فیزیک کوانتوم چیست؟

جهانی که در آن زندگی می‌کنیم بسیار پیچیده‌تر از آن است که در تصور ما می‌گنجد. شاید هیچ‌گاه ‏نتوانیم به درک درستی از جهان هستی برسیم. به قول «اسحاق نیوتن»، از نظر خودم، من فقط کودکی ‏هستم که در ساحل بازی می‌کند در حالی که اقیانوس‌های پهناور حقیقت، کشف نشده در مقابلم قرار ‏دارند. اما می‌توانیم برای فهمیدن آن تلاش کنیم. چون درک هر بخش جدید، چهره‌ای تازه از هستی را ‏به ما نشان می‌دهد که در ورای آن می‌توانیم برگی از عمق وجود خودمان را ورق بزنیم. فیزیک کوانتوم، ‏یکی از همان پنجره‌های روشن است که می‌تواند رابطه ما با جهان و حتی خودمان را به گونه‌ای تازه و ‏مرز شکن، از نو تعریف کند. ‏

فیزیک کوانتومی چیست؟

در این مقاله، به دنبال مفهوم «فیزیک کوانتوم» و تاثیر آن بر زندگی‌مان می‌گردیم. شاید در طول خواندن این نوشته‌ها، کمی گیج شوید یا احساس کنید که مفاهیم گفته شده، سنگین هستند. اما کمی تحمل کنید و تا انتهای مقاله همراه ما باشید. به شما قول می‌دهم که از منظره صحنه آخر، خوشتان بیاید. شاید در این باره، خواندن این گفته «ریچارد فاینمن» نابغه فیزیک ذرات و مکانیک کوانتوم برایتان جالب باشد.

او می‌گوید: «گمان می‌کنم با اطمینان بتوان گفت که هیچ کس، مکانیک کوانتوم را نمی‌فهمد!» پس به خودتان سخت نگیرید. چون هدف، فهمیدن کوانتوم نیست، بلکه تماشای ماجرای آن است.

فیزیک کوانتوم، یگانگی جهان را آشکار می‌سازد.

اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی

کوانتوم و کشف ماجرایی متفاوت در سطح اتم‌ها!

«کوانتوم» یک نظریه فیزیکی است که در اوایل سال ۱۹۰۰ شناخته شد. این نظریه، یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای قرن بیستم و کشف آن را انقلابی راستین در درک ما از فرآیندهای فیزیکی عمیق به شمار می‌آورند. در نگاه علمی، کوانتوم، کوچک‌ترین ذره از یک کمیت در نظر گرفته می‌شود؛ یعنی کوچک‌ترین اندازه انرژی موجود در طبیعت که خواص شگفت‌انگیزی دارد. «فیزیک کوانتومی» به مطالعه رفتار ماده و انرژی در سطح و ابعاد مولکولی، اتمی و حتی کوچک‌تر می‌پردازد.

چیزی که فیزیک کوانتوم را به موضوعی بسیار جذاب تبدیل می‌کند این است که رفتار ماده و انرژی در چنین ابعاد کوچکی با رفتار آنها در ابعاد معمولی زندگی، تفاوت‌های قابل توجهی دارد. کشف یا بهتر است بگوییم، تماشای این تفاوت‌ها می‌تواند سبک نگاه ما را دستخوش تغییراتی اساسی کند.

نگاهی به کوانتوم، آن هم به زبان ساده

در فیزیک، واژه کوانتوم را «گسسته» یا «بسته‌ای» معنا می‌کنند. این بدان معنا است که مفهوم‌های کوانتیده، مقدارهای مشخصی دارند که به سادگی قابل تعریف هستند و هر کدام یک مقدار کامل را تشکیل می‌دهند. اجازه بدهید با یک مثال، این موضوع را روشن‌تر کنیم. تصور کنید که برای خرید مربا به سوپر مارکت رفته‌اید.

هر شیشه مربا، یک واحد کامل و مستقل را تشکیل می‌دهد که به سادگی قابل تعریف است. شما هیچ وقت از صاحب سوپر مارکت نمی‌خواهید که به شما یک شیشه و نصفی مربا بدهد. هر شیشه مربا به صورت یک کل مشخص به فروش می‌رسد. در نتیجه، واحد شمارش شیشه مربا، یک مفهوم کوانتیده است.

اما اگر بخواهید مقداری برنج بخرید می‌توانید آن را به صورت نیمه هم خریداری کنید؛ یعنی یک کیلو و نیم برنج بخرید. در نتیجه، واحد شمارش برنج، یک مفهوم غیر کوانتیده یا پیوسته است. چیزی که باعث شد تا دانشمندان به مفهوم کوانتوم پی ببرند، نه مربا و نه برنج، بلکه هیدروژن بود. در واقع، کوانتیده بودن طیف نشری خطی هیدروژن، دانشمندان را وارد دنیای جدیدی از اتم‌ها کرد.

آیا باید به دنبال کاربرد کوانتوم در زندگی روزمره خودمان بگردیم؟

کوانتوم، مفهومی است که در قلب اتم‌ها قرار دارد. من، شما و تمام آنچه که به عنوان ماده سراغی از آن داریم هم از اتم‌ها تشکیل شده است. در نتیجه، ما کوانتوم و کوانتوم ما هستیم. هر کشفی که در علم مکانیک کوانتوم صورت می‌گیرد، قدمی برای شناخت و افزایش آگاهی ما نسبت به خودمان است. در نتیجه، جستجو برای یافتن کاربرد کوانتوم، مثل جستجو برای یافتن کاربرد مغزی است که در جمجمه‌مان قرار دارد؛ به همان اندازه ساده و به همان اندازه پیچیده.

با وجود آنکه مغز ما، زنده بودن‌مان را تضمین می‌کند و از آن برای ساخت یک زندگی بهتر و شادتر استفاده می‌کنیم اما هنوز هم بخش‌های بزرگی از آن و کاربردهایش بر ما پوشیده است. کوانتوم نیز همین طور است. شاید پیدا کردن کاربرد برای کوانتوم، عجیب و غیرمنطقی به نظر برسد اما چه کسی گفته که غیر ممکن است؟! احتمالا بهترین کار این باشد که دیدگاه «جبران خلیل جبران» را قرض بگیریم و از پنجره نگاه او، کوانتوم را نیز فقط شکلی کوچک از یک حقیقت ابدی بدانیم.

نگو که «من حقیقت را یافته‌ام»، بلکه به جایش بگو «من حقیقتی را یافته‌ام.»‏

جبران خلیل جبران

ماجرای جذاب فیزیک کوانتوم و قانون جاذبه

یکی از پررنگ‌ترین و برای ما افراد غیر فیزیکدان، روشن‌ترین قسمت‌هایی که می‌توانیم قدرت فیزیک کوانتوم را در زندگی روزمره خودمان مشاهده کنیم، قانون جاذبه است. در واقع کوانتوم را می‌توان علمی‌ترین مدرک اثبات قانون جذب نامید. در فیزیک کوانتوم، همه چیز در مورد اتم‌ها و رفتار آن‌ها است و در قانون جذب نیز هر کدام از ما با انرژی که به جهان هستی صادر می‌کنیم، سبک متفاوتی از زندگی را برای خودمان می‌سازیم. چیزی که حلقه اتصال این دو بخش را تشکیل می‌دهد، واکنش اتم‌ها به رفتار ما است.

 تاثیر حضور ما در دنیای اتم‌ها

نکته بسیار جالبی که فیزیک کوانتوم در اختیار ما قرار داده این است که اتم‌ها هیچ محدودیتی ندارند. آنها می‌توانند در عین حال هم به صورت یک ماده مستقل و هم به صورت یک طول موج رفتار کنند. در واقع، شیوه رفتار آنها به واکنش یا بهتر است بگویم دخالتی که ما در آنها می‌کنیم بستگی پیدا می‌کند. بدون حضور، توجه و تمرکز ما به عنوان یک ناظر، اتم‌ها با سرعتی فوق‌العاده و در وضعیت یک موج در حال حرکت و گسترش هستند اما به محض این که مورد توجه قرار می‌گیرند، شکل یک ذره را به خود گرفته و تغییر می‌کنند! در واقع، اتم‌ها قبل از مشاهده و تمرکز ما، به صورت یک کل نامحدود هستند که شکل خاصی ندارد اما وقتی آنها را مورد توجه خودمان قرار می‌دهیم به واقعیت‌هایی ملموس تبدیل می‌شوند.

فیزیک کوانتومی تمام باورهای نیوتنی ما را به چالش می‌کشد. چون واقعیت فیزیکی جهان را به حضور ما وابسته می‌داند. به زبان ساده، فیزیک نیوتنی بر این باور بود که ما تنها بخشی از این جهان هستیم و حضورمان در بودن یا نبودن آن تاثیری ندارد. اما فیزیک کوانتومی می‌گوید، جهان به این شکلی که اکنون آن را می‌بینیم وجود دارد، چون ما در آن حضور داریم!

انیشتین نیز به این موضوع بسیار توجه می‌کرد و تحقیقات زیادی روی آن انجام می‌داد. او به مفهوم «عدم قطعیت» و «محو شدگی» می‌پرداخت؛ به این معنا که وقتی یک اتم مورد توجه و تاثیر ذهن قرار نداشته باشد، به اندازه یک میلیاردم از یک میلیارد قسمت یک ثانیه طول می‌کشد تا گسترده و محو شود و این گستردگی تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که مورد مشاهده قرار بگیرد. ما روی ذرات ناپیدای جهان هستی تاثیر مستقیم می‌گذاریم. به همین علت در قانون جذب می‌گوییم که ما جهان خود را می‌سازیم.

کاملا درست است. در بسیاری از موارد، ما این کار را به صورت ناآگاهانه، با استفاده از قدرت ذرات اتم و بر علیه خودمان انجام می‌دهیم. به همین دلیل، به جای شکل گرفتن چیزهایی خوشایند در زندگی‌مان، هر آنچه که آن بیزاریم یا دوستش نداریم سر راهمان سبز می‌شود!

می‌توانید اسم یک پرنده را در تمام زبان‌های دنیا یاد بگیرید. اما وقتی این کار به پایان رسید، شما دقیقا هیچ چیز در مورد آن نمی‌دانید… پس بیایید به پرنده نگاه کنیم و ببینیم که چه می‌کند. مسئله مهم، همین ماجرا است. من خیلی زود تفاوت میان دانستن نام یک چیز و شناختن آن چیز را آموختم.

ریچارد فاینمن

آزمایش دو شکاف، اثبات تاثیر حضور انسان بر جهان

دنیای فیزیک، ترکیبی از نظریه‌های پر هیجان است که تا وقتی آزمایشی علمی برایشان طراحی نشود در حد و اندازه همان نظریه‌ها باقی می‌مانند. به همین دلیل، دانشمندان آزمایشی برای بررسی رفتار الکترون طراحی کردند و نام آن را آزمایش «دو شکاف» گذاشتند. «توماس یانگ» نخستین کسی بود که این آزمایش را انجام داد.

قبل از انجام این آزمایش، دانشمندان فکر می‌کردند که ماهیت ذره و موج از یکدیگر مجزا هستند، یعنی یک ذره هیچ وقت رفتارهای موج‌گونه از خودش نشان نمی‌دهد و یک موج هم هیچ وقت مانند یک ذره رفتار نمی‌کند. اما این آزمایش، نظر دانشمندان را در این باره به کلی تغییر داد و آنها دریافتند که ذره و موج، دو روی یک سکه هستند.

