روابط بين اشيا در جهان اتمى

روابط بين اشيا در جهان اتمى

احمدرضا همتى مقدم
http://www.hupaa.com/Data/Pic/P00447.jpg
اوايل قرن بيستم مصادف با دو انقلاب بزرگ در نظريه هاى فيزيكى بود، يعنى مكانيك نسبيت و مكانيك كوانتوم. با شروع قرن بيستم مشخص شد كه فيزيك كلاسيك نيوتنى و ماكسولى قادر به پاسخگويى به مشكلاتى كه در بررسى اشيا و با اندازه هاى اتمى رخ مى دهد نيست. اما تا دهه 1920 هيچ نظريه اى قادر نبود به خوبى مسائل حوزه اتمى را تبيين كند. در سال ،1927 «هايزنبرگ» تلاش كرد حالت و تكانه يك الكترون را محاسبه كند. «هايزنبرگ» نشان داد انجام آزمايشى كه با آن بتوان حالت و تكانه يك الكترون را محاسبه كرد ناميسر است. از طرف ديگر هر محاسبه اى كه انجام دهيم، به سبب اختلافى كه ابزار محاسبه گر به وجود مى آورد، تقريبى خواهد بود. او استدلال كرد نه تنها عملاً محاسبه كردن امكان پذير نيست، بلكه به لحاظ نظرى نيز انجام محاسبه به طور دقيق ناميسر است. اما قبل از هايزنبرگ دانشمندان ديگرى در رشد و تكامل نظريه او سهيم بودند. يكى از اين دانشمندان «ماكس پلانك» بود. پژوهش هاى وى در خصوص تابش جسم سياه (جسمى كه همه پرتوهاى تابيده شده را جذب مى كند) نشان داد كه تابش انرژى به صورت جريانى متصل گسيل نشده بلكه گسيل آن در بسته هاى جداگانه موسوم به «كوانتوا» است (quanta). او با اين كشف توانست معادله اى را كه در جست وجوى آن بود صورت بندى كند يعنى hV = E كه «V» بسامد نور و «h» ثابت پلانك است كه عددى بسيار كوچك است و پيوسته در فرمول هاى فيزيك قرن بيستم تكرار مى شود.

اينشتين نيز در نظريه نسبيتش كار پلانك را مبنا قرار داد و تبيين نور بر حسب كوانتوم ها را يكى از اصول موضوعه بنيادى نظريه اش قرار داد. او با كشف اثر «فتوالكتريك» به رشد نظريه كوانتوم يارى رساند. اينشتين پى برد كه نور مركب از ذراتى به نام «فوتون» است. هنگامى كه جريانى از فوتون ها گسيل مى شوند تا به يك صفحه فلزى برخورد كنند الكترون هايى كه صفحه فلزى از آنها ساخته شده است كنده شده و آزاد مى شوند. در سال 1925 نيز «دوبروى» اعلام داشت الكترون ها ذره نيستند بلكه منظومه هايى از امواج اند. «شرودينگر» اين نظريه را گسترش داد و اعلام كرد نه فقط الكترون ها، بلكه فوتون ها، اتم ها و تمام مولكول ها را مى توان به منزله امواج دانست. «هايزنبرگ» در اين سال ها وارد صحنه مى شود. وى نشان داد با توجه به نوع معادله اى كه استفاده مى شود فيزيكدان ها مى توانند كوانتوم هاى نور را ذرات يا امواج محسوب كنند. او در تلاش هايش براى تعيين حالت و تكانه يك الكترون به اين نتيجه رسيد كه دشوارى اى كه در چنين محاسبه اى وجود دارد اين است كه الكترون كوچك تر از يك موج نورى است. چون براى مشاهده الكترون بايد از ميكروسكوپ استفاده كرد و هنگام استفاده از ميكروسكوپ از يك چشمه نور هم استفاده خواهيم كرد. چون بنابر اثر فوتوالكتريك اينشتين، فوتون هاى نور در حالت الكترون ها اختلال ايجاد مى كند در نتيجه در محاسبه حالت و تكانه يك الكترون با دو مشكل روبه روييم:

اول آنكه از هر نورى استفاده كنيم در حالت الكترون اختلال ايجاد مى شود و اگر از پرتوهاى گاماى راديوم استفاده كنيم چون آنها هم بسامد بالا دارند و هم موج هايى با طول موج هاى كوتاه تر از نور، در نتيجه در حالت الكترون اختلال ايجاد مى كنند. به اين ترتيب محاسبه حالت و تكانه الكترون عملاً و نظراً غيرممكن است. اين نظريه كوانتوم جديد به سرعت در حوزه عمل نيز موفقيت خود را ثابت كرد هم در شرح پديده هايى مانند پايدارى اتم ها و هم در پيش بينى جزئيات كمى مانند طول موج و شدت نورى كه اتم ها در هنگام تحريك گسيل مى كنند. در مكانيك كلاسيك نيوتنى، حالت يك سيستم در يك زمان خاص كاملاً با داشتن مكان و تكانه هر يك از اجزاى سازنده آن، مشخص مى شود. در نظريه مكانيك كلاسيك، معادلات حركت مى توانند تغيير حالت سيستم را مشخص كنند. لااقل در مورد سيستم منزوى ساده حل اين معادلات حالت سيستم را در همه زمان هاى بعدى مشخص مى كنند. با توجه به حالت اوليه و نيروهاى عمل كننده بر آن، مكانيك كلاسيك نظريه موجبيتى است. رفتار زمان هاى آينده سيستم منحصراً به وسيله حالت فعلى تعيين مى شود. در اين حالت يك مشاهده ايده آل حالت سيستم نه تنها موقعيت و تكانه دقيق هر يك از اجزاى سازنده آن را در يك زمان خاص تعيين مى كند بلكه پيش بينى حالت آينده دقيق آن را نيز ممكن مى سازد. اگرچه مكانيك كوانتوم از همان كميت هاى ديناميكى استفاده مى كند با اين حال براى سيستمى كه در مورد آن اعمال مى شود (مانند الكترون) حالتى را كه در آن همه كميت ها مقدار دقيقى داشته باشند مشخص نمى كند. در عوض حالت يك سيستم منزوى به وسيله يك مفهوم رياضى انتزاعى نشان داده مى شود. به طور نمونه يك تابع موج يا به طور كلى تر يك بردار حالت (بردارى كه از يك nتايى تشكيل شده است كه تعدادى ورودى و تعدادى خروجى دارد). اين بردار فقط نشان مى دهد كه يك اندازه گيرى از هر كميت ديناميكى سيستم با چه احتمالى، مقدارى مشخص را پيدا مى كند و هيچ يك از اين احتمالات نمى تواند معادل با يك يا صفر باشد. به علاوه هيچ تلاشى براى تعيين حالت اوليه سيستم از طريق اندازه گيرى كميت هاى ديناميكى نمى تواند اطلاعاتى بيش از آنچه يك بردار حالت به ما مى دهد فراهم كند. به طور كلى هيچ اندازه گيرى يا حتى تعيين نظرى حالت فعلى سيستم نمى تواند در چارچوب نظرى مقاديرى را كه در اندازه گيرى هاى يك كميت دلخواه ديناميك در زمان هاى بعدى مشاهد مى شوند، تعيين كند.

در اين معنا، نظريه مكانيك كوانتوم «غيرموجبيت گرايانه» است. مكانيك كوانتوم در دهه 1920 بحث هاى داغى را ميان فيزيكدانان ايجاد كرد كه در نهايت به «تفسير كپنهاگى» انجاميد. تفسير كپنهاگى به صورت كلى بيان مى كند كه كامل ترين توصيف يك سيستم در يك زمان معين تنها از نظر احتمالاتى پيش بينى رفتار آتى آن را ممكن مى سازد. اين تفسير كپنهاگى اشاره بر اين دارد كه جهان غيرموجبيتى است. آيا اين سخن به معناى نفى عليت است؟ عليت واژه مبهمى است. اگر عليت به اين معناست كه پديده هاى تكرارپذير قوانين طبيعى را تاييد مى كنند پس مكانيك كوانتوم نفى عليت نيست حتى اگر اين نظريه دلالت بر اين داشته باشد كه جهان نهايتاً غيرموجبيتى است. اگر عليت معادل با موجبيت (نظريه اى موجبيت گرايانه است كه آگاهى معين درباره رويدادهايى معين در زمان و مكان خاصى بدهد) است، پس عليت در چنين جهانى ناتوان است. اما آيا عليت مى تواند در يك جهان غيرموجبيتى وجود داشته باشد؟ اين سئوال و سئوالاتى مشابه بحث هاى دقيق فلسفى را ايجاد كرده است كه تا به امروز محل نزاع فيلسوفان است.