مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت دهم

0
432

پارادوكس‌هاي كوانتومي

اينشتين معماي فوتوالكتريك را از طريق به كارگيري فرضيه‌ي كوانتومي نور حل كرد. بر خلاف آنچه اكثر فيزيك‌دانان چند صد سال قبل از آن پنداشته بودند، اينشتين اين را مسلم فرض كرد كه نور موجي هموار و پيوسته نيست،  بلكه از ذراتي مجزا و ناگسسته‌ تشكيل شده كه امروزه آنها را فوتون مي‌ناميم. اين بر خلاف شواهدي از جمله آزمايش تداخل يانگ بود. در مدل اينشتين، هر ذره مقدار مشخصي انرژي با خود حمل مي‌كند كه متناسب است با فركانسش، اگر فركانس يك فوتون را دو برابر كنيم، انرژي را كه حمل مي‌كند، نيز دو برابر كرده‌ايد. وقتي اين ايده را بپذيريد، مي‌توانيد كاري به بزرگي توضيح اثر فوتوالكتريك انجام دهيد.

در تصوير اينشتين، هر فوتوني كه به فلز برخورد مي‌كند، مي‌تواند ضربه‌اي به الكترون بزند و هرچه انرژي فوتون بيشتر باشد،‌ آن ضربه نيز شديد‌تر خواهد بود. مانند قبل،‌ اين انرژي بايد حد آستانه‌اي داشته باشد. اگر انرژي فوتون خيلي كم باشد، يعني زير حد انرژي بستگي الكترون، آنگاه الكترون قادر به فرار از محدوده‌ي اتم نخواهد بود. اما اگر انرژي به اندازه‌ي كافي زياد باشد، الكترون فرار مي‌كند. همانطور كه نظريه‌ي موجي نور بيان مي‌كرد،  فرضيه‌ي اينشتين حد آستانه‌ي طول موج را توضيح مي‌داد. اگر فوتون‌ها انرژي كافي نداشته باشند، در آنصورت نمي‌توانند الكترون‌ها را از اتم جدا كنند. اما بر خلاف نظريه‌ي موجي، نظريه‌ي كوانتومي نور اينشتين، فقدان و كمبود اثر حد آستانه را توضيح مي‌دهد. اين نظريه شرح مي‌دهد كه چرا صرفاً افزايش شدت باريكه‌ نمي‌تواند باعث خروج الكترون‌ها از فلز شود.

pelec

اگر باريكه از ذرات منفرد نور تشكيل شده باشد،‌ افزايش شدت تنها به آن معني است كه تعداد بيشتري از اين ذرات در باريكه وجود دارند. در هر زمان تنها امكان دارد يك فوتون به اتم اصابت كند و اگر آن فوتون انرژي مورد نياز را نداشته باشد، نمي‌تواند الكترون را از جايش خارج كند. فرقي هم نمي‌كند كه چند فوتون در همسايگي آن وجود دارند. اين اثر در حالت يك فوتون به ازاي يك اتم رخ مي‌دهد و اگر فوتون ورودي،  بيش از حد ضعيف باشد، هيچ اتفاقي نمي‌افتد. اهميتي هم ندارد كه شدت باريكه چقدر باشد.

نظريه‌ كوانتومي نور اينشتين،‌ اثر فوتوالكتريك را با جزئياتي شگفت‌آور تشريح كرد. اين فرضيه به طور كامل مشاهدات تجربي معماگونه‌اي را كه نمي‌شد هيچ بياني با استفاده از نظريه‌ي موجي برايش ارائه داد، تفسير كرد. نظريه‌ي مذكور اثرات ديگري از جمله قاعده‌ي استوكس درباره‌ي مواد فلوئورسان را هم توضيح داد.

اين مسئله براي فيزيك‌دانان آن زمان واقعاً معماي بزرگي بود: يانگ نشان داد كه نور مانند موج رفتار مي‌كند نه ذره. اما اينشتين نشان داد كه نور مانند ذره رفتار مي‌كند نه موج. اين دو نظريه‌ در تضاد كامل با يكديگر بودند و امكان نداشت هر دو درست باشند. يا شايد هم مي‌شد؟

interference-pattern

درست مانند نظريه‌ي نسبيت، اينجا هم اطلاعات در بطن ماجرا بود. در نظريه‌ي نسبيت، دو ناظر متفاوت مي‌توانند اطلاعاتي راجع به يك رويداد را جمع‌آوري كرده و پاسخ‌‌هايي ارائه دهند كه با هم فرق دارند. در نظريه‌ي كوانتومي هم مسأله مشابهي مطرح است. ناظري كه سيستمي را با دو روش مختلف مي‌سنجد، ممكن است پاسخ‌هاي متفاوتي به دست آورد. اگر آزمايشي را به يك روش انجام دهديد ممكن است ثابت كنيد نور موج است نه ذره. اگر همان آزمايش را به طريق ديگري انجام دهيد، احتمالاً نتيجه‌اي كاملاً برعكس به دست خواهيد آورد. پس كداميك از آزمايش‌ها درست است؟ هر دو يا هيچ‌كدام؟ روشي كه تحت آن اطلاعات را كسب مي‌كنيد، روي خروجي آزمايش اثر مي‌كند.

نظريه‌ي كوانتومي را مي‌توان به زبان نظريه‌ اطلاعات به نظم و قاعده درآورد. دربيان از انتقال اطلاعات (مشتمل بر صفرها و يك‌هاي گزينه‌هاي دودويي) و آن هنگام كه چنين شود، اين نظريه ژرفايي كاملاً بديع را در برابر پارادوكس‌هاي دنياي كوانتومي هويدا خواهد كرد.

تضاد ميان امواج و ذرات تنها شروع ماجرا است.

نظريه‌ي اينشتين، فرضيه‌ي كوانتومي پلانك را روندي كلي كرد و در طول سه دهه بعد از آن بهترين فيزيك‌دانان اروپايي نظريه‌اي را به وجود آوردند كه بسيار زيبا رفتار دنياي زيراتمي را تشريح مي‌كرد.

ورنر هايزنبرگ، اروين شرودينگر، نيلز بوهر، ماكس بورن،‌ پل ديراك، آلبرت اينشتين و ديگران، مجموعه‌ معادلاتي را بنا ساختند كه با دقتي خيره‌كننده رفتار نور و الكترون‌ها و اتم‌ها و ديگر اشياي بسيار كوچك را توضيح مي‌دادند.

گاهي اوقات، اين دقت واقعاً خيره‌كننده است. مثلاً، نظريه پيشگويي مي‌كند كه يك الكترون چطور در يك ميدان مغناطيسي دچار انحراف از مسير مي‌شود. اگر اعداد را در معادلات قرار دهيد، در مي‌يابيد كه نظريه با دقت مكاني 9 دسيمال با نظريه مطابقت دارد. مثل اين است كه نظريه، فاصله‌ي بين زمين و ماه را با عدم قطعيتي حدود يك متر پيشگويي كند.

گرچه اين چارچوب معادلات در نظريه‌ي كوانتومي به نظر مي‌رسيد هميشه جواب‌هاي درستي به دست مي‌دهد، اما ظاهراً باقي نتايج آن معادلات با عقل سليم در تعارض قرار دارند.

ادامه دارد …

منبع: كتاب كشف رمز عالم، مقدمه‌اي بر نظريه‌ي اطلاعات كوانتومي، نوشته‌ي چارلز سيف، ترجمه‌ي دكتر ميثم تهراني

قسمت نهم



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.