شنبه 89/2/11  ساعت 7:50 عصر

کوانتوم و نسبیت دوست یا دشمن(قسمت سوم)

کوانتوم و نسبیت دوست یا دشمن(قسمت سوم)

اصل عدم قطعیت
 پلانک و اینشتین به اندازه کافی موجب سردرگمی دانشمندان شده بودنند دانشمندانی که سالیان سال نور را در قالب یک موج می‌دیدند و با این موج هر کاری که می‌خواستند انجام میدانند حال اگر این موج از عهده حل معمای تابش جسم سیاه و اثر فوتوالکتریک برنمی‌آید نیاید اینها چیزهایی نبودند که ستونهای مستحکم دیدگاه موجی نور (تابش) را درهم بریزند ولی شاید دهه بیست قرن گذشته را بتوان زلزله بار ترین سالیان عمر فیزیک دانست در این دهه بود که مکانیک موجی و ماتریسی شرودینگر و هایزنبرگ شکل گرفت و طومار جبر نیوتنی درهم نوردیده شد اصل عدم قطعیت مانند شبحی خواب خوش دانشمندانی چون اینشتین و همکفرانش را آشفته ساخت و ابرهای تیره که بر زوایای پنهان دینای زیر اتمی سایه افکنده بود آرام آرام جای خود را به روشنای آمار و احتمالات سپردنند هر چند که این مبحث جدید از انحرافات چشمگیری نسبت به اصول عقل سلیم برخوردار بود ولی نتایج آن به طرز جالبی با واقعیت ها مطابقت داشت به طوری که اینشتین با تمام مخالفت‌های بنیادی که با این رویکرد جدید علمی داشت  بارها به توانمندی عملی آن اقرار نمود.

گفتیم که ماهیت دوگانه موجی- ذره‌ای هم برای تابش و هم برای ماده وجود دارد و ما نمی‌‌توانیم همزمان به کمک یک آزمایش هم ماهیت ذره‌ای وهم ماهیت موجی یک تابش یاذره ‌مادی رااندازه بگیریم گرچه به سادگی باصرفنظر کردن از یک خاصیت تابش یا ذره مادی می‌توان خاصیت دیگر آن را به دقت سنجید مثلا اگر بخواهیم بدانیم که فوتون از کدام یک از دو شکاف موجود در آزمایش تداخل گذر نموده است(چشم پوشی از ماهیت ذره‌ای فوتون) می‌توانیم بخوبی خاصیت موجی آن را مشاهده کنیم و اگر بدنبال فریزهای تداخلی نباشیم(چشم پوشی از ماهیت موجی فوتون)  می‌توانیم تشخیص دهیم فوتون مورد نظر ما از کدام یک از شکاف ها گذشته است (خصلت ذره‌ای(  این موضوع یعنی دوگانگی موجی –ذره‌ای ((Wave-particle duality)) تابش های الکترومغناطیس و ماده موجب شده است تا با تدبیرزیرکانه هایزنبرگ اصل عدم قطعیت برمبنای آن شکل بگیرید و باب جدیدی را بردنیای زیر اتمی را بگشاید.
در سال 1935 میلادی یوکاوا دانشمند ژاپنی برای توجیه پایداری هسته و به منظور نشان دادن بر هم کنش بین نوکلئون ها ی آن نیرویی پیشنهاد نمود که از بردی در حدود یک فمتومتر(10^-15 متر) برخوردار بود و جرم ذرات میدان که نقش انتقال این نیرو رابر عهده دارند را 200مگا الکترون ولت تخمین زد ذرات پیشنهادی یوکاوا مزون متوسط نامیده شدند چرا که جرم ذره فرضی وا حد واسط بین جرم ذرات شناخته شده سبک الکترون  و نوکلئون های سنگین بود در سال1947 میلادی یعنی دوازده سال بعد یک فیزیکدان انگلیسی به نام سسیل پاول با مطالعه پرتو های کیهانی این مزون را که به پیون معروف است کشف نمود. برد این ذره را می توان به طرز جالبی با استفاده از اصل عدم قطعیت در انرژی بدست آورد بر اساس اصل عدم قطعیت ، یک ذره مجازی تا زمانی که t بزرگتر از آنچه که این اصل مجاز می شمارد نباشد می تواند بوجود آید و برای مدت زمان t دوام داشته باشد انطباق جالب برد ذره مزون P بدست آمده از محاسبات یوکاوا با نتایج حاصل از رابطه عدم قطیعت در انرژی گواهی بر تایید تجربی این اصل می‌باشد. 
 
