شکل فوق: ورنر هایزنبرگ یکی از بزرگان مکانیک کوانتوم و بیان کننده اصل عدم قطعیت
مکانیک کوانتوم چیست؟ خلاصه ای از نظریه کوانتوم برای عموم
رامین صادقی - دانشیار پزشکی هسته ای
مکانیک کوانتوم یکی از دو انقلاب بزرگ در علم فیزیک مدرن بود. اولی یا نسبیت اینشتین در واقع حد اعلاء فیزیک کلاسیک بود. ولی مکانیک کوانتوم و نظریات مرتبط با آن، دنیای علم و فلسفه آنرا به کلی تغییر داد و پایانی بود بر فیزیک کلاسیک.
مکانیک کوانتوم را مانند نسبیت اینشتین همه ما روزانه داریم استفاده میکنیم و از آن بهره میبریم ولی اصول ریاضی آن بسیار پیچیده است و در حد فهم افراد عادی بدون تحصیلات فیزیک یا ریاضی نیست.
در این پست بنده سعی کرده ام تا با بیان نظریه کوانتوم و تبعات آن برای عموم، این نظریه را برای تمام عزیزان فارسی زبان علاقمند در دسترس تر بسازم.
حیطه عمل مکانیک کوانتوم
مکانیک کوانتوم قسمتی از فیزیک است که در مورد رفتار ماده و ارتباط آن با انرژی در اندازه های در حد اتم و اجزای آن سر و کار دارد. در واقع مکانیک کوانتوم با بینهایت ریزها در طبیعت سر و کار دارد و قوانین کلاسیک فیزیک در مورد این اجزاء اتمی کاربردی ندارند.
ماکس پلانک و ابداع کوانتوم
پدیده ای در الکترومغناطیس وجود دارد که نشان میدهد انرژی هر موج الکترومغناطیس با طول موج آن رابطه دارد. ماکس پلانک، پدر علم کوانتوم برای توجیه آن بالاخره مجبور شد که بیان کند
انرژی حاصل از گرم شدن یک جسم جامد سیاه به صورت بسته بسته منتقل میشود. این بسته های انرژی را ماکس پلانک کوانتوم نامید. در واقع در هر طول موج امکان انتقال انرژی به هر میزان وجود ندارد و انرژی به صورت بسته های با اندازه مشخص منتقل میشود
آلبرت اینشتین و کشف فوتون: کوانتوم سازی نور
بدنبال ابداع مفهوم کوانتوم، البرت اینشتین در یکی از پیشتازترین اظهار نظرهای فیزیک قرن بیستم را بیان کرد
وقتی نور از جایی به جای دیگر منتقل میشود نمیتواند به هر میزان به صورت مداوم انتقال یابد و باید به صورت تکه تکه (کوانتا) منتقل شود
به این ترتیب اینشتین در واقع کاشف فوتون بود و به دلیل کار پیشتازش در فیزیک کوانتوم جایزه نوبل گرفت (جالب است که به خاطر تئوری نسبیت جایزه نوبل به او تعلق نگرفت و همواره از این موضوع شاکی بود). فوتون در واقع واحد ارسال کننده انرژی الکترومغناطیس در جهان هستی است از اشعه ایکس گرفته تا نور و مادون قرمز و گرما و الخ.
