کاروتک

تکنولوژی و علمی

تلویزیون و سینما

تلویزیون کاروتک

از جهان‌های موازی گرفته تا سیاه‌چاله‌ها، برگه تقلب شما به سمت بخش‌های ناشناخته کیهان، فیزیک کوانتوم است.

دنیای کوانتومی مانند کفش است!

دنیای کوانتومی اشتراکات زیادی با کفش دارد؛ شما نمی‌توانید به یک مغازه بروید و کفش‌های ورزشی را انتخاب کنید که با پای شما هم‌خوانی دارند. در عوض، مجبور هستید بین جفت‌هایی که در اندازه‌های از پیش تعیین شده مناسب شما هستند، یکی را انتخاب کنید.

دنیای کوچک‌تر از اتم‌ها نیز این‌گونه است. آلبرت انیشتین جایزه نوبل را برای اثبات کوانتیزه شدن انرژی دریافت کرد. همان‌طور که فقط می‌توانید کفش‌هایی را در اندازه پای شما هستند بخرید، انرژی نیز تنها در مضرب‌های مشخصی یا همان «کوانتا» به دست می‌آید؛ از این رو فیزیک کوانتومی نامیده می‌شود.

کوانتا با واحد ثابت پلانک است شناخته می‌شود؛ ثابت پلانک، به‌نام ماکس پلانک، پدر فیزیک کوانتومی نام‌گذاری شده است. او سعی داشت تا با درک اجسام بسیار داغی مانند خورشید، مشکلات بزرگی را حل کند و علم را یک قدم به سمت جلو حرکت دهد. اکثر تئوری‌های ما نمی‌توانند با مشاهداتی که از انرژی داریم مطابقت داشته باشند. اما با این نظریه اینکه انرژی کوانتیزه می‌شود، او توانست انرژی را به‌طور منظم با آزمایش‌های علمی مطابقت دهد.

در دنیای کوانتوم یک چیز می‌تواند هم ذره باشد هم موج

جوزف جان تامسون در سال 1906 جایزه نوبل را برای کشف ذره بودن الکترون‌ها دریافت کرد. با این حال پسرش جورج در سال 1937 جایزه نوبل را برای نشان دادن این‌که الکترون‌ها امواج هستند، برد. اما حق با کی بود؟ در واقع، نظریه هر دو آن‌ها درست بود. این موضوع به‌اصطلاح دوگانگی موج و ذره نامیده می‌شود و سنگ بنای فیزیک کوانتومی است. این دوگانگی برای نور و هم‌چنین الکترون‌ها کاربرد دارد. گاهی اوقات باید نور را به‌عنوان یک موج در نظر بگیریم؛ اما گاهی اوقات دیگر بهتر است که آن را به شکل ذراتی به نام فوتون تصور کنیم.

یک تلسکوپ می‌تواند امواج نور ستاره‌های دور را متمرکز کند و هم‌چنین ب‌ عنوان یک سطل نور غول‌پیکر برای جمع‌آوری فوتون‌ها عمل کند. این بدان معنا است که نور می‌تواند فشار وارد کند؛ زیرا فوتون‌ها به یک جسم برخورد می‌کنند. به گفته Rusty Schweickart، رئیس B612، این دقیقا همان چیزی است که انسان‌ها در حال حاضر برای به حرکت درآوردن فضاپیماها با بادبان‌های خورشیدی از آن استفاده می‌کنند و ممکن است بتوان از آن برای منحرف کردن یک سیارک خطرناک از مسیر برخورد با زمین استفاده کرد.

اشیا می‌توانند هم‌زمان در دو مکان مختلف باشند

دوگانگی موج و ذره نمونه‌ای از برهم نهی است؛ یعنی یک شیء کوانتومی در چندین حالت به‌طور هم‌زمان وجود دارد. به‌عنوان مثال، یک الکترون، هم «این‌جا» و هم «آن‌جا» به طور همزمان حضور دارد. اما برای این‌که بتوانیم بفهمیم که یک ذره دقیقا در کجا قرار دارد، باید روی آن ذره آزمایش انجام دهیم. ممکن است این موضوع اندکی گنگ باشد؛ پس بیایید بهتر مفهوم برهم نهی ذره را بررسی کنیم.

