دانش آدینه ۲:اشباح کوانتومی، خیال یا واقعیت؟

دیدارنیوز ـ سروش زمانی مقدم: بانکی را در نظر بگیرید، که در آن به جای نگهداری از پول، از انرژی پاسبانی می‌کنند، به طوری که برای پاسداشت یک قانون لازم الاجرا، یعنی ثابت ماندن میزان انرژی موجود در یک صندوق، و بسته ماندن همیشگی در آن، نگهبانانی را مسئول حراست از آن کرده اند.

از طرفی برطبق گزارشات، گویا موجوداتی شبح وار، بدون بازکردن در صندوق، داخل آن شده، از آن گذر کرده، و اصل محترم پایسته بودن مقدار انرژی داخل صندوق، و ورود نکردن به آن را زیر پا می‌گذارند. اما جالب آن است که هربار که نگهبانان میزان انرژی صندوق را بررسی می‌کنند، تغییری در موجودی آن رصد نکرده و بنابراین علیرغم اطلاع از ورود این موجودات به صندوق و محرز بودن اختلالی که در موجودی آن رخ می‌دهد، به دلیل آنکه مدرکی مستند برای اثبات آن ندارند، نیازی برای به صدا در آوردن زنگ خطر احساس نمی‌کنند.

در واقع برای اثبات این ماجرا، هر زمان که پس از گذشتن این موجودات از صندوق، در آن را می‌گشایند، مدرکی دال بر مشاهده این نقصان انرژی نمی‌یابند. قطعا اگر شما هم ماموری باشید که هربار با گشودن صندوق، علیرغم اطلاع از وجود سارق، موجودی آن را تمام و کمال در آن ببینید، دیگر ترسی به دل راه نخواهید داد.

در واقع این ماجرای به نظر خیالی و اعجاب برانگیز، در عالم کوانتومی، حقیقتیست پرتکرار با نام"تونل زنی کوانتومی"که اثرات آن در زندگی روزمره بسیار بیشتر از آنست که تصور می‌کنیم.

بحثمان را ملموس‌تر پی می‌گیریم. در جاده‌ای در حال حرکت هستید و ناگهان روبروی خود، ورودی تونل را بسته می‌بینید. در آن صورت در حین این فکر که باید مسیر دشوارتر جایگزین روی تونل را، که از روی تپه عبور می‌کند، برگزینید، بطرز خنده داری، خودرو‌هایی را با برچسب کوانتومی می‌بینید که بدون هیچ مشکلی، گویی در یکطرف تونل ناپدید شده و در طرف دیگر ظاهر می‌شوند و با عبور از دیوار روبرویشان، اصطلاحا در کوه مذکور تونل زنی می‌کنند! و این البته کاریست که از توانایی ماشین‌های کلاسیک ما ساخته نیست.

باورش سخت است، اما بر طبق محاسبات مبتنی بر معادله شرودینگر، ذرات کوانتومی وقتی در چنین شرایطی قرار می‌گیرند، بدون داشتن انرژی کافی، احتمال حضور در پشت کوه را خواهند داشت و هرچه طول و ارتفاع کوهی که تونل بسته در آن وجود دارد کمتر باشد، احتمال دیده شدن آن‌ها در پشت تونل بیشتر است. این در واقع اتفاقی کاملا کوانتومیست که هیچ توجیه کلاسیکی منطبق بر عقل سلیم ما ندارد و خواهیم دید که تنها می‌توانیم با مفاهیمی همچون اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، اصل برهم نهی کوانتومی، و خاصیت ذره-موج بودن این ویویکل‌های کوانتومی، خود را در مورد وقوع آن قانع کنیم. به واقع ما هیچ راهی برای ورود به تونل، رصد گذر ذره کوانتومی و مشاهده عبور آن از منطقه ممنوعه را نداریم و برای ما تنها امکان مشاهده آن در دو طرف تونل مجاز است و هرگونه تلاشی برای مشاهده زیر پا گذاشته شدن اصل پایستگی انرژی توسط ذرات کوانتومی، منجر به شکافته شدن ورودی تونل و تبدیل آن به منطقه مجاز خواهد شد که در آن صورت آن‌ها را از ناسازگاری‌های مغایر با قواعد کلاسیکی ما مبرا می‌کند! خوب، فیزیکدان‌ها نگرانی زیادی از خلاف محرزی (نقض پایستگی انرژی) که امکان دیده شدنش میسر نیست، ندارند، بالاخص که چنین ناسازگاری از اصول کلاسیک، نه تنها همواره و خیلی زود جبران می‌شود، بلکه از یک طرف پاسخگوی بسیاری از وقایع روزمره اطراف بوده و از طرف دیگر کاربرد‌های زیادی در تکنولوژی‌های روزمره مورد نیاز زندگی، همچون تلویزیون ها، تبلت ها، موبایل ها، دیود‌ها و نیمه رسانا‌ها دارد. 

