جستجو در تالارهای گفتگو

نيلز بور (1962-1885)، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم، در مورد چيزي که بنيان گذارده است، جمله اي دارد به اين مضمون که اگر کسي بگويد فيزيک کوانتوم را فهميده، پس چيزي نفهميده است. من هم در اينجا مي خواهم چيزي را برايتان توضيح دهم که قرار است نفهميد! شکل 1: نيلز بور، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم گام اول: تقسيم ماده بياييد از يک رشته*ي دراز ماکارونيِ پخته شروع کنيم. اگر اين رشته*ي ماکاروني را نصف کنيم، بعد نصف آن را هم نصف کنيم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنيم و... شايد آخر سر به چيزي برسيم ــ البته اگر چيزي بماند! ــ که به آن مولکولِ ماکاروني مي*توان گفت؛ يعني کوچکترين جزئي که هنوز ماکاروني است. حال اگر تقسيم کردن را باز هم ادامه بدهيم، حاصل کار خواص ماکاروني را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه*ي تقسيم، به مولکول*هاي کربن يا هيدروژن يا... بربخوريم. اين وسط، چيزي که به درد ما مي خورد ــ يعني به دردِ نفهميدنِ کوانتوم! ــ اين است که دست آخر، به اجزاي گسسته اي به نام مولکول يا اتم مي رسيم. اين پرسش از ساختار ماده که «آجرکِ ساختماني ماده چيست؟»، پرسشي قديمي و البته بنيادي است. ما به آن، به کمک فيزيک کلاسيک، چنين پاسخ گفته ايم: ساختار ماده، ذره اي و گسسته است؛ اين يعني نظريه*ي مولکولي. گام دوم: تقسيم انرژي بياييد ايده*ي تقيسم کردن را در مورد چيزهاي عجيب تري به کار ببريم، يا فکر کنيم که مي توان به کار برد يا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم اين نيست که داخل يک قوطي جيغ بکشيم و در آن را ببنديم و سعي کنيم جيغ خود را نصف ـ نصف بيرون بدهيم. صوت يک موج مکانيکي است که مي تواند در جامدات، مايعات و گازها منتشر شود. چشمه هاي صوت معمولاً سيستم هاي مرتعش هستند. ساده ترين اين سيستم ها، تار مرتعش است ــ که در حنجره*ي انسان هم از آن استفاده شده است. به*راحتي(!) و بر اساس مکانيک کلاسيک مي توان نشان داد که بسياري از کمّيت هاي مربوط به يک تار کشيده*ي مرتعش، از جمله فرکانس، انرژي، توان و... گسسته (کوانتيده) هستند. گسسته بودن در مکانيک موجي پديده اي آشنا و طبيعي است (براي مطالعه*ي بيشتر مي توانيد به فصل*هاي 19 و 20 «فيزيک هاليدي» مراجعه کنيد). امواج صوتي هم مثال ديگري از کمّيت هاي گسسته (کوانتيده) در فيزيک کلاسيک هستند. مفهوم موج در مکانيک کوانتومي و فيزيک مدرن جايگاه بسيار ويژه و مهمي دارد که جلوتر به آن مي رسيم و يکي از مفاهيم کليدي در مکانيک کوانتوم است. پس گسسته بودن يک مفهوم کوانتومي نيست. اين تصور که فيزيک کوانتومي مساوي است با گسسته شدن کمّيت هاي فيزيکي، همه*ي مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّيت هاي گسسته در فيزيک کلاسيک هم وجود دارند. بنابراين، هنوز با ايده*ي تقسيم کردن و سعي براي تقسيم کردن چيزها مي*توانيم لذت ببريم! گام سوم: مولکول نور خوب! تا اينجا داشتم سعي مي کردم توضيح دهم که مکانيک کوانتومي چه چيزي نيست. حالا مي رسيم به شروع ماجرا: فرض کنيد به جاي رشته*ي ماکاروني، بخواهيم يک باريکه*ي نور را به طور مداوم تقسيم کنيم. آيا فکر مي کنيد که دست آخر به چيزي مثل «مولکول نور» (يا آنچه امروز فوتون مي*ناميم) برسيم؟ چشمه هاي نور معمولاً از جنس ماده هستند. يعني تقريباً همه*ي نورهايي که دور و بر ما هستند از ماده تابش مي*کنند. ماده هم که ساختار ذره اي ـ اتمي دارد. بنابراين، بايد ببينيم اتم ها چگونه تابش مي کنند يا مي توانند تابش کنند؟ گام چهارم: تابش الکترون در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتم ها، مثل ميوه*ها، داراي هسته*ي مرکزي هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترون*ها به دور هسته مي چرخند. اما الکترون هاي در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبناي اصول الکترومغناطيس، «ذره*ي بادارِ شتابدار بايد تابش کند» و در نتيجه انرژي از دست بدهد و در يک مدار مارپيچي به سمت هسته سقوط کند. اين سرنوشتي بود که مکانيک کلاسيک براي تمام الکترون ها پيش*بيني و توصيه(!) شکل 2: طيف تابشي اتم*ها، بر خلاف فرضيات فيزيک کلاسيک گسسته است. به عبارت ديگر، نوارهايي روشن و تاريک در طيف تابشي ديده مي*شوند. در اين تصوير، طيف تابشي کربن را مي*بينيد. مي