پیامدهای فیزیک کوانتومی
هر نظریه جدید خواه ناخواه با خود یکسری نگرشهای جدید نسبت به عالم به ارمغان میاورد چنانچه نسبیت جهان کوچک ما ر ا وسعت بخشید وافق محدود عالم ما را تا میلیاردها سال نوری گسترش داد سکون را از عالم ما گرفت و برای خلقت آن، نقطه آغاز متصور گردید زمان مطلق را که ا ز ازل تایم شده بود و قرار بود تا ابد تیک تاک کند را درهم شکست و سرعت‌ها را که فیزیک کلاسیک رها کرده بود سامان داد و درچارچوب سرعت نور مهار کرد فیزیک کوانتومی نیز با خود همانند نظریه نسبیت دیدگاههای جدیدی نسبت به عالم نه با مقیاس نسبیت بلکه در مقیاس بسیار کوچکتر (اتمی و زیر اتمی) ارائه نمود .ما که از دنیای کلان با فیزیک کلاسیک و نسبیت آگاهی رضایت بخشی کسب نمودیم تا قبل از پیدایش مکانیک کوانتومی تنها الکترون و هسته را می‌شناختیم آن هم در حد یک شناخت سطحی ویکسری روابط دست وپا شکسته که اوج آنها روابطی بود که بوهر فیزیکدان دانمارکی با زیرکی از تلفیق فیزیک کلاسیک با اصول موضوعه خود به آنها دست یافت گرچه این روابط طیف حاصل از اتم هیدروژن را به خوبی توجیه می‌کرد ولی عملا برای سایر اتم‌های سنگین‌تر ناکارآمد وبی‌استفاده بود.فیزیک کوانتومی با پیدایش خود سه بمب اتم بر سرعالم فرو ریخت دوتای آنهادر ژاپن و سومی بر تفکر فلسفی فیزیکدانان .برای فیزیکدانانی که صدها سال با جبر نیوتنی یا اصل علیت خوگرفته بودند و وقوع هر معلولی را به یک علت خاص ربط می‌دانند بسیار بغرنج بود که دست از این تفکر بردارند چرا که این تفکر بخوبی با وقایع دنیایی قابل مشاهده منطق بود.گردش زمین تنها معمول نیروی گرانشی است که خورشید برآن وارد می‌کند، انحراف نور ستارگان دور دست از یک مسیر مستقیم، تنها معلول انحنای فضا – زمان است. پدیده تداخل معلول رفتار موجی نور می‌باشد و دامنه این تفکر جبری به جائی رسید که لاپلاس ریاضیدان فرانسوی بیان نمود
که حالت جهان معلول گذشته آن و علت آ‌ینده آن است. این تفکر به ما می‌گوید که با آگاهی از موقعیت کنونی زمین و خورشید نسبت بهم و سرعت چرخش زمین بدور خورشید می‌توان کسوف‌های آینده را دقیقا مشخص نمود حرکت سیارات وحتی ستارگان دنباله دار را با دقت فوق العاده تعیین کرد. بنابراین همه چیز از جبر نیوتنی یا اصل موجبیت یا علیت پیروی می کرد ولی به یکباره پیدایش فیزیک کوانتومی با اصل عدم قطعیتش همه چیز را بهم ریخت وسایه تردید و احتمال را بر دنیای زیر اتمی مسلط ساخت.غیر قابل پیش بینی بودن برخی از وقایع – تاثیر روش های اندازه‌گیری بر روی سیستمهای مورد آزمایش- ناتوانی مطلق دراندازه گیری همزمان متغیرها‌ی مکمل(چون تکانه و مکان ذرات یا خاصیت موجی و ذره‌ای فوتون) از جمله پیامدهای فیزیک کوانتومی بود. این فیزیک جدید به ما می‌‌گوید نمی‌توان با قطعیت مسیر یک ذره‌ای را بادانستن تمامی حالات کنونیش پیش‌بینی کرد، ما هرگز نمی‌توانیم بفهمیم در پدیده تداخل الکترون مورد نظر ما از کدام یک از دو شکاف دستگاه عبور کرده است.فیزیک کوانتومی همانند فیزیک کلاسیک و نسبیت این اجازه را به ما نمی‌دهد که با دانستن حالت کنونی یک سیستم با قطعیت از آینده آن صحبت کنیم.همه جا صحبت ازمیانگین‌ها و احتمال هاست و همین موضوع بود که اینشتین را وادار به بیان این جمله کرد : خدا هرگز تاس نمی‌اندازد ولی آیا طبیعت به راستی فرمانبردار مطلق خداست؟. آیا یک اتم اورانیوم هنگامی متلاشی می‌شود که از خدا فرمان بگیرد؟ و یا یک فوتون هنگام رسیدن به سر دو راهی شکاف‌ها منتظر فرمان خدا می‌ایستد که از کدام یک از شکاف‌ها بگذرد و بهمین خاطر ما قادر به تعیین محل آن نیستیم؟ یا اینکه طبیعت بعد از ساخته شدن توسط خدا رها شده است که ذرات آن هر گونه که دلشان بخواهند رفتار کنند این تفکر که نمی‌توان با قطعیت از رفتار آینده یک سیستم صحبت کرد و این اندازه‌گیری‌ها است که به پدیده‌ها رنگ واقعیت می‌بخشد به تفکر کپنها گیCopenhagen interpretation معروف است که بوهر سردمدار آن بود.این تعبیر از جهان اطراف ما به ما می‌گوید که تصور مکان و تکانه مشخص برای یک ذره همانند الکترون تا موقعیکه اندازه‌گیری نشده‌اند بی معناست در این اندازه گیری شی و دستگاه اندازهگیری توامان نتایج حاصل از اندازه‌‌گیری را مشخص می‌کنند. ولی آیا می‌توان پذیرفت که فرآیند اندازه‌گیری می‌تواند روی جهان تاثیر بگذارد آیا شلیک یک گلوله تا موقعی که گوشی صدای آن را نشنیده است(به عنوان دستگاه اندازه گیری) دارای صدا است آیا یک الکترون دارای بارالکتریکی است یا اینکه این دستگاه اندازه‌گیری است که برای الکترون باری مشخص در نظر می‌گیرد. کوانتوم فرآیند اندازه گیری را مختل کننده و تاثیرگذار فرض می‌کند تا جائیکه بوهر بانی تفکر کپنهاگی بیان می‌دارد که خواصی مانند ماهیت موجی یا ذره‌ای یک فوتون یا الکترون یا بار الکتریکی ، تکانه ، محل و سرعت یک ذره، تا هنگامی که اندازه‌گیری نشده‌اند وجود ندارد یا غیر واقعی هستند به عبارت کلی تر یک سیستم کوانتومی فاقد خواص است .اینشتین به واقعیت عینی معتقد بود،  اینکه جهان فیزیکی مستقل از هر نوع فرآیند اندازه‌گیری است، و به این موضوع ایمان راسخ داشت. به عبارتی او تاثیر گذاری فرآیند اندازه گیری را بر پدیده‌های فیزیکی مردود می‌دانست و معتقد بود که ذرات زیر اتمی دارای وجودی مستقل از اندازه‌گیری هستند براستی آیا فیزیک کوانتوم آن گونه که اینشتین اعتقاد داشت ناقص است؟ ولی نتایج تمام آزمایشات به خوبی با محاسبات فیزیک کوانتومی مطابقت دارند گرچه فیزیک کوانتومی از پیش بینی رفتار یک فوتون یا یک هسته اتم رادیواکتیو به تنهایی عاجز است ولی به خوبی رفتار گروهی این ذرات را پیش بینی می‌کند. فیزیک کوانتومی نه تنها قادر به توصیف رفتار ذرات زیر اتمی است بلکه با تعمیم آن می‌‌توان رفتار اجرام ماکروسکوپی همانند یک توپ تنیس یا یک جسم قابل مشاهده دیگر را تعیین نمود و همین عامل موجب شده است تا فیزیکی کوانتومی را یک نظریه بنیادی که رفتار جهان را توصیف می کند در نظر بگیریم همانند فیزیک کلاسیک و نسبیت.