فرض کنید هر ذره‌ای در دنیا، مانند یک دایره است. هر دایره، می‌تواند به دو صورت مختلف بچرخد: یا به سمت بالا، یا به سمت پایین. به‌زبان علمی،‌ ما چرخش یک ذره (همان دایره) به سمت بالا را «اسپین بالا» و به چرخش یک ذره به سمت پایین را «اسپین پایین» می‌گوییم. دانشمندان دنیا بر این باور هستند که هر ذره،‌ هم اسپین بالا و هم‌ اسپین پایین را به‌صورت هم‌زمان دارد و این پدیده را «برهم نهی» نامیدند؛ این بدان معنا است که یک ذره، می‌تواند در آنِ واحد در دو جهت بالا و پایین بچرخد.

اکنون اگر یک دانشمند قصد داشته باشد تا یک ذره را مشاهده کند، نیاز دارد که به آن ذره نور بتاباند و نور دقیقا همان چیزی است که وضعیت برهم نهی ذره را به هم می‌ریزد؛ در واقع، وقتی یک دانشمند برای مشاهده یک ذره به آن نور می‌تاباند، آن ذره به‌صورت کاملا تصادفی یا اسپین بالا می‌گیرد یا اسپین پایین. دانشمندان، این موضوع را «تصادف واقعی» می‌نامند و از آن به‌عنوان یک پدیده غیرقابل پیش‌بینی یاد می‌کنند. هم‌چنین تمام این فرآیند را «تفسیر کپنهاگی» می‌گویند.

این موضوع باعث می‌شود فیزیک کوانتومی همه چیز را در در احتمالات قرار دهد و تنها زمانی که روی یک شیء آزمایش می‌کنیم می‌توانیم بگوییم که به احتمال زیاد در کدام حالت قرار دارد. این احتمالات در یک فرمول ریاضی به‌نام «تابع موج کپسوله» بررسی می‌شوند. گفته می‌شود که انجام یک مشاهده، تابع موج را به هم می‌ریزد، برهم‌نهی را از بین می‌برد و جسم را مجبور می‌کند فقط به یکی از بسیاری از حالت‌های ممکن خود برسد.

این ایده پشت آزمایش فکری معروف گربه شرودینگر است؛ سرنوشت یک گربه در یک جعبه مهر و موم شده به یک دستگاه کوانتومی مرتبط است. از آن‌جایی که دستگاه هر دو حالت اسپین بالا و اسپین پایین را دارد، گربه به‌طور هم‌زمان هم زنده است و هم مرده تا زمانی که ما آزمایش را انجام دهیم.

کوانتوم می‌تواند ما را جهان‌های موازی برساند

این ایده که مشاهده یک ذره موج آن را از بین می‌برد و یک «انتخاب» کوانتومی ایجاد می‌کند، به‌عنوان تفسیر کپنهاگی از فیزیک کوانتومی شناخته می‌شود. با این حال، این تنها گزینه روی میز نیست. بسیار از دانشمندان وجود جهان‌های موازی را استدلال می‌کنند که اصلاً هیچ انتخابی در آن‌ها در کار نیست. در عوض، در لحظه‌ای که اندازه‌گیری انجام می‌شود، واقعیت به دو نسخه از خود شکسته می‌شود: یکی که در آن نتیجه A را تجربه می‌کنیم و دیگری که در آن نتیجه B را می‌بنیم.

تفسیر کپنهاگی تا نیمه‌ی قرن بیستم ادامه داشت،‌ تا زمانی که فیزیکدان «هیو اورت» برای پایان‌نامه‌ی دکترای خود تفسیر جدیدی را به‌جای این تفسیر ارائه کرد. اون قصد داشت تا تفسیری را ارائه دهد که در آن حرفی از چرخش تصادفی ذره به سمت بالا یا پایین نباشد و همه چیز قابل پیش‌بینی باشد.

او گفت که هنگامی که برای مشاهده یک ذره نور به آن تابیده می‌شود، تمام دنیا به دو دنیای موازی تقسیم می‌شود که هر یک از آن دنیاها، یکی از وضعیت‌های ذره را در می‌گیرند. یعنی در یکی از دنیا‌ها ذره اسپین بالا دارد و در دیگری، همان ذره دارای اسپین پایین است. با ارائه این تفسیر، دیگر خبری از تصادف واقعی نیست و بر هم نهی ذره پدیده‌ای عجیب و ناشناخته نیست. در واقع،‌ بر هم نهی وضعیتی است که هنوز دنیا‌های موازی از هم جدا نشده‌اند و به یک‌دیگر وصل هستند؛ درست مانند زمانی که هنوز نور به ذره تابانده نشده است.

تمام این موضوع، با نام «تفسیر دنیا‌های چند‌گانه» شناخته می‌شود. به‌عبارتی دیگر، زمانی که برای مشاهده یک ذره کوچک‌تر از اتم به آن نور وارد می‌کنیم، تمام عالم هستی به دو عالم جداگانه تقسیم می‌شود.

در واقع، تا آن‌جا که به یک ذره کوانتومی مربوط می‌شود، فقط یک واقعیت بسیار عجیب وجود دارد که از لایه‌های درهم پیچیده زیادی تشکیل شده است. همان‌طور که به سمت مقیاس‌های بزرگ‌تری که روزانه تجربه می‌کنیم نزدیک می‌شویم، لایه‌ها و تئوری‌های جهان‌های موازی بیش‌تر به چشم می‌آیند؛ فیزیک‌دانان این فرآیند را عدم انسجام می‌نامند.

فیزیک کوانتوم به ما در تشخیص ستاره‌ها کمک می‌کند

فیزیک‌دان دانمارکی، نیلز بور به ما نشان داد که مدارهای الکترون‌ها در داخل اتم‌ها نیز کوانتیزه می‌شوند. آن‌ها در اندازه‌های از پیش تعیین‌شده‌ای به نام سطوح انرژی قرار می‌گیرند. هنگامی که یک الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین‌تر منتقل می‌شود، فوتون یا نوری را برابر با اختلاف دو سطح انرژی به بیرون نشر می‌دهد. به همین ترتیب، یک الکترون می‌تواند ذره‌ای از نور را جذب کند و از انرژی آن برای جهش به سطح انرژی بالاتر استفاده کند.

ستاره‌شناسان نیز همیشه از این موضوع استفاده می‌کنند. ما می‌دانیم که ستارگان از چه ساخته شده‌اند؛ زیرا وقتی نور آن‌ها را به طیفی شبیه رنگین کمان تقسیم می‌کنیم، رنگ‌های خاصی را مشاهده می‌کنیم. عناصر شیمیایی مختلف نیز دارای فواصل سطح انرژی متفاوتی هستند. بنابراین ما می‌توانیم اجزای تشکیل‌دهنده خورشید و سایر ستارگان را از رنگ‌های دقیقی که در طیف رنگی آن‌ها وجود ندارند، تعیین کنیم.

اگر کوانتوم وجود نداشته باشد، خورشید هم وجود نخواهد داشت

خورشید انرژی خود را از طریق فرایندی به‌نام هم‌جوشی هسته‌ای تأمین می‌کند. این فرایند شامل دو پروتون (ذرات باردار مثبت در یک اتم) است که به هم می‌چسبند. با این حال، بارهای یکسان آن‌ها باعث دفع یک‌دیگر می‌شوند؛ درست مانند دو قطب شمال آهن‌ربا. فیزیک‌دانان این پدیده را سد کولن می‌نامند و از آن به‌عنوان یک دیوار بین دو پروتون یاد می‌کنند.

