ملاقات با کوانتوم در زندگی!

به گزارش مجله خبری نگار، صبح زود است و می‌خواهید برای صبحانه و گرم‌کردن نان از تُستر استفاده‌کنید. فیزیک کوانتوم از همین نقطه ساده شروع می‌شود. چطور؟ اگر به داخل تستر داغ نگاه‌کنید، رنگ قرمز را می‌بینید و فیزیک کوانتوم توضیح‌می‌دهد چرا اجسام داغ با رنگ قرمز یا شبیه آن می‌درخشند.

فیزیک‌دانان درباره این موضوع، نظرات متفاوتی داشتند تا این که «ماکس پلانک» پای فیزیک کوانتوم را وسط کشید و با ارائه آن و فوتون‌ها به سوال رنگ اجسام داغ پاسخ‌داد. کار فیزیک کوانتوم مطالعه فیزیک در ابعاد بسیار کوچک است و همچنین این علم در مورد سیستم‌های بزرگ‌مقیاس مانند کهکشان و ستاره‌ها توضیح‌می‌دهد. در علم فیزیک به کوچک‌ترین واحد گسسته ممکنِ هر مشخصه فیزیکی مانند ماده یا انرژی، کوانتوم گفته‌می‌شود. «ماکس پلانک» فیزیک‌دان آلمانی برای اولین بار این واژه را استفاده‌کرد و باعث شد تا فیزیک‌دانان واحدی به نام «ثابت پلانک» را به معادله‌های فیزیک اضافه‌کنند. حالا همه می‌دانند اگر در معادله سروکله این ثابت پیداشود، معادله مربوط به فیزیک کوانتوم است. فهم پدیده‌ها در فیزیک کلاسیک آسان‌تر از فیزیک کوانتوم است و شاید به همین دلیل «نیلز بور» که خودش یکی از پایه‌گذاران فیزیک کوانتوم است، می‌گوید: «اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده‌است».

پخش فیلم «اوپنهایمر» اثر کارگردان برجسته‌ای، چون کریستوفر نولان در پلتفرم‌های پخش آنلاین فیلم کشورمان آن‌هم با دوبله فارسی بهانه‌ای شد به سراغ فیزیک کوانتوم و مثال‌هایی از آن برویم. اوپنهایمر که در فیزیک کوانتوم و علم شناخت ذره و موج‌ها شاخص بود، به سراغ ویرانگرترین نسخه ممکن یعنی ساخت بمب اتم رفت و به همین دلیل به او لقب «پدر بمب اتم» را هم داده‌اند. امروز می‌خواهیم به کمکِ توضیحات «مجتبی قالیشویان» که تحصیل‌کرده فیزیک و یک مروج علم است از دنیای فیزیک کوانتوم و چند مصداق آن سر در بیاوریم. کوانتوم دنیای پر رمزورازی ا‌ست که هنوز که هنوز است دانشمندان علت برخی پدیده‌ها را در آن نمی‌دانند و نمی‌توانند دلیل خاصی برای رفتارشان پیداکنند. پس اگر بعد از خواندن این پرونده گیج شدید، مطمئن باشید بیشتر آدم‌ها در برخورد با فیزیک کوانتوم این حس‌و‌حال را تجربه‌می‌کنند و مشکل از شما نیست.

دو شکاف یانگ یا اثر مشاهده‌گر

حرف حسابش چیست؟ اگر به ذره‌ها نگاه‌کنیم می‌فهمند!

یکی از عجیب‌ترین آزمایش‌ها که بیش از ۲۰۰ سال از انجام اولین آزمایش آن می‌گذرد، ولی هنوز که هنوز است، بر سر آن بحث می‌شود و خیلی از جوامع علمی درباره‎اش ابهام دارند، آزمایش «دو شکاف» است. این آزمایش اولین بار ۲۲۲ سال پیش توسط آقای توماس یانگ انجام‌شد. در این آزمایش یک باریکه نور یا الکترون به سطحی که روی آن دو شکاف ریز و نزدیک به هم وجوددارد، تابانده‌می‌شود و نور پس از گذشتن از صفحه روی پرده‌ای که در پشت است می‌افتد. اگر به این صفحه موج بتابد در پرده نمایش، طرح تداخلی شکل‌می‌دهد و اگر ذره بتابد تداخل نشان داده‌نمی‌شود؛ در این ماجرا، آزمایشی را طراحی‌کردند که در آن الکترون یا فوتون‌ها را یکی یکی به سمت صفحه پرتاب‌می‌کردند و در کمال تعجب دیدند باز هم طرح تداخلی شکل‌می‌گیرد و این با ماهیت ذره‌ای فوتون قابل توجیه نبود. دانشمندان برای روشن‌شدن این موضوع تصمیم‌گرفتند یک آشکارساز سر راه این ذره‌ها قراردهند تا بفهمند جریان چیست. در نهایت تعجب، الکترون‌ها وقتی آشکارساز روی صفحه بود از یک شکاف عبور می‌کردند و طرح تداخلی هم از بین‌می‌رفت. یک جور‌هایی انگار الکترون‌ها می‌فهمیدند که دارند نگاه‌شان می‌کنند. تفاسیر مختلفی درباره این آزمایش شده‌است و خیلی‌ها به آن، اثر «مشاهده‌گر» می‌گویند. بعد از گذشت این همه سال همچنان افزونه‌های جدیدی به این آزمایش اضافه‌می‌شود که عجیب‌بودن آن را به اوج می‌رساند. در همین سال ۲۰۲۳ هنوز مقاله‌های مختلفی درباره این آزمایش منتشر می‌شود و مردم می‌گویند چرا رفتار ذره‌ها در این آزمایش عجیب است. آیا واقعا آن‌ها می‌فهمند که ما آن‌ها را نگاه‌می‌کنیم یا نه؟! آزمایش «دو شکاف یانگ» به‌عنوان یکی از ۱۰۰ آزمایش برتر علم فیزیک هم انتخاب شده‌است.