پیامدهای فلسفی این علم جدید را می‌توان به گردن بوهر انداخت. بوهر به جای تکمیل و رفع نواقص آن که از دید اینشتین و حامیان او( EPR paradox )مطرح می‌گردید با قاطعیت شروع به دفاع فلسفی از این ایده جدید نمود او پدیده تکمیل یا اصل مکملیت( Principle of Complementarity) را که مبتنی بر اصل عدم قطعیت‌هایزنبرگ بود را برای تاثیر اندازه گیری بر سیستم کوانتومی مطرح کرد. بر اساس این اصل، اندازه گیری خاصیتی از یک سیستم است و درهنگام اندازه گیری یک خاصیت از یک سیستم اطلاعات مادر مورد سایر خاص آن سیستم از بین می‌رود مثلا اگر بنا باشد خاصیت موجی نور را اندازه گیری کنیم
اطلاعات ما در مورد خاصیت ذره ای آن به کلی از میان می رود. همچنین در تعبیر کپنهاگی واقعیت تا هنگامی که اندازه‌گیری نشود وجود ندارد بر همین اساس تصور بار و تکانه و… برای یک الکترون تا هنگامیکه این کمیت‌ها اندازه‌گیری نشوند بی‌معنا خواهد بود. 
 
بورقهرمان وارد می شود

در سپتامر1927 بور،پس از ماهها تلاش برای بیان فصیح عقایدش دربا? همه مفاهیم کوانتومی،در کومو، سخنرانی ای برای بهترین فیزیکدانان اروپا به دور از چشم انیشتن ایراد کرد و بور جزئیات اصل مکملیت خود را برای اولین بار بیان کرد.               
                
در اواخراکتبر1927،تنها چند هفته پس از نشست کومو،بور،برای کنفرانس تاریخی سولوی، به هتل متروپل بروکسل وارد شد. انیشتن به دنبال نظریه ای بود که خود چیزها را توصیف کند نه احتمال وقوع آنها را با این همه بور اطمینان داشت که اینشتن تعبیر او را که متکی به آزمایش بود، قبول خواهد کرد.این روشی بود که خود انیشتن برای اثبات نسبیت خاص که عقل سلیم را به چالش می طلبید استفاده کرده بود.
انیشتن به بور می گوید: من نظریه احتمالات را دوست ندارم وبراین باورم راهی که به وسیله بورن، هایزنبرگ و شما دنبال می شود اگر اغراق نباشد راهی موقتی است که برای ارزیابی مقادیر اکتشافی به کار می آید.
انیشتن هر بار با طرح آزمایشات فکری استادانه ای می کوشید که قانون هایزنبرگ را نقض کند، اما هر باربور درطرح اینشتن نقطه ضعفی می یافت و استعدلال او را رد می کرد.
جعبه نور انیشتن
سه سال بعد،در نشست سولوی بحث های بسیار مهمی رخ داد. اینشتن تصور می کرد که سرانجام موردی را یافته است که در آن اصل عدم قطعیت نقض می شود. او جعب? نوری را توصیف می کرد که می گفت در آن هم انرژی یک فوتون منفرد و هم زمان گسیل آن دقیقآ قابل تعیین است. زمان و انرژی صفت دیگری از متغیرهایی هستند که اصل عدم قطعیت تبعیت می کنند.
انیشتن می گوید: ابتدا می توان جعبه را وزن کرد، سپس یک فوتون می تواند در لحظه مشخصی از درون یک پنجره، به وسیله ساعتی که در درون جعبه عمل می کند، آزاد شود. سپس برای دانستن جرم می توان جعبه را بار دیگر وزن کرد. انرژی فوتون را از  رابطه من،[1]
محاسبه کرد.

