کوانتوم و نسبیت دوست یا دشمن(قسمت دوم)
ه نظر می رسد که ایده اساسی نظریه کوانتوم غیر ممکن بودن تصور یک کمییت انرژی،
مجزا از پیوند آن با فرکانس خاص است.
اگر چه درک دقیق فرکانسی در رابطه اینشتین مشکل است...
E=hf
انرژ ی برابر است با ثابت پلانک ضرب در فرکانساما این مفهوم در واقعه یک روند چرخه ای درونی را
هنگامی که دوبروی تز دکترای خود را تحت عنوان«تحقیقاتی دربارهُ کوانتوم » ارائه داد. ایده های حیرت انگیز آن باع شگفتی هیئت آزمون دانشگاه پاریس شد. ویکی از اعضای این هیئت پل لنژوین بود که خوشبختانه یک نسخه تکمیل شده از تز دوبروی را برای انیشتن فرستاد .انیشتن پس از برسی تز دوبروی در تماسی با هنریک لورنتز او را نیز در جریان قرار داد. وچنین گفت که: من معتقد هستم نظریه دوبروی اولین پرتو ضعیف نور را بر معماهای فیزیکدانان می افکند.
انیشتن با هیئت آزمون بحث عمیقی کرد و هیئت آزمون تز دکترای دوبروی را پذیرفت.دوبروی می گوید که:
هنگامی که یک الکترون در اتم حرکت می کند موج وابسته به آن ایستا است یعنی به فرم موج ایستاده مانند موجی در طول سیم ویلون که دو طرف آن ثابت شده است. در این شرایط همان طور که هر دانشجویی موسیقی به خوبی می داند تنها فرکانس های مشخص و پیوسته-فرکانس های اصلی و هارمونیک های آن- تولید می شوند.
این درست همان چیزی است که بور در سال1913 در طرح اتم هیدروژن خود به آن نیاز داشت. با جا دادن تعداد صحیحی موج الکترون در اتم و استفاده از روابط دوبروی بور می توانست توجیه نظری کاملی برای کوانتومی بودن مدارها ارائه دهد.
با چنین رساله دکترایی انتظار می رفت که دوبروی پاپیش گذارد و بسیاری از مسائل فیزیک را حل کند. ولی در واقع،او هیچ کار مهم دیگری در علم طی باقی مانده عمر خود انجام نداد.
در واقع این آقای شرودینگر بود که در زوزیخ،وبین سالهای1925-1926، آرای مبهم دوبروی دربارهُ امواج الکترون را از نظر ریاضی به طور دقیق و منسجم به ضابطه در آورد که برای تمامی الکترونها یا هر ذرهُ دیگر در اتم یا مولکول کاربرد داشت. به علاوه، شرودینگر توانست نشان دهد که مکانیک موجی او با مکانیک ماتریسی هایزنبرگ برابر است، از راه ریاضی هریک را از دیگری می توان به دست آورد.
سال 1926 سال تعیین کننده برای مکانیک کوانتومی بود اروین شرودینگر با طرح مکانیک موجی خود و ورنرهایزنبرگ با ارائه مکانیک ماتریسی سنگ بنای این علم نوین را بنا نهادنند، شرودینگر با تدوین مکانیک موجی توانست تابع موج یک ذره مانند الکترون را به کمک معادله خود مشخص کند این تابع موج تا حدود زیادی از اصل موجبیت یا جبر نیوتونی پیروی میکرد.
ماباحل معادله شرودینگرمیتوانستیم با تعیین نیروی وارد برذره الکترونتابع موج آن ذره را که رفتار آینده آن رامشخص میکند بدست بیاوریم این تقریبا شبیه آن چیزی است که فیزیک کلاسیک برای پیش بینی رفتار یک ذره یا موج به کمک قوانین نیوتن یا معادلات ماکسول با دانستن وضعیت کنونیش به دست میآورد بود. معادله شرودینگر که برای تعیین رفتار موجی ذره درنظر گرفته شد معجونی از فیزیک کلاسیک ونظریههای جدید (که صحت آنها به کمک آزمایش تایید گردید) بود در این معادله اصل پایستگی انرژی ماهیت دوگانه ذرهای - موجی ماده بر اساس فرض دوبروی اصل برهم نهی امواج نظیر امواج صوتی و الکترومغناطیس رعایت شده است این معادله مستقل از زمان و یک بعدی است مجذور تابع موج به ما کمک میکند تا بتوانیم موقعیت یک ذره مانند الکترون را با احتمال بسیار زیاد در محل معینی از فضا تعیین کنیم.کاری که شرودینگر انجام داد شبیه کاری بود که نیوتون و ماکسول انجام دادند و آن قراردادن وقایع مشاهده شده در یک چارچوب ریاضیاتی بود نیوتون و ماکسول تنها برای مسائلی که مشاهده میشدند قانون وضع نمودنند و این قوانین به خوبی کار خود را انجام میدادند شرودینگر نیز با استفاده از مفاهیم جدید و تازه کشف شده و با ترکیب آنها با یافتههای پیشین توانست یک قالب به صورتیکه ناقص اصل علیت نباشد برای آنها تدوین نماید ولی این هایزنبرگ بود که به کلی بنیان این اصل را درهم ریخت و رابطه علت و معلولی را که پیش از این برای رویدادهای فیزیکی تدوین شده بود به عدم قطعیت و تردید مبدل نمود. اصل عدم قطعیت یکی از جنجالی ترین اصول مکانیک کوانتومی است این اصل بیان میدارد تعین دقیق مکان و تکانه (اندازه حرکت) یک ذره به طور همزمان غیر ممکن است و حاصل ضرب این عدم قطعیتها در مکان و اندازه حرکت ذره همواره کمتر یا مساوی 1.05*10-34 ژول ثانیه است. کوچکی این مقدار به ما میگوید که باید در ذرات زیر اتمی بدنبال عدم قطعیت باشیم نه در ذرات ماکروسکوپی و بزرگ گرچه آنان نیز از اصل عدم قطعیت پیروی میکنند ولی مقدار آن در مقابل اندازه جسم چنان ناچیز است که قابل صرفنظر کردن میباشد مثلا یک توپ بیس بال به جرم 145 گرم که با سرعت 5/42 متر برثانیه حرکت میکند در صورتی که بتوان سرعت آن را با دقت یک درصد اندازه گرفت تکانه آن از عدم قطعیتی معادل 6.16*10-2 کیلوگرم در متر برثانیه و بدنبال آن مکان نیز از عدم قطعیت مکان 1.7*10-33 متر(چیزی در حدودهزار میلیارد میلیارد میلیاردیم یک میلیمتر) برخوردار خواهد بود که نسبت به اندازه توپ بیس بال بسیار بسیار ناچیز میباشد. ولی در مورد فوتون و ذرات بنیادی و زیر اتمی دیگر جایز نیست که ما از عدم قطعیتها در مکان و تکانه چشم پوشی کنیم چرا که مقدار عدم قطعیت ها درمقابل اندازه ذره چشمگیر و قابل توجه میباشد.اگر در آزمایش پراش، قطر روزنه که فوتون از آن میگذرد را بعنوان عدم قطعیتدرمکان ذره وپهنای نقش پراش که روی پرده ایجاد می شود را به عنوان عدم قطعیت در تکانه و اندازه حرکت فوتون بدانیم در صورتی که بخواهیم عدم قطعیت در مکان ذره را کاهش دهیم تا با اطمینان بیشتری از مکان فوتون آگاهی یابیم باید قطر روزنه راکم وکمتر کنیم ، در اینجا ما اگر بتوانیم ذرات را مشاهده کنیم با برخورد آنها به پرده میتوانستیم اندازه حرکت آنها را نیز بدست بیاوریم ولی همین کوچک کردن قطر روزنه یا شکاف موجب میشود پهنای نقش پراش که بیانگر جنبه موجی نور است افزایش یابد ، ظهور این ماهیت از ماده ما را در تعیین اندازه حرکت ذر ه با یک عدم قطعیتی گریز ناپذیر روبرو میکند که برای برطرف کردن آن باید از پهنای نقش پراش بکاهیم برای اینکار باید قطر روزنه یا شکاف را افزایش دهیم همین افزایش قطر شکاف موجب ایجاد عدم قطعیت در مکان ذره مورد نظر (فوتون) خواهد شد با یک آزمایش فکری بهتر میتوان به اصل عدم قطعیت پی برد. توصیف می کند.
