کشف جدید دانشمندان؛ قوانین دنیای ذرات میکروسکوپی متفاوت است

به گزارش بولتن نیوز، به نقل از ethz.ch، فیزیک کوانتومی چشم ما را به ماهیت واقعی جهان باز می‌کند. هیچ چیز را نمی‌توان به طور جداگانه مشاهده کرد، همه چیز به طور تصادفی اداره می‌شود. ما به طور کلی فرض می‌کنیم که اشیا مستقل از ما و سایر اجسام وجود دارند. ما می‌توانیم یک شیشه را به عنوان یک شیء کاملاً مشخص مشاهده کنیم و خصوصیات شیمیایی یا فیزیکی آن را در آزمایشگاه بررسی کنیم. حتی می‌توانیم رفتار آن را در هر مقطع زمانی پیش بینی کنیم به شرطی که همه عوامل بیرونی موثر بر آن را بدانیم. از موتور بخار گرفته تا لامپ، بسیاری از نمونه‌های پیشرفت علمی بر اساس این مفهوم است که همه آن‌ها توسط فیزیک کلاسیک به قوانین قابل تأیید طبیعت مانند مکانیک نیوتنی، الکترودینامیک و ترمودینامیک تبدیل شده اند.

با این حال در اوایل قرن بیستم، این دیدگاه قطعی از جهان شروع به فروپاشی کرد. فیزیکدانانی مانند ماکس پلانک، آلبرت انیشتن و نیلز بور نشان دادند که فیزیک کلاسیک نمی‌تواند پدیده‌ها را در سطح اتم‌ها و ذرات بنیادی توصیف کند. به نظر می‌رسد که جهان ذرات میکروسکوپی با قوانین اساسی متفاوت اداره می‌شود.

پایان جبرگرایی

ایتینگر، متخصص مفاهیم فلسفی و معرفتی نظریه کوانتوم می‌گوید: "در جهان زیر اتمی، ما دیگر نمی‌توانیم مواد را به صورت جداگانه مشاهده کنیم، زیرا فیزیک کوانتومی به ما می‌گوید که همه چیز را می‌توان به هم ربط داد. اگر سیستمی از الکترون‌ها، فوتون‌ها یا سایر ذرات میکروسکوپی را اندازه گیری یا مشاهده کنیم، ناگزیر با سیستم تعامل داریم و بخشی از آن می‌شویم. به این ترتیب، ما در حال بررسی نه یک واقعیت مستقل، بلکه همه تغییراتی هستیم که ناگزیر با اندازه گیری‌ها یا سایر مداخلات ایجاد می‌شوند. علاوه بر این، در حالی که در فیزیک کلاسیک رفتار ظاهراً تصادفی فقط به دلیل اطلاعات نادرست یا خطای اندازه گیری رخ می‌دهد، نظریه کوانتومی تصادفی بودن را به یک اصل اساسی ارتقا می‌دهد. نمایش فیزیکی کوانتومی ما از جهان به وضوح دلالت بر تصادفی واقعی در جهان دارد. "

آزمایش دو شکاف

اگر فوتون‌ها را از منبع نوری بر روی صفحه آشکارساز شلیک کنیم، آن‌ها در نقاطی تصادفی که در یک منطقه وسیع پخش شده اند روی صفحه ظاهر می‌شوند، حتی اگر در شرایط فیزیکی یکسان شلیک شوند. هیچ الگویی را نمی‌توان تشخیص داد؛ تصادف بر اینجا غالب است، اما اگر بخواهیم در شرایط مشابه تجربی چندین گلوله را از یک تپانچه شلیک کنیم، می‌توانیم مطمئن باشیم که همه آن‌ها به یک نقطه برخورد کرده اند.

اگر صفحه‌ای را که دارای دو شکاف یکسان و موازی است بین منبع نور و صفحه آشکارساز قرار دهیم و آزمایش فوتون را تکرار کنیم، الگویی از نوار‌های متناوب روی صفحه ظاهر می‌شود. این الگوی تداخل راه راه را می‌توان با یک تابع موج به صورت ریاضی نشان داد که فیزیکدانان را قادر می‌سازد تا احتمال برخورد ذرات به یک نقطه خاص روی صفحه را تعیین کنند. در جهان کوانتوم، این گونه گزاره‌های احتمالی جایگزین جبرگرایی فیزیک کلاسیک می‌شوند. این آزمایش یک شگفتی دیگر نیز در پیش دارد؛ اگر در هر شکاف یک آشکارساز ذرات قرار دهیم تا مشخص شود هر فوتون از کدام یک از آن‌ها عبور می‌کند، الگو یکبار دیگر تغییر می‌کند.

