طبیعت: عجیب تر از مافوق خود – بخش دوم

بیگ بنگ: در این قسمت به آزمایش دو شکاف می پردازیم که نخستین بار توسط توماس یانگ انگلیسی انجام شد و امروزه به یکی از چالش برانگیزترین پدیده های علمی به ویژه در فیزیک کوانتوم تبدیل شده است. بهتر است پیش از خواندن ادامه مطلب، ویدئوی کوتاه آزمایش دو شکاف ِ دکتر کوانتوم که به سادگی موضوع را شرح می دهد، مشاهده کنید. (زیرنویس فارسی دارد)

ترجمه زیرنویس: حمید شکری / بیگ بنگ –  دانلود ویدئو با حجم ۲۲ مگابایت

آزمایش دو شکاف (The Double Slit Experiment)

شکافی را در نظر بگیرید که توسط چندین توپ هدف گیری می شود. توپ هایی که از شکاف رد می شوند، مستقیما پیش رفته و به صفحه پشت برخورد می کنند. یک شکاف دیگر در کنار قبلی ایجاد می کنیم. با تکرار آزمایش توپ ها از هر دو شکاف عبور کرده و ردی که در صفحه پشت به جا می گذارند، شبیه همان دو شکاف است. از این بدیهی تر نمی شود. اگر این آزمایش را با امواج نور یا هر نوع امواج دیگری انجام دهیم، زمانیکه از یک شکاف استفاده شود، بیشترین روشنایی یا اثر امواج مستقیما در پشت شکاف و بر روی صفحه ظاهر می شود که شبیه توپ هاست. اکنون همین کار با دو شکاف انجام می شود. نتیجه کار بر روی صفحه پشتی، یک الگوی تداخلی است که برای امواج رخ می دهد. یک نوار روشن در مرکز و نوارهای کم نورتر در مجاور آن. جالب اینکه نوار مرکزی روی صفحه در راستایی که از وسط دو شکاف می گذرد، قرار می گیرد!

توماس یانگ همین تداخل را برای نور دید که تعبیر آن موجی بودن نور است، اما موضوع، بسیار عجیب تر از این تعبیر است، نور خاصیت ذره ای بودن خود را به ویژه در پدیده فتو الکتریک اینشتین به نمایش گذاشته است و نام فوتون، اینگونه برای ذرات نور انتخاب شد. ظاهرا نور هم موج است و هم ذره! ممکن است با این موضوع نیز کنار بیایید، اما آزمایش دو شکاف عجیب تر از این دو گانگی است! در آزمایش یانگ، سیلی از فوتونها به سمت دو شکاف حرکت می کنند و تداخل امواج را به نمایش می گذارند. اما اگر بتوانیم فوتون ها را تک به تک به سمت شکافها گسیل کنیم چه اتفاقی می افتد؟ مگر قرار است الگویی به جز حالتی که توپ ها را شلیک می کنیم رخ دهد؟ بنابراین برای ذهن فقط یک اتفاق ممکن است : دو نوار روشن که مستقیما در پشت دو شکاف بر روی صفحه تشکیل می شوند. نظر شما چیست؟

خواص نور؟ ذره یا موج مسئله این است!

خواص نور؟ ذره یا موج، مسئله این است!

سرانجام، تفنگ نوری اختراع شد، به طوری که قادر بود هر بار تنها یک فوتون شلیک کند. آزمایش دو شکاف با این شیوه تکرار شد، با این تفاوت که به جای صفحه‌ پشت، از کاغذ عکاسی استفاده شد، زیرا یک فوتون، کم‌نورتر از آن است که روی صفحه معمولی دیده شود. میلیون‌ها فوتون به صورت تک تک به سمت شکافها شلیک شد. دانشمندان این کاغذ عکاسی را ظاهر کردند تا آنچه که انتظار داشتند را مشاهده نمایند، اما الگویی را دیدند که یکی از بزرگترین دهن کجی های طبیعت به بدیهیات ذهنی ما را به نمایش می گذارد. الگوی تداخل موجی! چرا این موضوع اینقدر عجیب است؟