پروتون‌ها را به‌عنوان ذراتی در نظر بگیرید که فقط با دیوار برخورد می‌‌کنند و سپس از هم دور می‌شوند؛ بدون هیچ‌گونه هم‌جوشی یاد چیز دیگری. اما اگر آن‌ها را به‌عنوان امواج در نظر بگیرید، داستان فرق می‌کند. هنگامی که موج به دیوار می‌رسد، لبه موج عبور داده می‌شود. در واقع، ارتفاع موج نشان‌دهنده جایی است که پروتون به احتمال زیاد در آن قرار دارد. بنابراین، اگرچه بعید است که در جایی که لبه اصلی است، باشد، اما گاهی اوقات در آن‌جا وجود دارد. به‌عبارتی دیگر، پروتون از سد نفوذ می‌کند و هم‌جوشی رخ می‌دهد. فیزیک‌دانان این پدیده را «تونل‌زنی کوانتومی» می‌نامند.

همان‌طور که گفتیم، کوانتوم می‌تواند یک چیز را هم ذره در نظر بگیرد و هم موج و این موضوع دقیقا همان چیزی است که باعث می‌شود پروتون به‌عنوان یک موج از سد عبور کند.

کوانتوم فروپاشی ستارگان مرده را متوقف می‌کند

در آینده‌ای بسیار دور، بالاخره روزی فرا می‌رسد که هم‌جوشی خورشید ما متوقف می‌شود و ستاره زیبای ما خواهد مرد. در نهایت نیز جاذبه پیروز می‌شود و خورشید فرو می‌ریزد؛ اما نه به‌طور نامحدود. هرچه خورشید کوچک‌تر شود، مواد بیش‌تری در کنار هم قرار می‌گیرند و در آخر یک قانون فیزیک کوانتومی به‌نام «اصل طرد پائولی» وارد عمل می‌شود. این قانون می‌گوید که وجود انواع خاصی از ذرات (مانند الکترون‌ها) در یک حالت کوانتومی ممنوع است. همان‌طور که گرانش تلاش می‌کند دقیقاً این کار را انجام دهد، با مقاومتی مواجه می‌شود که اخترشناسان آن را «فشار انحطاط» می‌نامند. در نتیجه فروپاشی متوقف می‌شود و جسم جدیدی به اندازه زمین به نام «کوتوله سفید» تشکیل می‌شود.

با این حال، فشار انحطاط فقط می‌تواند مقاومت زیادی ایجاد کند. اگر یک کوتوله سفید رشد کند و به جرمی برابر با 1.4 خورشید نزدیک شود، موجی از هم‌جوشی را به راه می‌اندازد که آن را تکه‌تکه می‌کند. ستاره‌شناسان این انفجار را ابرنواختر نوع Ia می‌نامند و آن‌قدر درخشان است که از می‌تواند نوری بیش‌تر از کل کهکشان تولید کند.

کوانتوم قاتل سیاه‌چاله‌ها است

یک قانون کوانتومی به نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ وجود دارد که می‌گوید شناخت کامل دو ویژگی یک سیستم به‌طور هم‌زمان غیرممکن است. هر چه یکی را دقیق‌تر بشناسید، دیگری را با دقت کم‌تری می‌شناسید. این در مورد در زندگی روزمره و به‌طور جداگانه در مورد انرژی و زمان نیز صدق می‌کند.

در واقع، این قانون کمی شبیه وام گرفتن است؛ شما می‌توانید پول زیادی را برای مدت کوتاهی و یا مقدار کمی پول نقد برای مدت طولانی قرض کنید. این موضوع ما را به ذرات مجازی هدایت می‌کند. اگر انرژی کافی از طبیعت قرض گرفته شود، یک جفت ذره می‌توانند به‌طور گذرا وجود داشته باشند؛ قبل از این‌که به‌سرعت ناپدید شوند تا وام را نکول کنند.

