد و نمی‌تواند بیرون بیاید. نمودار انرژی تابشی در واحد حجم محفظه، برحسب رابطه رایلی- جینز در فیزیک کلاسیک و رابطه پیشنهادی پلانک فرض کنید میزان انرژی تابشی در واحد حجمِ 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 ۵۴۶ (طول موج نور زرد) تا ۵۷۸ نانومتر (طول موج نور سبز) دارند؟
جوابِ فیزیک کلاسیک به این سؤال برای بعضی از طول موج‌ها بسیار بزرگ است! یعنی در یک محفظه‌ی روزنه دار که حتماً انرژی محدودی وجود دارد، مقدار انرژی در برخی طول موج‌ها به سمت بی نهایت می‌رود. این حالت برای طول موج‌های فرابنفش شدیدتر هم می‌شود.

رفتار موجی ـ ذره‌ای: [ماکس پلانک]
در سال ۱۹۰۱ ماکس پلانک (Max Planck: ۱۹۴۷-۱۸۵۸) اولین گام را به سوی مولکول نور برداشت و با استفاده از ایده‌ی تقسیم نور، جواب جانانه ای به این سؤال داد.
او فرض کرد که انرژی تابشی در هر بسامد v ــ بخوانید نُو ــ به صورت مضرب صحیحی از h است که در آن h یک ثابت طبیعی ــ معروف به «ثابت پلانک» است. یعنی فرض کرد که انرژی تابشی در بسامد از «بسته های کوچکی با انرژی h» تشکیل شده است. یعنی اینکه انرژی نورانی، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است. البته گسسته بودن انرژی به تنهایی در فیزیک کلاسیک حرف ناجوری نبود‌ (همان‌طور که قبل‌تر در مورد امواج صوتی دیدیم)، بلکه آنچه گیج‌کننده بود و آشفتگی را بیشتر می‌کرد، ماهیت «موجی ـ ذره‌ای» نور بود. این تصور که چیزی مثلاً همین نور هم بتواند رفتاری مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاری مثل «ذره»، به طرز تفکر جدیدی در علم محتاج بود. ذره چیست؟
ذره عبارت است از جرم (یا انرژیِ) متمرکز با مکان و سرعت معلوم.----- موج چیست؟ موج یعنی انرژی گسترده شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلف می‌توانند با هم برخورد کنند، اما امواج با هم برخورد نمی‌کنند، بلکه تداخل می‌کنند . نور قرار است هم موج باشد هم ذره! یعنی دو چیز کاملاً متفاوت.
منبع:http://migna.ir