فیزیک کوانتومی

نظريه مكانيك كوانتومي نيز به روش هاي فكري كاملا جديدي كه پايه فهم ساختار اتمي و هسته اي اند، منجر مي شود. با اين وجود بعضي از جنبه هاي توصيف كوانتومي طبيعت كاملا جديد نيستند و در حقيقت در فيزيك كلاسيك نيز يافت مي شوند.

تقسيم بندي كميت ها:

در مطالعه دنياي فيزيكي با دو نوع عام از كميت هاي فيزيكي سروكار داريم: كميت هايي كه داراي پيوستاري از مقاديرند «كميت هاي پيوسته). و كميت هايي كه كوانتيده اند. كميت هاي كوانتيده محدود به مقادير گسسته معيني هستند. گاهي آنها را به عنوان كميت هايي كه داراي "اتميسيته" يا "دانه" هستند نيز بيان مي كنند.

برخي كميت هاي فيزيكي پيوسته كلاسيكي يا غير كوانتيده عبارتند از:

سرعت يك ذره آزاد كه مي تواند از صفر تا سرعت نور تغيير كند.

بزرگي اندازه حركت زاويه اي يك ذره كه از صفر تا بينهايت مي تواند هر مقداري را اختيار كند.

انرژي مكانيكي يك دستگاه دو ذره اي ، كه هر گاه اين دو ذره به يكديگر مقيد باشند هر مقدار منفي (Em<0) و هر گاه آزاد باشند هر مقدار مثبتي (Em>0) را مي توانند بپذيرند. كه Em معرف انرژي مكانيكي سيستم مي باشد.

زاويه بين جهت گشتاور دو قطبي يك آهنربا و يك مغناطيس خارجي ، كه مي تواند از 0 تا 180 درجه تغيير كند.

برخي كميت هاي فيزيكي با مقادير كوانتيده عبارتند از:

جرم هاي سكون مشاهده شده اتم ها كه در يك گستره پيوسته قرار نمي گيرند. اين مطلب ابتدا در مطالعات بنيادي تركيبات شيميايي كه به نظريه اتمي دالتون منجر شدند، مشاهده شد.

امروزه جرم اتم هايي كه در طبيعت يافت مي شود بادقت زيادي معلوم شده است. اما جالب است بدانيم كه اين جرم ها تقريبا به نسبت اعداد صحيح اند، نه دقيقاً برابر با آن.

يكي از وظايف فيزيك هسته اي توضيح اين انحراف ها نسبت به اعداد صحيح به كمك چند اصل اساسي است.

بار الكتريكي كوانييده است:

زيرا بار كل هر جسمي دقيقا ً مضرب صحيحي (مثبت يا منفي) از بار الكتريكي بنيادي الكترون (e) است. كوانتومي شدن بار كه به وضوح در مفهوم شميايي ظرفيت و در قوانين الكتروليز آشكار شده بود، به وسيله آزمايش قطره روغن ميليكان به طور مستقيم نشان داده شد. در اين آزمايش بار الكترون مستقيماً اندازه گيري شد(اندازه گيري بار الكترون).

كوانتيدگي فركانس نوسان فيزيك امواج ايستاده:

امواج ايستاده و تشديد كه ظهورات كاملاً برجسته كوانتش در فيزيك كلاسيك هستند. فركانس نوسان يك تار مرتعش تشديد كننده كه دو انتهاي آن ثابت است فقط مي تواند مضرب صحيحي از پايين ترين فركانس يا فركانس اصلي نوسان باشد. فركانس اصلي به نوبه خود با استفاده از خواص فيزيكي و طول تار تعيين مي شود.

اين موج مكرراً از مرزها يا از دو انتهاي ثابت تار رويش باز مي تابد و با خود موج اوليه تداخل سازنده ايجاد مي كند و فيزيك امواج ايستاده توليد مي گردد.

تشديد فقط در صورتي حاصل مي شود كه فاصله بين دو نقطه انتهايي «طول تار) دقيقاً مضرب نصف صحيحي از نصف طول موج باشد. البته فقط وقتي موج داراي گسترش نامتناهي در فضا باشد، فركانس آن دقيقاً تعيين مي شود.

اين استدلال حتي براي موج هايي كه بين مرزهاي بازتابان به دام افتاده اند، نيز معتبر است. زيرا مي توان چنين تصور نمودكه اين فيزيك امواج بينهايت بار برروي خود تاب خورده است.

مثالهاي عام كوانتش كلاسيكي:

يك تاس پرتابي برروي وجوه خود فقط اعداد صحيح 1و2و3و4و5و6 را دارد. اين تاس يكي از مثال هاي روزمره است كه كميت هاي كوانتيده را نشان مي دهند. مثال هاي معروف ديگر عبارتند از:

روي يك سكه ، افراد مردم و تعداد سكه ها

نظريه مكانيك كوانتومي در مورد كوانتش چه مي گويد؟

نظريه مكانيك كوانتومي به مقدار زيادي مبتني بر اين كشف است كه بعضي كميت ها كه در فيزيك كلاسيك پيوسته در نظر گرفته مي شدند، در حقيقت كوانتيده اند. از لحاظ تاريخي آغاز اين نظريه به تعبير شدت تابش الكترومغناطيسي از يك جسم سياه بر حسب طول موج با انتظارات نظري الكترومغناطيس توافق ندارد.

ماكس پلانك تدوين كننده نظريه مكانيك كوانتومي در سال 1900 ميلادي نشان داد كه تجديد نظر در مفاهيم كلاسيكي به كمك كوانتش انرژي منجر به برقراري توافق بين آزمايش و نظريه مي شود و از اين طريق يك پل ارتباطي بين مكانيك كلاسيك و مكانيك كوانتومي ايجاد شد كه با وجود تعارضات فاحش ، تشابهات زيادي نيز باهم دارند.

اینشتین هرگز با كوانتوم آشتى نكرد

هميشه وقتى سخن از اينشتين به ميان مى آيد، ذهن ها متوجه نظريه نسبيت و پيامدهاى انقلابى آن در فيزيك مى شود. اما كمتر كسى اين نكته را به خاطر مى آورد كه اينشتين همانطور كه در اولين انقلاب علمى قرن بيستم يعنى نظريه نسبيت سهيم بود، در انقلاب ديگر يعنى فيزيك كوانتومى نيز نقش بسزايى داشت. حتى جايزه نوبل هم به خاطر مقاله «اثر فوتوالكتريك» كه تاييدى بر كوانتومى بودن نور بود، به او اهدا شد. اما بازى سرنوشت آنگونه شكل گرفت كه يكى از بزرگترين حاميان مكانيك كوانتومى، منتقد تراز اول آن نيز باشد. اين مقاله نگاهى است به واكنش اينشتين نسبت به مكانيك كوانتومى و مباحثات او با فيزيكدانان بانى نظريه كوانتوم به ويژه نيلز بور. هدف توصيف اتفاقاتى است كه در تاريخ كوانتوم افتاده است و تنها در موارد ضرورى مسائل علمى ذكر شده است.