کرد و اگر الکترون ها به اين توصيه عمل مي کردند، همه*ي* مواد ــ از جمله ما انسان*ها ــ بايد از خود اشعه تابش مي کردند (و همان*طور که مي*دانيد اشعه براي سلامتي بسيار خطرناک است)! ولي مي*بينيم از تابشي که بايد با حرکت مارپيچي الکترون به دور هسته حاصل شود اثري نيست و طيف نوريِ تابش*شده از اتم ها به جاي اينکه در اثر حرکت مارپيچي و سقوط الکترون پيوسته باشد، يک طيف خطي گسسته است؛ مثل برچسب هاي رمزينه*اي (barcode) که روي اجناس فروشگاه ها مي زنند. يعني يک اتم خاص، نه تنها در اثر تابش فرو نمي*ريزد، بلکه نوري هم که از خود تابش مي*کند، رنگ ها ــ يا فرکانس هاي ــ گسسته و معيني دارد. گسسته بودن طيف تابشي اتم ها از جمله علامت سؤال هاي ناجور در مقابل فيزيک کلاسيک و فيزيکدانان دهه**ي 1890 بود. گام پنجم: فاجعه*ي فرابنفش برگرديم سر تقسيم کردن نور. ماکسول (1879-1831) نور را به صورت يک موج الکترومغناطيس در نظر گرفته بود. از اين رو، همه فکر مي کردند نور يک پديده*ي موجي است و ايده*ي «مولکولِ نور»، در اواخر قرن نوزدهم، يک لطيفه*ي اينترنتي يا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب مي شد. به هر حال، دست سرنوشت يک علامت سؤال ناجور هم براي ماهيت موجي نور در آستين داشت که به «فاجعه*ي فرابنفش» مشهور شد: شکل 3: جسم سياه يک محفظه*ي بسته و تخليه*شده را که روزنه*ي کوچکي در ديواره*ي آن وجود دارد، در کوره اي با دماي يکنواخت قرار دهيد و آن*قدر صبر کنيد تا آنکه تمام اجزا به دماي يکسان (تعادل گرمايي) برسند. در دماي به اندازه*ي کافي بالا، نور مرئي از روزنه*ي محفظه خارج مي*شود ــ مثل سرخ و سفيد شدن آهن گداخته در آتش آهنگري. شکل 4: نمودار انرژي تابشي در واحد حجم محفظه، برحسب رابطه رايلي- جينز در فيزيک کلاسيک و رابطه پيشنهادي پلانک در تعادل گرمايي، اين محفظه داراي انرژي تابشي*اي است که آن را در تعادل تابشي ـ گرمايي با ديواره ها نگه مي*دارد. به چنين محفظه*اي «جسم سياه» مي*گوييم. يعني اگر روزنه به اندازه*ي كافي كوچك باشد و پرتو نوري وارد محفظه شود، گير مي*افتد و نمي*تواند بيرون بيايد. فرض کنيد ميزان انرژي تابشي در واحد حجمِ محفظه (يا چگالي انرژي تابشي) در هر لحظه U باشد. سؤال: چه کسري از اين انرژي تابشي که به شکل امواج نوري است، طول موجي بين 546 (طول موج نور زرد) تا 578 نانومتر (طول موج نور سبز) دارند. جوابِ فيزيک کلاسيک به اين سؤال براي بعضي از طول موج*ها بسيار بزرگ است! يعني در يک محفظه*ي روزنه دار که حتماً انرژي محدودي وجود دارد، مقدار انرژي در برخي طول موج*ها به سمت بي نهايت مي*رود. اين حالت براي طول موج*هاي فرابنفش شديدتر هم مي*شود. (نمودار شکل 4 را ببينيد.) گام ششم: رفتار موجي ـ ذره*اي در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولين گام را به سوي مولکول نور برداشت و با استفاده از ايده*ي تقسيم نور، جواب جانانه*اي به اين سؤال داد. او فرض کرد که انرژي تابشي در هر بسامدِ ν ــ بخوانيد نُو ــ به صورت مضرب صحيحي از νh است که در آن h يک ثابت طبيعي ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. يعني فرض کرد که انرژي تابشي در بسامد ν از «بسته هاي کوچکي با انرژي νh» تشکيل شده است. يعني اينکه انرژي نوراني، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است. البته گسسته بودن انرژي به*تنهايي در فيزيك كلاسيك حرفِ ناجوري نبود* (همان*طور كه قبل*تر در مورد امواج صوتي ديديم)، بلکه آنچه گيج*كننده بود و آشفتگي را بيشتر مي*کرد، ماهيتِ «موجي ـ ذره*اي» نور بود. اين تصور كه چيزي ــ مثلاً همين نور ــ هم بتواند رفتاري مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاري مثل «ذره»، به طرز تفكر جديدي در علم محتاج بود. شکل 5: ماکس پلانک، از بنيانگذاران فيزيک کوانتوم ذره چيست؟ ذره عبارت است از جرم (يا انرژيِ) متمركز با مكان و سرعتِ معلوم. موج چيست؟ موج يعني انرژي گسترده*شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلف مي*توانند با هم برخورد كنند، اما امواج با هم برخورد نمي*كنند، بلكه تداخل مي*كنند (شکل 6). نور قرار است هم موج باشد هم ذره! يعني دو چيز كاملاً متفاوت. شکل 6: تداخل امواج آب گام هفتم: نرسيدن! در بخش بعدي اين مقاله مفاهيم فيزيک کوانتوم را بيشتر خواهيم شناخت و ارتباط آن را با نانوفناوري بررسي خواهيم کرد.