دانش آدینه ۱: تولدت مبارک آقای شرودینگر!

دیدارنیوز ـ سروش زمانی مقدم: چند روز پیش سالروز تولد مردی را پشت سر گذاشتیم، که نامش تا همیشه به عنوان یکی از تاریخ سازان علم و البته در کنار دیگر بزرگان، بر چکاد رفیع مکانیک کوانتومی در حوزه فیزیک مدرن می‌درخشد چرا که در دوران طلایی سی سال اول قرن بیستم یا همان دورانی که از آن با عنوان سی سالی که فیزیک را تکان داد یاد می‌شود، وی نقشی اساسی ایفاء کرد. همان سال‌هایی که بخاطر تلاش‌های علمی خلاقانه این بزرگان علم، سنت کلاسیکی و شیوه معمول تفکرات قالبی انسان دگرگون شد، پایه‌های به ظاهر مستحکم برج و باروی فیزیک کلاسیک در هم شکست و جلوه‌های جدیدی از طبیعت بر انسان عیان شد بطوری که شیوه معمول و منطبق بر عقل سلیم تفکر کردن انسان درباره آن مشاهدات نو، او را سرگشته و حیران کرد. از اروین شرودینگر صحبت می‌کنیم که یکی از سردمداران اصلی مکانیک کوانتومیست.

اما به مناسبت زادروز او، در خور مقام شامخ علمی او از یکسو و شایسته خوانندگان از دیگر سو ندیدم تا این یادبود را تنها با ذکر صحبتی کلیشه‌ای درباره سن او و یا محل تولد و درگذشتش زنده دارم، بلکه زیباتر دیدم تا درباره تنها یکی از چالش‌های زیبا و پرشمار مکانیک کوانتومی که دیر زمانیست عقل سلیم انسان را به چالش میکشد بنویسم و خوانندگان را در لذت تفکر درباره آن شریک کنم.

آزمایش چالش برانگیزی که به جرات یکی از اصلی‌ترین خاستگاه‌های این نظریه است و علیرغم قدمتش که شاید آن را به مسئله‌ای تاریخی-علمی بدل کرده، اما به تعبیری قلب مکانیک کوانتومی در آن نهانست. تنها در ابتدا این نکته را خاطر نشان میکنم که بحثی که در ادامه در ارتباط با ذراتی با نام فوتون می‌آید، منحصر به فوتون‌ها نیست و ماجرای جالبی که قرارست به شرح آن بپردازیم، در مورد الکترونها، اتم‌ها و حتی مولکول‌ها نیز صادق است!

تکه مقوایی را برداشته و شکاف بسیار نازکی را با عرضی حدود یک هزارم میلی متر در آن ایجاد کرده و سپس در یک اتاق تاریک، نور لامپی را که بهترست تکرنگ باشد، از طریق شکاف مذکور بر روی پرده ای که پشت سر شکاف قرار دارد بتابانید. نور پس از گذر از شکاف نازک ایجاد شده بر ورقه مقوایی، بر اثر پدیده ای که اصطلاحا آن را پراش می نامیم، پراکنده میشود. خوب شاید بارها شنیده باشیم که نور از ذرات یا همان بسته های کوچکی از انرژی با نام فوتون تشکیل شده که مثلا تنها همین لامپ خانگی اتاقی که در حال حاضر این نوشته را زیر آن می‌خوانید، در هر ثانیه حدود صد میلیون میلیون میلیون از آنها را در اتاقتان و با سرعت بالایی گسیل می‌کند. در واقع اولین بار در دبیرستان وقتی همین آزمایش را با شکافی که با عرضی بسیار بزرگتر از شکاف فعلی در مقوا ایجاد شده بود انجام دادیم، و دیدیم که بدون هیچ پراکندگی، نور بصورت خطی مستقیم منتشر شد و در اتاقی تاریک، تنها منطقه ای به اندازه خود شکاف را بر پرده پشتش روشن کرد، بر ماهیت ذره ای بودن نور مجاب شدیم و در حال حاضر گویا نور ماهیت جدید دیگری، یعنی ماهیت موجی خود را نیز بر ما عیان کرده است و به موجود جدیدی به نام موج-ذره تبدیل شده که آن را ویویکل(مخففwave and particle) لقب می‌دهیم. ماجراجویی مان را ادامه میدهیم و اینبار روی مقوا، شکاف دیگری را به همان اندازه شکاف قبلی و به موازات آن و بر روی شکاف اول ، ایجاد کرده و این دفعه منبع نور را بر روی دو شکاف می تابانیم. پدیده عجیبی رخ می‌نماید. در واقع بجای آنکه همان بسته های نور با استفاده از فرصت عبور از دو شکاف معادل هم، برای رسیدن به پرده استفاده کرده و پرده را شفاف تر کنند، در عوض بخش هایی از پرده، به تناوب تاریک تر می‌شود در حالی که بخش هایی دیگر چند برابر روشن تر می‌شوند.در واقع نور عبور کرده از یکی از شکاف ها، با نور گذرنده از شکاف دیگر تداخل می‌کند و الگویی را بصورت نوارهای تاریک و روشن متناوبی، همانند تداخل امواج بر پرده نمایان می‌کند.

عجله نکنید زیرا شگفتی ماجرا در این جا خاتمه نمی یابد.

بیابید برای برون رفت از این سردرگمی، با زیرکی استادانه ای بیان کنیم که به جای آنکه نور را موج در نظر بگیریم، آن را سیلی از ذراتی عجیب در نظر بگیریم، که با خواص استثنایی خود، منجر به الگوی تداخلی نقش بسته بر پرده میشوند؟

در واقع فرض کنیم که فوتونهایی که بالاخره از دو شکاف عبور میکنند باید دارای این خصوصیت باشند که پس از برخورد با هم، با نوع خاصی از برهمکنش بین ذرات، نوارهای تاریک و روشن تداخلی در حالت قبل را میسازند. متاسفانه این فرض کمک زیادی به ما نخواهد کرد.

رای فهمیدن علت این موضوع، نور را ضعیف میکنیم و مرحله به مرحله تعداد فوتونهایی را که در هرثانیه به شکافهای روی مقوا میرسند را کمتر و کمتر میکنیم بطوریکه درنهایت بدانجا برسیم که از لحظه گسیل شدن فوتونها از منبع نور تا گذر از مقوای دارای شکاف و دست آخر ثبت تاثیرشان روی پرده،تنها یک فوتون در کل مسیر وجود داشته باشد و با این کار امکان برهمکنش مفروض بین فوتونهای ذره ای را حذف می‌کنیم.

در این صورت توقعمان بر مبنای عقل سلیم آنست که الگوی تداخلی بدست آمده در مرحله قبل از بین برود. اما نتیجه چیز دیگریست که با عقل سلیم تفاوت دارد.

در اینجا می‌توان فهمید که چرا اینشتین، عقل سلیم را مجموعه همه آن پیشداوریهایی می‌دانست که تا قبل از سن شانزده سالگی در ذهن انسان جای می‌گیرد. بله بالاخص مکانیک کوانتومی آن حوزه ای از علم فیزیک است که در آن این عقیده هر لحظه تایید می‌شود چرا که در کمال تعجب می‌بینیم که اگر به اندازه کافی صبر کنیم و تعداد فوتونهای تک تک پرتاب شده را به همان تعداد قبل برسانیم، الگوی تداخلی حاصل، به زیبایی هرچه تمامتر ، همچون الگوی تداخلی قبلی بر پرده ظاهر می‌شود! فوتونهای منفرد شرایط را تشخیص داده و حتی تک تک به گونه ای رفتار میکنند که گویی موج هستند.

در ابتدا لکه های حاصل از برخورد فوتونها با پرده حساس به نور، مکانهای تصادفی و بی ربطی را بر روی آن اختیار می‌کنند که ماهیت ذره ای فوتونها را تایید میکند، اما هرچه پیش تر می رویم و تعداد فوتونها بیش تر می‌شوند، نقوش متناوب تاریک و روشن نوارها، بصورت متناوب بر پرده شکل می‌گیرند و بنابراین مجبوریم این فرض بی ثمرمان را که الگوی تداخلی از برهمکنش بین فوتونها بوجود می آید را کنار بگذاریم.