 در این آزمایش، الکترون‌ها از یک منبع به مانعی که تنها یک شکاف داشت، شلیک می‌شدند و به پرده پشت مانع برخورد می‌کردند. در این حالت، الکترون‌هایی که توانستند از شکاف رد شوند، شکل آن شکاف را روی پرده بازسازی کردند؛ یعنی یک نوار مستطیل شکل از الکترون‌ها روی پرده نقش بست و طبق چیزی که دانشمندان انتظار داشتند، الکترون، مثل یک ذره رفتار کرد. در مرحله بعدی، مانعی با دو شکاف را در مقابل منبع الکترون‌ها قرار دادند و دوباره شلیک کردن را آغاز کردند.

در این هنگام، الکترون‌ها رفتاری متفاوت از خودشان نشان دادند و مانند یک موج رفتار کردند. به این ترتیب، شکلی که در پرده پشت مانع ثبت شد، به جای دو نوار، ترکیبی از چندین نوار در کنار هم با فشردگی‌های متفاوت بود. یعنی ستون وسطی بیشترین حجم از الکترون‌ها را در بر داشت و هر چه از مرکز دور می‌شدند، فشردگی الکترون‌ها کمتر و کمتر می‌شد. یعنی درست مثل آن که به جای الکترون، یک منبع موجی مثل نور را به مانع تابانده باشند.

وقتی الکترون‌ها دانشمندان را گیج می‌کنند!

دانشمندان که بسیار متعجب شده بودند، تصمیم گرفتند که الکترون‌ها را به صورت تک‌تک شلیک کنند. در ابتدا، شکل دو نوار در حال ظاهر شدن بود اما بعد از چند ساعت شلیک، دوباره همان ترکیب نوارها روی پرده ظاهر شدند. این باور کردنی نبود. دانشمندان تصمیم گرفتند که آزمایش را یک بار دیگر و در حضور یک ناظر اجرا کنند تا به طور دقیق سر از رفتار الکترون دربیاورند. به همین دلیل، یک دستگاه اندازه‌گیری را که مثل چشم انسان کار می‌کرد بالای یکی از شکاف‌ها قرار دادند تا ببینند که الکترون از کدام شکاف عبور می‌کند.

بار دیگر الکترون‌ها به صورت تک‌‌تک شلیک شدند. نتیجه این آزمایش، بسیار شگفت‌انگیز بود. چون این بار الکترون درست مثل یک ذره رفتار کرد و دوباره همان الگوی دو نوار روی پرده شکل گرفت. اما چرا این اتفاق افتاد؟

تنها تفاوت بین این آزمایش و آزمایش قبلی فقط حضور مشاهده‌گر بود. دانشمندان دریافتند که الکترون، حضور مشاهده‌گر را احساس کرده و در مقابل آن به شکل دیگری رفتار کرده است. یعنی مشاهده‌گر فقط با عمل مشاهده، تابع موج مورد علاقه الکترون را فرو ریخت!

ماجرا از آنجایی جالب‌تر می‌شود که مقیاس این آزمایش را بزرگ‌تر کنیم. یعنی اگر مشاهده‌گر را انسان و الکترون‌ها را همه جهان هستی در نظر بگیریم، می‌توانیم به قدرتی که در تغییر جهانمان داریم پی ببریم.

«شما منحصر به فرد هستید» به زبان فیزیک کوانتوم!

یکی از جالب‌ترین جایزه‌های نوبل فیزیک در سال ۱۹۴۵ به دانشمندی به نام «ولفگانگ پاولی» اعطا شد. این دانشمند اثبات کرد که ارتعاش هر الکترون، یک عدد کوانتومی مخصوص به خود دارد و هرگز نمی‌توان حتی در دورترین کهکشان‌ها نیز الکترونی با عدد کوانتومی مشابه آن را پیدا کرد. در نتیجه، هر چیزی در جهان، ارتعاش مخصوص به خودش را دارد.

منحصر به فرد بودن عدد کوانتومی مهم است چون فیزیکدان‌ها بر اساس سه ویژگی ثابت الکترون‌ها یعنی «سطح انرژی»، «چرخش» و «مدار» عدد کوانتومی هر الکترون را محاسبه می‌کنند. در نتیجه، یکتا بودن عدد کوانتومی، یکتا بودن سطح انرژی، چرخش و مدار الکترون‌ها را در تمام جهان هستی به نمایش می‌گذارد.

 پاولی اثبات کرد که کوچک‌ترین تغییر در هر جسمی می‌تواند این عدد کوانتومی را به سادگی تغییر دهد. او از مثال ساده‌ای برای بیان این مفهوم پیچیده که «اصل طرد پاولی» نام گرفت استفاده می‌کند. او می‌گوید: «سیبی را برمی‌داریم و از میان میلیارد‌ها الکترونی که درون آن است، فقط یکی را انتخاب کرده و نامی برای آن می‌گذاریم.

فرض کنید آن الکترون را «اریک» بنامیم. عدد کوانتومی اریک، بسیار طولانی است. برای این که کارمان را ساده‌تر کنیم، فرض می‌کنیم که آن عدد بزرگ، مقدار «۲۳» باشد. در این صورت، نمی‌توانیم در هیچ کجای جهان هستی، حتی در ستاره‌ای در کهکشان، نه تنها هیچ سیب دیگری، بلکه هیچ شیء دیگری را پیدا کنیم که عدد کوانتومی الکترون آن مقدار «۲۳» باشد.

 حالا اگر ما با انجام یک کار ساده، تغییری در وضعیت این سیب ایجاد کنیم، مثلا آن را با یک دستمال، حسابی برق بیندازیم؛ در این حالت، به علت اصطکاکی که بین دستمال و پوست سیب ایجاد می‌شود انرژی تولید می‌گردد و این انرژی، باعث افزایش عدد کوانتومی «اریک» به مقدار مثلا «۲۶» می‌شود.

این بدان معنا است که ما تنها الکترون منحصر به فرد در جهان را با ایجاد یک عمل ساده تغییر دادیم. این ماجرا در تمام جهان هستی رخ می‌دهد. جهان ما برای حفظ توازن خود، هر لحظه آرایش جدیدی به خودش می‌گیرد. پس اگر هر الکترونی دارای ارتعاش منحصر به فرد خود باشد، یعنی هر شی در جهان ارتعاش مخصوص به خود را دارد.

این یعنی شما منحصر به فرد هستید! یعنی قدرتی شگفت‌انگیز برای تغییر هر چیزی که در اطرافتان وجود دارد یا حتی ندارد در ذات شما قرار داده شده است. این یعنی… شما بسیار بزرگ‌تر و قدرتمندتر از چیزی هستید که در تصورتان می‌گنجد. شما می‌توانید خلق کنید و آرایش جهان را به دلخواه خودتان تغییر دهید. تنها موجودی که روی کره زمین می‌تواند این کار را آگاهانه انجام دهد فقط انسان است.

شما با قدرت تغییر کائنات، متولد شده‌اید و اگر خودتان را باور داشته باشید، هیچ‌گاه تسلیم نمی‌شوید، کنار نمی‌کشید یا رها نمی‌کنید. چون می‌دانید که می‌توانید.

افکار، کوانتوم و قدرتی که با آن به دنیا آمده‌اید…

ریشه رفتار به تفکر بازمی‌گردد. وقتی شما بتوانید کاری را در ذهنتان انجام دهید، بدون شک می‌توانید نمود فیزیکی آن را نیز وارد زندگی‌تان کنید. چون افکار، فقط بر ماده تاثیر نمی‌گذارند، افکار خودِ ماده هستند. در قانون جذب می‌خوانیم که هر فکر دارای ارتعاش مخصوص به خود است. این واقعا شگفت‌انگیز است.

