جهان كوانتومي - بخش اول: پيشگفتار و آشنايي مقدماتي با جهان كوانتوم

پيشگفتار و مقدمه

انگليسيها ضرب المثلي دارند كه ميگويد: "چيزهاي خوب در بسته هاي كوچك مي آيند" . شايد اين ضرب المثل در مورد اين مجموعه مقاله نيز صادق باشد . با مطالعه اين مجموعه ، جهاني را خواهيد شناخت كه گرچه بنياد هر آنچه كه ميبينيم بر آن بنا شده است ، اما تقريبا براي همه ما ناآشنا و غريب است . در اين جهان ، قوانين عادي كارايي خود ار از دست ميدهند ، و فيزيك نيوتني بي اعتبار ميشود . اينجا دنياي ديگري ست ، دنيايي كاملا متفاوت.
شايد بيگانگي ما با اين جهان و نظريه كوانتومي نيز ناشي از همين تفاوت باشد . نام كوانتوم آنچنان با مفاهيم و انديشه هاي دشوار ، عجيب و دور از ذهن پيوند خورده است كه براي بسياري ، ورود به قلمرو آن ناممكن مينمايد . در اينكه درك نظريه كوانتومي دشوار است هيچ بحثي نيست . اين دشواري را ميتوان از گفته "ريچارد فاينمن" يكي از چهره هاي مشهور فيزيك كوانتومي نيز دريافت: "... ميتوانم با اطمينان بگويم كه هيچكس از مكانيك كوانتومي سر در نمي آورد!"

اما زماني مردم از حرفهاي "نيوتن" هم چيزي نمي فهميدند و اين ماجرا در مورد نظريات "آلبرت انيشتن" نيز تكرار شد . پس از گذشت بيش از سه قرن ، اكنون هر دانش آموز دبيرستاني با قوانين نيوتن آشناست و از آنها براي حل مسئله استفاده ميكند . نظريه هاي انيشتن ، با اينكه هنوز هم به طور كامل درك نشده اند ، اما تا حدودي ملموس تر شده اند . حداقل عباراتي همچون انحناي فضا – زمان ، سياه چاله ها ، جهان چهار بعدي و ... چندان ناآشنا نيستند . دليل آن شايد اين باشد كه نظريه هاي انيشتن ، همانند نظريه هاي نيوتن ، "كلاسيكي" هستند . اما با ورود به دنيايي كه در دل اتم وجود دارد ، جهان كلاسيكي فرو مي پاشد و جهان كوانتومي با قوانين خاص خود ظاهر ميشود . براي درك اين جهان بايد ذهن را بايد از باورهاي قبلي - و كلاسيكي – پاك كرد با اين همه ، اين دو جهان به هم وابسته اند ، اما چگونه اين وابستگي ، كه انتظار ميرود با دستيابي به "نظريه كوانتومي گرانش" كشف شود ، از آرزوهاي برآورده نشده فيزيكدان هاست.
با مطالعه اين مجموعه سوالات تازه اي در ذهن شما شكل خواهد گرفت كه پاسخ همه آنها را در اين مجموعه نخواهيد يافت . اين مجموعه در واقع حكم دروازه ايست براي ورود به دنياي شگفت انگيز و رمزآلود فيزيك كوانتومي . اين مجموعه را با "فكر باز" بخوانيد.
"سخنراني را زياد جدي نگيريد...فقط راحت بنشينيد و از آن لذت ببريد . من ميخواهم به شما بگويم كه طبيعت چگونه رفتار ميكند . اگر شما بپذيريد كه ممكن است رفتار جهان به آنچه كه من خواهم گفت شبيه باشد ، در آنصورت آنرا موجودي دلپذير خواهيد يافت . به خودتان نگوييد كه: آخر چگونه ممكن است رفتار آن چنين باشد؟ چون در آنصورت به درون كوچه بن بستي خواهيد افتاد كه تاكنون هيچكس نتوانسته از آن فرار كند . كسي نميداند كه رفتار طبيعت چگونه ميتواند چنين باشد..."
اين سخني بود از "ريچارد فاينمن" در مورد نظريه كوانتومي . اگر هشدار او را جدي بگيريد به نفع شماست . زمانيكه به پايان اين مجموعه مقالات ميرسيد ، به عجيبترين موارد يك نظريه واقعا غيرعادي پي خواهيد برد . اما اگر سعي كنيد آنرا به صورتي آشنا تصوير كنيد ، راهي را كه در پي گرفته ايد نوميدانه به درماندگي مي انجامد . جهان كوانتومي واقعا با جهان عادي تفاوت دارد و تنها راه ورود به آن "كنار گذاشتن ناباوري" است.

آشنايي با جهان كوانتوم:
در روزگاران دور مردي زندگي ميكرد به نام نيوتن ، و جهان جايي امن براي همه بود . در آن روزگار وقتي به يك توپ بيليارد ضربه اي ميزديد ، ميتوانستيد بگوييد كه با چه سرعتي و با چه جهتي حركت خواهد كرد ؛ و وقتي توپ مي ايستاد دقيقا ميدانستيد كه به كجا رسيده است . اين تصورهاي ساده ، بديهي و حتي لازم به نظر ميرسيدند . بيشتر مردم معتقد بودند كه اگر فيزيك بخواهد به كار خود ادامه بدهد ، بايد بر چنين پايه هاي استواري قرار گرفته باشد.
اما در اكتبر سال 1900 فيزيكداني به نام "ماكس پلانك" انديشه تازه اي را به انجمن فيزيك آلمان ارائه كرد . پلانك مردي ميانه رو بود و در 42 سالگي براي ايجاد انقلابي بزرگ در فيزيك كمي پير به نظر ميرسيد ؛ ولي كشف او در حال زير و رو كردن فيزيك كلاسيك توپ بيليارد بود . آنچه كه او به شرح آن مي پرداخت ، پاسخ به يك سوال قديمي بود كه: "چرا رنگ تابش يك جسم درخشان ، از سرخ به نارنجي تغيير ميكند و در نهايت هنگاميكه دماي آن افزايش پيدا ميكند ، به رنگ آبي درمي آيد." پلانك دريافت كه اگر تابش انرژي را همانند ماده بصورت بسته هاي گسسته فرض كنيم ، آنگاه ميتوان به پاسخي درست دست يافت . او هر يك از بسته هاي كوچك انرژي را "كوانتوم" (Quantum) ناميد كه در لاتين به معناي "مقدار" است و در جمع "كوانتا" (Quanta) ناميده ميشود . ظاهرا در آن زمان پلانك تصور ميكرد بعدها شرح دقيقتر اين كوانتومها ارائه خواهد شد.
اما خيلي زود معلوم شد كه "كوانتش" (Quantization) انرژي (تقسيم آن به بسته هاي ناپيوسته) ، در واقع يك قانون بنيادي و جديد در طبيعت است . پلانك كه با فيزيك كلاسيك آموزش يافته بود ، اين نتيجه گيري را چندان دوست نداشت و تا زمان مرگش در برابر آن مقاومت كرد . او جمله مشهوري دارد كه ميگويد: "نظريه هاي جديد علمي جاي نظريه هاي قبلي را ميگيرند ، نه به خاطر اينكه مردم افكارشان را تغيير ميدهند ، بلكه تنها به اين دليل كه افراد قديمي ميميرند!"
اگر پلانك نتوانست با مفاهيم نظريه كوانتومي كنار بيايد ، شگفت آور نيست ، اما اگر شما نتايج آنرا بپذيريد ، ضرورتا آنچه كه در واقعيت به نظر ميرسد و يا آنچه كه عقل سليم و فيزيك نيوتني حكم ميكنند ، بي ارزش خواهد شد . وقتي به اشيا نگاه ميكنيد ، تغيير ميكنند و رفتار آنها غيرقابل پيش بيني است!
بنا بر اصل عدم قطعيت ، اصلي كه ناگذير از دل نظريه كوانتومي سر در مي آورد ، هرگز نميتوانيد چيزي را با دقتي كه دوست داريد اندازه گيري كنيد ؛ به عبارت ديگر اندازه گيريها ، بر آنچه كه مورد اندازه گيري است ، تاثير ميگذارند . سپس مفهوم همزادي موج – ذره پيش مي آيد كه به عنوان مثال ميگويد يك الكترون ، گاهي همانند موج و گاهي همانند ذره رفتار ميكند . به نظر ميرسد كه آنچه تمامي اين مفاهيم ميخواهند القا كنند اين است كه اجسام فيزيكي – حتي اگر واقعي باشند – به هيچ وجه شبيه چيزهايي نيستند كه هر كس به طور عادي تصور ميكند.
اما چگونه چنين نتايج عجيب و هراس انگيزي از اين عبارت به ظاهر بي ضرر پيروي ميكند كه ميگويد: انرژي از بسته هاي كوچكي به نام كوانتوم تشكيل شده است؟ "ريچارد فاينمن" ، فيزيكدان امريكايي ، دوست داشت مسئله را با مثالي ساده بيان دارد . در مود نور بازتابيده از يك آينه ميدانيم كه از هيچ آينه اي بازتابش كامل صورت نميگيرد . بنابراين در حدود 95 درصد نور از سطح آينه بازتابيده ميشود ، در حاليكه 5 درصد باقيمانده يا از درون آن گذر ميكند و يا درآشاميده ميشود (در آن جذب ميشود) و يا از طريق ديگري از دست ميرود.