كنگره سولوى

همه چيز از كنگره سولوى شروع شد. بانى اين سرى كنگره ها، يك صنعتگر آلمانى به نام ارنست سولوى بود. او اولين كنگره بين المللى سولوى را كمى قبل از شروع جنگ جهانى اول، در شهر بروكسل برگزار كرد. قرار بر اين بود كه در اين كنفرانس ها حدود 30 نفر از فيزيكدانان برجسته دعوت شوند و بر روى موضوع از قبل تعيين شده اى، بحث و بررسى كنند. از سال 1911 تا 1927 پنج كنگره با اين روش برگزار شد و هر كدام به يكى از پيشرفت هاى فيزيك در آن سال ها اختصاص داشت. معروف ترين كنگره سولوى در سال 1927 و با موضوع فيزيك كوانتومى برگزار شد. در بين شركت كنندگان در اين كنفرانس 9 فيزيكدان نظرى حضور داشتند كه بعد ها همه آنها به خاطر سهم مهمى كه در شكل گيرى نظريه كوانتوم داشتند، برنده جايزه نوبل شدند. ماكس پلانك، نيلز بور، ورنر هايزنبرگ، اروين شرودينگر و... آلبرت اينشتين از جمله آن فيزيكدان ها بودند. اما اينشتين هنگام شركت در كنگره به خاطر نظريه نسبيت و همين طور دريافت جايزه نوبل به قدر كافى مشهور بود. به همين دليل نظر او براى ديگر فيزيكدان ها اهميت زيادى داشت. هنگام برگزارى پنجمين كنگره سولوى يكى، دو سال بود كه از ارائه فرمول بندى شسته رفته اى از مكانيك كوانتومى مى گذشت. ماكس بورن يك فرمول بندى آمارى از مكانيك كوانتومى منتشر كرده بود و هايزنبرگ هم اصل عدم قطعيت (uncertainty principle) خود را مطرح كرده بود. نيلز بور نيز براساس اين دستاوردها تعبير معرفت شناختى خود را از مكانيك كوانتومى پيشنهاد كرده بود كه در ضمن آن ايده مكمليت (complementarity) را نيز معرفى مى كرد. همه اين موارد دلايلى كافى بودند كه اينشتين در تمام طول كنفرانس با بور و هايزنبرگ به بحث بنشيند.

تعبير كپنهاگى

نكته مهم در اصل عدم قطعيت هايزنبرگ اين بود كه، نمى توان مكان و تكانه (يا سرعت) يك ذره را به طور همزمان و به طور دقيق اندازه گيرى كرد. با اندازه گيرى مكان عدم قطعيتى در اندازه گيرى سرعت به وجود مى آيد و بالعكس. با مطرح شدن اين اصل جنجال برانگيز خيلى ها عدم قطعيت را ذاتى طبيعت دانستند و گفتند كه اين مشكل دستگاه اندازه گيرى يا ناظر نيست. به اين ترتيب اصل عليت را زير سئوال بردند، به اين معنى كه وقتى نمى توانيم زمان حال يك سيستم را به طور دقيق بدانيم پس از آينده آن نيز چيزى نمى دانيم و از آنجا كه اين جهل به ذات طبيعت و نه به دستگاه اندازه گيرى مربوط است، روابط على مخدوش مى شود. اين نتيجه گيرى از يك اصل كاملاً فيزيكى يكى از جنبه هاى تعبيرى بود كه بعدها به «تعبير كپنهاگى» از مكانيك كوانتومى معروف شد. از ديگر مولفه هاى تعبير كپنهاگى ويژگى آمارى و احتمالاتى پديده هاى زيراتمى بود. براى مثال اگر ناظرى سرعت ذره اى را در راستاى معينى اندازه گيرى كند، به احتمال X يك مقدار خاص و به احتمال Y مقدار ديگرى را به دست مى آورد. روى دادن هر كدام از اين احتمالات هم كاملاً تصادفى است و هيچ مكانيسمى براى چگونگى اتفاق آنها بيان نمى شود. نكته ديگر تعبير كپنهاگى انكار واقعيت فيزيكى بود، به اين معنا كه فرمول بندى مكانيك كوانتومى تنها واقعيت موجود است. پيش بينى نتايج و كارآمد بودن فرمول بندى كافى است و لازم نيست كه اين فرمول بندى حتماً با يك واقعيت عينى فيزيكى متناظر باشد.

