پارادوكس‌هاي كوانتومي

اصول و قواعد حاكمانه نظريه‌ي كوانتومي در نگاه نخست مضحك‌اند. ويژگي‌هاي ظاهراً عجيب و متناقص نور دليلي بر اين مدعايند. قدر مسلم،  اين اصول مستقيماً از رياضيات نظريه‌ي كوانتومي به دست مي‌آيند. نور تحت شرايطي خاص مانند ذره و تحت شرايطي ديگر مانند موج رفتار مي‌كند. كمي از خصوصيات هر كدام را داراست و با اين حال نه كاملاً ذره است و نه كاملاً موج.

فقط نور نيست كه اينگونه رفتار مي‌كند. در سال 1924، فيزيك‌دان فرانسوي، لويي دوبروي، پيشنهاد كرد ماده زيراتمي يعني ذراتي همچون الكترون هم بايد خصوصيات موجي داشته باشند. از ديد يك آزمون‌گرا، الكترون‌ها به وضوح ذره بودند، نه موج. هر ناظر غير تخصصي هم مي‌توانست ببيند كه وقتي الكترون‌ها با شتاب حركت مي‌كردند، ردي جزئي در بخار موجود در اتاقك ابر از خود به جاي مي‌گذاشتند. اين مسيرها آشكارا رد قطعات بسيار كوچك ماده بودند: ذرات نه امواج.

اما نظريه‌ي كوانتومي پا را از عقل سليم فراتر مي‌گذارد.

گرچه شناخت اين اثر با الكترون‌ها دشوارتر از نور است، الكترون‌ها علاوه بر رفتار ذره‌گونه، بدون شك از خود رفتار موجي نيز نشان مي‌دهند. در سال 1927 فيزيك‌دانان انگليسي باريكه‌اي از الكترون‌ها را به سمت يك بلور نيكل شليك كردند. با جهيدن الكترون‌ها از اتم‌هاي منظم قرارگرفته در فضاي بلور و حركت از ميان حفره‌هاي موجود در شبكه‌ي بلور، طوري رفتار كردند انگار در يك آزمايش يانگ ازميان شكاف‌ها عبور كرده‌اند. الكترون‌ها بي‌ترديد با يكديگر تداخل مي‌كنند و الگوي پراش به وجود مي‌آورند. حتي اگر اطمينان حاصل كنيد كه تنها يك الكترون در هر زمان به شبكه‌ي بلوري اصابت مي‌كند، الگوي پراش همچنان پابرجا مي‌ماند. اين الگو را نمي‌توان با الكترون‌هايي كه از برخورد به يكديگر وامي‌جهند، به وجود آورد. اين رفتار با آنچه شما از ذرات انتظار داريد تطابق ندارد.

الگوي پراش علامتي غير قابل ترديد و كاملاً محرض براي موج پيوسته هموار است، نه ذرات جامد گسسته‌ از هم.

الكترون‌ها به نوعي مانند نور هر دو رفتار موجي و ذره‌اي را از خود بروز مي‌دهند، هرچه ويژگي‌هاي امواج و ذرات متقابلاً با هم در تعارض‌اند.

اين ماهيت دو وجهي ذره‌-موجي براي اتم‌ها و حتي مولكول‌ها نيز به همان اندازه نور و الكترون‌ها برقرار است. اشياي كوانتومي مي‌توانند علاوه بر ذرات مانند امواج هم رفتار كنند. آنها هم خصوصيات موجي دارند و هم خصوصيات ذره‌اي. در آن واحد ويژگي‌هايي دارند كه نمي‌توان آنها را از يك موج و يا يك ذره تميز داد. يك الكترون، فوتون و يا اتم، هم ذره‌ است و هم موج. و نه ذره است و نه موج. اين پيامد غير قابل اجتناب رياضيات مكانيك كوانتومي است كه آنرا دوگانگي موج-ذره مي‌نامند.

diff3-small-changed

دوگانگي موج-ذره، پيامدهاي بسيار خارق‌العاده‌اي دارند. مي‌توانيد كارهايي را با آن انجام دهيد كه از منظر قوانين فيزيك كلاسيك انجامشان غير ممكن است. و ريشه اين رفتار به ظاهر غير ممكن در رياضيات مكانيك كوانتومي نهفته است. مثلاً ماهيت موج‌گونه الكترون به شما اين امكان را مي‌دهد تا تداخل‌سنجي از الكترون‌ها بسيازيد، درست مانند تداخل‌سنج نوري. اين سازواره در هر دوحالت يك چيز است. در تداخل‌سنج ماده-موج باريكه‌اي از ذرات، مانند الكترون‌ها، به سمت سامانه شكاف باريكه‌ شليك شده و در يك زمان به دو جهت مي‌رود. وقتي اين باريكه‌ها مجدداً در هم ادغام مي‌شوند، يا همديگر را تقويت مي‌كنند يا حذف كه وقوع هر كدام به اندازه نسبي دو مسير بستگي دارد. اگر تداخل‌سنج را درست تنظيم كنيد، هرگز الكتروني را در آشكارساز نمايان نخواهيد كرد، زيرا باريكه‌هايي كه از دو مسير مي‌آيند، به طور كامل يكديگر را حذف مي‌كنند. چنين فرايند حذفي به هر طريق رخ مي‌دهد و اهميتي هم ندارد كه باريكه‌ي الكتروني چقدر ضعيف باشد يا تعداد كمي الكترون به شكافنده باريكه اصابت كنند.  در واقع، اگر سازه آزمايش را درست ترتيب دهيد، حتي اگر يك تك الكترون وارد تداخل‌سنج شود و به شكاف باريكه برخورد كند، هرگز الكتروني خورجي از سمت ديگر را آشكار نخواهيد كرد.