گربه شرودینگر

حرف حسابش چیست؟ می‌توانید در همه حالت‌ها هم باشید و هم نباشید!

یکی از مثال‌های معروف کوانتوم مکانیک «گربه شرودینگر» است و اولین بار «اروین شرودینگر» فیزیک‌دان اتریشی مسئله‌اش را مطرح‌کرد. این آزمایش توضیح مفصلی دارد؛ اما به زبان ساده در کوانتوم مکانیک تا زمانی که چیزی را اندازه‌گیری نکردید آن موجود در تمام حالت‌هایی که ممکن است باشد، هست و صرفا زمانی که مشاهده‌اش می‌کنید در یکی از حالت‌های ممکن قرارمی‌گیرد. مشاهده‌کردن لزوما نگاه‌کردن یا فیلم‌برداری نیست و حتی وقتی با هر سنسور دارید یک چیز را آشکارسازی‌می‌کنید و از آن اطلاعات می‌گیرید، دارید مشاهده‌اش می‌کنید. یک مثال ماکروسکوپی می‌زنم. وقتی یک تاس را بالا می‌اندازید، در همه حالت‌های ممکن یعنی یک تا ۶ وجود دارد. وقتی نگاهش می‌کنید مثلا عدد ۵ را نشان‌می‌دهد. شاید خنده‌دار باشد، اما در دنیای میکروسکوپی موجودات این طور رفتار می‌کنند و تا قبل از این که مشاهده‌شوند در همه حالت‌های ممکن‌شان هستند. مثالی که شرودینگر برای این موضوع می‌آورد، به گربه شرودینگر معروف است. فرض‌کنید در جعبه‌ای دربسته یک گربه، یک منبع پرتوزا، یک حسگر و یک ماده کشنده دارید. تا زمانی که درِ جعبه را بازنکردید، از درون آن بی‌خبرید و گربه هم زنده است و هم مرده. اگر منبع پرتوزا و ماده کشنده فعال باشد گربه می‌میرد و اگر این اتفاق نیفتد گربه زنده‌می‌ماند. در نتیجه این پارادوکس، گربه در دو حالت مرده و زنده است و به محض این‌که در جعبه را بازکنید نتیجه را می‌فهمید. این مثال شاید عجیب‌و‌غریب و غیرشهودی باشد و شرودینگر برای همین این مثال را زد تا بگوید این مسئله چقدر عجیب و حتی مسخره است، اما وجود دارد. این آزمایش یکی از ویژگی‌های حالت کوانتومی را که ترکیبی از وضعیت دو سیستم که وضعیت قطعی ندارند، در مکانیک کوانتوم برجسته‌کرد.

اصل کوانتومی زنو

حرف حسابش چیست؟ اتم‌ها بدون نگاه شما حرکت نمی‌کنند!