در این حالت بحث دوگانگی موج – ذره نور مطرح نیست. حتی اگر فوتون شبیه موج عمل کند، چون از یک شکاف می گذرد، باز هم باید اثر خود را پشت آن شکاف به جا بگذارد، در حالیکه الگوی تداخل تعبیری بسیار عجیب پیش رو می گذارد: اینکه فوتون متوجه می شود که در مسیر مقابلش یک شکاف وجود دارد یا دو عدد. اگر یک شکاف بود همچون توپ از آن می گذرد، اما اگر دو شکاف در مقابل خود ببیند، همزمان از هر دو شکاف می گذرد! راه دیگری برای تفسیر این پدیده نیست. یک فوتون پس از شلیک به دو فوتون تقسیم شده، این دو فوتون هر کدام از یک شکاف می گذرند، در پشت شکافها همچون امواج تداخل می کنند، سپس همدیگر را در آغوش گرفته و دوباره یک فوتون شده و بر روی صفحه عکاسی فرود می آیند. احتمالا به این موضوع فکر می کنید که نور پیچیده تر از آن است که بتوان به این سادگی در مورد آن صحبت کرد. فرضا قبول می کنیم! نور را فراموش کنید.

3

همین آزمایش را با تفنگ الکترونی انجام می دهیم. الکترون هایی که در اتاق ابر ویلسون، شبیه حرکت یک ذره ، مسیر واضحی از خود به جا می گذارند. یعنی الکترونها ذره هستند. اما آنچه در پشت صفحه مشاهده می کنید، الگوی تداخل امواج است. این آزمایش حتی با شلیک یک الکترون در هر ثانیه نیز انجام شده است! شاید الکترونها را هم پیچیده فرض می کنید. مهم نیست. این آزمایش با اتم ها نیز به همین نتیجه رسیده است. اتمها را قبول ندارید؟ مولکول ها چطور؟ این پدیده حتی برای مولکول های “باکی بال” شامل ۶۰ اتم کربن و نیز مولکولهای شامل ۸۰۰ اتم به همان نتیجه الگوی تداخلی امواج ختم شده است! مولکولهای باکی بال در زیر میکروسکوپ الکترونی هیچ تفاوتی با توپهایی که در ابتدا شلیک کردیم، ندارند! آیا این مولکولها نیز همزمان از هر دو شکاف عبور می کنند؟!

آیا ذرات از هر دو شکاف می گذرند؟

دانشمندان نیز با همین پرسش درگیر شدند و لذا تصمیم گرفتند، ردیابهایی همچون چشم آدمی در کنار شکافها قرار دهند تا متوجه شوند این فوتون ها یا ذرات دیگری که شلیک می شود از یک شکاف عبور می کنند یا از هر دو؟ این بار نیز طبیعت سر به سر آدمی می گذارد! به محض قرار گرفتن ردیابها برای مشاهده مسیر عبور ذرات، الگوی تداخلی محو می شود و آنچه باقی می ماند، آثار این ذرات به صورت دو نوار بر روی صفحه پشت شکافهاست! هر ذره از یک شکاف عبور می کند و مستقیم به صفحه برخورد می نماید. امیدوارم عمق مطلب را تصور کرده باشید. نور به دو شکاف تابیده است و صفحه پشت آن با چند نوار روشن شده است. همین که کلید ردیاب روشن می شود، بلافاصله تمام آن نوارها از بین رفته و تنها دو نوار روشن در راستای دو شکاف باقی می ماند! لحظه ای که ردیاب خاموش شود، مجددا تصویر چند نوار ظاهر می گردد! از این پدیده عجیب تر جایی دیده اید؟ شاید تصور کنید که ردیابها در حرکت ذرات به سوی شکافها اختلال ایجاد می کنند.

احتمالا جان ویلر آمریکایی نیز چنین حدسی زد و طرحی را پیشنهاد داد که ردیابها را به پشت شکافها منتقل می کند. در این آزمایش، صفحه پشت می بایست دقیقا در آخرین لحظه‌ پیش از برخورد فوتون، با یک دستگاه ردیاب نوری جایگزین شود. به این ترتیب می‌شد فهمید فوتون از کدام شکاف عبور کرده است. حتما متوجه شده اید که تصمیم درباره‌ی جایگزین کردن صفحه با ردیاب ، بعد از عبور فوتون از میان شکاف گرفته می‌شود. طرح ، بی نقص است. این بار دست این شعبده بازان طبیعت برای آدمی رو خواهد شد! با این روش به محض عبور هر ذره از شکاف یا شکافها، مسیر آن قابل کشف است. چند سال بعد که این آزمایش اجرایی شد، نتیجه این بود : هنگامی که صفحه معمولی در جای خود قرار داشت، فوتون طبق الگوی تداخل رفتار می‌کرد، اما همین که در لحظه‌ی آخر، ردیاب جایگزین آن می شد، فوتون الگوی تداخل را کنار می گذاشت و همچون ذره می شد!

