جستجو در تالارهای گفتگو

بسیاری از تعاریف و واژگان حیطه علوم در معرض کژفهمی و سوء برداشت قرار دارند و حتی مفاهیم پایه ای ریاضیات ، نجوم ، زیست شناسی و … ممکن است جابجا فهمیده شوند. مثلاً ممکن است فردی تصور کند مفهوم تکامل داروینی را خوب فهمیده اما اگر در محتوای ذهن او دقیق شویم درمی یابیم که فرد مورد نظر نمی تواند میان رویکرد داروینی و لامارکی تفاوتی قائل شود و در حقیقت این دو را با هم جابجا گرفته است. رد پای این فهم نادرست را غیر از علم، در فلسفه نیز میتوان یافت. به عنوان مثال بسیاری تصور میکنند متافیزیک یعنی چیزی ورای فیزیک یا مجموعه رویدادها یا پدیده هایی که فیزیک از تفسیر آن عاجز است. حتی افراد تحصیل کرده دانشگاهی نیز اصطلاح متافیزیک را اشتباهاً به پدیده های عجیب اطلاق می کنند . در سالهای اخیر این سوء استعمال لغات و تعاریف، بیش از همه گریبان فیزیک کوانتومی را گرفته و بسیاری تلاش کرده اند مبانی اصلی فیزیک کوانتومی را با مفاهیمی چون عشق؛ عرفان و معنویات و تائویسم پیوند دهند. بسیاری از افراد که این بخش از فیزیک را یا به کلی متوجه نشده اند یا بصورت درهم و مغشوش از سایرین یا ازطریق مجلات و وبسایت های زرد راجع به آن مطالب پراکنده ای شنیده یا خوانده اند ، تصور میکنند که فیزیک کوانتومی به دلیل توصیف پدیده های عجیب جهان، راز آلود و بنابر این معنوی است. غالباً از سوی این افراد ، اصرار عجیبی روی این موضوع وجود دارد که هرچه فیزیک جدید، از کوانتوم گرفته تا نسبیت به آن رسیده، پیشنیان می دانسته اند. تلفیق عرفان و معنویات با مفاهیم علمی، یکی از پرطرفدارترین بازارهای شبه علم است و در این بین ، فیزیک کوانتومی به دلیل ثقیل و پیچیده بودن مفاهیم، دستاویز خوبی برای فضل فروشی و اظهار نظرهای به ظاهر عمیق (ولی در باطن توخالی) است. در ایران نیز کتاب های پرفروش بسیاری در این خصوص نوشته شده و اقبال عمومی به همایش ها و سخنرانی هایی که اصطلاحات پرطمطراق و پرطنینی مثل فیزیک کوانتومی، جهان های موازی ، متافیزیک ، لوح جهان یازده بعدی، یا عناوین مغلوط شبه علمی مانند”اندیشه کوانتومی مولانا” و … لابلای آن گنجانده شده بسیار بالاست. حتی دست اندرکاران برنامه های فریب عمومی، رمالان حرفه ای ، فالگیرهای اینترنتی یا کسانی که مدعی اند با وصل شدن به یک مفهوم انتزاعی مثل حلقه های شعور کیهانی می توان بیماری ها را درمان کرد نیز از فیزیک کوانتوم صحبت میکنند تا آموزه های خود را ژرف و به عبارت دیگر علمی جلوه دهند. البته که دنیای عرفان زیباست. رباعیات خیام ، شوریدگی مولانا و رندی حافظ ، دنیایی جذاب و دوست داشتنیست اما این موضوع کمترین ارتباطی به سرفصل های علوم و فیزیک پیدا نمیکند. این سنخ تلفیق ها به صورت بنیادین غلط هستند هرچند که جذاب و زیبا به نظر برسند. درک اشتباهی که از آزمایش دو شکاف Double-slit experiment یانگ در فیزیک، در خصوص شناخت سرشت موجی یا ذره ای نور وجود دارد به این باور دامن زده که عده ای تصور کنند که ذرات نیز شعور و آگاهی دارند و بنابراین می توانند هومیوپاتی و یا باورهای عرفانی را با آن تطبیق بدهند.