در نهایت به همت دو بزرگ فیزیک یعنی اینشتین و پلانک فرمول زیر که رابطه انرژی یک فوتون را با فرکانس آن بیان میکند به ثمر نشست
E=hv,
h=Planck constant-E=Energy- v=frequency
ثابت پلانک در فرمول در فیزیک مدرن بسیار اساسی است و وجود آن در هر فرمول نشانه دخالت فیزیک کوانتوم است. البته هنوز نتایج شگفت آور مکانبک کوانتوم در حال کشف بود
ورنر هایزنبرگ، ادوین شرودینگر، ماکس بورن و تولد مکانیک کوانتوم مدرن: کوانتوم سازی ماده
به دنبال کارهای پیشتاز دی بروگلی در اتریش، فیزیکدانان به این نتیجه رسیده بودند که ذرات بنیادین اتم مانند الکترون در واقع به صورت موج هم میتوانند عمل کنند. در نهایت در هزار و نهصد و بیست و پنج دانشمندان فوق الذکر فرمول بندی مکانیک مدرن کوانتوم را بنا نهادند که نتایج آن به شرح زیر است
دوگانگی موج-ذره و آزمایش دوشکاف
طبق مکانیک کوانتوم، اجزاء اتم مانند الکترون و نیز فوتونها هم به صورت ذره رفتار میکنند و هم به صورت موج. نمونه واضح آن نور است که همه با خاصیت دوگانه آن آشنا هستیم. اما مساله در مورد اجسامی مانند الکترون که جرم دارند کمی دور از ذهن است. آزمایش مشهور زیر این پدیده شگفت آور را نشان میدهد
در آزمایش دو شکاف یک تولید کننده الکترون، در هر زمان یک الکترون به سمت یک دیواره با دو شکاف پرتاب میکند. جالب اینجاست که در واقع الکترون پرتاب شده از هر دو شکاف گذشته و به صورت تداخل امواج بر روی دیوار روبرو خود را نشان میدهد. یعنی به عبارت دیگر جسمی مانند الکترون در آن واحد از هر دو شکاف گذشته و با خودش تداخل داشته است!!!! لطفا به شکل زیر دقت کنید
مکانیک کوانتوم یکی از دو انقلاب بزرگ در علم فیزیک مدرن بود. اولی یا نسبیت اینشتین در واقع حد اعلاء فیزیک کلاسیک بود. ولی مکانیک کوانتوم و نظریات مرتبط با آن، دنیای علم و فلسفه آنرا به کلی تغییر داد و پایانی بود بر فیزیک کلاسیک.
مکانیک کوانتوم را مانند نسبیت اینشتین همه ما روزانه داریم استفاده میکنیم و از آن بهره میبریم ولی اصول ریاضی آن بسیار پیچیده است و در حد فهم افراد عادی بدون تحصیلات فیزیک یا ریاضی نیست.
در این پست بنده سعی کرده ام تا با بیان نظریه کوانتوم و تبعات آن برای عموم، این نظریه را برای تمام عزیزان فارسی زبان علاقمند در دسترس تر بسازم.
حیطه عمل مکانیک کوانتوم
مکانیک کوانتوم قسمتی از فیزیک است که در مورد رفتار ماده و ارتباط آن با انرژی در اندازه های در حد اتم و اجزای آن سر و کار دارد. در واقع مکانیک کوانتوم با بینهایت ریزها در طبیعت سر و کار دارد و قوانین کلاسیک فیزیک در مورد این اجزاء اتمی کاربردی ندارند.
ماکس پلانک و ابداع کوانتوم
پدیده ای در الکترومغناطیس وجود دارد که نشان میدهد انرژی هر موج الکترومغناطیس با طول موج آن رابطه دارد. ماکس پلانک، پدر علم کوانتوم برای توجیه آن بالاخره مجبور شد که بیان کند
انرژی حاصل از گرم شدن یک جسم جامد سیاه به صورت بسته بسته منتقل میشود. این بسته های انرژی را ماکس پلانک کوانتوم نامید. در واقع در هر طول موج امکان انتقال انرژی به هر میزان وجود ندارد و انرژی به صورت بسته های با اندازه مشخص منتقل میشود
آلبرت اینشتین و کشف فوتون: کوانتوم سازی نور
بدنبال ابداع مفهوم کوانتوم، البرت اینشتین در یکی از پیشتازترین اظهار نظرهای فیزیک قرن بیستم را بیان کرد
وقتی نور از جایی به جای دیگر منتقل میشود نمیتواند به هر میزان به صورت مداوم انتقال یابد و باید به صورت تکه تکه (کوانتا) منتقل شود
به این ترتیب اینشتین در واقع کاشف فوتون بود و به دلیل کار پیشتازش در فیزیک کوانتوم جایزه نوبل گرفت (جالب است که به خاطر تئوری نسبیت جایزه نوبل به او تعلق نگرفت و همواره از این موضوع شاکی بود). فوتون در واقع واحد ارسال کننده انرژی الکترومغناطیس در جهان هستی است از اشعه ایکس گرفته تا نور و مادون قرمز و گرما و الخ.