اينشتين بر ضد بور

اينشتين به هيچ وجه نمى توانست زير بار يك چنين تعبيرى برود. او فيزيكدانى بود كه همواره به دنبال كشف طبيعت بود و يك چنين نظريه اى با اين نتايج عجيب و غيرشهودى او را راضى نمى كرد. اينشتين به رئاليسم اعتقاد داشت و نمى توانست بپذيرد كه مشاهده كننده واقعيت يك پديده فيزيكى را تعيين مى كند. او معتقد بود كه فيزيكدان ها به ايده آليسمى از نوع باركلى روى آورده اند كه آنها را سرمست كرده است و از هدف اصلى علم و همچنين فيزيك دور شده اند. به همين دليل بود كه در كنگره سولوى به شدت در مقابل نظريات بور و هايزنبرگ موضع گيرى كرد. هايزنبرگ در خاطرات خود مى نويسد: «همه بحث ها در سر ميز غذا شكل مى گرفت و نه در تالار كنفرانس و بور و اينشتين كانون همه بحث ها بودند. بحث معمولاً از سر ميز صبحانه شروع مى شد و اينشتين آزمايش فكرى جديدى كه گمان مى كرد اصل عدم قطعيت را رد مى كند، مطرح مى كرد. پس از بحث هاى بسيار در طول روز، بور سر ميز شام به اينشتين ثابت مى كرد كه آن آزمايش هم نمى تواند اصل عدم قطعيت را خدشه دار كند. اينشتين كمى ناراحت مى شد، اما صبح روز بعد با يك آزمايش فكرى ديگر كه پيچيده تر از آزمايش قبلى بود، از راه مى رسيد. پس از چند روز پاول اهرنفست فيزيكدان هلندى كه دوست اينشتين بود گفت: من به جاى تو خجالت مى كشم، استدلال هاى تو در برابر مكانيك كوانتومى شبيه استدلال هايى است كه مخالفانت در برابر نظريه نسبيت مى آورند.» اينشتين با اين آزمايش هاى فكرى مى خواست وجود ناسازگارى در مكانيك كوانتومى را نشان دهد تا بتواند آن را رد كند، اما موفق نشد. او هميشه مى گفت نمى تواند قبول كند كه خدا شير يا خط بازى مى كند. او معتقد بود اگر خدا مى خواست تاس بازى كند اين كار را به طور كامل انجام مى داد و در آن صورت ما ديگر مجبور نبوديم به دنبال قوانين طبيعت بگرديم، چرا كه ديگر قانونى نمى توانست وجود داشته باشد. جواب بور به تمامى اين جملات نغز اين بود كه: ما هم وظيفه نداريم براى خدا در اداره كردن جهان تعيين تكليف كنيم. به اين ترتيب بور در پنجمين كنگره سولوى توانست از سازگارى منطقى تعبير كپنهاگى دفاع كند. اما بحث هاى اينشتين و بور به ششمين كنگره سولوى در سال 1930 نيز كشيده شد و باز هم اينشتين نتوانست نتيجه اى بگيرد. پس از آن تلاش كرد كه ناقص بودن مكانيك كوانتومى را نشان دهد.

اينشتين، پودلسكى و روزن

اينشتين در ادامه تلاش هايش براى اثبات ناقص بودن تعبير استاندارد مكانيك كوانتومى، مقاله اى را در سال 1935 با همكارى پودلسكى و روزن منتشر كرد. اين مقاله با عنوان «آيا توصيف مكانيك كوانتومى از واقعيت فيزيكى مى تواند كامل باشد؟» بعدها با نام اختصارى EPR معروف شد. آنها در مقاله شان سعى كردند كه با يك آزمايش فكرى نشان دهند عناصرى از واقعيت وجود دارند كه در توصيف كوانتومى وارد نشده اند و بنابراين مكانيك كوانتومى ناقص است. طبق نظر اينشتين نظريه اى كامل است كه هر عنصرى از واقعيت فيزيكى مابه ازايى در آن داشته باشد. چهار ماه بعد، بور در مقاله اى با همان عنوان آزمايش EPR را رد كرد و نشان داد كه استدلال آنها مغالطه آميز است.اما اين پايان ماجرا نبود. نه اينشتين و نه بور، هيچكدام راضى نشده بودند. اينشتين تا پايان عمرش در سال 1955 همچنان مشكلات مكانيك كوانتومى را يادآورى مى كرد. در مورد بور هم معروف است عكسى كه از تخته سياه او درست يك روز قبل از مرگ او گرفته شده، شامل طرح آزمايشى است كه در سال 1930 مورد بحث او و اينشتين بوده است. اينشتين هيچ گاه مكانيك كوانتومى را نپذيرفت و در بهترين حالت قبول كرد كه اين نظريه، فقط يك نظريه موقتى است كه كامل نيست و فيزيكدانان بايد به دنبال نظريه اى ديگر باشند. نظريه اى كه هم به عليت و هم به رئاليسم مقيد باشد و در عين حال زيبا و ساده نيز باشد