مسئله اصل زنو به پارادوکسی برمی‌گردد که زنون فیلسوف و ریاضی‌دان یونانی ۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح آن را مطرح‌کرد. فرض‌کنید تیرِ یک تیرکمان دارد حرکت‌می‌کند. اگر در یک زمان خیلی خیلی کوتاه، سرعت آن را بررسی کنیم عملا در آن زمان کوتاه، تیر ثابت است، چون مدت زمانی که داریم آن را نگاه می‌کنیم خیلی کوتاه است و تیر، سرجای خود. طبق مثال گربه شرودینگر تا زمانی که مقدار چیزی اندازه‌گیری نشده‌است می‌تواند در همه حالت‌های ممکن باشد. در اصل زنو، برای مثال وقتی یک الکترون را از نزدیک در یک لحظه خیلی سریع مشاهده می‌کنیم، آن یکی از همه حالت‌هایی را که می‌توانسته باشد، انتخاب‌کرده. بعد از این لحظه و گرفتن اطلاعات آن می‌تواند برگردد و برود در تمام حالت‌های ممکن. منتها اگر اطلاعات بعدی را از نظر زمانی خیلی نزدیک به حالت قبلی انتخاب‌کنیم آن الکترون در همان حالت قبلی گیرمی‌کند. در واقع اگر هزاران بار در یک مقطع زمانی کوتاه به آن سرک‌بکشید، شاید بتوانید رفتارش را تغییردهید. در واقع هرچقدر تندتر گرفتن اطلاعات را ادامه‌دهید، آن ذره زمان کمتری برای رفتن به حالت‌های جدید دارد. در آزمایشگاه‌ها با توجه به همین اصل توانستند یک ذره کوانتومی را انگار فریزکنند و با مشاهده و نگاه‌کردن پی‌درپی به آن اجازه تغییر ندادند! پس اگر مدام به قابلمه نگاه‌کنید آب داخل آن جوش نمی‌آید، درست است!

درهم تنیدگی

حرف حسابش چیست؟ رفتارم تغییرنمی‌کند حتی اگر به کهکشان دیگر بروم!

موضوع درهم‌تنیدگی قدیمی است، ولی به‌تازگی سروصدای زیادی کرده است. همین‌طور جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۲ میلادی به «جان کلاوسر»، «آلن اسپکت» و «آنتون زیلینگر» سه فیزیک‎دانی رسید که یکی از فریبنده‌ترین ویژگی‌های کوانتوم یعنی درهم‌تنیدگی را مطالعه و اثبات‌کردند. در اصل درهم‌تنیدگی همان‌طور که از اسمش پیداست با موجودات در‌هم‌تنیده مواجه هستیم. برای مثال اسپین‌های دو الکترون در یک اوربیتال باید عکس یکدیگر باشد. یعنی اگر اسپین اول، بالا باشد اسپین بعدی پایین است. اگر شما بتوانید یکی از این اسپین‌ها را که نمی‌دانید جهتش بالا بوده یا پایین، جدا و مشاهده‌کنید، الکترون دیگر در هر فاصله‌ای از آن قرار داشته‌باشد حتی چند کهکشان آن‌طرف‌تر، در همان لحظه، فوری حالت دیگر را انتخاب‌می‌کند. سه دانشمند بیش از ۵۰ سال برای اثبات این موضوع وقت گذاشتند و در شرایطی اصل درهم‌تنیدگی کوانتومی را ثابت‌کردند که خیلی‌ها نسبت به آزمایش‏های آن شانه بالا می‌انداختند. به زبان ساده اصل درهم تنیدگی می‌گوید یک یا چند ذره خاص حتی بعد از این که از هم دور‌شوند، رفتارشان همبسته باقی‌می‌ماند.

چند جهانی یا جهان موازی

حرف حسابش چیست؟ من عکس چیزی هستم که در جهان موازی‌ام دارم زندگی‌می‌کنم

مباحث جهان‌های موازی بیشتر از این که در فضای علمی مطرح‌شود، در فضای شبه علمی از آن صحبت می‌شود. افسانه‌سرایی‌ها درباره جهان‌های موازی زیاد است، ولی در فضای علم هم گاهی جهان موازی مورد بحث قرار می‌گیرد که یکی از آن‌ها در کوانتوم مکانیک است. این مسئله به گربه شرودینگر هم بی‌ارتباط نیست. باز هم بحث آن احتمال‌هایی ا‌ست که وجود دارد. یکی از آن‌ها انتخاب و مشاهده‌می‌شود و طبق این نظریه احتمال‌های دیگری که انتخاب‌نمی‌شوند به یک‎سری جهان موازی دیگر می‌رود. برای مثال اگر شیر یا خط بیندازید و در دنیای شما علامت شیر می‌آید، دنیا به دو قسمت تقسیم‌می‌شود و در آن دنیای دیگر سکه‌ای که انداختید، خط را نشان‌می‌دهد. همین‌طور اگر یک تاس را که شش حالت دارد، بیندازید دنیا شش بخش می‌شود و اگر برای شما عدد ۴ انتخاب‌شود پنج عدد دیگر تاس در پنج دنیای دیگر مشاهده می‌شوند. این همان مسئله جهان‌های موازی است که طبق آن و تابع احتمالات ذره انتخاب‌می‌کند آن‌جا نباشد و خب این یکی از فرضیاتی است که طبق آن می‌گویند بقیه احتمالات به جهان موازی رفته‌اند و بی‌شمار جهان موازی وجوددارد، اما هیچ کدام از این موارد طی آزمایشی بررسی یا تایید نشده‌است. در کل، ممکن است ما وقتی کلمه کوانتوم یا مکانیک کوانتومی را می‌شنویم، فکرکنیم این موضوع، فقط محدود به آزمایشگاه‌های پیشرفته و خاص است یا دنیای خیلی کوچک و میکروسکوپی است که ما هیچ وقت به راحتی با آن سروکار نداریم مگر جا‌های خیلی خاص. ولی این طور نیست. بدون مکانیک کوانتومی همین تلفن‌های همراه که مدام دست ما هستند کارنمی‌کردند و رایانه و نیمه‌رسانا‌های ترانزیستور که عملکردشان تنها با مکانیک کوانتومی توجیه می‌شود از کار می‌افتادند.

