فیزیک کوانتوم به زبان ساده

در فیزیک کوانتوم، رفتار کوچک‌ترین ذرات در جهان، مانند اتم‌ها، الکترون‌ها و پروتون‌ها، بررسی می‌شه. اما ذره اصلا چیست؟ یکی از ذراتی که بیشتر افراد با اون آشنا هستند، الکترون هست. الکترون به دور هسته اتم می‌چرخه ودرواقع یکی از ذرات بنیادی در کیهان هست. هسته از ذرات دیگه‌ای به نام پروتون و نوترون تشکیل شده. پروتون و نوترون از ذرات کوچک‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند. کوارک‌ها هم ذرات بنیادی هستند و توسط گلوئون‌ها در کنار یکدیگر نگه داشته می‌شن. گلوئون‌ها ذره هستند، اما با کوارک‌ها تفاوت دارند. اونها ذراتی هستند که نیروی هسته‌ای قوی رو ایجاد می‌کنند و با استفاده از این نیرو کوارک‌ها رو در کنار یکدیگر نگه می‌دارند. همچنین، گلوئون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها رو با استفاده از نیروی هسته‌ای قوی در هسته اتم، در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. گلوئون این کار رو با واسطه قرار دادن نیروی قوی بین کوارک‌ها یا بین نوترون‌ها و پروتون‌ها انجام می‌دهد. در نتیجه، ذره کوچک‌ترین بخش سازنده ماده یا ایجاد کننده نیرو در طبیعت هست و بسیاری از پدیده‌های فیزیکی به دلیل وجود اونها، ایجاد شده‌اند. ذراتی مثل کوارک و الکترون در ساخت ماده نقش دارند. در مقابل، ذره‌ای مانند گلوئون، نیرو ایجاد می‌کند. چهار نیرو در کیهان وجود دارند: نیروی قوی، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و گرانش

اولین گام‌های فیزیک کوانتوم در اواخر قرن هجدهم میلادی برداشته شد، هنگامی که برخی مشاهده‌های فیزیکی با مدل‌های فیزیکی در آن زمان هم‌خوانی نداشتند. برای مثال: • نور هنگام عبور از گاز، توسط اتم‌های اون جذب می‌شه. سپس، گاز، طول موج‌های خاصی از نور را تابش می‌کنه که به اون طیف اتمی گفته می‌شه. هیچ توضیحی برای طیف اتمی در فیزیک کلاسیک وجود نداره. • فیزیک‌دان‌ها در اون زمان پاسخ مشخصی برای دلیل پرتوزا بودن اتم‌ها نداشتند. • در اون زمان سوالات زیادی در مورد پایداری اتم وجود داشت. بر طبق فیزیک کلاسیک، الکترون باید به طور پیوسته انرژی از دست بده و روی هسته فرود بیاد. • جسم داغی، مانند خورشید، در بسیاری از طول موج‌ها، تشعشع الکترومغناطیسی داره. به توزیع نور بر حسب طول موج برای جسم داغ، تابش جسم سیاه گفته می‌شه. توزیع مشاهده شده برای جسم سیاه با پیش‌بینی انجام شده توسط فیزیک کلاسیک، مطابقت نداشت. • اگر به برخی از فلزها نور تابیده بشه، الکترون از اون خارج می‌شه. به این پدیده فیزیکی، اثر فوتوالکتریک گفته می‌شه. آزمایش فوتوالکتریک نشان داد که نور مثل امواج رفتار نمی‌کنه، بلکه شبیه خطی از ذرات در کنار یکدیگر عمل می‌کنه. رفتار دوگانه موج-ذره برای اولین بار در این آزمایش مطرح شد.

آزمایش دو شکاف، پایه و اساس فیزیک کوانتوم بود. در این آزمایش، الکترون‌ها به سمت پرده‌ای با دو شکاف بسیار کوچک در آن، شلیک شدند و طرح تداخلی روی آشکارساز پشت پرده ایجاد کردند. طرح تداخلی توسط امواج ایجاد می‌شه، اما الکترون، ذره است. این آزمایش تاکیدی بر رفتار موج-ذره الکترون‌ها بود. در مکانیک کوانتوم تمام ذرات به صورت موج و توسط تابع موج توصیف می‌شن. توابع موج به صورت مستقیم مشاهده نمی‌شن، بلکه توان دوم اون‌ها اطلاعاتی در مورد احتمال حضور ذره در مکان‌های مختلف می‌ده. بنابراین، از نگاه فیزیک کوانتوم که جهان بر پایه احتمالات بنا شده. به طور دقیق نمی‌دونیم ذره کجاست، تنها با احتمال مشخصی می‌تونیم در مورد مکان اون صحبت کنیم. بنابراین، به اصلی به نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می‌رسیم. بر طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، جسم کوانتومی نمی‌تونه به طور همزمان، مقدارهای مشخص و دقیقی برای برخی ویژگی‌های فیزیکی داشته باشه. به عنوان مثال، مکان و تکانه رو نمی‌شه به طور همزمان تعیین کرد. اگر مکان ذره رو به طور دقیق بدونیم، هیچ اطلاعی در مورد سرعت و جهت حرکت اون نخواهیم داشت. برعکس، اگر سرعت ذره رو بدونیم، مکان اون رو نمی‌تونیم با قطعیت مشخص کنیم.

یکبار دیگه آزمایش دو شکاف و شلیک الکترون‌ها به سمت اون‌ها رو در نظر بگیرید. برای اینکه تابع موج الکترون عبوری از دو شکاف رو به طور هم‌زمان مشاهده کنیم، باید آشکارساز رو در نزدیکی شکاف‌ها قرار بدیم تا عبور الکترون رو به دقت دنبال کنیم. با انجام این کار، اتفاق عجیبی رخ می‌ده. الکترون دیگه رفتار موجی نشون نمی‌ده و از شکاف اول یا شکاف دوم عبور می‌کنه. در واقع، اگر الکترون به صورت موج در نظر گرفته بشه، از دو شکاف عبور خواهد کرد، ولی به عنوان ذره، تنها می‌تونه از یک شکاف بگذره. حتی طرح ایجاد شده روی پرده هم، طرح تداخل امواج نخواهد بود. روی پرده، تنها روبروی شکاف‌ها دو خط روشن ایجاد می‌شه. اینطور به نظر می‌رسه که با قرار دادن آشکارساز در نزدیکی شکاف‌ها و بررسی عبور الکترون از اون‌ها، تابع موج از بین رفته. نکته مهم این است که اندازه‌گیری در کوانتوم می‌تونه رفتار ذره رو تغییر بده و تابع موج منصوب به آن رو از بین ببره. بر طبق اصل برهم‌نهی، تا زمانی که مکان الکترون رو اندازه نگرفته‌ایم، در یک زمان می‌تونه در تمام مکان‌های ممکن قرار داشته باشه. اگر مکان الکترون رو اندازه بگیریم، اصل برهم‌نهی از بین می‌ره. فرض کنید آشکارسازی داریم که می‌تونه مکان الکترون رو اندازه بگیره. تا زمانی که آشکارساز خاموش باشه‌، الکترون موردنظر می‌تونه هم‌زمان در تمام مکان‌ها یا حالت‌های ممکن قرار داشته باشه. هنگامی که آشکارساز روشن بشه، اصل برهم‌نهی از بین می‌ره و الکترون تنها یک مکان یا حالت رو انتخاب می‌کنه. به همین دلیل، نمی‌تونیم عبور تابع موج الکترون از دو شکاف رو مشاهده کنیم. هر تلاشی برای مشاهده مسیر عبور الکترون منجر به از بین رفتن اصل برهم‌نهی و تابع موج الکترون خواهد شد. بنابراین، تنها یک حالت یا مکان رو انتخاب می‌کنه. به بیان دیگه، الکترون رفتار ذره‌مانند رو انتخاب می‌کنه و به جای عبور از دو شکاف، تنها می‌تونه از یک شکاف عبور کنه.

دانشمندان راه دیگه‌ای برای مشاهده برهم‌نهی الکترون در آزمایش عبور الکترون‌ها از دو شکاف را آزمایش کردند. اون‌ها به جای مشاهده الکترون به هنگام عبور از دو شکاف، اون رو پس از عبور از شکاف‌ها مشاهده کردند. بنابراین، آشکارساز رو بین مانع با دو شکاف و پرده آشکارساز قرار دادند. دلیل انجام این کار اینه که موج الکترون پس از عبور از شکاف‌ها به گونه‌ای تقسیم می‌شه که انگار هیچ اندازه‌گیری انجام نشده. اگر دو آشکار ساز روبروی هم و با فاصله مشخصی مثل D از یکدیگر قرار گرفته باشند، انتظار داریم الکترون‌ها در این فاصله آشکار بشن. همچنین، مشاهده طرح تداخلی روی پرده دور از انتظار نیست. اما نتیجه آزمایش با آنچه که انتظار می‌رفت، خیلی متفاوت بود. هیچ طرح تداخلی روی پرده مشاهده نشد و الکترون‌ها فقط در ناحیه‌ای از پرده که روبروی شکاف‌ها قرار داشتند، آشکار شدند. اما هنوز باید تعجب کنید، چون زمانی که آشکارسازها خاموش شدند، طرح تداخلی روی پرده مشاهده شد. هنگامی که دانشمندان به دنبال اندازه‌گیری مسیر الکترون‌ها یا مشاهده اون‌ها نبودند، رفتار موجی اون‌ها ادامه داشت و طرح تداخلی روی پرده مشاهده شد. اما هنگامی که الکترون‌ها توسط آشکارسازها مشاهده شدند، تابع موج از بین رفت و رفتار ذره‌ای نشان دادند. حتی اگر آشکارسازها تا وسط آزمایش خاموش باشند و سپس روشن بشن، باز هم الکترون متوجه می‌شه و رفتار خودش رو بلافاصله تغییر می‌ده. اینطور به نظر می‌رسه که الکترون‌ها در ابتدا و قبل از روشن شدن آشکارسازها، رفتار موجی دارند و به صورت موج از شکاف‌ها رد می‌شن و پس از عبور از اون‌ها به دو قسمت تقسیم می‌شن اما هنگامی که آشکارسازها روشن می‌شوند، الکترون‌ها بلافاصله در زمان به عقب برمی‌گردند و رفتار خودشون راو از موجی به ذره‌ای تغییر می‌دن. بنابراین، تنها از یکی از دو شکاف عبور می‌کنند و هیچ طرح تداخلی روی پرده مشاهده نمی‌شه.

در این مطلب، به پرسش‌های زیر به زبان ساده پاسخ دادیم: کوانتوم چیست و چرا به وجود اومد؟ : فیزیک کوانتوم هنگامی به وجود اومد که فیزیک کلاسیک قادر به توضیح برخی پدیده‌های فیزیکی مانند اثر فوتوالکتریک و تابش جسم سیاه نبود. اصل عدم قطعیت در کوانتوم چیست: در فیزیک کوانتوم نمی‌توانیم در مورد برخی کمیت‌های فیزیکی همزمان نظر دهیم. به عنوان مثال، همزمان نمی‌توانیم به طور دقیق در مورد مکان و سرعت ذره‌ای کوانتومی مانند الکترون، صحبت کنیم. رفتار دوگانه‌ی موج و ذره چیست؟ : تا زمانی که آشکارسازها خاموش باشند، الکترون مانند موج رفتار می‌کند و طرح تداخلی روی پرده مشاهده می‌شه. اما هر زمانی که آن‌ها تصمیم بگیرند از آشکارساز برای مشاهده الکترون استفاده کنند، الکترون همانند موجودی هوشمند به این موضوع پی می‌برد و رفتار موجی خود را به رفتار ذره‌ای تغییر می‌دهد.