ویدیو: مبانی اسرارآمیز مکانیک کوانتوم

ویدیوی جدید ما بعد از مدت‌ها تأخیر روی یوتیوب و آپارات آپلود شد. دلیل تأخیر چند ماهه‌ی ما در تولید را در یک ویدیوی جداگانه در یوتیوب توضیح داده‌ایم.

در این ویدیو سعی کرده‌ایم به چند نمونه از اصول اساسی ولی کماکان بسیار اسرارآمیز و فهم‌ناشده‌ی فیزیک کوانتوم بپردازیم. این مبانی به هیچ عنوان کامل نیست و به دلیل طولانی‌تر نشدن ویدیو، موارد جالب دیگری همچون decoherence در این برنامه جا نشده‌اند.

سرفصل‌هایی که این‌جا به آن‌ها پرداخته می‌شود شامل جهش کوانتومی، آزمون دوشکاف، درهم‌تنیدگی کوانتوم و ماجرای گربه‌ی شرودینگر است.

نوام چامسکی معتقد است علم شیمی، علمی بود که در آغاز بیشتر بر مبنای اصول ذهنی و بدون اتکای کامل به مشاهدات فیزیکی شکل گرفت. شیمی‌دانان تلاش داشتند برای توضیح بهتر واقعیت، مدل‌هایی ذهنی را پیشنهاد بدهند تا بلکه بعدتر دیگران بتوانند این مدل‌ها را مشاهده و بهتر کنند. اما بعدها، ادغام دانش شیمی با علم فیزیک موجب شد هم در شیمی و هم در فیزیک پیشرفت‌های شگرفی روی دهد و ما بتوانیم سرانجام فهمی بسیار معقول‌تر از نحوه‌ی کارکرد جهان داشته باشیم.

جهش کوانتوم

نیلز بور یکی از سردمداران این ادغام بود. مدل اتمی بور که مدت‌ها به عنوان مدل قابل قبول برای حرکت الکترون‌ها به دور هسته شناخته می‌شد، یکی از شاخص‌ترین پیشرفت‌های شیمی‌فیزیک بود. او ادعا می‌کرد الکترون‌ها در مدارهایی به دور هسته‌ی اتم می‌چرخند اما عجیب این بود که موقعیت این مدارها کاملاً مشخص بود و هیچ‌گاه نمی‌توانستند کمی نزدیک‌تر یا کمی دورتر از هسته وجود داشته باشند. از این جالب‌تر این بود که وقتی اتم‌ها می‌خواستند مدارشان را عوض کنند و از این مدار به مدار دیگر حرکت کنند، فاصله‌ی بین دو مدار را طی نمی‌کردند و به شکل اسرارآمیزی از مدار فعلی ناپدید شده و روی مدار جدید ظاهر می‌شوند. بور نمی‌توانست توضیحی برای این موضوع بیابد و هنوز هم توضیح قابل قبولی برای این پدیده وجود ندارد. اما همین موضوع محققان را واداشت به دانشی که کمتر کسی در آن زمان به آن اهمیت می‌داد بیشتر بپردازند. کوانتوم می‌توانست این حرکت‌ها را توضیح بدهد و فرمول‌بندی کند.

یکی از توضیحاتی که می‌توان در مورد جهش کوانتوم ارائه داد این است که آن‌چه ما در جهان به صورت سه‌بعدی می‌بینیم، الزاماً سه‌بعدی نیست. جهان به احتمال زیاد از ابعاد بیشتری تشکیل شده است. عده‌ای از فیزیک‌دانان معتقدند فضازمان دست‌کم باید در جهانی ده یا یازده بعدی وجود داشته باشد. پس اگر در جهانی که ما آن را سه‌بعدی می‌بینیم و درک می‌کنیم چیزی ناگهان ناپدید شود، شاید در ابعاد دیگر قابل رؤیت است و فقط ما آن را نمی‌بینیم.

آزمون دوشکاف (آزمایش یانگ)

یکی دیگر از پدیده‌های غریب در دنیای ابعاد ریز کوانتوم، پدیده‌ای است که در آزمون دوشکاف مشاهده می‌شود. در مورد این پدیده و یکی از تفسیرهای جالب آن به نام تفسیر جهان‌های موازی قبلاً یک ویدیو ساخته‌ایم و توضیح آن را می‌توانید این‌جا ببینید.