parallel world

آیا مشاهده گر باعث تغییر رفتار فوتون های می شود؟ باور کنید یا نه، فوتون ها و دیگر ذرات از قبیل الکترون و … قبل از رسیدن به شکاف ها دست آدمی را می خوانند! آنها آینده را پیش بینی می کنند، باور نمی کنید؟ در این صورت باید با این تعبیر کنار بیایید: ردیاب، مسیر گذشته فوتون را تغییر می دهد. شفاف تر بگوییم : آنچه که گذشته، هنوز نگذشته است! مشاهده گر، گذشته و تاریخ را تغییر می دهد. این به معنای از میان رفتن تقدم زمانی در علت و معلول و درنتیجه فروپاشی علیت نیز می باشد! عجیب تر شد، نه؟ شما تعبیر بهتری دارید بفرمایید! تفسیرهای دیگری نیز وجود دارد. تفسیر کپنهاگی که توسط بور بنیانگذاری شد. تفسیر بوهم و از همه جالب تر برای من تفسیر جهان های موازی است. با توجه به طولانی شدن بحث، شرح مختصر آن را می توانید در این لینک بخوانید. شرح مفصل تر جهان های موازی را نیز می توانید در کتابی با همین عنوان ، نوشته میچیو کاکو، ترجمه شیوای سارا ایزد یار و علی هادیان مطالعه نمایید.

پایان

نویسنده: احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ

منابع بیشتر: Buckminsterfullerene , Double-slit experiment , pdf , physicsworld

image_pdfimage_print
(32 نفر , میانگین : 4٫69 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=21411
احمد مصدر

احمد مصدر

نویسنده این مطلب : احمد مصدر ، فوق ليسانس شيمي. علاقمند به علوم مختلف از جمله فيزيك و فلسفه علم می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۲۲ پاسخ‌ها

  1. Moez گفت:

    سلام وقت بخیر
    خیلی جالب بود،این جور که اینجا توضیح دادین انگار فوتون ها متوجه میشن که یکی اونها رو زیر نظر گرفته و میخوان سر از کارشون در بیارن.
    دنیای پیچیده ای داریم!!!
    یه سوال
    اگه تعداد شکاف ها رو زیاد کنیم خط های بیشتری ایجاد میشه؟ یا اگه صفحه رو نسبت به شکاف ها کمی جابه جا کنیم در ایجاد تعداد خط تاثیری داره؟

  2. parsa گفت:

    آقای مصدر،اگر در رابطه با آزمایش شهریار افشار که اصل مکملی رو نقض کرده هم توضیح بدین ممنون می شم. با تشکر

    • Masdar Masdar گفت:

      دوست عزیز من اتفاقی بخش کامنتها رو دیدم. اینکه شما از من درخواستی داشتید باعث شرمندگی شد! من از همه دوستان معذرت خواهی می کنم که شاید انتظار پاسخی داشته اند و من کوتاهی کرده ام. اگر فرصت شود در خدمت تمام دوستان دوستدار علم خواهم بود.در مورد بحثهای فلسفی کوانتوم پیشنها د می کنم این کتاب را مطالعه نمایید:
      پیدایش فلسفه علمی ، هانس رایشنباخ ، ترجمه موسی اکرمی ، نشر انتشارات علمی و فرهنگی

  3. ardeshir گفت:

    Merci man ta behal chand sharh az azmayesh do shekaf khonde boodam vali in kamel taraz hamash bood bazam tashakor mikonam @

  4. ardeshir گفت:

    Yek soal yani zarat shoor darand ?? Mishe lotfan pasokh bedid montazeram

    • سمیر الله وردی گفت:

      با درود، خیر ، بطور قطع نمی توان گفت ذرات شعور دارند. بطور کل ذهن انسان جوری است که برای داشتن زندگی آسوده و بدون آشوب ، تلاش می کند پدیده ها را بر طبق الگوها و قوانین مشخصی تفسیر کند و این توقع بیجا را دارد که جهانی پیچیده را با متغیرهای ساده و کم تعداد توصیف نماید. شاید ناتوانی ما در توضیح دادن چیزی در حال حاظر ناشی از بی توجهی به نیروها یا اصول عمل کننده ی آنها باشد، پس می توان گفت هنگام رویارویی با چیزی که از آن سر در نمی آوریم، خردمندانه ترین کار یافتن توضیحی طبیعی است. در نهایت با کشف اصول عمل کننده ذرات مشخص خواهد شد که ذرات شعور ندارند و هیچ قانون فیزیکی را نقض نمی کنند، بلکه محاسبات ما ناقص بوده است و بخوبی رفتار آنها را توضیح نمی داده. برای اطلاعات بیشتر می توانید این مطلب را مطالعه نمایید.

  5. کاشف گفت:

    “آنچه که گذشته، هنوز نگذشته است ! مشاهده گر( انسان ) ، گذشته و تاریخ را تغییر می دهد. این به معنای از میان رفتن تقدم زمانی در علت و معلول و درنتیجه فروپاشی علیت نیز می باشد!”

    بهترین توضیحات همین چند تا جمله بود مخصوصا این که : ” مشاهده گر( انسان ) ، گذشته و تاریخ را تغییر می دهد ” .

  6. Mohammad گفت:

    من پیشنهاد میکنم فیزیک کونتوم رو دست کم نگیرین و هر چیزی که میتونین راجبش بخونین ، هر چی بیشتر برین تشو بیشتر میفهمین چه قد همه چیز عجیبه.
    اما یه جوابی که به ذهنم رسید و دیدم سوال شد ، ذرات شعور ندارند ، ذات آدم راحت طلبه ، خیلی کمن افرادی که سختی رو به جون میخرن برای فهمیدن بقیه سعی میکنن با یه سری دلایل خودشون رو قانع کنن.
    توضیح این مسئله واقعا جالب باید باشه

    • خلیل نسب گفت:

      بادرود خدمت Mohammadعزیز: اگر تصور کنیم که تفکر مجزا از فیزیک ویا جدا از طبیعت میباشد دچار سردرگمی خواهیم شد ولی اگر تغذیه و کار و تفریح و … حتی تفکر را هم جزو نیازهای انسان حساب کنیم میتوانیم بهتر با مسائل برخورد بکنیم . بنده توصیه میکنم که مقاله اقای مکس تگمارک را که به تاریخ ۱۳ ابانماه با عنوان {توضیح فیزیک اگاهی} به صورت ویدئو میباشد مطالعه بفرمایید که در همین سایت بیگ بنگ موجود است .

  7. تارا گفت:

    ممنون از توضیح دلنشین و زیباتون

  8. arash گفت:

    برتراند راسل در کتاب جهان بینی علمی:

    عدم قطعیت و امثالهم ناقض علیت نیست(فصل روش علمی و دفاع از اصل علیت)

  9. فائزه گفت:

    یک سوال برای من پیش اومده اگر هیچ چیز قطعی نباشه آیا خود این حرف که( هیچ چیز قطعیت نداره) قطعی و کاملا درسته؟؟اگر بگیم که بله قطعی و درسته پس عدم قطعیت نقض شده اگر بگیم قطعی نیست پس نمیتونیم قبولش کنیم
    در ضمن به نظر من این امر تناقضی با قانون علیت نداره چون همین اصل عدم قطعیت خودش علت عبور همزمان ذرات از دو شکافه !!! پس چطور میگید که با علیت متناقضه؟؟

  10. Elmira گفت:

    سلام تعداد نوار های تیره و روشن رو میخوام بدونم در کل تعداد نوارها در این ازمایش جقدر است ممنون

  11. کاوه گفت:

    سلام به همه شما دوستان عزیز
    متاسفانه وقتی که علم فیزیک وارد جریان عامه پسند می شه چون معمولا ریاضیاتش حذف می شه تعابیر خنده داری
    برای اون حوادث گفته می شه
    در هر حال دوستای گلم ی سری به لینک زیر بزنید :

    https://www.quora.com/How-are-particles-observed-in-the-double-slit-experiment
    بعد نظر این استاد دانشگاه هاروارد رو هم مطاللعه بفرمایید
    Rodney Brooks, Ph.D., Physics, Harvard. Author of “Fields of Color”
    بعد می فهمید که نه علیت زیر سوال رفته
    نه وجود شریف شما عزیزان
    و ذرات هم شعور ندارند
    با شیطنت زیرکانه ایی در بعضی مقالات جای وازه ی وسایل اندازه گیری(measurement devices) و مشاهده کننده(observer) عوض شده، پس زمانی که وسایل اندازه گیری در آزمایش به کار می روند با ذرات برهم کنش می کنند در اثر
    این برهم کنش الگوهای تداخلی از بین می روند این پدیده اثبات ریاضی داره شما زمانی نگران باشید که ریاضیات بریزه به هم
    بنده حقیردر برابر حق ۲۰ سال هست که کوانتم مطالعه می کنم کی و چگونه اصل عدم قطعیت و هندسه هیلبرتی و جبر تانسوری علیت رو زیر سوال بردن؟ همه ی این پدیده ها نتیجه ی جبر ماتریسی تانسوری و عملگرها هستن
    شما بفرمایید کوانتم فیلد تئوری مطالعه بفرمایید بعد اگر تناقض دید بیایید نگارش کنید
    کوانتم یک نظریه بسیار قدرتمند و زیباست و ابتذال و دیوانگی در اون جایی نداره