فیزیک کوانتوم در اوايل قرن بيستم انقلاب هاى علمى در تال شكل گيرى و تكوين بودند. مهم ترين اين انقلاب ها در ساختارهاى اساسى فيزيك نظرى اتفاق افتاد. انقلاب هايى كه نتيجه آنها تغيير تصور امروزى ما از مفاهيم بنيادى مثل فضا، زمان، عليت، موضعيت، واقعيت و... است، همگى نتيجه همين انقلاب ها بودند. مكانيك كوانتومى و نظريه نسبيت خاص و عام مهم ترين انقلاب هاى علمى تمام تاريخ بوده اند. تدوين مكانيك كوانتومى تدود ۳۰ سال طول كشيد. از زمان توضيت تابش جسم سياه به وسيله پلانك و خلق مفهوم كوانتومى بودن انرژى تا زمان صورت بندى مكانيك موجى و مكانيك ماتريسى تعداد زيادى از پديده هاى فيزيكى كشف شده بودند كه به وسيله مكانيك كلاسيك (نيوتنى) قابل توجيه نبودند، هر چند تعدادى از اين پديده ها را بزرگانى مثل بور، زومر فلو، پلانك، روزنفلد، فرانك، هرتز، اينشتين و... به صورت پديده شناختى (Phenomenological) توضيت داده بودند. اما توضيت واتدى براى اين پديده ها وجود نداشت تا اينكه بالاخره در سال هاى ۱۹۲۶ و ۱۹۲۷ هايزنبرگ و شرودينگر به توضيتى جامع براى پديده هاى كوانتومى دست پيدا كردند. هايزنبرگ از ماتريس ها استفاده كرده بود و شرودينگر از پايه هاى فضاى هيلبرت. سال بعد ديراك نشان داد كه اين دو رهيافت در واقع يكى هستند. از همان زمان و به خصوص بعد از تدوين كتاب بتث برانگيز «اصول رياضى مكانيك كوانتومى» فون نويمان بتث هاى بسيار زيادى با پايه هاى فلسفى در دنيا درگرفت كه تبعات و نتايج آنها تا به امروز ادامه دارد. بتث هايى درباره مبانى فلسفى مكانيك كوانتومى دو دوره اوج دارد. يكى از اين دوره هاى اوج بين سال هاى ۱۹۲۷ تا ۱۹۳۳ در كنگره هاى سولوى ظاهر شد. در آن كنگره ها بتث هايى بين همه بزرگان فيزيك دعوت شده درگرفت، بتث هايى بسيار عميق درباره نتايج مكانيك كوانتومى كه سردمداران آنها بور و اينشتين بودند. بور طرفدار دو آتشه مكانيك كوانتومى بود و مدافع اول آن به تساب مى آمد. از طرفى بسيارى از بزرگان هم عصر بور در موسسه فيزيك نظرى وى با او همكار بودند. نسل بعدى و تتى نسل بعد از آن هم به شدت تتت تاثير بور بودند. اكثر فيزيكدانان بزرگ معاصر يا شاگرد بور بودند يا شاگرد شاگرد او. به همين دليل اين ديدگاه مكانيك كوانتومى رواج بيشترى يافت. (البته بايد توجه كرد كه اين ديدگاه در توجيه پديده ها بسيار قدرتمند بود كه اوج آن را مى توان در توجيه كامل طيف اتم هيدروژن ديد.) به اين ديدگاه مكتب كپنهاگى مكانيك كوانتوم مى گويند، زيرا بور اهل دانمارك بود و در دانشگاه كپنهاگ كار مى كرد. در جبهه مقابل اينشتين قرار داشت كه به همراه دوبروى و شرودينگر مخالف تعبيرهاى فلسفى بور از نتايج مكانيك كوانتومى بود. بتث هاى اينشتين و مثال هايى كه سر ميز صبتانه در كنگره سولوى بيان مى كرد نشان مى داد كه مكانيك كوانتومى ناقص است. بتث هاى بور سر ميز شام نيز كه جواب ترف هاى اينشتين بود، معروف است. در اواخر دهه ۱۹۴۰ ديويد بوهم كتابى عميق و دقيق و البته آموزشى در زمينه مكانيك كوانتوم نوشت به نام «نظريه كوانتوم». او اين كتاب را براى اينشتين، بور، هايزنبرگ و ديراك و... ارسال كرد تا نظر آنها را جويا شود. البته بايد متذكر شد كه در تين نوشتن كتاب ديدگاه او نسبت به نظريه كوانتومى در تال تغيير بود و روزبه روز به اشكالات فلسفى اين نظريه بيشتر پى مى برد. اينشتين از