مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت دهم

پارادوکس‌های کوانتومی

اینشتین معمای فوتوالکتریک را از طریق به کارگیری فرضیه‌ی کوانتومی نور حل کرد. بر خلاف آنچه اکثر فیزیک‌دانان چند صد سال قبل از آن پنداشته بودند، اینشتین این را مسلم فرض کرد که نور موجی هموار و پیوسته نیست،  بلکه از ذراتی مجزا و ناگسسته‌ تشکیل شده که امروزه آنها را فوتون می‌نامیم. این بر خلاف شواهدی از جمله آزمایش تداخل یانگ بود. در مدل اینشتین، هر ذره مقدار مشخصی انرژی با خود حمل می‌کند که متناسب است با فرکانسش، اگر فرکانس یک فوتون را دو برابر کنیم، انرژی را که حمل می‌کند، نیز دو برابر کرده‌اید. وقتی این ایده را بپذیرید، می‌توانید کاری به بزرگی توضیح اثر فوتوالکتریک انجام دهید.

در تصویر اینشتین، هر فوتونی که به فلز برخورد می‌کند، می‌تواند ضربه‌ای به الکترون بزند و هرچه انرژی فوتون بیشتر باشد،‌ آن ضربه نیز شدید‌تر خواهد بود. مانند قبل،‌ این انرژی باید حد آستانه‌ای داشته باشد. اگر انرژی فوتون خیلی کم باشد، یعنی زیر حد انرژی بستگی الکترون، آنگاه الکترون قادر به فرار از محدوده‌ی اتم نخواهد بود. اما اگر انرژی به اندازه‌ی کافی زیاد باشد، الکترون فرار می‌کند. همانطور که نظریه‌ی موجی نور بیان می‌کرد،  فرضیه‌ی اینشتین حد آستانه‌ی طول موج را توضیح می‌داد. اگر فوتون‌ها انرژی کافی نداشته باشند، در آنصورت نمی‌توانند الکترون‌ها را از اتم جدا کنند. اما بر خلاف نظریه‌ی موجی، نظریه‌ی کوانتومی نور اینشتین، فقدان و کمبود اثر حد آستانه را توضیح می‌دهد. این نظریه شرح می‌دهد که چرا صرفاً افزایش شدت باریکه‌ نمی‌تواند باعث خروج الکترون‌ها از فلز شود.

اگر باریکه از ذرات منفرد نور تشکیل شده باشد،‌ افزایش شدت تنها به آن معنی است که تعداد بیشتری از این ذرات در باریکه وجود دارند. در هر زمان تنها امکان دارد یک فوتون به اتم اصابت کند و اگر آن فوتون انرژی مورد نیاز را نداشته باشد، نمی‌تواند الکترون را از جایش خارج کند. فرقی هم نمی‌کند که چند فوتون در همسایگی آن وجود دارند. این اثر در حالت یک فوتون به ازای یک اتم رخ می‌دهد و اگر فوتون ورودی،  بیش از حد ضعیف باشد، هیچ اتفاقی نمی‌افتد. اهمیتی هم ندارد که شدت باریکه چقدر باشد.

نظریه‌ کوانتومی نور اینشتین،‌ اثر فوتوالکتریک را با جزئیاتی شگفت‌آور تشریح کرد. این فرضیه به طور کامل مشاهدات تجربی معماگونه‌ای را که نمی‌شد هیچ بیانی با استفاده از نظریه‌ی موجی برایش ارائه داد، تفسیر کرد. نظریه‌ی مذکور اثرات دیگری از جمله قاعده‌ی استوکس درباره‌ی مواد فلوئورسان را هم توضیح داد.

این مسئله برای فیزیک‌دانان آن زمان واقعاً معمای بزرگی بود: یانگ نشان داد که نور مانند موج رفتار می‌کند نه ذره. اما اینشتین نشان داد که نور مانند ذره رفتار می‌کند نه موج. این دو نظریه‌ در تضاد کامل با یکدیگر بودند و امکان نداشت هر دو درست باشند. یا شاید هم می‌شد؟

درست مانند نظریه‌ی نسبیت، اینجا هم اطلاعات در بطن ماجرا بود. در نظریه‌ی نسبیت، دو ناظر متفاوت می‌توانند اطلاعاتی راجع به یک رویداد را جمع‌آوری کرده و پاسخ‌‌هایی ارائه دهند که با هم فرق دارند. در نظریه‌ی کوانتومی هم مسأله مشابهی مطرح است. ناظری که سیستمی را با دو روش مختلف می‌سنجد، ممکن است پاسخ‌های متفاوتی به دست آورد. اگر آزمایشی را به یک روش انجام دهدید ممکن است ثابت کنید نور موج است نه ذره. اگر همان آزمایش را به طریق دیگری انجام دهید، احتمالاً نتیجه‌ای کاملاً برعکس به دست خواهید آورد. پس کدامیک از آزمایش‌ها درست است؟ هر دو یا هیچ‌کدام؟ روشی که تحت آن اطلاعات را کسب می‌کنید، روی خروجی آزمایش اثر می‌کند.

نظریه‌ی کوانتومی را می‌توان به زبان نظریه‌ اطلاعات به نظم و قاعده درآورد. دربیان از انتقال اطلاعات (مشتمل بر صفرها و یک‌های گزینه‌های دودویی) و آن هنگام که چنین شود، این نظریه ژرفایی کاملاً بدیع را در برابر پارادوکس‌های دنیای کوانتومی هویدا خواهد کرد.

تضاد میان امواج و ذرات تنها شروع ماجرا است.

نظریه‌ی اینشتین، فرضیه‌ی کوانتومی پلانک را روندی کلی کرد و در طول سه دهه بعد از آن بهترین فیزیک‌دانان اروپایی نظریه‌ای را به وجود آوردند که بسیار زیبا رفتار دنیای زیراتمی را تشریح می‌کرد.

ورنر هایزنبرگ، اروین شرودینگر، نیلز بوهر، ماکس بورن،‌ پل دیراک، آلبرت اینشتین و دیگران، مجموعه‌ معادلاتی را بنا ساختند که با دقتی خیره‌کننده رفتار نور و الکترون‌ها و اتم‌ها و دیگر اشیای بسیار کوچک را توضیح می‌دادند.

گاهی اوقات، این دقت واقعاً خیره‌کننده است. مثلاً، نظریه پیشگویی می‌کند که یک الکترون چطور در یک میدان مغناطیسی دچار انحراف از مسیر می‌شود. اگر اعداد را در معادلات قرار دهید، در می‌یابید که نظریه با دقت مکانی ۹ دسیمال با نظریه مطابقت دارد. مثل این است که نظریه، فاصله‌ی بین زمین و ماه را با عدم قطعیتی حدود یک متر پیشگویی کند.

گرچه این چارچوب معادلات در نظریه‌ی کوانتومی به نظر می‌رسید همیشه جواب‌های درستی به دست می‌دهد، اما ظاهراً باقی نتایج آن معادلات با عقل سلیم در تعارض قرار دارند.

ادامه دارد …

منبع: کتاب کشف رمز عالم، مقدمه‌ای بر نظریه‌ی اطلاعات کوانتومی، نوشته‌ی چارلز سیف، ترجمه‌ی دکتر میثم تهرانی

نقل از بیگ بنگ

مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ:

 بخش 1- بخش 2- بخش 3- بخش 4 - بخش 5 - بخش 6 - بخش 7 - بخش 8 - بخش 9 - بخش 10 - بخش 11- بخش 12- بخش 13- بخش 14 - بخش 15

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات