ناپیوستگی - ١

اصطلاح کوانتومیِ coherence را،  که به معنی پیوستگی است، در فارسی گفته¬اند همدوسی، و decoherence را گفته¬اند ناهمدوسی! ظاهراً فرهنگستان این کار را کرده است. اما ما همان پیوستگی و ناپیوستگی می گوییم.

مشکل بزرگ جهان های موازی این است که خیلی عجیب و غریب است. حتی اگر پشتوانۀ ریاضی قوی داشته باشد. برای همین بود که جستجوی فیزیکدان ها در جهان های موازی متوقف نشد. مسئلۀ اصلی این بود که دنیای قابل مشاهده بالاخره کجا از دنیای کوانتوم جدا می شود؟ تفسیر کپنهاگ پاسخی به این سؤال نمی داد. این تفسیر، این دوتا دنیا را کاملاً از هم جدا می کرد. اما مرز این جدایی را نمی توانست بگوید کجاست. مخصوصاً که کم کم معلوم شده بود فقط ذرات اتمی نیستند که رفتارهای عجیب و غریب از خود نشان می دهند. مثلاً می توانند در آنِ واحد در دو جا یا چند جا باشند. یا هم به صورت موج باشند هم به صورت ذره باشند. کم کم معلوم می شد بعضی ملکول ها هم مثل همان ذرات اتمی هستند. آنها هم می توانند مثلاً در یک لحظه در دو یا چند جا باشند. هم به صورت موج باشند، هم به صورت ذره باشند. همین خودش تفسیر کپنهاگ را زیر سؤال می برد. برای این که همۀ اجسام قابل مشاهده از ملکول ساخته شده¬اند. وقتی ملکول های اجسام رفتارهای کوانتومی داشته باشند، یعنی این که خود اجسام هم باید رفتارهای کوانتومی داشته باشند. بنابراین، جدایی¬ای بین دنیای کوانتوم و دنیای قابل مشاهده نیست. تفسیرجهان های موازی هم بر همین مبنا به وجود آمد. این که با هر آزمایش یا اندازه¬گیری¬ای، آزمایش کننده یا مشاهده کننده هم تکثیر می شود، خودش صورت دیگری از همان رفتار کوانتومی¬است که ذرات اتمی دارند، یعنی در آنِ واحد در چند جا ظاهر می شوند. نظریۀ ناپیوستگی هم بر همین مبنا به وجود آمد. بر مبنای این که جدایی¬ای بین دنیای کوانتوم و دنیای قابل مشاهده نیست. اما این دیگر آن عجیب و غریب بودنِ جهان های موازی را در خود ندارد. آن قسمت از نظریۀ جهان های موازی را که می گوید دنیای کوانتوم و دنیای قابل مشاهده از هم جدا نیستند تأیید می کند، اما آن تکثیر شدنِ دنیا با هر آزمایش یا اندازه¬گیری را کنار می گذارد. مهم¬تر این که یک نکتۀ بسیار مهم را هم تقریباً توضیح می دهد. مگر نه این است که جدایی¬ای بین دنیای قابل مشاهده و دنیای کوانتوم نیست؟ پس چرا اجسام قابل مشاهده با ذرات اتمی فرق می کنند؟ چرا اجسام قابل مشاهده در آنِ واحد نمی توانند در چند جا حضور داشته باشند؟ این را نظریۀ ناپیوستگی تقریباً توضیح می دهد.


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

ناپیوستگی – ٢

تعریف ناپیوستگی- در یادداشت های گذشته تا حدی با ذرات کوانتومی آشنا شدیم. خاصیت مهم این ذرات  خاصیت موج¬گونه بودنِ آنها بود. همۀ آن رفتارهای عجیب و غریبی که اینها از خودشان نشان می دهند به خاطرِ همین موج¬گونه بودنشان است. همین موج¬گونگی است که پدیده های مشخصی مثل تداخل یا سوپرپوزیشن و بعضی پدیده های دیگر را ایجاد می کند. این جور رفتارها وقتی امکان پذیر می شود که ارتباطی بین «امواج» کوانتومی برقرار شود. در واقع نه فقط باید ارتباطی بین آنها برقرار شود، بلکه باید وقتی وارد این ارتباط می شوند همگام هم باشند. این را در کوانتوم می گویند پیوستگی. اما همگام بودن امواج یعنی چه؟

آزمایش دو شکاف را به خاطر بیاوریم. دوتا موج از دو شکاف می گذشتند و این شکاف ها طوری بود که آن موج ها روی صفحۀ حساس با هم برخورد می کردند. اما شکاف ها طوری تعبیه شده بود که وقتی این موج ها با هم برخورد می کردند، در بعضی از این برخوردها نوسانشان کاملاً هم جهت بود. یعنی در بعضی از لحظه های برخوردشان هر دو داشتند به طرف بالا می آمدند، و موقع پایین رفتن هم با هم پایین می رفتند. این بود که اثر همدیگر را تشدید می کردند. آن وقت تصویری از این برخوردشان روی صفحۀ حساس می افتاد، که به صورت یک نقطۀ روشن بود. در برخورد بعدی شان عکس این اتفاق می افتاد. یعنی موقعی روی صفحۀ حساس با هم برخورد می کردند که یکی داشت بالا می رفت و آن یکی پایین می آمد. این بود که اثر همدیگر را خنثی می کردند، و تصویری که از این برخوردشان روی صفحۀ حساس می افتاد به صورت یک نقطۀ تاریک بود. باری، وقتی این برخوردها روی صفحه زیاد می شد، از تجمع نقطه های روشن و تاریک، که به طور منظم و به دنبال هم روی صفحه می افتادند، تصویر خاصی به وجود می آمد. این تصویر مخصوص امواجی است که با هم برخورد می کنند، یعنی ارتباط برقرار می کنند، و همگامی هم بین آنها هست. اگر امواج با هم برخورد کنند اما همگامی بین آنها نباشد، یا همگامیِ چندانی بینشان نباشد، چنین تصویری ایجاد نخواهد شد. وقتی امواج با هم ارتباط برقرار کنند و همگاهی هم بین آنها باشد، این را می گویند کوهرنس یا پیوستگی. اما اگر با هم برخورد کنند و همگامی چندانی با هم نداشته باشند، این را می گویند دکوهرنس یا ناپیوستگی.

همین پدیدۀ ساده و رایج بود که مبنای نظریه¬ای شد به نام نظریۀ ناپیوستگی،  که توضیح بسیار جالبی است دربارۀ این که چرا دنیای قابل مشاهده با دنیای کوانتوم فرق می کند.
 

⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

ناپیوستگی – ٣

چه چیزی بود که دنیای کوانتوم را از دنیای قابل مشاهده متفاوت می کرد؟ در دنیای قابل مشاهده، هر چیزی را که می بینیم، در هر لحظه مکان مشخص دارد، سرعت مشخص دارد، و تمام مشخصاتش در یک محدودۀ مشخص جمع شده است که همان مکانِ آن چیز در آن لحظه است. اینها نشانۀ یک نوع قطعیت است. یعنی با قطعیت می شود گفت مثلاً یک فنجانِ قهوه در لحظۀ خاصی در فلان نقطه هست و در فلان نقطۀ دیگر نیست. اما ذرات کوانتومی این طور نیستند. در مورد این ذرات چنین چیزی نمی شود گفت. این ذرات در هر لحظه¬ای می توانند در چندین نقطه باشند. در بعضی نقطه ها با احتمالات بیشتری باشند، در بعضی نقطه ها با احتمالات کم¬تری. در هر لحظه می توانند چندین سرعت داشته باشند. بعضی سرعت ها را با احتمالات بیشتری داشته باشند، بعضی سرعت ها را با احتمالات کم¬تری. مشخصاتی که دارند در یک محدودۀ مشخص نیست، بلکه می تواند در فضا نشت کند! منتهی در بعضی جاها با احتمالات بیشتری می تواند باشد و در بعضی جاها با احتمالات کم¬تری. مهم¬تر از همه هم این است که این ذره ها ماهیت موجی دارند. و به خاطر این ماهیت موجی¬شان می توانند با خودشان تداخل ایجاد کنند! همچنان که در آزمایش دو شکاف دیده¬ایم. یا سوپر پوزیشن ایجاد کنند. یعنی مثلاً یک اتم رادیو اکتیو می تواند در آنِ واحد هم متلاشی شده  باشد، هم متلاشی نشده باشد! یا همین طور پدیده¬ای به نام درهم تنیدگی (entanglement) ایجاد کنند، که این را بعداً خواهیم گفت به چه صورت است. البته همۀ اینها وقتی می تواند ممکن شود که موج های کوانتومی وارد یک رابطۀ مشخص با همدیگر بشوند. وگرنه این پدیده ها نمی توانند ایجاد شوند. مثلاً اگر در همان آزمایش دو شکاف، فاصلۀ شکاف ها از یک حدی بیشتر باشد، آنگاه دیگر پدیدۀ تداخل را به شکل تیپیک و واضح آن نخواهیم دید.

