دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی هیجدهم:
دنیای شگفت انگیز کوآنتومی[۱]
نظریه ی اتُمی بوهر پیش زمینه ی مُهمی شد تا مَوادِ شیمیاییِ در دسترس مورد پژوهش قرار گیرند.
- نخستین جُستار بوهر پیرامونِ دنیایِ فیزیکیِ ما در ابعادِ اتمی و کوچک تر از اتم یا زیرِ اتمی[۲] بود.
- مطالعه ی گردش و حرکتِ اجسام در ابعادِ جهش هایِ کوآنتومی در علم فیزیک، مکانیکِ کوآنتومی[۳] نامیده می شود.
- از آنجا که هیچ انسانی طبیعت را در آن ابعاد تجربه نمی کند و حس های ما قادر به چنین کاری نیستند برداشت هایِ شهودی و الهامی ما در ابعادِ اتمی بی استفاده اند و بهتر آن است که در چنین حوزه ای پیش اِنگاشت های خود را در مورد چگونگی کارکردِ دنیا فراموش کنیم.
نخستین واقعیتِ غیر اِلهامی و غیرشهودی[۴] در مورد فرآیندهای ابعادِ اتمی چنین است که همه ی مقدارهایِ قابلِ اندازه گیری در بسته هایی که (اتم مقداری) “کوانتا” خوانده می شوند انجام می پذیرند.[۵]
- فیزیکدانِ آلمانی ماکس پلانک[۶] (۱۸۵۸-۱۹۴۷) در سال ۱۹۰۰ برای اولین بار ایده یِ “کوانتا” (اتم مقداری) را مورد استفاده قرار داد تا طیفِ الکترومغناطیسیِ اشعه های گسیل شده از اجسامِ سیاه[۷] را توضیح دهد. اجسامِ سیاهِ “ایده آل” برای او اجسامی هستند که همه ی اشعه ی الکترومغناطیسی گسیل شده را در خود جذب می کنند. اما قوانینِ ترمودینامیک می گویند که چنین انرژی ای باید به شکلِ دیگری به محیطِ آن اجسام بازگشت داشته باشد. طیفِ چنین انرژیِ گسیل شده ای موضوع مطالعهی پلانک و دیگر فیزیکدان های اواخر قرن ۱۹ شد.
- پلانک مشاهده کرد هرچه یک جسم سیاه جذب نور بیشتری داشته باشد، به همان اندازه هم گسیل مندی حرارتی آن بیشتر است. بنابراین او نتیجه گیری کرد که همه ی اجسام سیاه دقیقا یکسان عمل کرده و شیوه ی تشعشع یکسانی دارند.
- او این پدیده را اتم مقداری (کوانتایی) خواند. واژهی کوانتوم در مکانیک یا فیزیک کوانتومی از فرضیه ی کوانتومی پلانک به ما رسیده است.
- نظریه های کلاسیک که به انرژی به عنوان پیوستار یا تداومی از طول موج ها می نگریستند میزان انرژی ساطع شده از طولِ موج های کوتاه تر را اغلب بیش از اندازه ی آن ها تخمین می زدند[۸].
- پلانک مطرح کرد که انرژی در گام هایی ناپیوسته یا غیرمتداوم[۹] و در بسته هایی کوانتایی (quanta اتم مقداری) در حرکت است.
- او گفت که میزانِ انرژی ای را که موجی الکترومغناطیسی حمل می کند برابر است با حاصلضرب فرکانس در عددی ثابت (که امروزه عدد ثابت پلانک[۱۰] نامیده می شود: E=hv که در آن معادله h=6.63 x 10-۳۴ ژول ثانیه است .
- عدد ثابت پلانک بقدری کوچک است که برای نوشتن آن نیاز به ۳۳ صفر داریم قبل از اینکه به عدد ۶ برسیم.
- فرکانس هر نوری ضربدر عدد ثابت پلانک میزان انرژی کوآنتومی آن را محاسبه می کند.
- روزی که پلانک معادله ی خود را به اثبات رساند به پسر خود گفت: ” امروز کشفی به اهمیت کشف نیوتن کردم.” و البته امروز مشروعیت بیانیه ی او کاملا به حق است.
- با چنین معادله ای او موفق شد میزانِ دقیقِ انرژی برای اجسامِ سیاه کالبد را بدرستی تخمین بزند. سال ها بعد یعنی در سال ۱۹۱۸ پلانک برای مجموعه ی پژوهش های اش جایزه ی نوبل گرفت.
در سال ۱۹۰۵ اینشتین نظریه یِ پلانک را در بررسی خود پیرامونِ اثر پدیده ی فتوالکتریکی[۱۱] که در آن نور می تواند الکترون ها را از برخی فلزات آزاد سازد ثابت کرد.[۱۲]
- جنبه ی شگفت انگیزِ پدیده ی فتوالکتریک این است که سرعت فتوالکترون هایِ آزادشده مستقل از شدتِ نور است اما همان سرعت برای طول موج های کوتاه تر (فرکانس های بالاتر) افزایش می یابد.
