آنچه باید در مورد دنیای کوانتومی بدانید
ماکس پلانک (Max Planck) پدر مکانیک کوانتومی، بسیار تلاش کرد تا درک ما از تابش اجسام داغی مثل خورشید را بهبود بخشد. در واقع حتی بهترین نظریه ها هم با مشاهدات انجام شده منطبق نمی شدند. با مطرح شدن کوانتومی بودن انرژی، پلانک توانست یک نظریه مطابق با مشاهدات را برای توصیف تابش از اجسام بسیار داغ پیشنهاد کند. از طرف دیگر اینشتین در سال 1905 جایزه نوبل فیزیک را برای توضیح اثر فتوالکتریک با اثبات کوانتیده یا بسته ای بودن انرژی برد. به همین دلیل این شاخه از فیزیک را فیزیک کوانتوم نامیده اند.
شهرت ماکس پلانک، بطورکلی به دلیل نقش او به عنوان بنیانگذار نظریه کوانتوم است. همانطور که نظریه نسبیت آلبرت اینشتین انقلابی در درک ما از مکان و زمان ایجاد کرد؛ نظریه پلانک انقلابی در درک ما از فرآیندهای اتمی و زیراتمی ایجاد کرد. این نظریه ها اساس فیزیک سده بیستم را تشکیل می دهند. هر دو این نظریه ها بشر را مجبور به تجدیدنظر در برخی از محبوب ترین باورهای فلسفی اش کرده اند و در نهایت این دو نظریه منجر به کاربردهای صنعتی و نظامی شده اند که بر همه جنبه های زندگی مدرن تاثیر بسزایی داشته است. در این مقاله شما می توانید با دنیای کوانتومی به زبان ساده و خلاصه آشنا شوید.
هم ذره و هم موج
جی. جی. تامسون در سال 1906 دریافت الکترون ذره است و برای این کشف جایزه نوبل فیزیک را تصاحب کرد. در سال 1937 پسرش جورج، برای کشف موجی الکترون، جایزه نوبل را دریافت کرد. اما کدام یک درست می گفت؟ در واقع هر دو.
این دوگانگی موجی – ذره ای یکی از پایه های فیزیک کوانتومی است. این مسئله برای نور هم صادق است، گاهی می توانیم نور را یک موج الکترومغناطیسی در نظر بگیریم و در زمانی دیگر به صورت یک ذره که فوتون نامیده می شود. اینکه ما نور، الکترون یا هر موجود دیگری را به صورت موج ببینیم یا ذره، بستگی به روشی دارد که برای اندازه گیری آن انتخاب کرده ایم! به عنوان مثال می توانیم از الکترون به عنوان ذره ای نام ببریم که در اثر کنده شدن از سطح یک الکترود، جریان الکتریکی را در یک مدار ایجاد می کند. از همین الکترون می توانیم به عنوان موجی استفاده کنیم که با تابیده شدن به یک بلور، ساختار داخلی بلور را برای ما مشخص می کند.
دو جا در یک لحظه
یک موجود کوانتومی همزمان می تواند در چند موقعیت وجود داشته باشد. به عنوان مثال یک الکترون بطور همزمان می تواند هم اینجا و هم آنجا باشد! این موضوع سبب می شود که فیزیک کوانتوم به جای اینکه درباره مکان دقیق یک ذره صحبت کند، در مورد احتمال حضور یک ذره در یک مکان باشد. تابع موج این حالت را به صورت ریاضی تعریف می کند. این ایده مفهوم اصلی آزمایش معروف گربه شرودینگر است. سرنوشت یک گربه در یک جعبه مهروموم شده با یک دستگاه کوانتومی مرتبط است. تا زمانی که به درون جعبه نگاه نکرده باشیم گربه همزمان هم زنده است و هم مرده.
ماهیت شبح وار دارد.
دو دوست را تصور کنید که با هم قرار گذاشته اند تا تمام حرکاتشان را با هم هماهنگ کنند. وقتی این دو دوست در کنار هم هستند، یکدیگر را می بینند و هماهنگ رفتار می کنند. سپس یکی از آنها به سمت راست و دیگری به سمت چپ حرکت می کنند. اگر ما از فاصله ای به آنها نگاه کنیم، می بینیم که این دو دوست بدون اینکه کوچکترین پیامی با هم رد و بدل کنند در فاصله های دور هم هنوز هماهنگ هستند. در صورتی که یکی در طول مسیر بپرد دیگری هم می پرد. اگر یکی بیاستد دومی هم دقیقاً در همان زمان حرکتش را متوقف می کند.
این پدیده ای است که در فیزیک کوانتوم به در هم تنیدگی معروف است و اینشتین آن را اثری شبح وار توصیف کرده است. زمانی که دو الکترون در هم تنیده را از هم جدا کنیم، رفتار آنها به گونه ای خواهد بود که انگار هنوز با هم ارتباط دارند. حتی زمانی که مشاهده می کنیم هیچ سیگنالی بین آنها رد و بدل نشده است.
شناخت ویژگی ستاره ها
نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی به ما نشان که با دادن مقدار مشخصی انرژی می توان الکترون را به سطح انرژی بالاتر برد. به همین ترتیب، یک الکترون می تواند یک فوتون نور را جذب کند و از انرژی خود برای جهش به سطح انرژی بالاتر (رفتن به مدار بالاتر انرژی در اتم) استفاده کند. این ساز و کار اصول طیف نگاری را می سازد. شاخه ای که ستاره شناسان برای درک عناصر موجود در خورشید و سایر ستاره ها از آن استفاده می کنند. در این روش نور رسیده از ستاره ها تجزیه و تحلیل می شود و به این ترتیب می توان به مواد تشکیل دهنده آنها پی برد.
بدون آن خورشید نمی درخشد.
خورشید با فرآیندی به نام همجوشی هسته ای انرژی تولید می کند. اصلی ترین فرآیند در همجوشی ترکیب دو پروتون هیدروژن است. در این فرآیند ذرات با بارهای همنام یکدیگر را دفع می کنند. فیزیکدانان می گویند دیواره ای به نام سد کولن (Coulomb Barrier) بین این دو پروتون وجود دارد. اگر پروتون ها ذره باشند به دیواره برخورد می کنند و از یکدیگر دور می شوند. در این صورت همجوشی اتفاق نخواهد افتاد و بدون همجوشی نوری نیز وجود ندارد. اما به دلیل وجود خاصیت موجی، تعدادی از پروتون ها می توانند از این سد عبور کرده و فرآیند همجوشی را انجام بدهند. در نتیجه این همجوشی، اتم های هلیم به وجود می آیند و بتدریج جای هیدروژن را در هسته ستاره می گیرند.
از فروپاشی ستاره های مرده جلوگیری می کند.
در نهایت تبدیل هیدروژن به هلیم در خورشید به پایان می رسد و ستاره ما وارد مرحله دیگری از زندگی خود خواهد شد. این مرحله به علت کاهش فشار تابشی ناشی از تولید انرژی، تعادل هیدرواستاتیکی ستاره بر هم می خورد. در نتیجه، وزنه تعادل درون ستاره به سمت نیروی گرانش می چرخد و خورشید به سمت فرو ریختن روی خودش پیش خواهد رفت، اما این فرآیند همیشگی نخواهد بود.
هر چقدر خورشید کوچکتر می شود، مواد درون آن به هم فشرده تر می شوند و اینجا است که یکی از قوانین فیزیک کوانتوم به نام اصل طرد پاولی وارد عمل می شود. این قانون می گوید وجود انواع خاصی از ذرات به نام فرمیون ها مانند الکترون در حالت کوانتومی یکسان ممنوع است. به عبارتی، نمی توانیم دو الکترون داشته باشیم که تمام خاصیت های کوانتومی آنها با هم یکسان باشد و حداقل یکی از این خواص متفاوت خواهد بود.
در نتیجه این اصل، الکترون ها توان تلنبار شدن بی قاعده روی همدیگر را ندارند و فشاری رو به بیرون ایجاد خواهند کرد که فشار تبهگنی نامیده می شود. نیروی گرانش ستاره هایی مانند خورشید در حدی نیست که بتواند به این فشار غلبه کند. بنابراین فرو ریختن خورشید در جایی از مسیرش متوقف خواهد شد و از خورشید ما، جسمی بسیار چگال اما متعادل به نام کوتوله سفید باقی می ماند.
موجب تبخیر سیاهچاله ها می شود.
سیاهچاله ها را به عنوان موجوداتی در جهان می شناسیم که هیچ چیز حتی نور از آنها بیرون نمی آید. مکانیک کوانتومی نشان داده که درست در مرز سیاهچاله یعنی افق رویداد، افت و خیزهای کوانتومی اتفاق می افتند. حاصل این افت و خیزها، ذراتی است که انرژی کافی برای گریختن از مرز سیاهچاله و نیفتادن به دام آن را دارند. این ذرات تابش هاوکینگ نامیده می شوند.
تابش هاوکینگ انرژی خودش را از انرژی و جرمی می گیرد که درون سیاهچاله وجود دارد. به همین دلیل، با مصرف کم کم انرژی یک سیاهچاله باعث می شود که سیاهچاله بتدریج و طی میلیاردها سال، تبخیر شود و از بین برود.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «آنچه باید در مورد دنیای کوانتومی بدانید»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله سید جلال جزایری در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