یک چیز دیگر را هم قبلاً گفته¬ایم و اکنون باید به خاطر بیاوریم. اکنون مشخص شده است که ملکول ها هم ویو فانکشن یا تابع موج دارند و  می توانند مثل الکترون ها و فوتون ها همۀ آن پدیده های عجیب و غریب مثل برهم نهش و درهم تنیدگی و تداخل را ایجاد کنند. پس چرا  وقتی به دنیای قابل مشاهده می رسیم، آنگاه دیگر این پدیده ها را نمی بینیم؟ مگر اجسام و اشیای قابل مشاهده از همان ملکول ها ساخته نشده¬اند؟ پس چه می شود که آن پدیده های در دنیای قابل مشاهده نمی تواند ایجاد شود؟ نظریۀ ناپیوستگی یا دکوهرنس این را به این صورت توضیح می دهد:

درست است که ذرات کوانتومی و حتی ملکول ها تابع موج دارند و می توانند هر کدام آنها با خودشان وارد رابطه شوند و مثلاً تداخل یا برهم نهش یا درهم تنیدگی ایجاد کنند، اما این رابطه شرط مهمی می خواهد  تا به آن پدیده ها منجر شود. این شرط همان همگام ماندنِ موج ها با یکدیگر است. همان آزمایش دو شکاف را در نظر بگیریم. در این آزمایش، الکترون یا فوتون به راحتی با خودش تداخل ایجاد می کند و عکس بسیار واضحی از این تداخل بر صفحۀ حساس ظاهر می شود. اما وقتی این آزمایش را طوری انجام بدهند که یکی از موج ها پیش از آن که به موج دیگر برسد راه طولانی تری را طی کند، آنگاه دیگر آن تداخل از بین می رود. آنگاه دیگر الکترون فقط به صورت ذره ظاهر می شود. چرا که راه طولانی باعث می شود آن همگامی که بین آن دوتا موج بود از بین برود. طولانی¬تر شدنِ راه یکی از موج ها، یعنی وارد شدنِ یک عامل در آزمایش،  که اسمش محیط است. بله، همین محیطِ اطراف ما، که راه های طولانی هم جزء آن است، نقش بسیار مهمی در از بین رفتن همگامی بین ذرات اتمی و ملکولی دارد. محیط است که دنیای کوانتوم را به صورت دنیای قابل مشاهده درمی آرد. عدم قطعیت را به یک نوع قطعیت  تبدیل می کند. این را در یادداشت های آینده بیشتر توضیح خواهم داد.


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

ناپیوستگی –  ۴

الآن دیگر می دانیم سیستم در فیزیک کوانتوم یعنی چه. قبلاً گفتیم یکی از کار های مکانیک کوانتوم و کلاً علم فیزیک این است که می خواهد ماهیت دنیا را بشناسد. یا می خواهد بداند واقعیت دنیا چیست.منظور از دنیا هم تقریباً مشخص است. همۀ آنچه ما به طریقی مشاهده می کنیم، از ستاره ها و کهشان ها بگیر تا ذرات اتمی، کلاً هر چیزی که بشود آن را مشاهده یا حس کرد، جزء دنیا می شود. همچنین گفتیم علم فیزیک، حتی با وجود اختراعات فوق العاده پیشرفته¬ای که اکنون در اختیارش است، نمی تواند کل دنیا را یک جا مورد مطالعه و آزمایش قرار دهد. هر بار که می خواهد هر آزمایشی انجام دهد، این آزمایش را فقط می تواند روی یک جزء از دنیا متمرکز کند. مثلاً روی یک کهکشان، روی یک ستاره، روی یک عنصر شیمیایی، روی یک ملکول آب، روی یک دارو، روی یک الکترون، یا روی یک فوتون. هر کدام از اینها که انتخاب می شود تا مطالعه¬ای یا آزمایشی روی آن صورت بگیرد، در فیزیک و مکانیک کوانتوم حکم یک سیستم را دارد.

حالا باید بدانیم  هر سیستمی که در نظر بگیریم، این سیستم در یک جا از دنیا قرار دارد و خواه ناخواه چیزهایی در اطرافش هست. مثلاً آن مثال مشهور و عجیبمان گربۀ شرودینگر را در نظر بگیریم. در این مثال فرض بر این است این گربه داخل یک محفظه¬ای است. اما برای این که گربه شانس زنده ماندن داشته باشد، باید هوایی داخل آن محفظه در اطرافش باشد. گربه باید روی یک سطحی بنشیند. بنابراین بعضی ملکول هایش با ملکول های آن سطح در تماس باشد. این تماس باعث خواهد شد تبادل گرمایی بین ملکول های گربه و آن ملکول ها صورت بگیرد. می بینیم که اتفاقاتی بین این گربه و محیط اطرافش در حال وقوع است. اما این اتفاقات تا این اواخر معمولاً در فیزیک در نظر گرفته نمی شد. این هم یکی دیگر از بدیهیاتی بود که دست کم چندین دهه در دنیای فیزیک مورد غفلت واقع شد. در حالی که همین اتفاقات بدیهی می تواند نتایج بسیاری از آزمایشات را که روی هر سیستمی صورت می گیرد دگرگون کند. اکنون فیزیکدان ها، یا دست کم بعضی از آنها معتقدند همین اتفاقات بدیهی است که باعث می شود واقعیت دنیا، که در سطح اتم ها و ملکول ها صورت عجیبی پیدا کند، در دنیای اجسام بزرگ¬تر به صورتی در آید که می بینیم. همان که مثلاً ذرات اتمی در آنِ واحد می توانند در دو یا چند جا باشند، اما در دنیای قابل مشاهده هر چیزی در هر لحظه فقط در یک جا یا یک نقطه می تواند باشد. اما این به چه صورت اتفاق می افتد؟ برگردیم به اول همین بحث. اولِ بحثِ ناپیوستگی.


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

ناپیوستگی – ۵

در اولِ بحثِ ناپیوستگی گفتیم آن پدیده های عجیب و غریبی که در دنیای اتم می بینیم به خاطر این است که ذرات اتمی ماهیت موجی دارند. برای همین است که هر کدام از این ذره ها می توانند سوپرپوزیشن ایجاد کنند. یعنی در آنِ واحد دو حالت مختلف، یا حتی بیشتر از دو حالت مختلف، ایجاد کنند. مثلاً در آنِ واحد در دو دو یا چند جا باشند. بعد هم گفتیم برای این که چنین پدیده هایی ایجاد شود یک شزط لازم است. آن شرط هم این بود که ذرۀ اتمی با خودش کوهرنس یا پیوستگی داشته باشد. آزمایش دو شکاف را به خاطر بیاوریم. در آن آزمایش، فاصلۀ دو شکاف مهم بود چقدر باشد. اگر این فاصله از یک مقداری بیشتر می شد، الکترون نمی توانست در آن واحد از هر دوی آنها رد شود. به عبارت دیگر آن کوهرنس یا پیوستگی¬ای که لازمۀ این سوپرپوزیشن بود از بین می رفت و سوپرپوزیشن ایجاد نمی شد. آنگاه الکترون فقط از یک شکاف رد می شد و به صورت یک ذره در می آمد. انگار که از حالت کوانتومیِ خود در می آمد و مثل اجسام ماکروسکوپیک، یا اجسام دنیای قابل مشاهده، می شد. اکنون معلوم شده است که محیط، یعنی همین فضایی که هست، و در همه جا هست، نقش بسیار مهمی در از بین رفتنِ این کوهرنس دارد. زیرا ذرۀ اتمی¬ای که حالت سوپر پوزیشن دارد، خیلی زود با محیط وارد واکنش هایی می شود. و این واکنش ها باعث می شود از آن حالت کوهرنسی که با خود داشت دور شود و آن سوپرپوزیشن از بین برود. وقتی هم سوپر پوزیشن از بین رفت، مثل این است که ذره از دنیای کوانتومی خود خارج می شود و وارد دنیای فیزیک کلاسیک می شود. اگر در دنیای ماکروسکوپیک نمی بینیم اجسام حالت سوپرپوزیشن داشته باشند، به خاطر این است که عالم واقع فرق دارد با عالم آزمایش. در عالم واقع هیچ جایی نیست که اتم ها و فوتون ها و یا امواجی آنجا نباشد. ملکول ها، که واقعاً می توانند حالت سوپرپوزیشن داشته باشند، به محض این که در یک جا قرار بگیرند، فوراً با آن اتم ها و فوتون ها و امواج وارد واکنش می شوند، و این واکنش ها باعث می شود آن سوپرپوزیشنشان از بین برود. از بین رفتنِ سوپر پوزیشن هم دقیقاً به معنای این است که ملکول از دنیای کوانتوم خارج شده و تابع قوانین دنیای ماکروسکوپیک می شود. مثلاً دیگر فقط در هر لحظۀ مشخص فقط در یک جا می تواند باشد نه در دو یا چند جا. اما به چه صورت است که وقتی ذرات دنیای ماکروسکوپیک با محیط خود وارد واکنش شدند حالت سوپرپوزیشن خود را از دست می دهند؟


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

ناپیوستگی – ۶

سؤال اصلی این است، یا این بود: چرا ذرات بنیادی سوپرپوزیشن دارند، اما در اجسام قابل مشاهده، که از همان ذرات ساخته شده¬اند، سوپرپوزیشن نمی بینیم؟ مثلاً در آزمایش فکری شرودینگر، یک اتم رادیواکتیو داریم که سوپرپوزیشن دارد. یعنی این اتم بعد از یک ساعت که از شروع آزمایش بگذرد، هم متلاشی شده است هم نشده است. اما این سوپرپوزیشن به دنیای قابل مشاهده منتقل نمی شود. چه چیز است که باعث جدایی دنیای اتم و دنیای قابل مشاهده می شود؟ آزمایش فکری شرودینگر را یک بار دیگر مرور کنیم:

گربه¬ای در یک اتاق فولادی زندانی شده است. در این اتاق یک تکۀ کوچک از یک مادۀ رادیو اکتیو هست که ممکن است بعد از یک ساعت فقط یک اتم آن متلاشی شود. اما همین قدر هم احتمال هست که متلاشی نشود. اگر متلاشی شود یک چکش کوچک را به حرکت درخواهد آورد، و این چکش که حرکت کند یک شیشۀ کوچک هیدروسیانیک اسید یا همان سیانور را خواهد شکست. اگر شیشۀ سیانور بشکند گاز سیانور آزاد خواهد شد و گربه را خواهد کشت. اگر هم اتم متلاشی نشود، چکش به حرکت در نخواهد آمد و شیشۀ سیانور نخواهد شکست، و گربه زنده خواهد ماند. بنابراین، اگر این سیستم را یک ساعت به حال خود گذاشته باشیم، می توانیم بگوییم بعد از یک ساعت یک اتم رادیو اکتیو داریم که هم متلاشی شده است، هم متلاشی نشده است. پس باید باید یک گربه هم داشته باشیم که هم زنده است هم مرده است. اما می دانیم که در مورد اتم واقعاً چنین چیزی هست. الان دیگر چنین چیزی یکی از واقعیات مسلم در دنیای اتم است. اما گربه¬ای نمی تواند باشد که هم زنده باشد هم مرده. این را اگر به زبان فیزیکدان ها بگوییم چنین چیزی می شود. ذرات اتمی می توانند سوپرپوزیشن داشته باشند، اما اجسام دنیای قابل مشاهده که از همان اتم ها ساخته شده¬اند چنین چیزی ندارند. چرا؟ جوابی که نظریۀ ناپیوستگی به این سؤال می دهد این است: آن سوپرپوزیشنی که آن اتم رادیواکتیو با خودش دارد، یعنی اتمی است که بعد از یک ساعت هم متلاشی شده هم نشده،  آن سوپرپوزیشن دوام چندانی نمی آرد. برای این که آن اتم، یعنی اتمی که هم متلاشی شده هم متلاشی نشده، فوراً با محیط خود وارد واکنش می شود. مثلاً با فتون هایی که در داخل محفظه هست. یا حتی با اتم هایی که در دیواره های محفظه هست. و این واکنش حکم یک «آزمایش» یا «مشاهده» را دارد! یعنی مثل این است که مثلاً در آزمایش دو شکاف ما کاری می کنیم که یک الکترون به صورت ذره ظاهر شود. و الکترون هم به صورت ذره ظاهر می شود. اما ظاهر شدنِ الکترون به صورت ذره به چه معنی بود؟ به این معنی بود که الکترون دیگر از حالت سوپرپوزیشنی که داشت در می آید. حالت سوپرپوزیشنش این بود که می توانست مثلاً در آنِ واحد در دو جا باشد، یا در آن واحد از هر دو شکاف رد شود. اما وقتی ما می خواستیم آن را ببینیم، فوراً به صورت ذره در می آمد، و دیگر آن خاصیت سوپرپوزیشنش را از دست می داد. تئوری ناپیوستگی می گوید محیط دقیقاً نقش یک مشاهده کننده یا آزمایشگر را برای ذرات اتمی بازی می کند. برای همین است که نمی گذارد سوپرپوزیشن آنها زیاد دوام بیارد، وگرنه این سوپرپوزیشن می توانست به دنیای قابل مشاهده هم سرایت بکند.

الان ترکیبی از نظریۀ ناپیوستگی و جهان های موازی، قوی¬ترین تئوری¬ای است که برای جواب دادن به آن سؤالی هست که در اول یادداشت آوردم.

در یادداشت بعدی، entanglement یا درهم تنیدگی را خواهیم دید چیست.



⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

عجیب‌ترین پدیدۀ دنیا - ١

تا کنون با عجایبِ چندی از دنیای کوانتوم آشنا شده‌ایم. به راستی اگر دربارۀ هر کدام این‌ها خوب فکر کنیم، حیرت خواهیم کرد. این که الکترون یا فوتون، در هر لحظه نه در یک جا، بلکه در چند جا باشند، یا در آنِ واحد، هم به صورت ذره باشند هم موج، در هر لحظه با چندین سرعت متفاوت در حال حرکت باشند، درک شهودی را از کار می‌اندازد! البته می‌دانیم فقط الکترون و فوتون نیستند که این رفتارهای عجیب را دارند، همۀ ذرات اتمی این طور هستند. حتی ملکول‌ها هم این طور هستند. یعنی همان موجوداتی که هرچه در دنیا می‌بینیم از آن‌ها ساخته شده است. چنین است ماهیت دنیایی که می‌بینیم! و این اکنون یک واقعیت مسلم علمی است. اما عجیب‌تر از همۀ این ها پدیده‌ای است به نام درهم تنیدگی، که در زبان انگلیسی آن را entanglement می‌گویند.

درهم تنیدگی- هر گاه دو ذرۀ اتمی با هم تداخلی کنند و بعد از هم جدا شوند، انگار چیزی از آن‌ها در همدیگر باقی می‌ماند. به طوری که هر اتفاقی برای یکی از آن‌ها بیفتد، این اتفاق در دیگری هم تأثیر خواهد گذاشت. و فرقی نمی‌کند این دوتا بعداً چقدر از هم دور بشوند، حتی اگر میلیون‌ها سال نوری از هم دور بشوندباز هم هر اتفاقی  که برای یکی از آن‌ها می افتد، در دیگری هم تأثیر خواهد گذاشت!