اما در واقع اهمیت تونل زنی کوانتومی فراتر از کاربرد تکنولوژیک آن در وسایل الکترونیکی اطرافمانست، چرا که این پدیده بی همتا مستقیما به حیات ما در زمین بستگی دارد، و زندگی ما در زمین وابسته به این رخداد کوانتومیست که در خورشید و البته در تمامی ستارگان اتفاق می‌افتد.

در ادامه بعنوان یکی از بهترین کاربرد‌هایی که خیالمان را برای باور تونل زنی کوانتومی راحت می‌کند، از چگونگی طلوع هر روزه و تابش زیبای خورشید صحبت می‌کنیم تا ببینیم چگونه این پدیده، زمینمان را روشن و ما را زنده نگه می‌دارد. همه ما می‌دانیم که انرژی خورشید نه از سوختن، بلکه از همجوشی هسته‌ای بوجود می‌آید که در آن هسته‌های سبک‌تر با هم برخورد کرده و عنصری سنگین‌تر را می‌سازند و انرژی آزاد شده در این فرآیند بصورت نور منتشر می‌شود. اما در حالت عادی، هسته‌ها، به واسطه بار الکتریکی مثبتشان یکدیگر را دفع می‌کنند، بنابراین به انرژی زیادی نیازست تا بتواند بر این دافعه الکترواستاتیکی غلبه کرده و آن‌ها را به اندازه کافی بهم نزدیک کند تا در نتیجه آن، در فاصله خاصی، نیروی قوی هسته ای، منجر به همجوشی هسته‌ای شود. اما بر طبق مشاهدات مبتنی بر روش طیف سنجی، دمای خورشید به هیچوجه برای رخ دادن همجوشی هسته‌ای کافی نیست!

برای آن که کمی بیشتر با نیروی هسته‌ای قوی آشنا شویم، باید بدانیم که این نیروی قوی، اما کوتاه برد، عامل کنار هم قرار دادن ذراتی به نام کوارک و تشکیل نوکلئونها، یعنی پروتون‌ها و نوترونها، و سپس جوش دادن آن‌ها به یکدیگر برای تشکیل هسته اتم هاست. اما همانطور که ذکر شد، بنا به دلایلی مبتنی بر فیزیک ذرات، این نیرو تنها در فواصل کوتاه اثرگذارست و بنابراین اگر دو نوکلئون، پروتون با بار همنام باشند، با دافعه بینشان و ازدیاد فاصله آن‌ها از هم، عملا امکان اثرگذاری نیروی قوی و در نتیجه همجوشی از بین می‌رود. در اینجا باید عواملی همچون دما و فشار آنقدر بالا باشند تا در اثر برخورد ذرات با هم، فاصله آن‌ها به اندازه‌ای کم شود که شرایط همجوشی هسته‌ای فراهم آید و دافعه الکترواستاتیکی در این پیکار شکست بخورد. اما چه عواملی می‌توانند این شرایط مناسب دما و فشار بالا را فراهم کنند؟ هرچه جرم یک ستاره بیشتر باشد، نیروی گرانش آن قویتر شده و میتواند نیروی قوی هسته‌ای را در نبرد با نیروی الکترواستاتیکی یاری رساند و منجر به جوش خوردن هسته‌ها شود. در اینجا بد نیست که یادآور شویم که نیروی هسته‌ای ضعیف نیز در این سناریو با تبدیل پروتون‌ها به نوترون‌ها نقش مهمی ایفا می‌کند و چه زیباست که خورشید، جولانگاه و عرصه حضور هر چهار نیروی شناخته شده در طبیعت است.