به گفته پروفسور ETH tingtinger، لحظه‌ای که صفحه دو شکاف و آشکارساز‌ها را به آزمایش اضافه می‌کنیم، دنیا را تغییر می‌دهیم، زیرا هر یک با فوتون‌ها تعامل می‌کند و روی آن‌ها تأثیر می‌گذارد. این امر در مورد سایر ذرات بنیادی نیز صدق می‌کند؛ نه اتم‌های کامل و نه الکترون‌های جداگانه را می‌توان بدون در نظر گرفتن آن‌ها به عنوان بخشی از یک سیستم جامع بزرگتر اندازه گیری کرد. اما اگر همه موارد با هم مرتبط باشد، چگونه ممکن است که بتوانیم شیشه و سایر اجسام بزرگ را به صورت جداگانه مشاهده کنیم؟ ایتینگر و دیگر فیزیکدانان نظری استدلال می‌کنند که اثرات انسجام در حال کار است و روابط متقابل در مورد اجسام بزرگ به سرعت از بین می‌رود. به همین دلیل است که ما می‌توانیم یک شیشه یا سنگ را جداگانه بدون در نظر گرفتن تعاملات آن با محیط اطراف مشاهده کنیم.

توضیحات ایتینگر در مورد ماهیت جامع سیستم‌های کوانتومی و انعطاف پذیری قطعاً قانع کننده است، اما با قرائت غالب نظریه کوانتومی که در ابتدا توسط نیلز بور ارائه شده بود، مغایرت دارند. نسخه بور که به تفسیر کپنهاگ معروف است، بیان می‌کند که مکانیک کوانتومی خود واقعیت را توصیف نمی‌کند بلکه وضعیتی از دانش درباره واقعیت را توصیف می‌کند. فرض بور این بود که هر جسمی در فیزیک کوانتوم همیشه ویژگی‌های موج و ذره را نشان می‌دهد.

دانشمندان از این اصل به عنوان اصل مکمل یا دوگانگی ذره موج یاد می‌کنند. در این تفسیر، نوار‌های روشن و تیره الگوی تداخل در آزمایش دو شکاف نشانگر این است که فوتون‌ها واقعاً از دو شکاف به عنوان امواج عبور می‌کنند. اندازه گیری حرکت آن‌ها با یک آشکارساز باعث فروپاشی عملکرد موج می‌شود به همین دلیل فوتون‌ها بعداً به عنوان ذرات مجزا روی صفحه ظاهر می‌شوند. ایتینگر و دیگر فیزیکدانان با توجه به این مفاهیم پرسش‌هایی از قبیل چرا باید فرض کنیم که ذرات به شکل موجی حرکت می‌کنند؟ آیا این فرض با مفهوم فروپاشی تابع موج مغایرت ندارد؟ به هر حال چگونه باید مفهوم ذره را در فیزیک کوانتوم تفسیر کنیم؟ و آیا این ذرات می‌توانند در امتداد مسیر‌ها حرکت کنند؟ را مطرح می‌کنند.

نظریه میدان کوانتومی

به گفته ایتینگر، چنین پرسش‌هایی ما را مجبور می‌کند اصطلاحات کلاسیک مانند ذره، موج و حرکت را کنار بگذاریم. او نظریه میدان کوانتومی را امیدوارکننده‌ترین نقطه شروع برای توضیح اساسی پدیده‌های کوانتومی می‌داند، هر چند که فرمول بندی قوی و گرافیکی آن مشکلات عمده‌ای را به همراه دارد. در نظریه میدان کوانتومی، ذرات جدید می‌توانند در هر زمان ظاهر و ناپدید شوند. به جای تمرکز بر روی ذرات منفرد، ایتینگر ترجیح می‌دهد در مورد ابر‌های ذره‌ای یا ازدحام ذرات صحبت کند که در آن تنها با دستیابی به وضوح مشخص می‌توان ذرات منفرد را تشخیص داد.

این که آیا این تفسیر جهان کوانتومی در نهایت قانع کننده‌تر خواهد بود یا خیر، احتمالاً تا مدتی همچنان محل بحث خواهد بود. با این وجود، کاربرد‌های نظریه کوانتوم مدت هاست که بخشی از زندگی روزمره ما شده اند، حتی اگر به نظر برسد که ما به طور کامل فرمالیسم ریاضی را که بر اساس آن ساخته شده است درک نمی‌کنیم. برداشتن آن گام مستلزم تمایل به گسترش دامنه تجربیات فعلی ما با ترکیب بینش‌های جدید است.