فرض می کنیم در یک آزمایش، دو تا الکترون را روی یک خط مستقیم، اما در جهت عکس هم، به طرف یگدیگر رها می‌کنیم. اینجا اول باید معنی یک اصطلاح را خوب بدانیم: مومنتوم momentum. مومنتوم یعنی جرم یک جسم یا یک ذره ضربدر سرعت آن در یک جهت مشخص، یا روی یک خط مشخص. حالا در نظر بگیریم که دوتا الکترون، که هم جرمشان مساوی است، هم سرعتشان مساوی است، دارند روی یک خط اما در دو جهت مخالف به طرف هم حرکت می‌کنند. اگر مومنتوم این‌ها را با جمع کنیم، مجموع مومنتومشان صفر خواهد بود. چرا؟ برای این که مومنتوم= جرم ضربدر سرعت (در یک جهت مشخص). جرم و سرعت این‌ها مساوی است. بنابراین عددی که از ضرب سرعت و جرم هر کدامشان به دست می‌آید، یکی خواهد بود. اما چون سرعتشان در دو جهت مخالف است، مومنتوم یکی مثبت خواهد بود، دیگری منفی. و حاصل جمع دوتا عدد مساوی، که یکی مثبت و دیگری منفی است، صفر خواهد بود. پس این طور شد: دو تا الکترون را روی یک خط مستقیم، به طرف همدیگر رها می‌کنیم. می‌دانیم که بار الکتریکی الکترون‌ها باری منفی است. دو تا بار منفی هم همدیگر را دفع می‌کنند. بنابراین، این دوتا الکترون می‌آیند به هم می‌رسند و آن وقت همدیگر را دفع می‌کنند و از هم دور می‌شوند. چون بار هر دوتاشان منفی است. و اما اتفاقی که از این لحظه به بعد می‌افتد. این مومنتوم، یا مومنتومی که مساوی با مجموع مونتوم‌های این دوتا الکترون و مقدارش صفر بود، بعد از جدا شدن این دوتا الکترون هم باز صفر خواهد ماند. و برای همیشه هم صفر خواهد ماند! حتی اگر مسافتی در حد سال نوری و بیشتر از هم دور بشوند! اما مونتوم چه بود؟ مومنتوم مساوی با جرم هر الکترون بود ضربدر سرعت آن در یک جهت مشخص. بنابراین مجموع مومنتوم آن‌ها در صورتی می‌تواند همچنان صفر باقی بماند که هر وقت یکی از آن‌ها تغییر جهت داد و مسیر حرکتش عوض شد، آن دیگری هم فوراً، بدون هیچ معطلی، جهت حرکتش تغییر کند، به طوری که این‌ها همیشه روی یک خط، یا دو خط موازی، اما در دو جهت مخالف هم قرار خواهند داشت. حتی اگر یکی از آن‌ها در این سرِ دنیا باشد، دیگری در آن سرِ دنیا! باری، این را می‌گویند درهم تنیدگی یا entanglement. یعنی تأثیراتی که دوتا ذرۀ درهم تنیده شده از راه دور روی یکدیگر می‌گذارند، و تغییر جهت حرکت فقط یکی از این تأثیرات است! و الان دیگر دانشمندان توانسته‌اند با آزمایش هم این را تا حدی نشان دهند! [ادامه دارد]


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

درهم تنیدگی یا entanglement- دو تا الکترون را روی یک خط مستقیم، اما در جهت عکس هم، به طرف یگدیگر رها می‌کنیم. این‌ها می‌آیند به هم می‌رسند و آن وقت همدیگر را دفع می‌‌کنند و از هم دور می‌شوند. برای این که بار هر دوشان منفی است و ذراتی که بارشان همنام باشد همدیگر را دفع می‌کنند. اما عجیب این است که از این پس انگار چیزی از هر کدام این‌ها در آن دیگری باقی می‌ماند. به طوری که هر اتفاقی که برای یکی از آن‌ها بیفتد، این اتفاق فوراً در دیگری هم تأثیر می‌گذارد. حتی اگر آن‌ها میلیون‌ها سال نوری از همدیگر دور شده باشند.

این عکس در کتاب شون کرول به نام یک چیزِ عمیقاً پنهان چاپ شده است. 


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

عجیب¬ترین پدیدۀ دنیا – ٢

اتفاق ترسناک در جای دور- ایدۀ درهم تنیدگی از کجا پیدا شد؟ با به عبارت دیگر، در هم تنیدگی به چه صورت کشف شد؟ تا کنون بارها اشاره کرده¬ام که زبان اصلی فیزیک، ریاضیات است. همۀ مفاهیم فیزیکی در کتاب های اصلی فیزیک به زبان ریاضی نوشته می شود. تدریس آن هم به زیان ریاضی صورت می گیرد. همۀ آن چیزهایی که علم فیزیک کشف می کند، در نهایت به صورت فرمول های ریاضی در می آید. مجموعۀ این فرمول ها و نحوۀ اثبات آنها را می گویند فرمالیسم. باری، بعضی از این جور فرمول ها که در دهه های اول قرن بیستم به دست آمده بود، نشان می داد در دنیای کوانتوم یا در دنیای ذرات بنیادی چیز عجیبی هست، که اسمش را گذاشتند درهم تنیدگی. این چیزِ عجیب از این قرار بود که گاهی دو یا چند ذرۀ اتمی رابطۀ خاص و عجیبی با همدیگر پیدا می کنند و این می تواند برای همیشه بین آنها باقی بماند. به طوری که حتی اگر آنها هر چقدر از هم دور شوند، این رابطه همچنان برقرار می مانَد. خود رابطه هم به این صورت است که گویی آنها یکی می شوند! به طوری که هر اتفاقی برای یکی از آنها بیفتد، این اتفاق در همان لحظه، و بدون هیچ فوت وقت، در آن یکی یا آن یکی ها هم تأثیر می گذارد! در نظر بگیرید، مثلاً دوتا فوتون با هم درهم تنیدگی پیدا کرده¬اند. آن وقت یکی از آنها رفته این ورِ دنیا، آن یکی رفته آن ورِ دنیا. بعد یکی از اینها در یک لحظۀ خاص مثلاً جهت حرکتش تغییر می کند. آن فرمول ها نشان می دادند که آن یکی فوتون هم، درست در همان لحظه، جهت حرکتش تغییر می کند.

می دانیم که در فیزیک، هر چیزی که از طریق تفکر کشف می شود، یا از طریق فرمول های ریاضی به وجود آن پی می برند، باید آزمایش ها هم آن را تأیید کنند. وگرنه ممکن است بعضی ها  آن را به عنوان واقعیت فیزیکی قبول نکنند. درهم تنیدگی هم چیزی نبود که به آسانی بشود آن را مورد آزمایش قرار داد. این بود که اول مورد شک واقع شد. مخصوصاً اینشتین سعی کرد این را وسیله¬ای قرار دهد تا ثابت کند تئوری کوانتوم یک چیزی کم دارد. آخر چطور می شود اتفاقی که برای یکی از دو ذرۀ درهم تنیده می افتد، درست در همان لحظه به آن یکی هم منتقل شود! مگر در دنیا سرعتی بالاتر از سرعت نور هم هست؟! او با کمک دو فیزیکدان دیگر، به نام های بوریس پودولسکی Boris Podolsky و Nathan ناتان روزنRosen، که از اساتید پرینستون و همکار او در آن دانشگاه بودند، روی این مسئله خیلی کار کردند. و یک آزمایش فکری در قالب یک پاردوکس به وجود آوردند که چیزی مثل همان گربۀ سرودینگر است و به پاردوکس ای-پی- آر EPR معروف است- E حرف اول اسم Einstein، P حرف اول اسم Podolsky ، R حرف اول اسم Rosen. اینشتین اسمِ خودِ درهم تنیدگی را هم گذاشت spooky action at a distanc، که می شود آن را مثلاً به این صورت ترجمه کرد: اتفاق ترسناک در جای دور. باری، پاردوکس ای-پی-آر هم، مثل گربۀ شرودینگر، بحث های پرشور و زیادی پیش آورد. اما اینشتین اشتباه می کرد. او در این مشاجرۀ فکری شکست قطعی خورد! گذشت زمان نشان داد درهم تنیدگی واقعیت دارد. [ادامه در یادداشت بعدی]


