پدیده‌های مکانیک کوانتومی| نظریه‌ای که هیچ‌کس آن را واقعا درک نمی‌کند!

خبرگزاری علم و فناوری آنا- هدا عربشاهی: دنیایی عظیم در قلب ماده وجود دارد که از میلیاردها و میلیاردها ذره تشکیل شده است و حواس و شهود ما از درک آن عاجز است. دنیایی که در آن قوانین معمول فیزیک اعمال نمی‌شود، بلکه قوانین پیچیده‌تر و «اسرارآمیز» مکانیک کوانتومی بر آن حاکم است. مکانیک کوانتومی نظریه‌ای چنان متناقض است که حتی دانشمندانی را که آن را ابداع کرده‌اند، شگفت‌زده می‌کند. ریچارد فاینمن، از فیزیکدانان نابغه نسل خودش، در سال ۱۹۶۵ گفت: «هیچ‌کس مکانیک کوانتومی را به واقع درک نمی‌کند.» اما باوجود پیچیده‌بودن، این نظریه کار می‌کند، زیرا جهان اتم‌ها و مولکول‌ها را با دقت بی‌عیب و نقصی توصیف می‌کند و ازاین‌رو، کاربردهای زیادی دارد و گمان می‌رود که بعضی پدیده‌ها را ازجمله اثر تونل، فتوسنتز و در نتیجه حیات را ممکن می‌سازد و این همه ماجرا نیست؛ مکانیک کوانتومی، به‌دلیل ویژگی‌های تقریبا جادویی‌اش، همیشه فیلسوفان و دانشمندان را مجذوب کرده و امروز در حال ورود به فرهنگ روزمره مردم است و به منبع الهام کتاب‌ها، فیلم‌ها و سایر آثار ادبی و هنری تبدیل شده است. اما این نظریه چیست؟ و چرا این‌چنین مهم است؟

***

مکانیک کوانتومی نظریه‌ای در فیزیک است که از نظر احتمال آماری، رفتار سامانه‌هایی را با ابعاد اتمی یا زیراتمی شامل الکترون‌ها، هسته‌ها، اتم‌ها، مولکول‌ها و غیره توصیف می‌کند که قوانین مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس برای آنها تأیید نشده است. به‌دیگرسخن، مکانیک کوانتومی نظریه برهمکنش‌های میان ذرات بنیادی است که می‌توان گفت حتی خود ارائه‌دهندگانش، آن را به‌طور کامل درک نکرده‌اند. اما ثابت شده است که تنها نظریه‌ای است که می‌تواند رفتار ماده را در دنیای میکروسکوپی توضیح دهد. نیلز هنریک دیوید بور، فیزیکدان دانمارکی، اوایل سده بیستم میلادی با ارائه اصل هم‌خوانی (مطابقت) توانست میان توصیف کلاسیک و توصیف کوانتومی پیوند برقرار کند. این اصل بیان می‌کند اگر شرایط نظریه‌های جدید و قدیم با یکدیگر هم‌خوانی داشته باشند، پیش‌گویی‌های مربوط به آنها هم می‌توانند باهم مطابقت کنند و این یعنی، در موقعیت‌هایی که تفسیر مکانیک کلاسیک را می‌توان معتبر دانست نتایج مکانیک کوانتومی باید به نتایج مکانیک کلاسیک تقلیل یاید. به‌عبارت‌دیگر، برای مدارهای بزرگ و برای انرژی‌های بزرگ، محاسبات کوانتومی باید با محاسبات کلاسیک مطابقت یا هم‌خوانی داشته باشند.

به‌طورکلی، اجسام بزرگ از قوانین مکانیک کلاسیک (قوانین نیوتن) پیروی می‌کنند، اما رفتار ذرات بسیار کوچکی چون الکترون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها را نمی‌توان بااستفاده از این قوانین به شکل قابل قبولی توصیف کرد. رفتار ذرات بسیار کوچک با مکانیک کوانتومی که براساس خواص موجی ماده است، بسیار بهتر توصیف می‌شود. زیرا مکانیک کوانتومی قادر است تمام پدیده‌هایی را که تاکنون مشاهده شده در مقیاس اتمی توضیح دهد و به‌خصوص می‌تواند به‌درستی حرکت ذرات را درمعرض میدان‌های نیرو توصیف کند.

ذرات معجزه

یکی از ویژگی‌های اصلی این نظریه کوانتش یا کوانتیزه‌شدن است. در دنیای میکروسکوپی، مقادیر فیزیکی‌ ازجمله انرژی را نمی‌توان به‌صورت «پیوسته» مبادله کرد. اما این تبادل را می‌توان ازطریق «بسته‌هایی» به نام «کوانتا» (مفرد کوانتوم) انجام داد. درست مثل آبی که آن را در لیوان‌ها یا بطری‌های با حجم از پیش‌تعیین‌شده جابه‌جا می‌کنند. به موجب این خاصیت، نور از ذرات انرژی به نام فوتون تشکیل شده است و اتم‌ها می‌توانند این انرژی را فقط در بسته‌های کوانتومی جذب کنند. برای مثال یک اتم می‌تواند ۱ یا ۲ یا ۳ یا بیشتر فوتون را جذب یا ساطع کند، اما نه ۲.۷ فوتون یا ۰.۵ فوتون.

این همان چیزی است که در اثر فوتوالکتریک پیش می‌آید، که براساس آن، فلزی که با نوع مناسب نور برخورد می‌کند، الکتریسیته تولید می‌کند. این پدیده، که در پایان قرن نوزدهم کشف شد و آلبرت اینشتین آن را در سال ۱۹۰۵ توضیح داد اساس عملکرد امروزی صفحات فتوولتائیک است.

دومین مسئله در مکانیک کوانتومی این واقعیت است که همه ذرات ماهیت دوگانه دارند. در بعضی آزمایش‌ها ذرات مانند جسم و در بعضی دیگر، مانند امواج رفتار می‌کنند. در این بررسی که آزمایش دو شکاف نام دارد یک صفحه حساس مقابل یک شکاف دوتایی قرار می‌گیرد و مشاهده می‌شود که فوتون‌ها بر این صفحه تاثیر می‌گذارند و حاشیه‌های تداخلی ایجاد می‌کنند. درواقع، ماهیت موجی نور باعث می‌شود نورهایی که از دو شکاف می‌گذرند با هم تداخل کنند و الگویی متشکل از باریکه‌های تاریک و روشن بسازند. اما اگر نوری که روی صفحه افتاده با دستگاه آشکارسنج ارزیابی شود مشاهده می‌شود که همیشه به شکل ذره (فوتون) جذب می‌شود. این آزمایش تایید می‌کند که دو ماهیت ذره‌ای و موجی نور از هم تفکیک‌ناپذیرند.

غیرقابل پیش‌بینی‌ چون اشباح

 فیزیک کلاسیک قابل پیش‌بینی است و با کمک آن می‌توان مسیر پرتابه یا سیاره را دقیقا محاسبه کرد. اما، در مکانیک کوانتومی، هرچه موقعیت ذره دقیق‌تر شناخته شود، سرعت آن نامشخص‌تر می‌شود و برعکس.

این پدیده را اصل عدم قطعیت توضیح می‌دهد که فیزیکدان آلمانی ورنر هایزنبرگ در سال ۱۹۲۷ آن را فرموله کرد. اصل عدم‌ قطعیت در فیزیک کوانتومی بیان می‌کند که جفت‌های مشخصی از خواص فیزیکی- برای‌مثال مکان و تکانه- را نمی‌توان با دقت مورد انتظار تعیین کرد. درواقع، افزایش دقت در کمیت یکی از آن خواص با کاهش دقت در کمیت خاصیت دیگر همراه است. هایزنبرگ معتقد بود که غیرممکن است هم‌زمان سرعت و مکان الکترون یا هر ذره دیگری با دقت یا قطعیت مورد نظر معین شود. ازاین‌رو، اگر بخواهیم رفتار الکترون را در اتم توصیف کنیم، فقط می‌توانیم بگوییم در ابری است که پیرامون هسته قرار دارد.

