مشهورترین پارادوکس‌های تاریخ – قسمت نهم

پارادوکس‌های کوانتومی – الگوی تداخل

داستان نظریه‌ی کوانتومی هم مانند نسبیت به آزمایش یانگ در ۱۸۰۱ باز می‌گردد که به نظر می‌آمد به بحث و مناقشه درباره‌ی این مسأله که نور موج است یا ذره، خاتمه داده است. یانگ نشان داد که وقتی باریکه‌ی نور از میان صفحه‌ای با دو شکاف عبور کند، به طور همزمان الگوی تداخلی به وجود می‌آورد. این کاری است که از امواج بر می‌آید. ذرات اینگونه عمل نمی‌کنند.
می‌توانید با استفاده از آزمایش یانگ، باریکه‌ای از نور را ضعیف‌تر و ضعیف‌تر کنید. اما بدون توجه به اینکه اینکار را چگونه انجام می‌دهید، مشاهده خواهید کرد که الگوی تداخل همچنان وجود دارد.
در حقیقت، اگر نور ذره‌ای بود، در یک نقطه (زمانی‌که باریکه به قدر کافی ضعیف و تار می‌شد) تنها یک ذره از نور در هر زمان از شکاف عبور می‌کرد. به این ترتیب اگر قرار می‌بود این آزمایش را چندین و چند بار تکرار کنید، هرگز نخواهید دید که یک تک فوتون به صفحه‌ی آشکارساز برخورد کند. همیشه یک الگوی تداخل وجود دارد. حتی با یک تک ذره که در یک زمان از میان شکاف‌ها عبور می‌کند، باز هم الگوی تداخل پدید می‌آید. انگار ذره با خودش هم تداخل می‌کند و نمی‌گذارد به مکان مشخصی از آشکارساز برخورد کند.

چطور ممکن است یک ذره بتواند الگوی تداخل را پدید آورد. چگونه می‌شود ذره‌ای تقسیم‌ناپذیر احتمالاً با خودش تداخل کند؟ عقل سلیم که می‌گوید اینکار ممکن نیست. اگر نور ذره‌ بود، آن‌ هنگام که پرتو بسیار ضعیف و کدر می‌شد، الگوی تداخل باید به ناگاه ناپدید می‌شد؟ اما چنین اتفاقی روی نمی‌دهد. الگوی تداخل باقی می‌ماند. بنابراین دانشمندان اینطور نتیجه گرفتند که نور باید یک موج باشد نه ذره.
معادلات ماکسول که بسیار شبیه به آن معادلاتی بودند که نشان داد موج آب چگونه در اقیانوس پخش می‌شود، این فکر را تقویت کردند. نور مانند یک موج رفتار می‌کند؛ روابط ریاضی ابداع شده برای امواج رفتار آن را به خوبی توصیف می‌کند. بنابراین نور باید موج باشد نه ذره. دانشمندان پرونده را در همین جا دیگر بستند.

اما پس از آن چند مشکل به وجود آمد. مهمترین آنها در سال ۱۸۸۷ زمانی پدیدار شد که فیزیک‌دان آلمانی به نام ««هاینریش هرتز»» پدیده ناهنجار و عجیبی را کشف کرد:
وقتی صفحه‌ای فلزی را در مسیر پرتو موج فرابنفش قرار می‌داد، فلز جرقه می‌زد. نور، الکترون‌های روی لبه‌ی فلز را می‌کند. این «« اثر فوتوالکتریک»» را با همان قطعیتی نمی‌شد شرح داد که فریزهای تداخلی را نمی‌شد با نظریه‌ی ذره‌ای توصیف کرد. شکست نظریه‌ی موجی در توضیح جرقه‌های هرتز به انرژی مربوط می‌شد. جرقه‌هایی که به در فلز به وجود می‌آمدند، حاصل کنده شدن الکترون‌ها از اتم‌های فلز بودند، رخدادی که انرژی نور مسبب آن بود.

انرژی مشخص و معلومی، الکترون را به اتم آن پیوند می‌زند. اگر بخواهید الکترونی را از قید هسته‌ی اتمش آزاد کنید، چاره‌ای ندارید مگر آنکه برای شکستن پیوند آن با هسته‌ی اتمش انرژی مصرف کنید. اگر یک ضربه‌ی سهمگین زیراتمی انرژی کافی نداشته باشد، الکترون کمی از اتمش دور می‌شود، ولی دوباره فرو می‌افتد. با این همه اگر به الکترون نیرویی وارد کنید که انرژی پیوندی آن به اتم بیشتر باشد، آن نیرو الکترون را به طور کامل از اتم خارج می‌کند.
در اثر فوتوالکتریک منبع انرژی آن ضربه‌ی شدید به الکترون ناگزیر از نور تأمین می‌شود. حال فرض کنید نور موج باشد. در این صورت، ضربه‌زنی موجی نوری می‌بایست انرژی آن موج را به الکترون‌ها منتقل سازد و انرژی لازم برای غلبه بر نیروی بستگی آنها را برایشان تأمین کند. این انرژی باعث می‌شود الکترون‌ها از هسته‌ی اتم به بیرون پرتاب شوند. اگر این امواج انرژی کافی به الکترون‌ها نرسانند، یعنی اگر انرژی کل این امواج زیر حد آستانه‌ی مورد نیاز برای جدایی الکترون‌ها باشد، در آن‌صورت الکترون‌ها کماکان در قید هسته‌ خواهند ماند. به هر طریق، اگر امواج به اندازه‌ی کافی پر انرژی باشد، آنگاه است که موجب جرقه‌زدن فلز می‌شوند.
تا اینجا که همه چیز خوب پیش رفت.
اما در نظریه‌ی امواج دو راه برای افزایش انرژی یک بسته موج در حال ورود وجود دارد. روش اول به راحتی قابل مشاهده است:
فقط ارتفاع امواج را بزرگتر کنید. ارتفاع موج را دامنه می‌نامیم. هر چه موج بزرگتر باشد، دامنه آن و نیز انرژی که با خود حمل می‌کند، بیشتر خواهد بود.
دومین روش برای افزایش انرژی در مجموعه‌ای از امواج روشی است کمی پیچیده‌تر: فرکانس موج‌ها را زیاد کنید. اگر قله‌های موج به هم نزدیک‌تر باشند، محتوای انرژی‌شان نیز بیشتر خواهد بود. در مورد نور، فرکانس متناسب با رنگ است. نور با فرکانس پایین‌تر (مادون قرمز، قرمز و نارنجی) محتوای انرژی کمتر از زرد و سبز آبی یا بنفش دارد که فرکانس‌های بیشتری دارند. نور فرابنفش و اشعه‌ی ایکس انرژی بیشتری دارند. زیرا فرکانس‌های آنها از امواج مرئی بیشتر است. نور مرئی و اشعه‌ی ایکس انرژی بیشتری دارند زیرا فرکانس‌های آنها از امواج مرئی بیشتر است.
هرتز ابتدا آزمایش خود را با فرکانس‌های متفاوت نوری آغاز کرد. نور قرمز باعث جرقه‌زنی نشد. نور آبی و سبز هم کاری از پیش نبردند. اما وقتی نور به فرکانسی به اندازه کافی زیاد رسید (پرتو فرابنفش)، جرقه‌زنی ناگهان آغاز شد.
سپس شدت پرتو را افزایش داد. هرچه‌قدر هم که رنگ پرتو را روشن‌تر کرد، باز الکترونی از مدارش خارج نشد. تازه ازا ین بدتر هم اینکه حتی ضعیف‌ترین پرتو فرابنفش که بر اساس نظریه‌ی موجی نور، نباید انرژی کافی برای آزادکردن الکترون‌ها از هسته را داشته باشد، باعث جرقه‌زنی می‌شد. همانطور که معنی ندارد یک ذره‌ی نور بتواند با خودش تداخل کند، این هم بی‌معنی است که یک موج ضعیف فرابفنش بتواند الکترون‌ها را آزاد کند. در حالی‌که یک پرتو زرد پر نور طبق نظریه‌ی موجی نور می‌تواند.
در نظریه‌ی امواج، باید یک حد آستانه‌ی دامنه برای رخ دادن اثر فوتوالکتریک وجود داشته باشد، همانطور که یک آستانه‌ی فرکانس خاصی باید وجود داشته باشد.
اما آزمایش هرتز نشان داد به نظر می‌رسد تنها فرکانس است که اهمیت دارد. این یافته با معادلات موج نور که دانشمندان با آنها موافق بودند در تعارض کامل بود.

فیزیک‌دانان واقعاً گیر کرده بودند. آنها نتوانستند تداخل را با استفاده از نظریه‌ی ذره‌ای موج توضیح دهند و از طرف دیگر هم نتوانستند، اثر فوتوالکتریک را با نظریه‌ی موجی نور توضیح دهند. نزدیک به ۲۰ سال طول کشید تا دریافتند که اشتباه کجا بوده و وقتی اینشتین این کار را انجام داد (در همان سال ۱۹۰۵ که نظریه‌ی نسبیت را صورت‌بندی کرد)، نظریه‌ی موجی نور برای همیشه از بین رفت. آنچه پدید آمد، یعنی نظریه‌ی کوانتومی، در جای خود یک تئوری کاملاً جدید بود. توضیح اینشتین از اثر فوتوالکتریک بود که برایش جایزه‌ی نوبل را به ارمغان آورد و نظریه‌ی کوانتومی را خط فکری روز فیزیک کرد.

ادامه دارد …

قسمت هشتم

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