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

تصویری از دو فوتونِ درهم تنیده. دانشمندان به تازگی موفق شده¬اند این عکس را بگیرند


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

عجیب¬ترین پدیدۀ دنیا – ٣

اینشتین با آن که خودش از بنیانگذاران مکانیک کوانتوم یا تئوری کوانتوم بود، سخت با آن مشکل داشت! نمی توانست با این مسئله کنار بیاید که آن چیزی که بر ذاتِ دنیا حکومت می کند احتمالات است! هیچ یک از کارهای هیچ ذرۀ اتمی را نمی شود با قطعیت پیش بینی کرد. اصلاً نمی شود گفت فلان ذره¬ای که رویش آزمایش می شود خود را با چه خواصی در آن آزمایش نشان خواهد داد. مثلاً می خواهی ببینی فلان الکترون در فلان لحظۀ خاص در کدام نقطه از مدار خود خواهد بود. هیچ گاه نمی توانی این را با قطعیت بگویی. فقط می توانی حساب کنی و بگویی مثلاً ٣٠ درصد احتمال دارد در آن لحظۀ خاص در نقطۀ الف باشد، ٢٠ درصد احتمال دارد در نقطۀ ب باشد، ۵٠ درصد احتمال دارد در نقطۀ ج باشد و غیره. در حالی که چنین چیزی را در مورد مثلاً کرۀ ماه یا هر ستاره¬ای خیلی راحت می شود حساب کرد و با قطعیت گفت مثلاً کرۀ ماه صد سال دیگر در نیم ثانیه بعد از نیمه شب در کدام نقطه از مدارش خواهد بود. چنین چیزی را در مورد هر ستاره و سیاره یا اصلاً هر جسم متحرک دیگر هم می توان گفت. شاید بعضی ها بگویند به خاطر سخت بودن اندازه گیری در دنیای اتم است که نمی شود هیچ چیزی را با قطعیت پیش بینی کرد. نه! مسئله این نیست. ربطی به سخت بودن آزمایش در دنیای اتم ندارد. ذات آن دنیا این طور است! هم فرمول های کوانتوم چنین چیزی را می گوید، هم همۀ آزمایش ها، که بسیار هم دقیق است، این را نشان می دهد. کسانی که کمی عمیق¬تر با دنیای کوانتوم آشنا باشند شکی در این مورد نخواهند داشت. باری، این مسئلۀ احتمالات که بر دنیای کوانتوم حاکم است، معنای عجیبی هم دارد که پذیرفتنش برای اینشتین و بعضی از فیزیکدان های دیگر چندان آسان نبود. معنایی که واقعاً ذهن را به هم می ریزد. اگر اتم و ذرات آن واقعاً قبل از آزمایش های ما ماهیت یا واقعیت مشخصی داشته باشند، دلیلی ندارد نشود مثلاً سرعت یا مکان آنها را حساب کرد و گفت مثلاً فلان الکترون در فلان لحظه در چه نقطه¬ای از مدار خودش خواهد بود، یا در آن لحظه چه سرعتی خواهد داشت. وقتی نمی شود گفت در فلان لحظه در چه مکانی خواهد بود و چه سرعتی خواهد داشت، این یعنی این که قبل از آزمایش هیچ ماهیت مشخصی ندارد! پس نه از آن ذراتی است که در دنیای قابل مشاهده¬مان وجود دارند، نه از آن موج هایی که در دنیای قابل مشاهده¬مان می بینیم. چون ذرات یا امواجی که در دنیای قابل مشاهده¬مان می بینیم، هر دو طوری هستند که در هر لحظه-ای که در نظر بگیریم، هم سرعت مشخصی دارند، هم مکان مشخصی. یعنی این که ماهیتی برای خودشان دارند. برای همین است که سرعت و مکان آنها را برای هر لحظۀ آینده هم می شود حساب کرد. اما این در مورد هیچ کدام از ذرات اتمی صدق نمی کند. هر ذرۀ اتمی را که آزمایش کنیم، تا وقتی که آزمایش را انجام نداده¬ایم، نمی توانیم با قطعیت بگوییم جواب آزمایش به چه صورت خواهد بود و آن ذره در آن آزمایش چه سرعتی خواهد داشت یا در کدام نقطه از مسیر یا مدار خودش ظاهر خواهد شد. این یعنی این که ذرات اتمی، پیش از آن که ما آنها را آزمایش کنیم، و در آن آزمایش ماهیتی برای آنها مشخص شود، هیچ ماهیتی ندارند! آزمایش های ماست که آنها را دارای ماهیت می کند! اگر قرار بود دنیای مشاهده مان هم مثل دنیای کوانتوم باشد، آنگاه مثلاً کرۀ ماه هم پیش از آن که ما نگاهش کنیم، نمی توانست کرۀ ماه باشد!

⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

عجیب¬ترین پدیدۀ دنیا – ۴

باری، پذیرفتن این مسئله برای ایشتین چندان راحت نبود. ظاهراً تا آخر عمرش هم نتوانست با آن کنار بیاید. فی الواقع، نه توانست آن را نپذیرد، و نه توانست مثل نیلز بوهر و هایزنبرگ و فاینمن و غیره آن را بپذیرد. این بود که وقتی متوجه شد فرمول های کوانتوم یک چیز عجیب¬تری می گویند، یعنی همان پدیدۀ درهم تنیدگی که بین بعضی ذرات اتفاق می افتد، دست به کار شد تا بلکه با توضیح عمیق این پدیده بگوید تئوری کوانتوم در ذات خودش نقص دارد! هنوز احتمالاً چیزهایی هست که ما نمی دانیم. وگرنه چطور ممکن است اتفاقی که برای یک ذرۀ اتمی اتفاق می افتد، بدون هیچ فوت وقتی یک ذرۀ دیگر را که حتی وقتی میلیون ها سال نوری با آن فاصله دارد متأثر کند؟! همان چیزی که اسمش را هم گذاشت اتفاق ترسناک در جای دور، یا تأثیر ترسناک از فاصلۀ دور... مخصوصاً که این درهم تنیدگی یکی از قوانین ثابت شدۀ دنیا را هم در ظاهر نقض می کرد. خود اینشتین ثابت کرده بود بالاترین سرعتی که در دنیا می تواند وجود داشته باشد سرعت نور است. همان C یا ٣٠٠ هزار کیلومتر بر ثانیۀ مشهور. حالا چطور می شود که اتفاقی که برای یک ذره می افتد با سرعتی حتی بیشتر از میلیون ها و میلیاردها برابر سرعت نور به یک ذرۀ دیگر منتقل شود و آن را تحت تأثیر قرار دهد؟!

اما همچنان که گفتم، گذشت زمان نشان داد درهم تنیدگی واقعیت دارد. اینیشتین آن مقالۀ EPR را، که دربارۀ همین درهم تنیدگی بود، و به کمک پودولسکی و روزِن آن را نوشته بود، در سال ١٩٣۵ منتشر کرد. از ١٩٧٢ دانشمندان کم کم شروع کردند درهم تنیدگی را در آزمایش ها و به صورت تجربی هم نشان دادن. اول بار که توانستند پدیدۀ درهم تنیدگی را بین دوتا فوتون نشان دهند، آن دوتا فوتون ۴ متر از هم فاصله داشتند. الان گویا این فاصله را به ١٢٠٠کیلومتر رسانده¬اند. بعداً این را کمی عمیق¬تر و بیشتر توضیح می دهم.