عقل سليم خواهد گفت كه ذرات نامرئي مانند الكترون بايد در هنگام ورود به شكافنده انتخابي انجام دهند:

ذره مجبور است يا مسير A و يا مسير B را انتخاب كند يا به سمت راست برود يا به سمت چپ. اما هر دو غير ممكن است. اين كار بايد يك تصميم‌گيري كاملاً دودويي باشد. مي‌توانيد عدد صفر را به مسير A و عدد يك را به مسير B اختصاص دهيد.

الكترون‌ ما در مسير انتخاب‌شده حركت خواهد كرد. با اين كار انتخاب خود را انجام مي‌دهد، يا صفر يا يك و آنگاه در تداخل‌سنج به آشكارساز اصابت خواهد كرد. چون تنها يك تك الكترون از ميان تداخل‌سنج عبور مي‌كند، هيچ چيزي نبايد با آن تداخل كند. به عبارتي هيچ ذره‌اي مانع آن نيست. بدون توجه به اينكه آيا اين الكترون مسير صفر را انتخاب مي‌كند يا مسير يك را، بايد در سوي ديگر در آشكارساز بدون هيچ اشكال و مزاحمتي نمايان شود، الگوي تداخل بايد از بين برود. هيچ ذره‌ ديگري وجود ندارد كه با اين الكترون تداخل كند، اما چنين چيزي روي نمي‌دهد. باز عقل سليم ناكام مي‌ماند.

حتي وقتي يك تك الكترون در يك زمان وارد تداخل‌سنج مي‌شود، الگوي تداخل تشكيل مي‌شود. مثل اينكه به نوعي جلوي الكترون را مي‌گيرد. چيزي مانع از آن مي‌شود تا الكترون به طرق مشخص از شكافنده بيرون آمده و به نقطه‌اي از آشكارساز برخورد كند اما آن چيز چه مي‌تواند باشد؟ هرچه باشد الكترون تنها چيزي است كه وارد تداخل‌سنج مي‌شود؟

قبول پاسخ اين به ظاهر پارادوكس دشوار است. به علاوه مجبور خواهيد بود براي يك لحظه ناباوري خود را موقتاً كنار بگذاريد چرا كه اين مسئله كلاً غير ممكن به نظر مي‌رسد. قوانين مكانيك كوانتومي، متهم را لو مي‌دهند.

شيئي كه حركت الكترون را مسدود مي‌كند، خود الكترون است. وقتي الكترون به شكافنده‌ي باريكه برخورد مي‌كند، در آن واحد از هر دو مسير عبور مي‌كند. الكترون يكي از دو مسير صفر يا يك را انتخاب نمي‌كند. در عوض به طور همزمان از هر دو مسير رد مي‌شود. هرچند الكترون خودش نامرئي است. در يك زمان هم از سمت راست عبور مي‌كند و هم از سمت چپ.

الكترون كه با دو انتخاب اختصاصي متقابل مواجه شده، هر دو را بر مي‌گزيند.

در مكانيك كوانتومي، اين اصل را  اصل برهم‌نهي مي‌نامند. يك شيء كوانتومي مانند يك فوتون يا الكترون يا اتم مي‌تواند به طور كلاسيكي دو كار متضاد را همزمان انجام دهد يا به عبارت دقيق‌تر، به طور همزمان در دو حالت متقابلاً اختصاصي كوانتومي قرار داشته باشد.

يك الكترون در آن واحد مي‌تواند در دو مكان باشد. فوتون را مي‌توان در يك زمان هم به صورت افقي و هم به صورت عمودي پولاريزه كرد. اتم مي‌تواند در يك لحظه هم رو به بالا و هم رو پايين باشد. به بيان فني‌تر، اسپين آن مي‌تواند بالا و پايين باشد. به علاوه به بيان نظريه‌ي اطلاعات،‌يك شي‌ء كوانتومي مي‌تواند همزمان هم صفر و هم يك باشد.

اين بدان معني نيست كه مقداري بين صفر و يك اختيار شود، مثلا 0/5.

اگر بر حسب يك جهت به ماجرا نگاه كنيم، درك آن ساده‌تر مي‌شود. اگر صفر نشانه‌ي چپ و يك نشانه‌ي راست باشد، آنگاه 0/5 نشانه‌ي جهت مستقيم خواهد بود. اما يك برهم‌نهي از صفر و يك همزمان هم چپ است و هم راست. چيزي كه از نظر يك شي‌ء كلاسيك مثلا يك انسان غير ممكن است.

ادامه دارد …

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

قسمت دهم

دیدگاهتان را بنویسید

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

2 دیدگاه

  1. اقا ادمین اگه میشه لینک مقاله ای که ترجمه کردی ( در بالای صفحه )بگذارید لللللللللللللللللطفاً

  2. آفرین، واقعاً لذ تتتتتتتتتت بردم، فقط یک سوال! اگر الکترون از میان شکاف تداخل سنج عبور کند و همانطور که گفتید اگر تداخل سنج طوری تنظیم کنیم که مسیر طوری باشد که اختلاف ناهم فاز را ایجاد کند که در پی آن شدت باریکه را به صفر برساند و هچنین آشکار سازدیگر هیچ الکترونی را آشکارسازی نخواهد کرد….آیا این بدان معنا نیست که دیگر الکترون حضوری نداشته که آشکار ساز بخواهد آن را آشکارند؟ خب اگر این گونه باشد، آیا قانون بقای انرژی نقض نخواهد شد؟
    چون شما قبل از ورود به شکاف الکترون داشته اید حال بعداز شکاف دیگر الکترونی ندارید و با توجه به اینکه هر الکترون جرم و انرژی دارند و هردو خاصیت اسکالر هستند.
    با تشکر