به هر روی همانطور که ذکر شد بدلیل ضعف فشار و دمای لازم برای شروع همجوشی در خورشید، که از طیف خورشید نتیجه گیری می‌شود، عملا ما نباید شاهد درخشش روزانه جانبخش پرتو‌های آن باشیم.

بنظر شما چه عاملی این ضعف را جبران میکند؟ بله، تونل زنی کوانتومی! بر طبق اصل برهم نهی کوانتومی که در ابتدای بحث به آن اشاره کردیم، هسته‌ها بخاطر ماهیت دوگانه موج-ذره بودنشان که در بحث هفته قبل به آن اشاره کردیم، می‌توانند در بیش از یک مکان وجود داشته باشند و بنابراین، احتمال و شانس معینی را برای رسیدن به دمای مناسب و ایجاد شرایط لازم برای همجوشی بدست آورند، چرا که بر طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، "اندازه حرکت" و سرعت ذرات همواره دارای عدم قطعیتیست که با گذشت زمان و ایجاد نقصانی در انرژی، همانند مثال شروع بحثمان، دو هسته سرعت لازم را برای همجوشی بدست می‌آورند و در نهایت همه چیز مهیا می‌شود تا طی فرآیندهایی، ذرات نور یا همان فوتونها، پس از گذشت چند ده هزار سال، ابتدا به سطح خورشید برسند و در نهایت با سفری تنها هشت دقیقه ای، خود را به ما رسانده و حیات را در زمین تداوم بخشند!

بیشتر بخوانید: دانش آدینه ۱: تولدت مبارک آقای شرودینگر
در پایان شاید زمان فراغت یک روز آدینه، برای تفکر در این باره بد نباشد که برخی نظریات جدید، برآنند که احتمالا در ابتدای شکل گیریمان، بین هر دو رشته DNA، سد پتانسیلی وجود دارد که احتمالا تنها راه انتقال اطلاعات ژنتیکی بین این دو رشته، از طریق تونل زنی کوانتومی قابل اثبات است!

و یا تحقیقاتی در جریانست که احتمالا پدیده تونل زنی کوانتومی الکترون‌های پیوندی، مولکول‌های DNA جانداران را دستخوش تغییر می‌کند و لذا محیط بیرونی، بواسطه تونل زنی کوانتومی، میتواند در ژن‌ها تغییراتی را ایجاد کند و چقدر هیجان انگیزست که احتمالا وراثت نیز متاثر از تونل زنی کوانتومیست!

دست آخر، برخی پژوهشگران معتقدند که احتمالا تونل زنی کوانتومی پروتون، در جهش تصادفی DNA درون موجودات زنده، دارای نقشی اساسیست و شاید این پدیده بتواند توضیحی برای ایجاد سلول‌های سرطانی باشد و در آن صورت است که پای موارد ابتلاء به سرطان، از وراثت و محیط، به شانس و احتمال هم کشیده خواهد شد!‌ ای کاش بعضا برای عبور از برخی مشکلات شاید لاینحل در دنیای بزرگ مقیاس کلاسیکی نیز تونلی برای عبور وجود داشت!

 به کانال تلگرامی دیدارنیوز بپیوندید

 

 به صفحه اینستاگرام دیدارنیوز بپیوندید

 

 به گروه واتس‌اپی دیدارنیوز بپیوندید