اما حتی پیش از آن که آزمایش ها نشان دهند درهم تنیدگی واقعیت دارد، چند نفر از فیزیکدان ها با همان فرمول های ریاضی هم توانستند نشان دهند که در پدیدۀ درهم تنیدگی اطلاعاتی بین ذره ها رد و بدل نمی شود تا نسبیت خاص را رد کند که می گفت بالاترین سرعتی که در دنیا می تواند وجود داشته باشد سرعت نور است. مسئله از این قرار بود که وقتی دوتا ذره با هم در هم تنیده شده و بعد از هم جدا می شوند، انگار یک چیزی از هر کدام آنها در دیگر باقی می ماند! این هم باز یک معنای عجیبی در خود داشت که در فیزیک کوانتوم به non locality مشهور شد. non locality را در فارسی به نا¬جای¬گزیدگی ترجمه کرده¬اند. نا¬جای¬گزیدگی یعنی چه؟


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

عجیب¬ترین پدیدۀ دنیا – ۴

تا آنجا که من در کتاب ها دیده¬ام، دانشمندان اکنون می توانند پدیدۀ درهم تنیدگی را وقتی دوتا الکترون یا فوتون بیش از هزار کیلومتر از هم فاصله دارند به آسانی در بین آنها ببینند، یا نشان دهند. آنها برای انجام این آزمایش از یکی از خواص ذاتی ذرات اتمی به نام اسپین spin استفاده می کنند. اسپین یعنی چرخش. مثل چرخیدن فرفره به دور خود. اما حقیقت این است که اسپینی که در ذرات اتمی هست چرخش به معنای واقعیِ آن نیست. برای همین است که در فارسی آن را ترجمه نمی کنند. اسپین را خود فیزیکدان ها با ریاضیات توضیح می دهند و درباره¬اش حرف می زنند. این هم از آن پدیده هایی است که اگر بخواهی با کلمات توصیفش کنی، و بخواهی تصویر یا تصوری از آن را در ذهنت ایجاد کنی، به جایی نمی رسی. اما این که چرا اسمش را گذاشته¬اند اسپین، به خاطر این است که خیلی شبیه اسپین یا چرخش است. مثل این است که یک ذرۀ باردار، یعنی ذره¬ای که دارای بار الکتریکی است، دارد دور خودش می چرخد. برای این که تصوری از دورِ خود چرخیدنِ یک جسم را داشته باشیم، مثلاً می توانیم زمین را در نظر بگیریم. زمین همچنان که روی مدارش به دور خورشید می چرخد، دور خودش هم می چرخد. اما مسئله این است که در مورد الکترون اصلاً چرخش به دورِ خودی در کار نیست! الکترون ها به دور خودشان نمی چرخند. اگر قرار بود الکترون ها به دور خودشان بچرخند، می بایست جرمی داشته باشند. اما جرم آنها تقریباً صفر است. منتهی خاصیتی از خودشان نشان می دهند که انگار دارند دور خودشان می چرخند. و عجیب-تر از اینها نوترون ها هستند. اینها اصلاً نه بار الکتریکی دارند نه به دور خودشان می چرخند. اما آن خاصیت اسپین را دارند! برای همین است که اسپین را یکی از خواصِ ذاتیِ ذراتِ اتمی یا ذرات بنیادی می دانند.

اما اگر ذرات باردار قابل مشاهده، یعنی ذراتی که علاوه بر بار الکتریکی جرم هم دارند، به دور خودشان بچرخند چه اتفاقی می افتد؟ اول باید بدانیم که وقتی ذره¬ای، یا هر جسم دیگری، دور خودش بچرخد، این چرخش به دور یک محور فرضی اتفاق می افتد. یعنی مثل این است که دارد دور یک خط می چرخد. بعد هم چون بار الکتریکی دارد، یک میدان الکتریکی در اطراف خودش ایجاد می کند. و علاوه بر این میدان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی هم ایجاد می کند. آن وقت از ترکیب این دوتا میدان، یک میدانی به وجود می آید که اسمش میدان الکترو مغناطیسی است. میدانی که در اطراف آن ذره ایجاد می شود و هر جا آن ذره برود، این میدان را هم در اطراف خودش با خود می برد. اما ذره چون می چرخد، در هر لحظه جهت سرعتش تغییر می کند. و با تغییر جهت ذره، جهت سرعت میدان الکترو مغناطیسی هم تغییر می کند. آن اسپین که در دنیای اتم، یا در ذرات بنیادی هست، یک چیزی مثل جهتِ سرعتی است که در میدان الکتریکی هست، و دائم در حال تغییر است. [ادامه دارد]



⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

در این شکل، پیکان های قرمز رنگ مسیر جریان برقی را نشان می دهند که از گردش یک ذرۀ باردار به دور خودش ایجاد می شود، و پیکان های سبز میدان مغناطیسی را که به دور جریان برق ایجاد می شود. هر جریان برقی یک میدان مغناطیسی به دور خودش ایجاد می کند، که دور آن می چرخد، و جهت این چرخش همیشه  عمود بر جهت حرکت جریان برق است. بنابر این، با هر تغییری که در جهتِ حرکتِ جریان برق ایجاد شود، جهتِ چرخش میدان مغناطیسی هم تغییر می کند.


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

عجیب¬ترین پدیدۀ دنیا – ۵

تشبیه، که به معنای این است که چیزی را به چیز دیگری شبیه کنی، یکی از راه های شناساندن پدیده های نا آشنا به دیگران است. توضیح یا شناساندن پدیدۀ ناآشنا از راه تشبیه معمولاً به این صورت است که سعی می شود یک پدیده یا هر چیز آشنایی پیدا کنی، که آن پدیدۀ نا آشنا شباهتی با این داشته باشد. فیزیکدان ها وقتی متوجه اسپین در ذرات بنیادی شدند و بعد خواستند آن را توضیح دهند یا بگویند چیست، از تشبیه استفاده کردند. فی الواقع اسپین خیلی شبیه آن چیزی بود که همۀ فیزیکدان ها با آن به خوبی آشنا بودند: جهت میدان مغناطیسی.

اسپین را در یادداشت قبلی توضیح دادم چیست. اگر در این شکل دقت کنید، به خوبی می توانید آن را مجسم کنید. در این شکل فرض بر آن است که یک ذرۀ باردار، یعنی یک جسم کوچکی که دارای بار الکتریکی هم هست، دارد دور خودش می چرخد. چرخش این ذره با آن پیکان های خمیدۀ قرمز رنگ نشان داده شده است. وقتی ذرۀ باردار در حال حرکت باشد، حالا چه روی یک خط راست در حال حرکت باشد چه به دور خودش بچرخد، در مسیر خودش جریان برق ایجاد می کند. بنابراین، آن پیکان های قرمز رنگ می تواند مسیر جریان برقی را هم که این ذره ایجاد می کند نشان دهد. گذشته از این، وقتی ذرۀ باردار در حال حرکت است، علاوه بر جریان برق، یک میدان مغناطیسی هم در گرداگردِ آن جریان برق، یا در گرداگردِ مسیر خودش، ایجاد می کند. این میدان طوری است که به دور آن جریان برق می چرخد، و همیشه آن جریان برق و این میدان مغناطیسی عمود بر یکدیگر هستند. . در این شکل ، حرکت میدان مغناطیسی هم با پیکان های سبز نشان داده شده است. نکتۀ مهمی که اینجا هست این است: با هر تغییری که در جهت حرکت ذرۀ باردار ایجاد شود، مسیر جریان برق هم تغییر می کند، و با هر تغییری که در مسیر جریان برق ایجاد شود، جهت حرکت میدان مغناطیسی هم تغییر می کند.

در یادداشت قبلی هم گفتم. اسپینی که فیزیکدانها در ذرات بنیادی دیده¬اند، چیزی مثل تغییر جهت میدان مغناطیسی در ذرۀ بارداری است که به دور خودش می چرخد. اما عجیب این است که بعضی ذرات بنیادی که بار الکتریکی دارند، اصلاً جرم ندارند که بتوانند دور خودشان بچرخند! مثل الکترون. و بعضی ها هم که اصلاً بار الکتریکی ندارند! مثل نوترون. با این حال، همۀ ذرات بنیادی، چه الکترون ، چه نوترون، چه پروتون، چه فوتون و بقیۀ آنها، همه¬شان اسپین دارند! یعنی مثل این است که به دور خودشان می چرخند، در حالی که نمی چرخند!

⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

یک الکترون!

یکی از یافته های مکانیک کوانتوم این است که ذرات بنیادی، مثل الکترون؛
و ذرات دیگری همچون پروتون و نوترون و... ، جای مشخصی ندارند.
در آنِ واحد می توانند در چندین جا باشند!