شاید بنظرتان آید که حال که برهمکنشی بین فوتونها رخ نمی‌دهد، شاید هر فوتون در گذر از شکافها، به شکلی که فعلا نمی‌دانیم، به دو نصف تقسیم میشود. برای فهمیدن این موضوع، با زرنگی هرچه تمامتر، نوعی از همان پرده های حساس را در پشت هر شکاف قرار میدهیم که به زعم خودمان به فوتون ها رو دست بزنیم و بفهمیم که آیا احیانا آنها در گذر از شکافها به دو نصف تقسیم شده اند یا خیر، و یا اینکه از کدامین شکاف عبور کرده اند! نتایج نشان می دهند که هیچ تقسیم شدنی در کار نیست!

گام بعدی آنست که مانعی همچون دریچه ای متحرک را پشت مقوای دارای شکاف در نظر بگیریم بطوریکه با نوسان بالا و پایین خود طوری عمل کند که هر دو شکاف همزمان باز نباشند. جالبست..فوتونها با ما بازی می‌کنند زیرا در اینصورت نقش تداخلی و نوارهای تاریک و روشن روی پرده از بین میرود. در واقع این فوتونها هستند که به ما رو دست زده، بطوریکه با ترتیب دادن هرگونه آزمایشی که نتیجه اش روشن کننده آن باشد که فوتون از کدامین شکاف عبور کرده، نقش تداخلی شان را از روی پرده محو میکنند و بسان ذره عمل می‌کنند و در عوض با برداشتن پلیس های فوتون یاب از پشت شکافها، نقش تداخلی بیانگر موج بودنشان بر پرده شکل می‌گیرد!

این وابستگی خواص سیستم کوانتومی به ماهیت عمل مشاهده و ناظر مشاهده کننده، که ما باشیم، بیانگر مفاهیم فلسفی عجیب و نوظهوریست که پایه های تفکرات کلاسیکی که کارکرد جهان را، همچون ساعتی زنگی، مستقل از بود و نبود ما میدانست به لرزه در می آورد و نتایج حیرت آور جدیدی را سبب ساز می‌شود که باعث میشود اقرار کنیم که نوع منطق کلاسیکی شکل گرفته در ما، از درک و فهم قوانین مکانیک کوانتومی عاجز است.

در انتهای این بحث باز و بی پایان تاریخ علم، لذت شما را با نکته ای دیگر کامل می‌کنم. دیدیم که بود و نبود شکاف دوم، الگوی تداخلی و شکل قرار گرفتن فوتونها را بر روی پرده تغییر داد. در واقع گویی تک فوتونها درباره شکاف دیگر روی مقوا و بنابراین در واقع درباره هر آنچه که در هرجای دیگر این کیهان رخ میدهد، مطلع هستند! زیرا علی الاصول تنها با تغییر فاصله پرده تا مقوای دارای شکاف، میتوان فاصله بین شکافها را هر اندازه گرفت و باز هم اثرات تداخل را روی پرده به تصویر کشید! مثلا فرض کنید که اگر فاصله بین شکافهای روی مقوا از یکدیگر برابر با یک متر باشد، میتوان پرده را حدودا بر روی کره ماه قرار داد و نقش تداخلی را بر روی آن بدست آورد!

شاید بد نباشد در یک روز تعطیل و فارغ از مشغله های کاری به این بیاندیشیم که براستی یک ذره چگونه میتواند چیزی بداند؟

اگر جواب این سوال را پیدا نکردید، زیاد نگران نشوید، چرا که در واقع هنوز هیچ کسی جواب متقنی برای این سوال ندارد!

در آینده بازهم در مورد این فهم کوانتومی ذرات بیشتر صحبت خواهیم کرد و این را هم بدانید که این تنها توانایی خارق العاده، عجیب و باورنکردنی این موجودات کوانتومی نیست و قرارست بیش از اینها شگفت زده شویم!
پس فعلا بر این مقدار بسنده کنیم و تنها بگوییم، شرودینگر عزیز، زادروزت مبارک!