بنابراین تغییر انرژی به همراه زمان دقیق گسیل فوتون دانسته می شود. و این پایان اصل عدم قطعیت شماست!
آیا بور گیر افتاده بود؟از قرار معلوم قبل از پیدا کردن پاسخ نهایی او هم? شب را بیدار ماند تا چیزی را که در این آزمایش نادرست بود بیابد، صبح روز بعد او طرحی از جعبه انیشتن تهیه کرد. سپس این بور بود که با رد استدلال جعبه نور، انیشتن را متاسف کرد.
بور در این باره می گوید: هنگامی که فوتون آزاد می شود یک عقب نشینی باعث عدم قطعیت در مکان ساعت در میدان جاذبه زمین می شود. این به اقتضای نظزیه نسبیت عمومی انیشتن یک عدم قطعیت متناظر در ثبت زمان ایجاد می کند. قبول دارید یا نه !
استاد نظریه خود را فراموش کرده، اما بور از آن برای محاسبه عدم قطعیتی که رابطه هایزنبرگ پیش بینی می کرد، استفاده کرد.
 
پارادوکسEPR
اما آیا انیشتن تسلیم شد؟
پنج سال بعد،هنگام قدرت گرفتن هیتلر ،انیشتن به همراه دو همکار جوان خود به نامهای (بوریس پودولسکی) و (ناتان روزن) چالش دیگری را برای بور به وجود آوردند که این بار بر اساس اصل عدم قطعیت نبود ، وانیشتن به احترام  همکارانش آن را به عنوان پارادوکسEPR مطرح کرد.
پودولسکی می گوید:به دست آوردن یک جفت ذره ،مثلا الکترون در وضعیت به اصطلاح تک حالت که اسپین آنها یکدیگر را خنثی می کند و اسپین صفر به دست می دهد، امکان خواهد داشت. بیاید فرض کنیم این دو ذرهAوB  از یکدیگر دور شوند، بعد از اینکه اسپین Aدر یک جهت اندازه گیری شد و در حالت بالا یافته شد...
از آنجا که دو اسپین باید همدیگر را به صفر خنثی کنند. در نتیجه ذره B باید در همان جهت اسپین پائین داشته باشد. در فیزیک کلاسیک این به هیچ وجه مسئله ای نیست. شخص نتیجه می گیرد که ذرهB  از لحظه جدایی همیشه اسپین پائین داشته است.
اصل موضعیت
ناتان روزن می گوید:به هر حال طبق CHI ، اسپین A تا قبل از اینکه اندازه گیری شود، مقدار معینی ندارد. در این لحظه یک اثر آنیB باعث کاهش تابع موج اسپین به حالت وارونه می شود. این وضعیت باور نکردنی مستلزم کنش از دور یا انتقال با سرعت بیش از سرعت نور است، که هر دو غیر قابل قبولند.
انیشتن و همکارانش متقاعد شده بودند که وجود متغییرهای پنهانی را اثبات کرده اند که نظریه کوانتوم آنها را نادیده گرفته است. و بنابراین نشان دادن که این نظریه کامل نیست. موضوع مهم برای انیشتن مسئله جدایی، یعنی اصل موضعیت بود.
انیشتن معتقد است که اگر دو سیستم در زمانی از یکدیگر مجزا باشند، اندازه گیری اولی نمی تواند تغییرات واقعی بر روی دومی ایجاد کند. نسبیت خاص مرا فراموش نکنید. هیچ چیز سریعتر از نور حرکت نمی کند.
بور و غیر موضعیت
بور گفت جدایی یا موضعیت مجاز نیست، او بلا فاصله به انیشتن و جهانیان آنچه را که CHI مدعی آن بود یاد آوری کرد. مکانیک کوانتوم جدایی بین مشاهده گر و مشاهده شونده را اجازه نمی دهد. هر دو الکترون و مشاهده گر اجزای یک سیستم هستند. آزمایش EPR نا کامل بودن نظریه کوانتوم را ثابت نمی کند بلکه ساده انگاری فرض موضعیت را در یک سیستم کوانتومی اثبات می کند.
دوستان ودشمنان در یک عکس

 

نقل از :http://hosc.blogfa.com

لیست کل یادداشت های این وبلاگ