علاوه بر این، هر کدام از این ذرات را که در نظر بگیری، انگار همه نمونه هایش عین هم هستند. مثلا این که این الکترون با آن الکترون فرقی ندارد، جز این که مدارهایشان فرق می کند.
یکی در مداری است که به هسته نزدیک تر است، آن یکی در مداری بالاتر. یا یکی از آنها در یکی از مدارهای فلان اتم می چرخد، آن یکی در یکی از مدهارهای یک اتم دیگر.
به این خاطر است که جا و انرژی آنها می تواند با هم فرق کند. وگرنه از لحاظ جرم و بار الکتریکی هیچ فرقی با هم ندارند. جا و انرژی عارضی هستند، اما جرم و بار الکتریکی ذاتی هستند.

ریچارد فاینمن در سخنرانی اش در آکادمی نوبل گفت یک روز که در پرینستون بودم، پروفسور ویلر به من تلفن کرد. ضمن صحبت گفت:
«فاینمن،
من می دانم چرا همه الکترونها بار و جرم یکسان دارند!»
بعد در توضیحش گفت:
«برای این که همه آنها یک الکترون هستند!»
یعنی یک الکترون است که در آنِ واحد دارد در همه جای جهان می چرخد...

… I received a telephone call one day at the graduate college at Princeton from Professor Wheeler, in which he said, “Feynman, I know why all electrons have the same charge and the same mass” “Why?” “Because, they are all the same electron!”


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

اسپین- ١

برای این که تصوری از اسپین داشته باشیم، اول باید بدانیم مومنتوم یا تکانه چیست. برای این که مفهوم اسپین یک چیزی مثل مفهوم مومنتوم است. مومنتوم یعنی جرم ضرب در بُردار سرعت. بردار سرعت را در انگلیسی velocity می گویند. خود سرعت را speed می گویند. فرق بردار سرعت و خود سرعت این است که در خود سرعت فقط اندازۀ حرکت یک جسم در یک ثانیه بیان می شود، اما در بردار سرعت، علاوه بر اندازۀ آن، جهت سرعت هم مشخص می شود. بنابراین، مومنتوم مفهومی ریاضی است، و با بُرداری نشان داده می شود که طول آن اندازۀ سرعت را نشان می دهد، و جهت آن هم، که در دستگاه مختصات سه بُعدی مشخص می شود، جهت سرعت را مشخص می کند. جسم اگر بدون تغییر جهت، روی یک خط راست حرکت کند، مومنتوم آن را مومنتوم خطی می گویند. اما اگر دور محوری بچرخد، مومنتوم آن را مومنتوم زاویه¬ای می گویند. در هر دوی این حالت ها، هر چقدر سرعت بیشتر باشد، مومنتوم هم بیشتر می شود. از آنجا که مومنتوم از حاصل ضرب جرم در سرعت به دست می آید، واحد آن بر حسب کیلوگرم¬متر بر ثانیه بیان می شود.

حالا مثلاً زمین را در نظر می گیریم. می دانیم که زمین دو نوع چرخش دارد. یکی از آنها چرخشی است که به دور خورشید انجام می دهد. دیگری هم چرخشی که دور خودش انجام می شود، دور یک محور فرضی که از مرکزآن گذشته و یک سرش در قطب شمال و سر دیگرش در قطب جنوب است. هر کدام اینها یک مومنتوم برای خودشان دارند. اولی که روی مدار صورت می گیرد اسمش است مومنتوم زاویه¬ایِ مداری و دومی مومنتوم زاویه¬ایِ چرخشی.

اما حقیقت این است که الکترون نه دور هستۀ اتم چرخشی مثل چرخش زمین به دور خورشید دارد، نه دور خودش می چرخد. با این حال هم مومنتوم زاویه¬ای مداری دارد، هم مومنتوم زاویه¬ای چرخشی! مومنتوم اولی را مومنتوم چرخشی ذاتی برای اتم می دانند، و مومنتوم دومی را مومنتوم چرخشی ذاتی برای خود الکترون.

مومنتوم زاویه¬ای الکترون این قدر شبیه چرخش ذرات به دور خود است که حتی میدان مغناطیسی کوچکی هم برایش ایجاد می کند. هر ذره¬ای بار الکتریکی داشته باشد و دور محوری بچرخد، با این چرخش یک میدان مغناطیسی هم برای خود ایجاد می کند. دانشمندان خواستند ببینند آیا چنین چیزی برای اتم و ذرات زیراتمی هم اتفاق می افتد. با کمال تعجب دیدند، بله. اول بار دو فیزیکدان آلمانی به نام های اشترن و گرلاخ این آزمایش را انجام دادند. آنها از اتم های نقره برای این آزمایش استفاده کردند. اشترن و گرلاخ یک چیز حیرت آوری هم در مورد این مومنتوم زاویه¬ای کشف کردند. دیدند مومنتوم زاویه¬ای هم حالت کوانتومی دارد. این هم مثل انرژی است. انرژی ظاهراً حالت ییوستاری ندارد بلکه در بسته¬های مجزا از هم و هم اندازه منتقل یا مصرف می شود. مومنتوم زاویه¬ای هم یک چنین چیزی است. گفتیم مومنتوم برحسب کیلوگرم متر بر ثانیه حساب می شود. اگر مومنتوم الکترون را اندازه بگیریم، مقدار آن هر عددی نمی تواند باشد. مقدار این هم عدد ثابتی است. تنها تغییری که اسپین می تواند بکند این است که جهت آن می تواند برعکس شود...


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

اسپین- ٢

اسپین یکی از رازهای عجیب دنیای اتم است. هم مومنتوم چرخشی زاویه¬ای است، هم خاصیت مغناطیسی دارد. مومنتومِ چرخشیِ زاویه¬ای وقتی ایجاد می شود که ذره¬ای دور خودش بچرخد، اما ذرات دنیای اتم واقعاً چنین چرخشی ندارند. خاصیت مغناطیسی هم معمولاً وقتی ایجاد می شود، یا باید ایجاد شود، که ذره¬ای که دور خودش می چرخد بار الکتریکی داشته باشد. اما هر چند بعضی از ذرات دنیای اتم بار الکتریکی دارند، مثلاً الکترون بار منفی یا پروتون بار مثبت دارد، اما نوترون بار الکتریکی ندارد، در حالی که نوترون هم در اطرافش میدان مغاطیسی دارد! از این که بگذریم، این اسپین حالت کونتومی دارد. گفتیم اسپین مومنتومِ چرخشی زاویه¬ای است. مومنتوم هم از حاصل ضرب جرم در سرعت به دست می آید، و واحد آن بر حسب کیلوگرم¬متر بر ثانیه بیان می شود. بنابراین واحد اسپین هم بر حسب همین واحد بیان می شود. اما چیزی که هست اسپین هر مقداری نمی تواند باشد. فقط مقادیر مشخصی می تواند باشد و این مقادیر یا مضربی از نصف ثابتِ پلانکِ کاهش یافته هستند، یا مضربی از خودِ ثابت پلانک کاهش یافته. ثابت پلانک کاهش یافته را با علامت ħ، که هاش بار یا اچ بار خوانده می شود، نشان می دهند. و مقدار آن برابر است با ثابت پلانک تقسیم بر 2 برابر عدد پی. خودِ ثابت پلانک برابر است با شش ممیز ششصد و بیست و شش ضربدر ده به توان منفی سی و چهار:

h = 6.626 × 10−34

بنابراین مقدار ثابت پلانک کاهش یافته می شود:

ħ = h/ 2π = 6.626 × 10−34 / 2π

الکترون بسته به این که در چه مداری باشد، مقدار اسپینش فرق می کند، اما هر اسپینی که داشته باشد آن اسپین فقط مضربی از ħ ½ می تواند باشد. به صورت های زیر:

½ ħ (=1 x ½ ħ),1 ħ (=2 x ½ ħ), 3/2 ħ (=3 x ½ ħ), 2 ħ (=4 x ½ ħ), 5/2 ħ (=5 x ½ ħ)…

اما اسپین بعضی ذرات دیگر، که مقدارش بستگی به این دارد که ذره در هسته¬ی چه اتمی باشد، همیشه مضربی از خود ħ است:

1 ħ (=1 x ħ),2 ħ (= 2 x ħ), 3 ħ (=3 x ħ),…

ذرات دسته¬ی اول را که اسپین هاشان مضاربی از ħ ½ است فرمیون و ذرات دسته¬ی دوم را که اسپین هاشان مضاربی از ħ است بوزون می گویند.