گربه شرودینگر

اروین شرودینگر، یکی از پیشگامان مکانیک کوانتوم آزمونی را طرح کرد که سعی در توضیح رویدادهای غریب مکانیک کوانتوم دارد. این آزمون به آزمون گربه‌ی شرودینگر معروف است، یک مثال ذهنی است و از این قرار است: فرض کنید گربه‌ای را در یک جعبه قرار می‌دهیم که در آن نوعی سم رادیواکتیو وجود دارد. احتمال پخش شدن این سم درون جعبه طی یک ساعت دقیقاً ۵۰٪ است. یعنی احتمال زنده بودن یا مردن گربه بعد از یک ساعت دقیقاً یک به دو است. طبیعی است که بعد از باز شدن درب جعبه پس از یک ساعت، ما می‌توانیم از واقعیت اطمینان حاصل کنیم. یعنی وقتی درب جعبه باز می‌شود، نوعی جبر حاصل می‌شود چون ما گربه در این زمان یا زنده است یا مرده و نمی‌تواند همزمان هر دو حالت را داشته باشد. اما بر اساس مبانی مکانیک کوانتوم، گربه‌ی شرودینگر پیش از باز شدن درب جعبه هم زنده است و هم مرده و در واقع این تنها عمل مشاهده‌ی ما پس از باز شدن درب جعبه است که موجب فروکاهیده شدن واقعیت به یکی از دو حالت ممکن می‌شود.

یکی از مخالفان این طرز فکر، خود اینشتین بود که می‌دانست اگر چنین چیزی را قبول کند، مجبور است اصول نظریه‌ی نسبیت و فیزیک کلاسیک را رد کند. اینشتین و بور بارها در این مورد با هم جدل کردند، اما هیچ‌یک نتوانست دیگری را متقاعد کند. اما پس از پیشرفت‌های اخیر در فیزیک نظری و همچنین فناوری‌هایی برای تست ذرات زیراتمی، می‌توانیم بگوییم برداشت اینشتین که معتقد بود کوانتوم چرندی بیش نیست اشتباه بوده و در حقیقت، اجزای زیراتمی در آن واحد در همه‌جای جهان وجود دارند و با ابزارهای دقیق شاید بتوان این امر را مشاهده و تأیید کرد. در حقیقت بر اساس فیزیک کوانتوم، چیزی غیر از این ناممکن است!

درهم تنیدگی کوانتوم

یکی دیگر از موضوعات عجیب در کانتوم، اصلی است به نام درهم‌تنیدگی. بر اساس این اصل، اگر دو ذره درهم‌تنیده باشند (یعنی ویژگی‌های آن‌ها به شکلی به هم وابسته شده باشد)، مشاهده‌ی ویژگی‌های یکی موجب تغییر و تعیین ویژگی‌های ذره‌ی دیگر می‌شود؛ حتی اگر این دو ذره در فاصله‌ای بسیار زیاد از هم قرار داشته باشند. این موضوع با اصول نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین که بر اساس آن سرعت نور محدود و مشخص است در تناقض کامل قرار دارد. بر اساس نظریه‌ی نسبیت، اگر ما اطلاعات یکی از ذره‌ها را اندازه‌گیری کنیم و قرار باشد ذره‌ی دیگر تغییر کند، این تغییر نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور در خلاء اعمال شود؛ اما کوانتوم می‌گوید اعمال این تغییر به زمان بستگی نداشته و در هر حال بلافاصله روی می‌دهد. این ویژگی مکانیک کوانتوم نیز بارها آزمایش شده و درستی آن به اثبات رسیده. ما توانسته‌ایم ذرات درهم‌تنیده‌ای را که هزاران کیلومتر با هم فاصله دارند به این شکل تغییر دهیم و ویژگی‌هایشان را بسنجیم.

واقعیت در مکانیک کوانتوم در موارد بسیاری با درک فعلی ما از جهان سازگار نیست. یکی دیگر از اصول قطعی در فیزیک مدرن، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که کمی با اسمش تفاوت دارد، اما پایه و اساس بسیاری از اصول ذکر شده در بالا می‌باشد. ما سعی خواهیم کرد در مورد این اصل نیز به زودی ویدیویی تولید کنیم تا به فارسی و به صورت رایگان قابل دسترس فارسی‌زبانان باشد.