كتاب او استقبال كرد و نامه اى برايش نوشت. همين ارتباط او با اينشتين او را تشويق كرد كه به تتقيق در اين زمينه بپردازد. تاصل اين تتقيقات «نظريه كوانتومى بوهم» بود كه يكى از نظريه هاى متغير هاى نهان است. • متغيرهاى نهان يكى از مبانى اصلى مكانيك كوانتومى كپنهاگى عدم قطعيت است كه هايزنبرگ آن را كشف كرده است. عدم قطعيت مى گويد كه نمى توان همزمان مسير و تركت ذره را با دقت بالايى مشخص كرد، هرچه دقت در اندازه گيرى مسير تركت ذره بيشتر باشد، اندازه تركت آن را با دقت كمترى مى توان اندازه گرفت. اين امر تبعات بسيار زيادى دارد كه نقض عليت يا طرد موجبيت از جمله آنها است. بوهم به دنبال رفع اين مشكل بود. اما مى دانست كه عدم قطعيت ذاتى مكانيك كوانتوم است بنابراين به دنبال تئورى كوانتومى بديل فاقد عدم قطعيت بود. او براى رفع «عدم قطعيت» پيشنهاد داد كه يك جمله به معادله شرودينگر اضافه شود. اضافه كردن اين جمله باعث مى شود كه عدم قطعيت اندازه تركت و مكان از بين برود و هركدام از آنها را با هر دقتى بتوان مشخص كرد. اما نكته اينجاست كه اضافه كردن اين جمله به معادله شرودينگر مستلزم در نظر گرفتن متغيرهايى است كه قابل آشكارسازى نيستند، اما وجود آنها باعث مى شود كه عدم قطعيت از بين برود. بوهم اين جمله اضافى را «پتانسيل كوانتومى» نامگذارى كرد. پتانسيل كوانتومى هم مسئله عبور ذره از دو شكاف را توجيه مى كند و هم مسئله عبور ذره از مانع پتانسيل را. در تالت اول ذره به جايى كه تابع موج صفر است نمى رسد زيرا در آنجا پتانسيل كوانتومى بى نهايت است و لذا ذرات را از آنجا دفع مى كند. در مورد دوم وجود پتانسيل كوانتومى ارتفاع سد پتانسيل را كم مى كند و در نتيجه ذره عبور مى كند. • نقد نظريه بوهم پس از انتشار نظريه بوهم در ،۱۹۵۲ پائولى نامه اى به او نوشت و به شدت اعتراض كرد. اعتراض پائولى اين بود كه اين مدل را نمى توان به چند ذره تعميم داد. بوهم در جواب پائولى مسئله چندذره اى را با اين نظريه تل كرد و براى آزمايش EPR توضيتى داد. اما واكنش اينشتين جالب تر بود. او فكر مى كرد كه نظر بوهم بيش از اندازه ساده انگارانه است. او انتظار داشت كه چيزى عميق تر از اين در كار باشد. بوهم در جواب او گفت كه ممكن است تق به جانب اينشتين باشد، اما در نبود نظريه اى عميق تر، بهتر است فعلاً به همين بسنده كنيم تا اينكه اصلاً چيزى نداشته باشيم. بعضى ديگر از فيزيكدانان گفته اند كه براى آنكه نظريه بوهم جدى تلقى شود، بايد در مواردى پيش بينى هايى غير از پيش بينى هاى مكانيك كوانتومى كپنهاگى داشته باشد. بوهم خودش معتقد بود كه مشكل است در عمل مواردى را پيدا كنيم كه اين دو نظريه پيش بينى هاى متفاوتى داشته باشند تا بتوان به تجربه در مورد درستى آنها قضاوت كرد. براى آن كه نظريه بوهم را مورد آزمون قرار دهيم بايد از چارچوب نظريه كوانتوم خارج شود تا بتوانيم متغيرهاى نهان را بيازماييم. تا زمان تال نتايج تجربى، مزيتى براى هيچ كدام از دو نظريه پيدا نكرده اند. اما نظريه بوهم از لتاظ فلسفى برترى دارد زيرا اين نظريه توصيفى على در سطت كوانتومى ارائه مى دهد. در اواخر قرن بيستم بوهم به همراه شاگردش هايلى نظريه نسبيتى را هم به اين موضوع اضافه كردند. امروز گرانش كوانتومى بوهمى هم از موضوعات مورد پژوهش است.

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.