    تو رو خدا بدون پشتوانه ریاضیات حرفی رو نگید اگر قرار بود علم اینجوری جلو بره که ما الان برق رو هم اختراع نکرده بودیم

  12. کاوه گفت:

    همه چیز در جهان اندازه های ماکروسکوپیک قطعی هست تا چندین رقم اعشاری
    فقط در عالم اندازه های کوانتمی چون اندازه گیرنده و اندازه شونده تقریبا یک سایز و انرزی دارن روی هم تاثیرات بزرگی می گذارند و اینجاست که اصل عدم قطعیت پیش میاد و معنیش این نیست که شما و بنده وجود نداریم یا معلوم نیست کجا هستیم بلکه مکان وجودی ما مثلا زمانی که می خواد تا ۱۰۰ رقم اعشاری محاسبه بشه توی اون رقم های آخر عدم قطعیت وجود داره که این هم برای ما مشکل علیتی ایجاد نمی کنه چون ما نسبت به جهان کوانتمی خیلی بزرگیم

  13. هادی گفت:

    سلام. حقیقتش من اطلاع تخصصی در مورد مکانیک کوانتوم ندارم. اما توضیحات آقای کاوه بنظرم منطقی تر از تفسیرهای دیگه هست. آیا ممکنه نویسنده محترم مقاله یا سایر دوستان توضیح بیشتری بدن تا بحث کمی روشن تر بشه؟ ممنونم.

  14. محمد گفت:

    با سلام
    شما فرمودید که آزمایش دو شکاف با اتم ها و یا حتی با مولکول های شمختلف انجام شده و هربار با همین نتیجه رسیده شده است. یعنی هنگامی که اتم یا مولکول به سمت دوشکاف شلیک میشود در حالی که هیچ ردیابی آنرا مشاهده نمیکند، مولکول مانند موج رفتار کرده و همان الگوی تداخلی موج ایجاد شده است.
    خب فرضا که این نتیجه درست باشد که بنظر درست است، با تکرار مداوم این آزمایش با استفاده ار مولکول ها، میتوان با شلیک تعداد معدودی مولکول، الگوی تداخلی ایجاد کرد و تعداد بیشتری از همان نوع مولکول ها را داشت!
    پس آیا میتوان به این روش بدون اینکه انرژی را به ماده تبدیل کرد، ماده بیشتری تولید کنیم؟ یا به عبارت دیگر میتوان بدون استفاده از اصل پایستگی ماده و انرژی، اصل پایستگی ماده به تنهایی (!) را نقض کرد؟!

  15. M Javas گفت:

    با سلام خدمت عزیزان من یک عالمه تحقیق در این زمینه دارم که یکی از بهترینا این مطلب بود که به خوبی توضیح داده بود
    هنوز بزرگترین دانشمندان دنیا به این موضوح جواب قطعی نداده اند من تعجب میکنم که یکسری از عزیزان جواب قطعی میدهند.
    چیزی که در این موضوع حرف اول را میزند این است که جهان عجیب تر و پیچیده تر تصورات ماست
    الا چیزی که بین دانشمندان رایج شده اینه که ذرات یک درکی از همه چیز دارند واین که میتوانند خودشونو باز سازی کنن
    یعنی به نوعی این نظریه وجود داره که اصلا زمانی وجود نداره وگذشته ای که هنوز نگذشته واقعا اصطلاح جالبی بود که این جا وجود داشت در این باره

  16. پوپک گفت:

    جهان ما حالت شبح وار داره . یعنی تمام این ثابت های فیزیکی صفت ذاتی جهان نیستن و ما اونها رو به جهان نسبت میدیم . شبح وار یعنی اینکه میتونه هر لحظه به یه شکلی باشه و شکل نهایی اون رو ناظر جهان تعیین می‌کنه ! یعنی نظریه جهان از دید ناظر . این ناظر هست که شکل و ریخت نهایی جهان رو تعیین می‌کنه . دوگانگی موج و ذره هم تایید می‌کنه این وضعیت رو . در هر لحظه جهان معلوم نیست که آیا موج هست یا ذره !؟؟ و این ناظر جهان ( و قطعا تنها یک ناظر و ناظر نهایی ) هست که شکل نهایی جهان رو اونم در هر لحظه تعیین میکنه

پاسخ دهید

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