- اینشتین فرضیه ی پلانک در مورد اینکه امواجِ نور حاملِ انرژی هستند را در فرمولِ خود E=h x nu محاسبه کرد و نشان داد که انرژیِ جنبشیِ الکترون ها با انرژیِ نوری پلانک همسان[۱۳] بود.
نظریه ی اتمی بوهر که در سال ۱۹۱۳ مطرح شد ایده ای که اتم ها در بسته بندی هایِ “کوانتایی” در حرکت اند را تقویت کرد.
- جرم همیشه به نحوی “کوانتایی” (اتم مقداری) است[۱۴]. نیمه الکترون یا نیمه اتمی هم وجود ندارد.
- انرژی هم در سطوحِ مشخصِ انرژیِ الکترون ها در هر اتمی “کوانتایی” است و گسیل مندیِ الکترومغناطیسی هم همیشه در واحدهایِ مشخصی که فوتون نامیده می شوند وجود دارد.
- بارِ الکتریکی هم همیشه در میزان هایی یک پارچه و جدایی ناپذیر[۱۵] موجود است.
- در بیشترِ موارد این تاثیراتِ کوآنتومی دنیای کلان ما را به نحوی مشهود تحت تاثیر قرار نمی دهند اما در ابعادِ میکروسکوپی و خُرد، این تاثیرات همیشه موجودند.
کوآنتایی شدن دنیایِ اتمی بدین مفهوم است که اندازه گیریِ هر جسمی، جسمِ اندازه گیری شده را باید تغییر دهد.
- هر اندازه گیری نیازمند سه چیز است: نمونه یا چیزی برای اندازه گیری، منبع انرژی زا و نوعی دستگاهِ ردیاب.[۱۶]
- منبع انرژی زا – نور، گرما، یا انرژی ای جنبشی – برای مثال می باید با نمونه یا جسمِ اندازه گیری شونده درهم کنشی داشته باشد.
- دستگاهِ ردیاب درهم کنشِ انرژی با آن نمونه را اندازه گیری می کند.
برای روشن شدنِ نکاتِ بالا اشاره به چند مثال سودمند است.
- هنگامیکه بوسیله ی میکروسکوپ به نمونه ای نگاه می کنیم، منبعِ نور آن نمونه را روشن تر می کند و با چشمانِ خود که نوعی دستگاهِ ردیاب است نمونه را مشاهده می کنیم.
- هنگامیکه پلیس سرعتِ ماشین شما را با دستگاهِ رادار اندازه گیری می کند، ماشینِ شما نمونه ی اندازه گیری شونده است، امواجِ میکروموجیِ رادارِ پلیس منبع انرژی اند و گیرنده ی میکروموجیِ پلیس دستگاه ردیاب است.
- دستگاه های شتاب دهنده یِ غول آسایی[۱۷] که دانشمندان فیزیکِ ذره ای موردِ استفاده قرار می دهند ابزارهایِ بسیار پیچیده ای هستند که تابه یا پرتوی از ذراتِ کوچک تر از اتم یا زیرِاتمی را به عنوانِ نمونه در معرضِ انرژی جنبشیِ ذراتی دیگر میگذارند و درهم کنشِ آنها را ردیابی می کنند.
در ابعادِ اتمی کوچکترین مقیاسِ انرژی[۱۸] فوتون است که با درهم کنشِ با اتم می باید حالت، موقعیتِ مکانی یا وضعیتِ اتم را تغییر دهد. این وضعیت مانند این است که در اتاقی کاملا تاریک توپ بولینگی را قِل بدهیم تا در اثر شنیدنِ صدای برخورد آن با دیگر توپ ها موقعیتِ مکانی آنها را پیدا کنیم.
فیزیکدان آلمانی وِرنِر هایزنبرگ[۱۹] (۱۹۰۱-۱۹۷۶) وضعیتِ پیچیده یا بغرنجِ اندازه گیری در ابعادِ کوانتومی[۲۰] را در محاسباتی ریاضی به اثبات رساند که امروزه به اصلِ عدمِ قطعیت[۲۱] مشهور است[۲۲].
- او گفت که نمی توان در ابعادِ اتمی وضعیتِ مکانیِ دقیق[۲۳] و سرعتِ اجسام را به نحوی هم زمان اندازه گیری کرد.
- او ثابت کرد که هرچه اندازه گیریِ یکی دقیق تر و با قطعیتی بیشتر باشد، دیگری نادقیق تر، دلبخواهی و با قطعیتی کمتر است.
- اصلِ عدمِ قطعیت بدین مفهوم است که برای وقایعِ ابعادِ کوانتومی ما تنها می توانیم از احتمالات استفاده کنیم.
- از آنجا که ما با تعدادِ بی شماری از الکترون ها روبرو هستیم تنها احتمالات می توانند به نحوی درست تر عملکردِ الکترون ها را در سیستم های الکترونیکی تشریح و توصیف کنند.
فیزیکدان ها متوجه شدند که هنگامی هم که از احتمالات برای حلِ مسایل در ابعادِ اتمی استفاده می کنیم الکترون ها یا به شکل ذره و یا به شکل موج پدیدار می شوند. پس به راستی الکترون ها کدام اند؟
- یکی از راه ها برای پاسخ این بود که الکترون ها را به سوی دو شکافِ مویین بسیار باریک و موازی باهم[۲۴] سویه داده و پرتاب کنند.
- هنگامیکه اجسامِ کروی[۲۵] (در این مورد الکترون ها) به سویِ دو شکافِ موازی باهم پرتاب می شوند، یا از اولی و یا از دومی عبور می کنند و یا بر اثرِ برخورد با دیواره های کناری دو شکاف بازمی گردند.
- اما هنگامیکه امواجِ صدا و یا آب با دو شکافِ موازی برخورد می کنند در آنسویِ شکاف طرحِ مشخصی را از تداخل و درهم آمیزی یا درهم شدگی[۲۶] نشان می دهند.
این آزمایش بارها و بارها انجام شد. وقتیکه الکترونی به نحوی انفرادی به شکاف ها پرتاب می شود در آنسوی شکاف ها نقطه ی مشخصی بر روی مثلا یک فیلمِ عکاسی بجا می گذارد که نشان از ذره بودنِ الکترون دارد اما هنگامیکه آنها بصورتِ جمعی به شکاف ها پرتاب می شوند طرحِ تداخلی ای کاملا موج گونه بجا می گذارند. نتیجه اینکه الکترونها موج–ذرهاند[۲۷] که نوعی دوگانگی است.
این دوگانگیِ موج–ذرهایِ الکترون ها با نظریه یِ اتم های بوهر که صحبت از مدارهایِ مشخصی با سطوحِ متفاوتِ انرژی در اتم ها می کند همخوانی دارد.
اگر به الکترون به مثابه یک ذره بنگریم سپس می توانیم با استفاده از معادلاتِ حرکتِ نیوتن مدارِ احتمالی ممکن آنرا (مانند مدار احتمالی ممکن ماه یا ستارگانِ دیگر) محاسبه کنیم.
- برای اینکه ستاره ای مداری ثابت داشته باشد باید نیرویِ گرانش یا جاذبه بر آن ستاره با نیروی سرعتِ حرکتِ مداری[۲۸] آن در توازن باشد.
- بهمین ترتیب هم برای اینکه الکترونی مداری ثابت داشته باشد میباید نیرویِ بارِ منفی سرعتِ حرکتِ الکترونی آن با نیروی بار مثبتِ پروتونی هسته ی مرکزی آن اتم در توازن باشد.
اما اگر الکترون را به صورتِ موج بنگریم می باید آن موج شکلِ مداری ای دایره وار[۲۹] داشته باشد.
- امواج عموما با هر طولِ موجی امکان پذیر هستند. اما برایِ امواجِ در مدارهای مدور، تعدادِ کامل رئوسِ امواج در هر مدار، شماری ثابت و کامل و مشخص (نه کسری[۳۰]) و نتیجتاً در هر مدار طول موجی ثابت دارند.
- این یعنی اینکه در هر مدارِ دایره وار ما نیاز به تعدادِ مشخصی از رئوسی کامل (نه کسری) از امواج الکترونی داریم.
مدارهایِ الکترونی در اتم های هیدروژن در آزمایشاتِ مختلف هر دو خصوصیتِ ذره ای و موجیِ الکترون ها را نشان داده اند. معادلات و راه حل هایِ ریاضی مدارهایِ نظریه یِ اتمی بوهر، الکترون ها را هم به صورتِ ذره و هم به شکلِ موج ثابت می کنند.
دنیای کوآنتومی از هر آنچه ما در دنیایِ معمولی تجربه می کنیم شگفت انگیزتر و متفاوت تر است. اهمیتِ علم در این است که بر اساس مشاهدات و شواهد، دنیا را آنگونه که هست توضیح می دهد، نه آنگونه که می پنداریم که باید باشد.
اگر استعاره هایِ روزمره در تعاریفِ دنیای کوآنتومی کافی نیستند علم استعاره های نوینی را برای توضیحِ دنیا می آفریند.
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
subatomic
quantum mechanics
non-intuitive
Trefil, J.S. and Hazen, R.M. The Sciences, An Integrated Approach, 2nd Edition. Chapter 8. New York: Wiley, 1997.
Max Planck
black body
Overestimate
discontinuous steps
Planck’s Constant
photoelectric effect
Wolfson, A. Einstein’s Relativity and the Quantum Revolution. Chantilly, VA: The Teaching Company, 2005.
matched
mass is quantized
integral
A sample, a source of energy and a detector
giant particle accelerators
smallest increment of energy
Werner Heisenberg
dilemma of quantum-scale measurements
Uncertainty Principle
Cassidy, D. The Life and Times of Werner Heisenberg. New York: Freeman, 1992.
exact position
parallel pair of narrow slits
spherical objects
specific pattern of interference
Wavicles as a wave-particle duality
orbital velocity
circular orbit
integral number of wave crests
————————————————————–
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستمها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراوردههای نوین میباشد. در این سلسله از مقالات و فایلهای صوتی کوشش میکنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.