در دوران "پيش كوانتوم" هيچ مشكلي وجود نداشت . وقتي نور به سطح آينه اي فرود مي آمد ، بصورت جريان پيوسته اي از انرژي در نظر گرفته ميشد: بيشتر آن از سطح آينه بازتابيده ميشد ، اما بخشي از آن از درون آينه گذر ميكرد . اما پلانك نور را بصورت جرياني از كوانتومها در نظر گرفت و هر كوانتوم را يك "فوتون" ناميد . از آنجا كه فوتون تقسيم ناپذير است ، بنابراين يا بايد بازتاب يابد و يا بطور كامل درآشاميده شود . نميتوا فوتوني داشت كه 95 درصد آن به سمتي و باقيمانده آن به سمت ديگري برود . اما در مورد چگونگي اثر آينه بر نور ، بايد گفت كه از هر 20 فوتون ، 19 تاي آن از سطح آينه بازتابيده ميشوند ، در حاليكه فوتون باقيمانده و سركش به راه خود ادامه ميدهد . چه كسي در مورد كار تك تك فوتونها تصميم مي گيرد؟
نكته اصلي در همين پرسش نهفته است . نظريه كوانتومي ميگويد آنچه كه براي هر تك فوتون روي ميدهد ، به هيچ وجه قابل پيش بيني نيست . شانس بازتابيده شدن هر فوتون 95 درصد و شانس گذر از آينه يا درآشاميده شدن 5 درصد است ؛  و اين همه آن چيزي است كه ميتوان گفت . هيچ دستمايه ديگري ، مثل سرشتي پنهان مانده و يا سرنخي ناپيدا ، در مورد فوتون در اختيار نداريم تا آگاهي دقيقتري از آنچه كه براي هر فوتون روي ميدهد بدست آوريم . غيرقابل پيش بيني بودن امري است ذاتي.
مثال ديگري نيز در اين مورد وجود دارد . اگر يك عينك آفتابي خود را جلوي چشمانتان بچرخانيد ، تغييراتي در مقدار نوري كه از آن ميگذرد خواهيد ديد . نور آنگونه كه "جيمز كلرك ماكسول" در سال 1864 نشان داد ، از امواج الكترومغناطيسي است كه ميتواند قطبيده (Polarized) شود ؛ درست مانند ريسماني كه به بالا و پايين ، از سمتي به سمت ديگر ويا بصورتي بينابين به حركت در مي آوريم . عينكهاي آفتابي ، نور قطبيده قائم را از خود عبور ميدهند ولي مانع عبور نور افقي ميشوند كه خاستگاه بيشتر درخشش هاي خيره كننده و بازتابش هاست.
يك فوتون نور كه به عينك آفتابي شما ميرسد تنها دو انتخاب دارد: گذشتن يا بازگشتن . اين فوتون كداميك را انتخاب خواهد كرد؟ در اينجا نيز تنها كاري كه ميتوان كرد ، اين است كه احتمال هاي موجود را ارزيابي كنيم . ما هرگز قادر به پيش بيني رفتار يك فوتون نخواهيم بود.
در عصر فيزيك كلاسيك ، شما ميتوانستيد رفتار يك توپ بيليارد را ، هنگاميكه به سمت يك توپ ديگر يا گوشه ميز به حركت در مي آيد پيش بيني كنيد . رباي اين پيش بيني به جرم ، سرعت ، جهت آن و احتمالا آهنگ چرخش توپ و نيز سختي يا فنرواري آن هنگام برخورد و مواردي از اين دست نياز داشتيد . اين فهرست از سرشت ها ، "حالت" (state) كلاسيكي توپ بيليارد خوانده ميشود ؛ كه هرچه بهتر حالت توپ را ميدانستيد ، بهتر ميتوانستيد رفتار آنرا پيش بيني كنيد . اما نظريه كوانتومي ب همه اينها خط بطلان كشيد . تنها كاري كه ميتوان كرد اين است كه "حالت كوانتومي" يك فوتون را بر حسب احتمالهاي آن حالت توصيف كنيم ، و تغيير اين حالتها بستگي به اين دارد كه كداميك از رفتارهاي فوتون مورد نظر شماست . فوتوني كه در حال حركت به سمت آينه است ، هنگاميكه به آن برسد يا بازتابيده ميشود و يا از آن گذر ميكند . اما اگر همان فوتون به سمت يك سمت يك صفحه قطبنده در حال حركت باشد آنگاه آنرا بصورت ديگري بايد توصيف كرد . براي يك توپ بيليارد كلاسيك ، مجموعه اي از سرشت ها كافي ست تا از همه آنچه در مورد توپ ، تحت هر شرايطي ميخوهيم بدانيم آگاه شويم . اما در مورد حالت كوانتومي يك فوتون موضوع فرق ميكند.
اكنون ديگر ميدانيم كه چرا فيزيكدانهاي مكتب قديمي كلاسيك ، نظريه كوانتومي را گيج كننده ، هراس انگيز و احتمالا خطرناك يافتند . چنين به نظر ميرسد كه فوتون داراي هيچ ويژگي وابسته به خود نيست ، بلكه آنچه را كه به آن نسبت ميدهيم ، با اكراه و ناخواسته (از راه نوعي اسباب چيني و دسيسه بين خود و ابزار اندازه گيري) بدست مي آورد . ماهيت واقعيتي كه در اين مفهوم نهفته است انسان را به ياد گفته "گرترود اشتاين" در مورد شهر اوكلند در كاليفرنيا مي اندازد: "هيچ آنجايي در آنجا نيست!"