در نهایت به همت دو بزرگ فیزیک یعنی اینشتین و پلانک فرمول زیر که رابطه انرژی یک فوتون را با فرکانس آن بیان میکند به ثمر نشست
E=hv,
h=Planck constant-E=Energy- v=frequency
ثابت پلانک در فرمول در فیزیک مدرن بسیار اساسی است و وجود آن در هر فرمول نشانه دخالت فیزیک کوانتوم است. البته هنوز نتایج شگفت آور مکانبک کوانتوم در حال کشف بود
ورنر هایزنبرگ، ادوین شرودینگر، ماکس بورن و تولد مکانیک کوانتوم مدرن: کوانتوم سازی ماده
به دنبال کارهای پیشتاز دی بروگلی در اتریش، فیزیکدانان به این نتیجه رسیده بودند که ذرات بنیادین اتم مانند الکترون در واقع به صورت موج هم میتوانند عمل کنند. در نهایت در هزار و نهصد و بیست و پنج دانشمندان فوق الذکر فرمول بندی مکانیک مدرن کوانتوم را بنا نهادند که نتایج آن به شرح زیر است
دوگانگی موج-ذره و آزمایش دوشکاف
طبق مکانیک کوانتوم، اجزاء اتم مانند الکترون و نیز فوتونها هم به صورت ذره رفتار میکنند و هم به صورت موج. نمونه واضح آن نور است که همه با خاصیت دوگانه آن آشنا هستیم. اما مساله در مورد اجسامی مانند الکترون که جرم دارند کمی دور از ذهن است. آزمایش مشهور زیر این پدیده شگفت آور را نشان میدهد
در آزمایش دو شکاف یک تولید کننده الکترون، در هر زمان یک الکترون به سمت یک دیواره با دو شکاف پرتاب میکند. جالب اینجاست که در واقع الکترون پرتاب شده از هر دو شکاف گذشته و به صورت تداخل امواج بر روی دیوار روبرو خود را نشان میدهد. یعنی به عبارت دیگر جسمی مانند الکترون در آن واحد از هر دو شکاف گذشته و با خودش تداخل داشته است!!!! لطفا به شکل زیر دقت کنید
در جهان کوانتومی ذرات ، یک ذره در یک لحظه واحد میتواند از دو، سه، چهار و هزاران سوراخ بگذرد. چراکه در واقع تمام ذرات از الکترون گرفته تا فوتون نور، موج هم هستند
ماهیت احتمالی مکانیک کوانتوم و اصل عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ
مکانیک کوانتوم بیان میکند که یک ذره کوانتومی مانند الکترون عملا مکان مشخصی ندارد. میتواند در یک لحظه در نزدیک شما و در همان لحظه دور از شما باشد. در واقع ماهیت ذرات کوانتومی، احتمالی بودن آنهاست. ما فقط میتوانیم بگوییم که احتمال وجود یک ذره در یک نقطه چقدر است. این احتمال را با دقت بالا ما میتوانیم محاسبه کنیم ولی اینکه در حال حاضر آن ذره کجاست مشخص نیست.
در جهان کوانتومی، خصوصیات ذرات کاملا اتفاقی است. مکان، چرخش و هرگونه خاصیت یک ذره کوانتومی کاملا رندوم است و فقط احتمال آن قابل محاسبه است.
در نهایت ورنر هایزنبرگ اصل عدم قطعیت مشهورش را بیان کرد: شما یا مکان یک ذره یا سرعت یک ذره را میتوانید با دقت بالا محاسبه کنید. هرچه دقت شما برای مکان بیشتر باشد برای سرعت دقت کمتر میشود و بالعکس. فرمول زیر در واقع نشان دهنده اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است.
ماهیت احتمالی مکانیک کوانتوم و اصل عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ
مکانیک کوانتوم بیان میکند که یک ذره کوانتومی مانند الکترون عملا مکان مشخصی ندارد. میتواند در یک لحظه در نزدیک شما و در همان لحظه دور از شما باشد. در واقع ماهیت ذرات کوانتومی، احتمالی بودن آنهاست. ما فقط میتوانیم بگوییم که احتمال وجود یک ذره در یک نقطه چقدر است. این احتمال را با دقت بالا ما میتوانیم محاسبه کنیم ولی اینکه در حال حاضر آن ذره کجاست مشخص نیست.
در جهان کوانتومی، خصوصیات ذرات کاملا اتفاقی است. مکان، چرخش و هرگونه خاصیت یک ذره کوانتومی کاملا رندوم است و فقط احتمال آن قابل محاسبه است.