یکی دیگر از پدیده‌های عجیب کوانتومی، اثر تونل‌زنی است، یعنی این واقعیت که ذرات می‌توانند مانند اشباح از دیوار عبور کنند. واپاشی مواد رادیواکتیو این‌گونه توضیح داده می‌شود که تابش ساطع‌شده از این مواد، از ذراتی تشکیل شده است که بر یک سد انرژی در داخل هسته غلبه می‌کنند. به‌عبارت دیگر، تونل‌زنی کوانتومی یا به‌سادگی تونل‌زنی پدیده‌ای از مکانیک کوانتومی است که در آن جسمی چون الکترون یا اتم از یک سد انرژی پتانسیل عبور می‌کند که طبق مکانیک کلاسیک، به‌دلیل نداشتن انرژی کافی برای عبور یا غلبه بر آن جسم، این مانع نباید قابل عبور باشد. درواقع، با بازگشت به ماهیت دوگانه ماده، می‌توان گفت که تونل‌زنی نتیجه ماهیت موجی ماده است.

مکانیک کوانتومی در فلسفه

اما مکانیک کوانتومی فقط عجیب و پیچیده و مورد توجه و علاقه فیزیکدانان نیست، بلکه همانند بسیاری دیگر از قوانین فیزیک از جنبه‌ فلسفی هم قابل بررسی است. به‌ویژه که ما را وادار می‌کند تا در الگوهای ذهنی‌ای که به آن عادت کرده‌ایم بازنگری کنیم، باورهای‌هایمان را در بوته آزمایش بگذاریم و به پرسش‌هایی که فیلسوفان برای هزاران سال از خودشان پرسیده‌اند پاسخ‌های جدیدی ارائه کنیم. برای‌مثال، یکی از سوال‌هایی که فیلسوفان از دیرباز مطرح کرده‌اند این است که آیا سرنوشت قابل پیش‌بینی است؟ نظریه مکانیک کوانتومی اصلی دارد که به اصل برهم‌نهی معروف است و بیان می‌کند اگر جسمی کوانتومی به چشم نیاید می‌تواند هم‌زمان در همه وضعیت‌های ممکن قرار داشته باشد. پس، برهم‌نهی به‌معنی ترکیب تمام حالت‌هایی است که جسم می‌تواند از دیدگاه نظری در آنها قرار داشته باشد. یعنی ذره‌ای که مشاهده نمی‌شود، می‌تواند به‌طور هم‌زمان چند سرعت داشته باشد و در چند مکان حاضر باشد و فقط پس‌از آنکه مشاهده شد درنهایت در نقطه‌ای خاص درهم فرو ریزد. اگر این جسم را سرنوشت انسان فرض کنیم که چون دیده نمی‌شود پس‌ می‌تواند هم‌زمان در چند مسیر با چند سرعت سوی چند مقصد حرکت کند ازاین‌رو، می‌توان گفت که سرنوشت قابل پیش‌بینی نیست و این کاملا خلاف آن‌چیزی است که در سده پنجم پیش‌ازمیلاد دو فلیسوف یونانی پیشاسقراطی به‌نام‌های دِموکریت و لئوکیپوس که از شارحان مکتب اتم‌گرایی بودند بیان کردند. به گفته آنها جهان از اتم‌هایی تشکیل شده است که در خلاء به روشی قابل پیش‌بینی حرکت می‌کنند. یک قرن بعد از آن دو، یونانی دیگری به‌نام اپیکور، فرضیه‌ای را مطرح کرد که نشان می‌داد میان اتم‌ها برخوردهای تصادفی با پیامدهای غیرقابل پیش‌بینی وجود دارند. به‌نظر می‌رسید که فیزیک کلاسیک قرن نوزدهم با نظر دِموکریت و لئوکیپوس موافق است اما مکانیک کوانتومی، اگرچه بر پایه‌های کاملا متفاوتی قرار دارد، اما به اندیشه اپیکور نزدیک‌تر است.