از اوپنهایمر نولان تا اوپنهایمر هیروشیما و ناگازاکی

اوپنهایمر یکی از برجسته‌ترین فیزیک‌دانان نظری تاریخ است، کسی‌که نامش در پیشبرد این علم همردیف بزرگان قرار گرفته، اما تمام دستاورد‌های علمی‌اش زیرسایه مشارکت او در یکی از بزرگ‎ترین جنایت‌های تاریخ از او چهره‌ای متناقض، پرحاشیه و خاص ساخته است. اوپنهایمر که روزگاری در جوانی در کنار بزرگ‎ترین مغز‌های قرن بیستم مثل اینشتین درصدد پیشبرد علم بود بعد از تحصیل از آلمان به آمریکا رفت تا شاخص‌ترین چهره پشت پروژه منتهن باشد. پروژه‌ای با هدف ساخت بمب اتمی. او ناظر آزمایشی بود که موفقیتش باعث شد چند هفته بعد آمریکا هیروشیما و ناگازاکی ژاپن را بمباران کند که نتیجه‌اش فقط در هیروشیما مرگ ۱۴۰ هزار نفر و مشکلات جسمی و ژنتیکی میلیون‌ها نفر طی چند نسل بود. اوپنهایمر بعد از این اتفاق، به توسعه تسلیحات نظامی دولتش انتقاد داشت و رفتار‌های متناقضی بروز داد که باعث شد به‌لحاظ امنیتی محدودیت‌هایی برای او وضع شود. اما سال‌ها بعد دولت آمریکا به وفاداری او صحه گذاشت. اگر بخواهیم او را فراتر از نقش محوری در این جنایت بزرگ بشناسیم بد نیست به این اشاره کنیم که او نقش موثری در بسیاری از نظریه‌های مدرن دنیای فیزیک درباره مکانیک کوانتوم، ستاره‌های نوترونی، سیاهچاله‌ها و برهم‌کنش پرتو‌های کوانتومی داشت. حالا نام او چند سالی است که با خبر ساخت فیلمی توسط نولان، بعد هم اکران فیلم و در ادامه پخش فیلم در پلتفرم‌های آنلاین دوباره سرزبان‌ها افتاده است.

نولان را می‌توان یکی از بزرگ‎ترین فیلم‎سازان تاریخ و شاید برجسته‌ترین فیلم‌ساز جهان که در قرن جدید ظهور کرده دانست. کسی‌که آثارش ضمن سرگرم‌کننده بودن، ذهن مخاطب را به‌شدت درگیر می‌کند. فیلم‌های نولان سرشار از مفاهیم عمیق هستند. نوع نگاه او به زندگی و تقدیر آثار او را فراتر از فیلم‌های بلاک باستری پرفروش می‌برند. نولان که با «ممنتو»، «بی‌خوابی»، «سه‌گانه بتمن»، «پرستیژ»، «سرآغاز»، «بین ستاره‌ای» و «تِنت» نشان داد چه فیلم‎ساز مولف و توانمندی است، در کارنامه‌اش دو اثر متفاوت دارد که لااقل در ایده‌پردازی شباهتی به آثار بلندپروازانه و یونیک او ندارند. یکی «دانکرک» و دیگری «اوپنهایمر» که هر دو به‌لحاظ ساختار سینمایی برجسته هستند، اما در مختصاتی که هوادارانش از او انتظار دارند، نیست. به‌نظر می‌رسید نولان در برخی دقایق اوپنهایمر با بیان این ایده که هدف پروژه منتهن اقدام پیش‌دستانه در رقابتی هسته‌ای بوده و با تاکید بر این‌که اگر آن‌ها اولین بمب را نمی‌ساختند دشمن‌شان می‌ساخت، می‌خواهد تا حدی اوپنهایمر را تطهیر کند که با تاکید روی جایگاه علمی این چهره برجسته دنیای فیزیک، اما به هیچ شکلی نادیده گرفتن ردپای او در این جنایت ممکن نیست.

منبع: خراسان