در نهایت ورنر هایزنبرگ اصل عدم قطعیت مشهورش را بیان کرد: شما یا مکان یک ذره یا سرعت یک ذره را میتوانید با دقت بالا محاسبه کنید. هرچه دقت شما برای مکان بیشتر باشد برای سرعت دقت کمتر میشود و بالعکس. فرمول زیر در واقع نشان دهنده اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است.
در جهان کوانتومی، شما هیچ چیز را دقیق نمیتوانید محاسبه کنید. این به علت خطای دستگاههای شما نیست بلکه جهان کوانتومی چنین است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در واقع پایانی بود بر ادعای قابلیت پیشبینی جهان به صورت کاملا دقیق.
بر اساس اصل عدم قطعیت، علم توانایی محاسبه کاملا دقیق هیچ چیز را ندارد و همواره مقداری عدم قطعیت وجود دارد، مهم نیست که شما چقدر دستگاه های محاسباتی پیشرفته داشته باشید. آنچه ما پیشبینی میکنیم احتمال یک اتفاق است و لا غیر.
مهم نیست شما چقدر شرایط یک آزمایش را مشابه در نظر بگیرید با تکرار آزمایش در شرایط کاملا مشابه، نتایج متفاوت خواهد بود!!!!! این مساله چیزی است که آلبرت اینشتین را ناراحت میکرد او همواره میگفت "خدا تاس نمی اندازد" چرا که معتقد به دقت مطلق علم بود
یکی از نتایج شگفت آور اصل عدم قطعیت ایجاد ماده از هیچ است. بر اساس اصل عدم قطعیت شما در آن واحد نمیتوانید انرژی یک نقطه از فضا را دقیقا صفر محاسبه کنید پس عملا در فضای کاملا خالی از هیچ (دقیقا هیچ یعنی حتی انرژی هم وجود ندارد) ذرات ماده و ضد ماده ایجاد میشوند و سپس به انرژی تبدیل میشوند. ایجاد ماده و انرژی از هیچ، هم برای خداشناسان و هم افراد لامذهب بسیار جالب بوده است و هر دو گروه آنرا دلیل صحت نظرات خود میدانند.
اثر مشاهده گر بر دنیای کوانتومی و فروریختن خاصیت موجی ذرات هنگام مشاهده
در جهان کوانتومی هر گونه تداخل عمل جهان بزرگ ماکروسکوپیک ما با جان کوانتوم موجب فروریختن خاصیت موجی ذرات و تبدیل آنها به ذره میشود. این تداخل میتواند آشکارسازی نور باشد و یا میتواند برخورد با یک دیوار. شکل زیر را دقت کنید همان آزمایش دو شکاف است ولی این بار یک مشاهده گر الکترون را در دهانه شکافها آشکار میکند در این صورت الکترون تبدیل به ذره شده و از یک سوراخ میگذرد نه از هر دو شکاف. اینکه از کدام بگذرد کاملا "تصادفی" است.
.
آشکارسازی ذرات کوانتومی باعث فروپاشی خاصیت موجی میگردد. این یعنی شما با هر تعامل با جهان اطراف آنرا تا حدی تغییر میدهید یا به عبارت دیگر مشاهده گر بر روی مشاهده شونده اثر میگذارد.
به این ترتیب سفر به گذشته و بعد بازگشت به زمان حال بدون هیچ تغییری عملا غیر ممکن است. هر گونه مشاهده شما در زمان گذشته، عملا جهان را تا حدی تغییر میدهد و این تغییر معلوم نیست تا زمان حال چه وضعتی را به وجود آورد
تئوری میدان کوانتومی پل دیراک و الکترودینامیک کوانتومی فینمن
در نهایت به همت دو بزرگ ذکر شده یعنی دیراک و فینمن میدانهای الکترومغناطیسی به صورت تئوری کامل کوانتومی در آمد یعنی نیروی الکترومغناطیس که یکی از نیروهای بنیادی طبیعت است و تئوری میدان آن کاملا با تئوری کوانتوم تبیین شد
ادغام الکترودینامیک کوانتومی / تئوری کوانتومی نیروهای ضعیف هسته ای و کرومودینامیک کوانتومی
در دهه هفتاد پروفوسور عبدالسلام و دو دانشمند دیگر توانستند الکترودینامیک کوانتومی و تئوری کوانتومی نیروهای ضعیف هسته ای را با هم ادغام کنند. به این ترتیب دو نیروی بنیادین طبیعت با هم با یک تئوری میدان کوانتومی تبیین شد.