باری. اسپین را چون میدان مغناطیسی است با یک میدان مغناطیسی دیگر یعنی با آهنربا اندازه می گیرند. اما اندازه¬گیری اسپین یک خاصیت مهم و بسیار عجیب دیگری از آن را هم مشخص کرد. در اندازه-گیری اسپین مهم نیست جهت آهنربا به چه صورت باشد. آهنربا به هر صورت قرار داده شود، جهت اسپین هم یا همسو با جهت میدانِ آن  خواهد بود، یا در جهتِ عکسِ آن. اگر در جهت آن باشد، اسپین را اسپین بالا می گویند، اگر در جهت عکس آن باشد، اسپین پایین می گویند. اما تا آزمایش نشود، نمی شود با قطعیت گفت جهتش در جهت میدانِ آهنربا خواهد بود، یا در جهتِ عکسِ آن خواهد بود. این هم یکی دیگر از سوپرپوزیشن های کوانتومی است. معنایش این است که اسپین هر ذره¬ای، پیش از آن که آزمایش شود، به صورت برهم نهشی از اسپین بالا و اسپین پایین است. یعنی هر ذره¬ای پیش از آن که اسپینش مشاهده شود، هم به صورت اسپین بالاست، هم به صورت اسپین پایین. اما برای این که تصور یا درک ملموس¬تری از معنی این داشته باشیم، بیایید اسپین را در دنیای ماکروسکوپیک یا قابل مشاهده در نظر بگیریم. در دنیای ماکروسکوپیک وقتی مثلاً توپی در جهت عقربه های ساعت دور خودش می چرخد، و جهت اسپینش به سمت بالاست، اگر آن چرخش را در جهت عکس عقربه های ساعت انجام دهد، جهت اسپینش به سمت پایین خواهد بود. بنابراین، وقتی می گوییم هر ذره¬ای پیش از آن که اسپینش مشاهده شود، هم به صورت اسپین بالاست، هم به صورت اسپین پایین، معنایش چیزی مثل این است: هر ذره¬ای پیش از آن که اسپینش مشاهده شود، مثل این است که در آنِ واحد هم در جهتِ عقربه های ساعت می چرخد، هم در جهتِ عکسِ عقربه های ساعت!


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

اسپین- ٣

در یادداشت قبل گفتیم، وقتی می گوییم هر ذره¬ای پیش از آن که اسپینش مشاهده شود، هم به صورت اسپین بالاست، هم به صورت اسپین پایین، معنایش چیزی مثل این است: هر ذره¬ای پیش از آن که اسپینش مشاهده شود، مثل این است که در آنِ واحد هم در جهتِ عقربه های ساعت می چرخد، هم در جهتِ عکسِ عقربه های ساعت! اما فقط این نیست. در همان یادداشت، این را هم دیدیم که وقتی اسپین را با آهنربا اندازه می گیریم، آهنربا به هر صورت قرار داده شود، یعنی جهتِ میدانِ آن روی هر محوری در دستگاه مختصات x و y و z باشد، جهت اسپین هم یا همسو با جهت آن خواهد بود، یا در جهتِ عکسِ آن. ین هم این معنی را در خود دارد: الکترون پیش از آن که اسپینش را روی محور خاصی اندازه بگیریم، روی همۀ محورها دارد می چرخد! دیگر این که سرعت اسپین هم همیشه ثابت است! پس می توان گفت: همۀ الکترون های دنیا، با یک سرعت دارند دور خود می چرخند! و همه شان در آن واحد روی بینهایت محور، هم در جهت عقربه های ساعت هم در جهت عکس عقربه های ساعت دارند می چرخند.

و بالاخره یک خاصیت عجیب دیگر، که مخصوص فرمیون هاست، یعنی مخصوص ذراتی که اسپین ½ دارند. یک لحظه یک فرفره را در ذهن خود مجسم کنید. این فرفره اگر ٣۶٠ درجه دور خودش بچرخد، به حالت اولش بر می گردد. یعنی به حالتی که درست در لحظه¬ی شروع چرخش داشت. اما الکترون، و همه¬ی فرمیون های دیگر، ٣۶٠ که دور خود بچرخند، به حالت قبلی خود بر نمی گردند. اینها باید دو دور، یعنی  ٧٢٠ درجه، دور خود بچرخند تا به حالت قبل برگردند! ٣۶٠ که بچرخند، فقط اسپینشان منفی می شود، باید یک ٣۶٠ دیگر هم بچرخند تا دوباره به حالت اول برگردند. اما خوشبختانه این خاصیتشان در دنیای قابل مشاهده یا ماکروسکوپیک هم مشابه دارد. مثلاً چرخش کمربند به دور خود هم یک چنین پدیده¬ای ایجاد می کند، که در یادداشت بعد خواهیم دید.


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

اسپین- ۴

سگکِ یک کمربند را بر لبه¬ی یک میز زیر یک کتاب سنگین بگذارید تا محکم بماند، و چرمش، که از لبه¬¬ی میز آویزان می شود، رویه¬اش به سمت بالا قرار بگیرد. آنگاه سر کمربند را بگیرید و ٣۶٠ درجه بچرخانید. خواهید دید رویه¬اش می رود زیر و پشتش به سمت بالا قرار می گیرد. یعنی به حالت اولش بر نمی گردد. آنگاه یک  ٣۶٠ درجه¬ی دیگر هم بچرخانیدش. یعنی جمعاً ٧٢٠ درجه چرخیده شود. حالا نه فقط رویه ¬اش دوباره مثل لحظه¬ای که هنوز اصلاً نچرخیده بود به سمت بالا قرار می گیرد، بلکه اگر سر آن را از سمت چپ خم کرده به سوی سگگش ببرید، به طوری که انگار دور کمرتان است و می خواهید آن را داخل سگگکش کنید و ببندید، می بینید آن پیچ هایی هم که خورده بود ناگهان ناپدید می شوند! الکترون و دیگر فرمیون ها هم، که اسپین ½ دارند، چیزی مثل این کمربند هستند! یک دور کامل، یا ٣۶٠ درجه، که دور خود بچرخند، به حال اول خود بر نمی گردند، فقط اسپینشان منفی می شود. باید ٧٢٠ درجه، یعنی دو دور کامل، دور خود بچرخند تا به حالت اول برگردند. آزمایش کمربند را به صورت های دیگر هم می شود انجام داد.


⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢

امشب، با طرح یک چالش در حوزه کوانتوم و با توجه به مطالبی که طی دو هفته اخیر در کانال شِیر شد، فصل اول آشنایی با کوانتوم مکانیک را به پایان میرسانیم.
پاسخ هایتان را در پیوی برای من بفرستید

و اما چالش ما:
اگر آزمایش دو شکاف، به جای دو شکاف با چند شکاف انجام شود، فکر می کنید چه اتفاقی می افتد؟
منظور این است که به جای آن دو تا شکافی که در صفحه مات ایجاد می شود چند تا شکاف ایجاد شود.
مثلا فرض می کنیم پنج تا شکاف،
که در کنار هم و به موازات هم قرار گرفته اند.
آن وقت یک بار همه شکاف ها را می بندیم و فقط یک شکاف باز می ماند.
بار دیگر هم همه شکاف ها باز می مانند. و هر بار آزمایش را به همان ترتیب انجام می دهیم که در آزمایش دو شکاف انجام دادیم.

بدیهی است که در این آزمایش هم وقتی فقط یک شکاف باز است، نتیجه همان خواهد شد که در آزمایش دو شکاف بود. یعنی هنگامی که فقط یکی از شکاف ها باز بود، و الکترون یا فوتون به شکل ذره از آن شکاف عبور می کرد.
حالا در قسمت دوم چه اتفاقی خواهد افتاد؟
یعنی وقتی که همه پنج تا شکاف باز باشند الکترون یا فوتون وقتی به سمت آن شکاف ها شلیک شود به چه صورت از آنها عبور خواهد کرد؟

و سوال اصلی این است که آزمایش پنج شکاف، چه تفاوتی با آزمایش دو شکاف خواهد داشت؟

⚛کانال تخصصی فیزیک هسته ای⚛

☢ @Nuclear_ph_ysics ☢