فرض کنید میخواهیم سرعت حرکت یک الکترون و جای آن را در یک لحظه معین در اطراف هسته حساب کنیم برای این کار باید قادر به دیدن الکترون باشیم اگر دستگاهی بتواند قدرت دید ما ر ا تا حد دیدن یک الکترون بالا ببرد در این صورت برای تشخیص دقیق مکان الکترون باید پرتو نوری را با طول موج کوتاهتر به آن بتابانیم و چون برخورد این پرتو به الکترون باعث انتقال انرژی به آن میشود این انرژی منتقل شده سرعت حرکت الکترون را افزایش میدهد و ما برای تعیین سرعت الکترون و بدنبال آن برای تعین تکانه آن با یک عدم قطعیتی مواجه میشویم برای اینکه این عدم قطعیت را به حداقل کاهش دهیم باید پرتوی نوری که برای تشخیص مکان الکترون بکار میبریم از انرژی کمتری (طول موج بیشتری) برخوردار باشد.
این کاهش انرژی پرتو نور سبب ایجاد یک عدم قطعیتی در تعیین مکان الکترون میشود که با کاهش انرژی پرتو نور این عدم قطعیت در مکان الکترون افزایش مییابد( هرچه طول موج نور تابیده شده به یک جسم کوتاهتر باشد جزئیات آن جسم بهتر مشخص میشود.) وما قادر نخواهیم بود با دقت مورد علاقهمان جای الکترون را در یک محدوده معین از فضای اطراف هسته معین سازیم. اصل عدم قطعیت نه تنها تعیین همزمان مکان و تکانه ذره را با دقت نامحدود غیرممکن میسازد بلکه تعیین همزمان انرژی و مختصه زمان ذره را نیز با دقت نامحدود محال میداند.همان گونه که در مکان و اندازه حرکت یک ذره مانند الکترون عدم قطعیتی گریز ناپذیر وجود دارد در انرژی یک ترازتشدید نیز عدم قطعیت وجود دارد .
این بدان معناست که اگر دستگاه مورد نظر در زمان کمتری در یک تراز تشدید بماند محاسبه انرژی آن تراز از دقت کمتری برخوردار خواهد بود اگر بخواهیم عدم قطعیت در انرژی را کاهش دهیم باید اتم مدت بیشتری در آن تراز تشدیدبماند که در آن صورت عدم قطعیت در اندازه گیری زمان افزایش می یابدبنابراین اصل عدم قطعیت دقت در اندازه گیری انرژی را نیز محدود می سازد.
فیزیکدانان دربار? تعبیر مکانیک کوانتوم سالها پس از اینکه به حل معادله شرودینگر خو گرفته بودند مباحثه می کردند. این مباحثه ها بیشتر در مرکز فیزیک نظری در دانشگاه کپنهاگ، زیر نظر و به رهبری نیلس بور، به ویژه در مورد یکی از مشخصات مکانیک کوانتوم که بور آن را مکمل بودن یا مکملیت نامیده انجام می گرفت: یعنی شناخت ما نسبت به یک بخشی از دستگاه مانع شناخت ما نسبت به بعضی بخشهای مشخص دیگر از همان دستگاه می شود. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یکی از مثالهای مکمل بودن است:

یعنی شناخت مکان(یا اندازه حرکت) جسمی مانع شناخت انداز? حرکت(یا مکان)ذره است.در سالهای بعد، بور بر اهمیت مکمل بودن در زمین? مسائلی بسیار دور از فیزیک تآکید کرد. داستانی دربار? او وجود دارد که در آلمان از او پرسیدند: کیفیتی که مکمل حقیقت است چیست. بور پس از اندکی تآمل پاسخ داد: روشنی کلام . پس از هفته ها بحث و مشاجره با هایزنبرگ دربار? این مفهوم،بور تدوین اجزای مختلف نظری? کوانتومی را به صورت یک کل منسجم، آغاز کرد.
بور دراین باره میگوید: حتی افراطی تر از این،من(به همراه هایزنبرگ،بورن و پائولی) به این نتیجه رسیدم که وضعیت یک سیستم اتمی قبل از اندازه گیری نامشخص است.و سیستمها تنها دارای مقادیر ممکن خاصی با احتمال مشخص هستند.این مفهوم جدید دیگری بود که بر مسئله اندازه گیری کوانتومی و ارتباط مهم آن با فیزیک کلاسیک متمرکز شده بود. مجموع? این ایده ها بعنوان تعبیرکپنهاکی شناخته می شود.