سپس چندین دانشمند دیگر توانستند نیروهای قوی هسته ای را نیز به صورت تئوری میدان کوانتومی کرومودینامیک تبیین کنند.
در حال حاضر سه نیروی بنیادین طبیعت: الکترومغناطیس، نیروهای ضعیف هسته ای و نیروهای قوی هسته ای با تئوری کوانتوم تبیین شده اند. اگر نیروی آخر یعنی جاذبه را در نظر نگیریم میتوانیم بگوییم که جهان یعنی تعداد بیشماری میدان که با قوانین کوانتوم با هم در حال تعامل هستند و در فضا-زمانی که با نسبیت خاص تبیین میشود پراکنده اند
تئوری ریسمانها و سایر تئوریهای جدیدتر در حال حاضر برای رسیدن به یک تئوری میدان کوانتومی است که بتواند جاذبه و نسبیت عام را هم درخود جای دهد. باید در آینده منتظر موفقیت فیزیکدانان در این زمینه باشیم
روشهای تفسیر مکانیک کوانتوم و تئوری جهانهای موازی
آخرین مبحث مربوط به جهانهای موازی است. موارد ذکر شده فوق همه ناشی از نوعی تفسیر از مکانیک کوانتوم است به نام تفسیر کپنهاگی از مکانیک کوانتوم که توسط نیلز بوهر و هایزنبرگ تبیین شد.
روشهای دیگری هم برای تفسیر اثرات کوانتومی هست که یکی از معروفترین آنها جهانهای موازی است. جهانهای موازی یعنی به تعداد احتمالات کوانتومی جهان موازی وجود دارد و ما هنگام مشاهده و آشکارسازی یک ذره کوانتومی در واقع یکی از جهانها را آشکار میکنیم.
باید دانست در نظریه جهانهای موازی امکان تعامل و سفر بین جهانها وجود ندارد پس اصولا تمام داستانها و فیلمهای موجود در زمینه جهانهای موازی نادرست است. شما امکان ندارد در جهانی باشید و بتوانید از جهان موازی دیگر اطلاعات کسب کنید. این تئوری فقط یک نوع تفسیر از اثرات کوانتومی است.
حیف دیدم بزرگان مکانیک کوانتوم را در یک تصویر با هم نبینیم. تصویر زیر از کنفرانس پنجم سلوی است. هر کدام از دانشمندان زیر برای افتخار یک ملت کافی هستند.
A. PiccardE. HenriotP. EhrenfestE. HerzenTh. de DonderE. SchrödingerJ.E. VerschaffeltW. PauliW. HeisenbergR.H. FowlerL. Brillouin
P. DebyeM. KnudsenW.L. BraggH.A. KramersP.A.M. DiracA.H. ComptonL. de BroglieM. BornN. Bohr
I. LangmuirM. PlanckM. Skłodowska-CurieH.A. LorentzA. EinsteinP. LangevinCh.-E. GuyeC.T.R. WilsonO.W. Richardson
کمی از جدیت در آییم
موارد زیر همه جنبه شوخی دارند و فقط برای فهم بهتر هستند.
اگر مادر شوهر یا مادر زن شما یک ذره کوانتومی باشد
الف- زیاد زحمت نکشید تا محل او را بیابید، او در آن واحد در همه جا حضور دارد
ب- او در آن واحد میتواند در خانه همه عروسها یا دامادهایش باشد
ج- او در آن واحد میتواند از هزاران در باز (و حتی بسته) بگذرد و حتی میتواند با خودش قاطی شود و تداخل کند
د- اما لحظه ای که او را ببینید دیگر خاصیت موجی اش از بین میرود و تبدیل به یک مادر زن یا مادر شوهر ذره ای میگردد. اگر از مادر زن یا مادر شوهر خود ناراحتید اصلا چشمان خود را برای دیدن او باز نکنید: مشاهده او یعنی خروج او از تمام دیگر نقاط و بیخ ریش شما بند شدن
و- شما نمیتوانید حرکات، سرعت، میزان پول، قد، وزن، یا تعداد املاکش را با دقت کامل محاسبه کنید. هرچه انجام دهید باز هم مقداری سورپرایز برای شما دارد. طبق اصل عدم قطعیت البته
منبع - .linkedin
