مقدمه ای برای مکانیک کوانتومی

-ـ-ـ نظریه کوانتوم -ـ-ـ-ـ

 

« هر كسي از نظريه كوانتوم شوكه نشود آن را نفهميده است »

نيلس بور

 

 

 

هر وقت علم در جایی به بن بست برخورد کرده و نتوانسته پدیده ها را با علمی که دارد توجیه کند علم کاملتر و دقیقتر شده، مکانیک کوانتمی هم دقیقا در زمانی که مکانیک کلاسیک نتوانست بعضی از پدیده های طبیعی را توجیه کند شکل گرفت و در واقع مکانیک را کامل­تر و جامع­تر کرد.

مکانیک کلاسیک در مورد چرایی و چگونگی حرکت اجسامی به جرم و حجمی که برای بشر قابل درک و رویت است، می­پردازد. وقتی بشر به حدی از تکامل علمی رسید که به بررسی حرکت ذرات ریزی مثل الکترون و پروتون و فوتون و . . . پرداخت به تناقضی فاحش بین تجربه و نظریه مکانیک کلاسیک برخورد و بر آن شد تا با اصلاح کردن و خلق فرضیات مناسب در جنبه نظری به نتایج تجربی­ای دست پیدا کند تا بتواند به پیشگویی پدیده­ها بپردازد. بر این اساس مکانیک کوانتوم قدیم بیان شد که با پذیرفتن سینماتیک و اصلاح دینامیک مکانیک کلاسیک توانست برخی از پدیده ها مثل گسسته بودن طیف­های تابشی اتمها و اثر فوتوالکتریک و اثر کامپتون و توجیه جسم سیاه بپردازد ولی این نظریه ایرادهایی داشت ، از جمله آنها : منسجم نبود و در مدارهای باز حرفی برای گفتن نداشت و آهنگ گذار را پیشگویی نمی کرد و . . . به همین دلیل عمر زیادی نداشت و جای خود را به مکانیک کوانتوم جدید داد.

حوزه­هاي معدودي از پژوهش علمي وجود داشته اند كه مانند نظريه كوانتوم تاثير عميقي بر فلسفه داشته باشند. دليل امر به اين حقيقت مربوط مي شود كه به قول نويسنده كتاب هاي علمي جان گريپين: «در دنياي مكانيك كوانتوم، قوانين فيزيك كه براي هر كسي آشنا هستند ديگر عمل نمي­كنند، در عوض احتمالات هستند كه بر رويدادها حكم مي­رانند.»آلبرت اينشتين، برخلاف بور، نه تنها از برخي از استلزامات نظريه كوانتوم تكان خورده بود، بلكه از آنها هراسان بود. چنانچه مشهور است او با عدم قطعيت كوانتومي با همين اظهارنظر صريح مخالفت مي كرد كه:

«خدا تاس نمي اندازد.»

همان­طور که می­دانیم در توجیه پدیده فوتوالکتریک انیشتن با در نظر گرفتن نور بصورت بسته های انرژی یا ذراتی بنام فوتون توانست جایزه نوبل را دریافت کند. در واقع نور خاصیت دوگانه ای دارد ، در برخی از آزمایشات مثل دوشکاف یانگ فقط با در نظر گرفتن حالت موجی نور مطابقت دارد و با ذره ای بودن نور در تناقض است و در برخی دیگر از پدیده ها مثل فوتوالکتریک نور باید ذره ای در نظر گرفته شود تا این پدیده توجیه شود و با موجی بودن نور در تناقض است.

 

نور واقعا موج الکترومغناطیس است یا ذره؟؟؟

 

مکانیک کوانتوم جواب این سوال را به خوبی میدهد. در واقع بین این دو خاصیت یک ارتباطی برقرار میکند و بیان میکند که نور به هیچ وجه نه موج کلاسیک است ونه ذره کلاسیک.

 

تعریف ذره کلاسیک: ذره ای که ما با دانستن مکان و سرعت اولیه و با آگاهی داشتن از نیروهایی که بر آن وارد میشود می­توانیم مکان و سرعتش را در لحظات بعدی بدانیم (قانون دوم نیوتن)

 

موج کلاسیک: موج در واقع انرژی را منتقل می­کند و در فضا پخش می­شود ، مثل امواج صوتی که انرژی آنها با مجذور دامنه رابطه دارد روی محیط یک کره که در حال بزرگ شدن است تقسیم می­شود تا جایی که در اثر زیاد شدن محیط کره و ثابت ماندن انرژی صوتی صدا ضعیف­تر شده تا دیگر قابل درک نیست.

 

فوتون، ذره کلاسیکی نیست چون ما اصلا نمی­توانیم مسیر آنرا مشخص کنیم و موج کلاسیکی نیست چون توسط آزمایشاتی مشخص شده که انرژی نور پخش نمی­شود.

ارتباطی که مکانیک کوانتوم بین ذرات غیر کلاسیکی و امواج غیر کلاسیکی برقرار کرده که البته با واقعیت همخوانی دارد، به این گونه­است که مجذور دامنه امواج غیر کلاسیکی در واقع احتمال حضور ذرات غیر کلاسیکی را بیان میکند؛ یعنی در جایی که شدت بیشتر است (شدت با مجذور دامنه رابطه مستقیم دارد) اگر تعداد زیادی ذرات غیر کلاسیکی داشته باشیم (در همه آزمایشات ما با تعداد زیادی از این ذرات سرو کار داریم) تعداد بیشتری از این ذرات به آن نقطه برخورد میکنند و در جایی که شدت صفر است احتمال حضور ذرات در آنجا صفر است یعنی هیچ ذره ای به آن نقطه برخورد نمی­کند.

مکانیک کوانتوم فقط با احتمالات سرو کار دارد و بیشترین اطلاعاتی که در کوانتوم، ما میتوانیم بدست آوریم، احتمال حالتهای مختلف است.

ذرات غیر کلاسیکی موجودات عجیبی نیستند؛ بلکه فقط ذراتی هستند که جرم بسیار بسیار کمی دارند مرتبه جرم آنها ^۳۰-۱۰ کیلوگرم است. در تمام فرمولهای مکانیک کوانتوم اگر جرم را درحد اجسام قابل لمس برای انسان، مثل توپ یا جعبه یا . . . بگذاریم همان نتایج مکانیک کلاسیک بدست می آید.

 

آقای دوبروی بر اساس تقارنی که در طبیعت وجود دارد حدس زد که چون امواج مثل نور خاصیت ذره ای دارند حتما ذره ها هم خاصیت موجی دارند و ارتباط بین این دو خاصیت را به این صورت بیان کرد که اندازه حرکت ذره با عکس طول موج، و انرژی ذره با بسامد موج رابطه دارد. وجود این امواج توسط دیویسون و گرمر به­صورت تجربی اثبات شد و از طرفی وقتی یک باریکه­ای از الکترون­ها را به بلور نیکل
 می­تابانیم پدیده پراش رخ می­دهد که پراش خاصیت امواج است؛ پس ذرات هم خاصیت موجی دارند و به امواجی که به ذرات نسبت داده میشود امواج مادی می­گویند که مجذور دامنه آنها همان احتمال حضور را به ما می­دهد.

بحث مکانیک کوانتوم بسیار فراتر و شیرین تر است و من فقط با این مقدمه خواستم علاقه مندان را ترغیب به مطالعه در این زمینه کنم مباحث بسیار جالبی در مکانیک کوانتوم است مثلا ما هیچ وقت نمی­توانیم سرعت و مکان ذره را همزمان اندازه گیری کنیم یا می­توانیم بفهمیم که چرا هر چه دما پایین می آید انرژی جنبشی صفر نمی­شود یا با پدیده تونل زنی و خیلی مباحث متنوع دیگری می­توانیم آشنا شویم.

منبع