چون بدان معنا است که شما برای تاثیرگذاری روی تمام هستی، اصلا نیازی به ماده ندارید! شما به طور مستقیم و بدون واسطه می‌توانید از طریق ارتعاش‌هایی که در ذهن خودتان ایجاد می‌کنید، به جهان هستی شکل تازه‌ای بدهید و زنجیره‌های ایجاد ماجراهای مورد نظرتان را – چه خوب و چه بد – بدون برداشتن حتی یک قدم به هم متصل کنید.

یک شگفتی به نام انسان

گاهی وسعت شگفتی در قالب پر عظمت واژه‌ها نیز نمی‌گنجد و این وضعیت، این قدرت، این حجم از عدالت، بخشش و بزرگی در شمار همان «گاه‌های» انگشت شمار قرار می‌گیرد. شما شگفت‌انگیز، توانا، غیرقابل وصف، قدرتمند و خاص هستید؛ به گونه‌ای که در هیچ جای این کهکشان، نمونه دومی از شما وجود ندارد.

شاید بتوان این گونه گفت که هر یک از ما جهانی پر عظمت و بسیار پیچیده هستیم که همگی روی تکه سنگی آبی در جهانی بی‌انتها روزگار می‌گذرانیم. گاهی می‌دانیم چقدر بزرگ هستیم، گاهی نمی‌توانیم عظمت خود را درک کنیم و گاهی چنان در اشتباه به سر می‌بریم که خود را عنصری کوچک، بی‌فایده و بی‌هدف می‌پنداریم؛ در حالی که می‌توانیم یک جهان پر از شگفتی و عظمت را به سادگی و به دلخواه خودمان تغییر دهیم. نمی‌توان نامی درخور روی این شگفتی گذاشت. شاید بهتر باشد به رسم گذشتگان، ساده و بی‌آلایش، نامش را انسان بگذاریم!

به اشتراک گذاری

6 Comments

  1. نیره پاسخ

    با سلام و ادب

    بابت مقاله فیزیک کوانتوم بسیااار سپاسگزارم
    و بسیار لذت بردم.
    مدتها بود به دنبال تعریفی گویا و فهیم از این علم بودم و با این مقاله کاملا فیزیک کوانتوم برام قابل فهم شد.

    درپناه خدا همچنان موفق و سلامت باشید.

  2. علی پاسخ

    با سلام وعرض ادب خدمت شما:
    در تایید فرمایشات علمی واثبات شده شما ، جمله ای منسوب به حضرت علی علیه السلام نقل میکنم.ایشان میفرمایند:
    اتزعم انک جرم صغیر وفیک انطوی العالم الاکبر
    یعنی: آیا گمان کرده ای که تو جسم وماده کوچکی هستی درحالیکه در تو عالم بزرگی نهفته است.

  3. Majid پاسخ

    باسلام بسیار عالی و مفید بود واقعا بعد از این همه گیج بودن در مورد کوانتوم شما بسیار شیوا و صریح مطلب رو بیان کردید.سپاس از زحماتتون

  4. لیلا پاسخ

    من امروزداشتم یه کتابی میخوندم که ازفیزیک کوانتوم صحبت کرده بود توی ذهنم گفتم بایدکتابش بخرم وبخونم تابفهمم منظورش چیه.بعدازیک ساعت واردسایت استاد شدم که مقاله ای بخونم که بامقاله فیزیک کوانتوم روبه روشدم خیلی خوشحالم که امروز به نیروی ذهنم ایمان آوردم وممنون ازاستادگرانقدر که من عاشق صحبت هاشون هستم انشالله همیشه پایداروسرزنده باشن

  5. sajedeh پاسخ

    سلام خسته نباشید ببخشید چطوری باید فیزیک کوانتوم رو خوند؟
    ینی هیچ رشته دانشگاهی مجزایی واسش وجود نداره ؟ممنون میشم راهنماییم کنید هیچی تو اینترنت پیدا نکردم

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *