حقیقت کوانتومی

چند ماهی است که مشغول مطالعه منابعی درباره فیزیک کوانتوم هستم و هیچگاه از خواندن کتاب فیزیک اینقدر لذت نبرده بودم. درک جدید حاصل از مطالعه فیزیک کوانتوم نگاهم به جهان را عوض کرده است. به همین دلیل تصمیم گرفتم که یافته‌هایم را در قالب یه بلاگ با شما به اشتراک بگذارم. چند هفته ای هم صرف نت برداری و خلاصه نویسی کردم تا بتوانم یک نوشته قابل فهم و یکپارچه تهیه کنم تا شما هم از این دیدگاه جدید سود ببرید ولی باید اعتراف کنم جمع‌آوری وساده‌ سازی موضوعی با گستردگی فیزیک کوانتوم کار ساده ای نیست. به همین دلیل تصمیم گرفتم این نوشته را به صورت یک تجربه در حال تغییر در وب سایتم نشر بدهم و با هر یافته و موضوع جدیدی این پست را به روز رسانی کنم. پس همراه من باشید تا در خلال چند ماه آینده تصویری جدید از جهانی که در آن زندگی می‌کنیم را اکتشاف کنیم.

نیوتن

تصویری که ما از جهان کیهانی و جهان صغیر(زیر اتم) داریم حاصل قوانین فیزیک کلاسیک و برگرفته از یافته‎های دانشمندان عهد عتیق است و عمده این یافته‏‎ها تا زمان نیوتن قابل اثبات نبودند. او توانست با کمک ریاضیات تصورات اشتباهی که تا آن زمان وجود داشت را تغییر بدهد. بعد از هزار سال دیگر جدایی بین زمین و بهشت وجود نداشت، زمین دیگر مرکز جهان نبود و اجرام آسمانی آزاد بودند و به دنبال جایگاه طبیعی خود نمی‎گشتند و همیشه در یک مسیر مستقیم در حرکت بودند مگر تحت تاثیر اجرام آسمانی دیگر قرار بگیرند.

جهان نیوتنی جهانی ساده متشکل از فضای لایتناهی و همسان است که ذرات درون آن آزادانه حرکت می‎کنند و روی یکدیگر اثر می‎گذارند. این جهان همان جهان دموکریت خالق نظریه اتم بود که بوسیله معادلات اثبات شده بود. قدرت چهارچوب عقلانی نیوتن غیرقابل شکست به نظر می‎رسد و ساختار تمام تکنولوژی قرن نوزده و جهان مدرنی که ما امروز تجربه می‎کنیم را تشکیل می‎دهد. سه قرن از زمان اثبات نظریه نیوتن گذشته و ما هنوز پل، قطار و برج و موتورهای الکتریکی را بر اساس آن می‎سازیم. به نظر می‎رسید که بالاخره کلید درک واقعیت جهان را کشف کرده‎ایم.

جهانی که فقط از یک فضای عظیم بی‎انتها تشکیل شده و ذرات درون آن در گذر زمان حرکت می‎کنند و از طریق نیروهایی یکدیگررا تحت تاثیر قرار می‎دهند. در این تصویر تنها نیرو نیروی گرانش بود ولی نیوتن می دانست چیزی کم است، متوجه شده بود که نیروهای دیگری نیز در جهان وجود دارند و اینکه که تنها راه جا به جایی اجسام فقط سقوط کردن نیست. البته تا قرن نوزدهم طول کشید تا نیروهای دیگر کشف شوند و این اکتشاف با دو شگفتی همراه بود.

شگفتی اول این بود که تقریبا همه پدیده های جهان با یک نیرو مدیریت می شود. الکترومغناطیس! نیرویی که بدن ما را در قالب یک فرم نگه می دارد، اتم ها را در یک مولکول و الکترون را درون اتم. این همان نیرویی است که درون نورون های مغزی ما عمل می کند و فرآیند پردازش اطلاعات ما از این جهان را مدیریت می کند و شگفتی دوم ایده میدان های نیرو بود که فیزیک مدرن از درون آن متولد شد.

درک و شناخت نیروی الکترومغتاطیس توسط دو دانشمند دیگر میسر شد. فارادی و ماکسول. مایکل فارادی یک لندنی فقیر بود که هیچگونه آموزش رسمی ندیده بود. او در ابتدای زندگی کاری خود در یک کارگاه صحافی کتاب کار می‎کرد و بعد از آن کاری در یک آزمایشگاه پیدا کرد و توانست اعتماد استادش را بعد از مدتی جلب کند و در نهایت تبدیل به یکی از روشن‎ترین آزمون‎گرهای قرن نوزدهم شود. فارادی موفق شد بدون داشتن سواد ریاضی یکی از بهترین کتاب‎های فیزیک که تا کنون نوشته شده را بنویسد. و نابغه دوم یک اسکاتلندی اشراف‎زاده و متمول است. جیمز ماکسول یکی از متبحرترین ریاضی‎دانان قرن نوزدهم بود. این دو نابغه علی‎رغم اختلاف در پیشینه فرهنگی و جایگاه اجتماعی موفق می‎شوند یکدیگر را به خوبی درک کنند و با ترکیب نبوغ خود راه را برای فیزیک مدرن بگشایند.

فارادی المان جدیدی را در ساختار جهان معرفی کرد. او مفهومی به نام میدان را مطرح کرد. که به سادگی مجموعه‎‎ای از خطوط بسیار باریک که تمام فضا را پر می‎کنند. او این خطوط را خطوط میدان می‎نامد که به طریقی نیروی الکتریکی و مغناطیسی را بین دو جسم انتقال می‎دهند، گویی که توان کشیدن و هل دادن اجسام را داشته باشند. اگر دو جسم که بار الکتریک دارند را به هم نزدیک کنیم نیرویی بین آنها حس می‎شود که این نیرو از طریق این خطوط بین آنها در انتقال است.سوالی که نیوتن جوابش را نتوانسته بود پیدا کند. اینکه زمین ماه را با این فاصله زیاد چگونه به خود جذب می‎کند. حالا دیگر نظریه نیوتن پاسخ همه پرسش‎ها درباره چگونگی خلق جهان نبود. البته انشتین در آینده این دو نظریه را به زیبایی به هم پیوند می‎دهد.

انیشتین ۲۵ ساله و نظریه نسبیت

آلبرت در جوانی یاغی بود. پدر و مادرش او را برای تحصیل به آلمان فرستاده بودند ولی آلبرت سیستم آموزشی آلمان را خشک و انعطاف ناپذیر یافت و بعد از مدت کوتاهی به پدر و مادرش در ایتالیا ملحق شد. از انجا به سویس رفت و در دانشگاه فیزیک مطالعه کرد. پس از دانشگاه موفق به یافتن شغل دلخواهش در حوزه تحقیقات فیزیک نشد و سر از اداره ثبت اختراعات درآورد. ولی در حین کار مطالعات و تحقیقات خود را ادامه داد. آلبرت در سن ۲۵ سالگی سه مقاله برای مجله معتبر Annalen der Physik فرستاد که هر یک مستحق دریافت جایزه نوبل بودند.

مقاله اول بعد از ۲۳ قرن با ارایه محاسبات دقیق ابعاد اتم ثابت کرد که ماده خاصیت ذره‌ای (Granular) دارد. مقاله دوم نظریه معروف نسبت خاص او بود که اثبات می‌کند بین گذشته و آینده یک رویداد (گذشته و آینده شما) و دقیقاْ در همین لحظه یک منطقه میانی وجود دارد که زمان حال گسترش یافته نامیده می‌شود و منطقه‌ای که است که نه در گذشته است و نه در آینده. بزرگی این زمان حال گسترش یافته با فاصله شما از تا آن رویداد رابطه دارد.  طول این زمان برای اتفاقی در نزدیکی شما خیلی کوچک است، روی کره ماه چند ثانیه و روی کره مریخ ۱۵ دقیقه است. این بدان معنی است که می‌توانیم بگویم روی مریخ اتفاقاتی رخ داده‌اند و رویدادهای رخ خواهند داد ولی برای ۱۵ دقیقه اتفاقاتی هستند که نه در گذشته‌اند و نه در آینده!

اشاره به چند نکته به درک بهتر این نظریه کمک خواهد کرد. بر اساس نظریه نسبیت خاص انشتین گذر زمان برای افراد مختلف با سرعت‎های مختلف متفاوت خواهد بود. این نظریه بعدها با پیشرفت تکنولوژی به اثبات رسید. بدین صورت که با کمک دو ساعت اتمی که یکی روی زمان و دیگری در یک هواپیما قرار داده شده بود دانشمندان توانشتند اثبات کنند که جسم در حال حرکت زمان را به نسبت جسم ثابت کندتر تجربه خواهد کرد. این تجربه را در قالب مثال دیگری نیز می‎توان تشریح کرد. تصور کنید دو خواهر دوقلو یکی روی کره زمین باشد و دیگری سوار بر سفینه‎ای برای مدتی دور از کره زمین باشد. پس از بازگشت به کره زمین خواهر مسافر جوان‎تر از خواهر زمینی خواهد بود. البته این اختلاف در این مقیاس بسیار ناچیز است ولی هر چه به سرعت نور نزدیک‎تر می‎شویم یا فاصله دورتر می‎شود این اختلاف بیشتر می‎‎شود. تا بدین اندازه که اختلاف لحظه اکنون بین کره زمین و کهکشان اندرومدا دو میلیون سال است. این کشف منجر به مطرح شدن ایده فضا-زمان از سوی انشتین می‎شود. که به سادگی اثبات می‎کند زمان و مکان نمی‎توانند بدون یکدیگر وجود داشته باشند. زمان در یک مکان خاص معنی دارد و بدون در یک نقطه از فضا فقط در معیار زمانی معنی دارد.

و مقاله سوم درباره زیباترین نظریه فیزیک مدرن، نسبیت عام است. بعد از انتشار مقاله دوم انشتین جوان مشهور می‌شود و از دانشگاه‌های متعددی پیشنهاد کار دریافت می‌کند ولی یک مسأله حل نشده هنوز باقی است. او موفق نشده است با کمک نظریه نسبیت خاص نیروی گرانش نیوتنی را توضیح دهد. تئوری گرانش نیوتن توضیح نمی‌دهد که اجرام آسمانی چگونه به سمت هم کشیده می‌شوند. این نیرو گرانش چگونه ماه را به سوی زمین می‌کشد. خطوط میدان فارادی و ماکسول راه حلی برای این مشکل یعنی چگونگی انتقال نیرو بین اجسام بود ولی نه دقیقا برای نیروی گرانش بلکه برای میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی. انشتین به این نتیجه رسیده بود که منطقی به نظر می‌رسد که خطوط میدان فارادی باید در خصوص میدان گرانشی هم صادق باشند و معادلات ریاضی بتوانند این خطوط را توضیح دهند. ولی ۱۰ سال طول می‌کشد تا او بتواند پس از تعداد زیادی مقاله نا موفق و معادلات نادرست به معادله نهایی دست یابد. در سال ۱۹۱۵ بود که لو لاندو روس این نظریه را «زیباترین نظریه» می‌نامد.

دلیل این زیبایی به سادگی قابل درک است. انشتین به جای اینکه به دنبال اثبات نظریه خود از طریق معادلات ریاضی باشد قصد می‎کند تا پرسش دیگری درباره نظریه نیوتن را پاسخ بدهد: ماهیت فضا چیست؟ نیوتن مجبور بود به نظریه عهد عطیق دموکریت درباره فضا برگردد. این فضا باید بزرگ و خالی می‎بود تا بتواند ظرف نگهدارنده جهان باشد ولی این ظرف محدود کننده بود و باید داربستی برای اجسام باشد تا بتوانند دربین خطوطش  حرکت کنند. ولی ماهیت این فضای خالی چیست؟ از زمات عهد عطیق این ماهیت بین چیز و هیچ چیز بین بدون و نبودن در نوسان بوده است. نیوتن فضا را از جنس «حس خدا» می‎دانست، ایده‎ای که برای خود او هم روشن نبود.

