مقدمه ای برای مکانیک کوانتومی

هروقت علم در جایی به بنبست برخورد کرده و نتوانسته پدیده ها را با علمی که دارد توجیه کند علم کاملتر و دیقتر شده، مکانیک کوانتمی هم دقیقا در زمانی که مکانیک کلاسیک متوانست بعضی از پدیده های طبیعی را توجیه کند شکل گرفت و در واقع مکانیک را کاملتر و جامعتر کرد.
مکانیک کلاسیک در مورد چرایی و چگونگی حرکت اجسامی به جرم وحجمی که برای بشر قابل درک و رئیت است ، میپردازد. وقتی بشر به حدی از تکامل علمی رسید که به بررسی حرکت ذرات ریزی مثل الکترون و پروتون و فوتون و . . . پرداخت به تناقضی فاحش بین تجربه و نظریه مکانیک کلاسیک برخورد و بر آن شد تا با اصلاح کردن و فرضیات مناسب در جنبه نظری هم به نتایج تجربی دست پیدا کند تا بتواند به پیشگویی پدیده ها بپردازد. بر این اساس مکانیک کوانتوم قدیم بیان شد که با پذیرفتن سینماتیک و اصلاح دینامیک مکانیک کلاسیک توانست برخی از پدیده ها مثل گسسته بودن طیفهای تابشی اتمها و اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون و توجیه جسم سیاه بپردازد ولی این نظریه ایرادهایی داشت ، از جمله آنها : منسجم نبود و در مدارهای باز حرفی برا گفتن نداشت و آهنگ گذار را پیشگویی نمی کرد و . . . به همین دلیل عمر زیادی نداشت و جای خود را به مکانیک کوانتوم جدید داد.
همانطور که میدانیم در توجیه پدیده فوتوالکتریک انیشتن با در نظر گرفتن نور بصورت بسته های انرژی یا ذراتی بنام فوتون توانست جایزه نوبل را دریافت کند. در واقع نور خاصیت دوگانه ای دارد ، در برخی از آزمایشات مثل دوشکاف یانگ فقط با در نظر گرفتن حالت موجی نور مطابقت دارد و با ذره ای بودن نور در تناقض است و در برخی دیگر از پدیده ها مثل فوتوالکتریک نور باید ذره ای در نظر گرفته شود تا این پدیده توجیه شود و با موجی بودن نور در تناقض است.
نور واقعا موج الکترومغناطیس است یا ذره؟؟؟
مکانیک کوانتوم جواب این سوال را به خوبی میدهد. در واقع بین این دو خاصیت یک ارتباطی برقرار میکند و بیان میکند که نور به هیچ وجه نه موج کلاسیک است ونه ذره کلاسیک .
تعریف ذره کلاسیک: ذره ای که ما با دانستن مکان و سرعت اولیه و با آگاهی داشتن از نیروهایی که بر آن وارد میشود میتوانیم مکان و سرعتش را در لحظات بعدی بدانیم(قانون دوم نیوتن)
موج کلاسیک: موج در واقع انرژی را منتقل میکند و در فضا پخش میشود ، مثل امواج صوتی که انرژی آنها با مجذور دامنه رابطه دارد روی محیط یک کره که در حال بزرگتر شدن است تقسیم میشود تا جایی که در اثر زیاد شدن محیط کره و ثابت ماندن انرژی صوتی صدا ضعیفتر شده تا دیگر قابل درک نیست .
فوتون ذره کلاسیکی نیست چون ما اصلا نمیتوانیم مسیر آنرا مشخص کنیم و موج کلاسیکی نیست چون توسط آزمایشاتی مشخص شده که انرژی نور پخش نمیشود.
ارتباطی که مکانیک کوانتوم بین ذرات غیر کلاسیکی و امواج غیر کلاسیکی برقرار کرده که البته با واقعیت همخوانی دارد به این گونه است که مجذور دامنه امواج غیر کلاسیکی در واقع احتمال حضور ذرات غیر کلاسینیققا بیان میکند یعنی در جایی که شدت بیشتر است (شدت با مجذور دامنه رابطه مستقیم دارد) اگر تعداد زیادی ذرات غیر کلاسیکی داشته باشیم (در همه آزمایشات ما با تعداد زیادی از این ذرات سرو کار داریم) تعداد بیشتری از این ذرات به آن نقطه برخورد میکنند و در جایی که شدت صفر است احتمال حضور درات در آنجا صفر است یعنی هیچ ذره ای به آن نقطه برخورد نمیکند.
مکانیک کوانتوم فقط با احتمالات سرو کار دارد و بیشترین اطلاعاتی که در کوانتوم ما میتوانیم بدست آوریم احتمال حالتهای مختلف است.
ذرات غیر کلاسیکی موجودات عجیبی نیستند بلکه فقط ذراتی هستند که جرم بسیار بسیار کمی دارند مرتبه جرم آنها 30-^10 کیلوگرم است . در تمام فرمولهای مکانیک کوانتوم اگر جرم را درحد اسام قابل لمس برای انسان مثل توپ یا جعبه یا . . . بگذاریم همان نتایج مکانیک کلاسیک بدست می آید. شاید روزی مجبور شویم که این نشان دهنده کاملتر و جامعتر بودن فیزیک کوانتوم است.
آقای دوبروی بر اساس تقارنی که در طبیعت وجود دارد حدس زد که چون امواج مثل نور خاصیت ذره ای دارند حتما ذره ها هم خاصیت موجی دارند و ارتباط بین این دو خاصیت را به این صورت بیان کرد که اندازه حرکت ذره با عکس طول موج و انرزی ذره با بسامد موج رابطه دارد. وجود این امواج توسط دیویسون و گرمر بصورت تجربی اثبات شد و از طرفی وقتی یک باریکه ای از الکترونها را به بلور نیکل میتابانیم پدیده پراش رخ میدهد که پراش خاصیت امواج است پس ذرات هم خاصیت موجی دارند و به امواجی که به ذرات نسبت داده میشود امواج مادی میگویند که مجذور دامنه آنها همان احتمال حضور را به ما میدهد.
بحث مکانیک کوانتوم بسیار فراتر و شیرین است و من فقط با این مقدمه خواستم علاقه مندان را ترغیب به مطالعه در این زمینه کنم مباحث بسیار جالبی در مکانیک کوانتوم است مثلا ما هیچ وقت نمی توانیم سرعت و مکان ذره را همزمان اندازه گیری کنیم یا میتوانیم بفهمیم که چرا هر چه دما پایین می آید انرژی جنبشی صفر نمیشود یا با پدیده تونل زنی و خیلی مباحث متنوع دیگری میتوانیم آشنا شویم .
برای مطالعه بیشتر میتوانید به کتابهای زیر یا هر کتاب دیگری که در مورد مکانیک کوانتوم است مراجعه کنید. در این زمینه تعداد کتابها بسیار است و هر کدام به یک جنبه از این مباحث پرداختند.
الف)فیزیک کوانتومی. نوسته:استفان گاسیرویچ و ترجمه : محی الدین شیخ الاسلام.
ب)فیزیک کوانتومی . نوشته:ویچمان و ترجمه:حسین فلسفی.