استیون هاوکینگ تصور کرد که این فرآیند در مرز یک سیاه‌چاله رخ می‌دهد؛ جایی که یک ذره از آن خارج می‌شود، اما ذره دیگر بلعیده می‌شود. با گذشت زمان نیز سیاه‌چاله به آرامی تبخیر می‌شود؛ زیرا تمام مبلغی را که قرض گرفته است پس نمی‌دهد.

کوانتوم ساختار بزرگ مقایس جهان را توجیه می‌کند

بهترین نظریه ما در مورد منشاء جهان، انفجار بزرگ یا همان بیگ‌بنگ است. با این حال، در دهه 1980 این نظریه اصلاح شد تا نظریه دیگری به‌نام «تورم» را در خود جای دهد. در اولین تریلیونمِ یک تریلیونمِ یک تریلیونم ثانیه، کیهان کوچک‌تر از یک اتم و به اندازه یک گریپ فروت بود. سپس مانند باد کردن یک گلبول قرمز، به همان میزان بزرگ‌تر شد و جهان قابل مشاهده امروزی تشکیل شد.

از آن‌جایی که کیهان در ابتدا کوچک‌تر از یک اتم بود، جهان نوزاد تحت سلطه نوسانات کوانتومی مرتبط با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بود. قبل از این‌که این نوسانات فرصتی برای محو شدن پیدا کنند، تورم باعث شد که جهان به سرعت رشد کند و این انرژی به برخی از مناطق دیگر انتقال یافت. چیزی که اخترشناسان معتقدند این است که ذرات کوانتومی می‌توانند مانند دانه‌هایی عمل کنند که مواد در اطراف آن‌ها جمع می‌شوند و خوشه‌های کهکشانی را که اکنون مشاهده می‌کنیم تشکیل دهند. در واقع اگر این درست باشد، منشأ هر چیزی که امروزه می‌بینیم کوانتوم است.

کوانتوم اندکی ترسناک به‌نظر می‌رسد

انیشتین علاوه بر کمک به اثبات کوانتومی بودن نور، پدیده دیگری که او آن را «عمل شبح‌وار» نامید، استدلال کرد. امروزه می‌دانیم که این «درهم تنیدگی کوانتومی» واقعی است، اما هنوز به‌طور کامل نمی‌دانیم چه اتفاقی در حال رخ دادن است. بیایید بگوییم که دو ذره را به گونه‌ای به هم نزدیک می‌کنیم که حالت‌های کوانتومی آن‌ها به‌طور اجتناب‌ناپذیر به هم متصل یا درهم تنیده شوند. یکی در حالت A و دیگری در حالت B است.

اصل طرد پائولی می‌گوید که هر دو نمی‌توانند در یک وضعیت باشند. اگر یکی را تغییر دهیم، دیگری فوراً برای جبران تغییر می‌کند. این اتفاق حتی اگر ما دو ذره را در طرف مقابل جهان از یک‌دیگر جدا کنیم نیز می‌افتد. گویی اطلاعات مربوط به تغییری که ما ایجاد کرده‌ایم سریع‌تر از سرعت نور بین آن‌ها حرکت کرده است؛ چیزی که انیشتین می‌گفت غیرممکن است.

در واقع، اطلاعات ما در مورد کوانتوم بسیار اندک است و در هاله‌ای از ابهام به سر می‌بریم. البته نباید این موضوع را انکار کنیم که در سال‌های اخیر اکتشاف‌های بسیار زیادی در رابطه با این شاخه جدید از فیزیک انجام داده‌ایم. اما باز هم سوالات بسیار زیادی داریم که بی‌پاسخ هستند. به امید آن روزی که بتوانیم تمام نقاط تاریک کیهان را با نور علم روشن کنیم. نظر شما چیست؟