انشتین علاوه بر پاسخ دادن به پرسش ماهیت میدان گرانشی و نحوه عملکرد نیروی جاذبه، درباره ماهیت فضا نیز پاسخی دارد. در واقع پاسخ دو سوال هر دو یکسان هستند! چه می‎شد اگر فضای پی‎پایان ار جنس همین میدان گرانشی بود؟ چه می‎شد اگر فضای نیوتنی همان میدانی نیرویی بود که گرانش یا جاذبه در آن عمل می‎کند؟ و بدین ترتیب جهان هستی از دید انشتین چیزی جز ذرات و میدان‎ها نبود. و نیروی گرانشی چیزی جز تغییر فرم ساختار فضا-زمان بر اساس جرم یک جسم مانند یک سیاره نیست. تصور کنید که فضا زمان یک دستمال است و کره زمین یک گوی وسط این دستمال. وزن این گوی باعث تغغیر فرم دستمال شده است و اگر ماه به فرم یک گوی کوچکتر روی این دستمال قرار بگیرد به خاطر این تغییر فرم به سوی زمین سر خواهد خورد. در کیهان نیز سیاره‎ها به خاطر این شیب ایجاد شده در فضا-زمان به یکدیگر کشیده می‎شوند و هرقدر جرم آسمانی بزرگتر باشد انحنای بیشتری در فضا زمان ایجاد می‎کند.

و اما جادوی فیزیک مدرن در درک هستی و تغییر نگرش ما از جهان

تمامی قوانین فیزیک کلاسیک جهان اطراف ما را در مقیاس بزرگ تفسیر و تشریح می‎کنند ولی وقتی این فرمول‎ها را در مقیاس کوچکتر از اتم بررسی می‎کنیم بعضی از آنها دیگر کاربرد ندارند. در فیزیک کلاسیک اجسام در هر لحظه از زمان در یک نقطه خاص قرار دارند ولی در فیزیک کوانتوم و در محدوده کوچکتر از اتم داستان متفاوت است. ذراتی همچون الکترون در هاله‎ای از احتمالات وچود دارند، بدین صورت که احتمال دارد الکترون در نقطه الف و یا در نطقه ب باشد و فقط با درصدی از احتمال می‎شود درباره موقعیت یک الکترون نظر داد.

فیزیک کوانتوم سه جنبه از طبیعت چیزهای این جهان را برای ما نمایان ساخته است:

دانه دانه بودن(Granularity)

دانه دانه بودن ماده و نور در قلب نظریه جای دارد. این خاصیت دانه دانه بودن همانند خاصیت اتم در فیزیک کلاسیک نیست. در فیزیک کوانتوم ذرات دایماْ غیب و دوباره ظاهر می‌شوند. فرض کنیم که دامنه حرکتی یک آونگ را اندازه‌گیری کرده‌ایم و عددی بین ۵ تا ۶ سانتی‌متر بدست آمده است. بر اساس فیزیک کلاسیک می‌توانیم متصور باشیم که بینهایت عدد بین ۵ و ۶ وجود دارد (مثل ۵/۴ یا ۵/۰۰۰۰۵) در حالیکه فیزیک کوانتوم می‌گوید تعداد محدودی عدد بین این دو عدد وجود دارد. و این شامل همه پدیده‌ها می‌شود. در هر سیستم میزان محدودی اطلاعات وجود دارد. محدودیتی برای تعداد وضعیت‌های موجود درون آن سیستم. ثابت پلانک میزان کوچکترین مقایس قابل اندازه‌گیری هر سیستم است.

عدم قطعیت(Indeterminasy)

عدم قطعیت در فیزیک کوانتوم
عدم قطعیت کوانتومی

جهان یک زنجیره از رویدادهای بسیار کوچک کوانتومی است. این رویدادها از هم جدا، دانه دانه و مستقل هستند. به بیان دیگر اینها فعل و انفعالات یک سیستم فیزیکی با سیستم دیگر هستند. یک الکترون، کوانتوم یک میدان و یا یک فوتون خط سیر مشخصی را در فضا دنبال نمی کند بلکه در یک مکان و زمان خاص وقتی که با چیز دیگری برخورد می کند ظاهر می‎شود. هیچ راهی برای دانستن قطعی اینکه کی و کجا ظاهر می‎شود وجود ندارد. فیزیک کوانتوم یک عدم قطعیت پایه‎ای را در قلب جهان معرفی می‎کند. آینده حقیقتاً قابل پیشبینی نیست. بر اساس این قانون همه چیز در معرض تغییر تصادفی است. تمامی متغیرها مرتب در نوسان هستند، گویی که در کوچکترین مقیاس همه چیز در حال نوسان است. به این دلیل که این نوسانات همیشه حاضر در مقیاسی بسیار کوچک اتفاق می‎افتند ما توان دیدن آنها را نداریم. ولی اگر می‎توانستیم اتم‎ها را ببینیم می‎شد پیدا و پنهان شدن و ارتعاش همیشگی آنها را مشاهده کرد. این جهان دنیایی از سنگ ریزه‎ها نیست بلکه جهانی از ارتعاشات همیشه در نوسان تشکیل شده از بینهایت ریز رویداد است.

همبستگی(Relationality)

سومین اکتشافی که توسط فیزیک کوانتوم بیان شد، عمیق‎ترین و سخت‎ترین آنهاست. این نظریه درباره ماهیت اجسام آنگونه که «هستند» صحبت نمی‎کند. بلکه چگونگی رویدادن آنها و نحوه تعامل آنها با یکدیگر را تشریح می‎کند. موقعیت یک ذره را تشریح نمی‎کند بلکه به ما می‎گوید که ذره خودش را چگونه به دیگر ذره‎ها نشان می‎دهد. جهانی هستی چیزها به یک قلمرو از تعاملات پتانسیل تبدیل می‎شود. ارسطو اولین کسی بود که بر نسبی بدون سرعت تاکید کرد. روی یک کشتی برای مثال، ما می‎توانیم از سرعتمان در مقایسه با خود کشتی صحبت کنیم و روی زمین در مقایسه با زمین. گالیله کشف کرد که همین نسبیت باعث می‎شود که متوجه سرعت گردش زمین دور خورشید نشویم. سرعت خاصیت ذاتی یک چیز نیست بلکه خاصیت حرکت یک ذره نسبت به ذره دیگر است. انشتین این موضوع را به حوزه زمان نیز گسترش داد: ما فقط در صورتی می‎توانیم بگویم دو رویداد همزمان هستند که رابطه آنها را نسبت به یک حرکت بسنجیم.

همبستگی کوانتومی

فیزیک کوانتوم این نسبیت را به صورت رادیکال بسط می‎دهد: تمامی متغییرهای یک چیز فقط درباره با چیزهای دیگر وجود دارند. فقط در تبادلات است که طبیعت جهان را ترسیم می‎کند. جهانی که فیزیک کوانتوم تشریح می‎کند جهانی از چیزها نیست، بلکه جهانی از رویدادهاست. اشیاء با رخ دادن رویدادهای بنیادین خلق می‎شوند.

به طور خلاصه فیزیک کوانتوم کشف سه خاصیت از جهان است:

دانه دانه بودن: اطلاعات درون یک سیستم بی نهایت نیست بلکه محدود به ثابت پلانک است.

عدم قطعیت: آینده نمی‎تواند در بر اساس گذشته به وضوح تعیین شود. حتی اتفاق‎های تکراری هم در نهایت تابعی از احتمالات هستند.

همبستگی: رویدادهای این جهان همگی در ماهیت خود تعامل‎های هستند. فیزیک کوانتوم به ما می‎آموزد که به جهان از پنجره «چیزها» ننگریم. بلکه جهان را گذری از یک رویداد به رویداد دیگر ببینیم.

Print Friendly, PDF & Email

شما ممکن است این را هم بپسندید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *