تمام دانش ما در مقایسه با واقعیت،ابتدایی و کودکانه است.ولی با این حال با ارزشترین دارایی ماست.آلبرت اینشتین
 

فیزیک برای امروز و فردا

آشنایی با فیزیک و قلمرو حکومت آن

روابط بین اشیا در جهان اتمى
ساعت ۸:٠٩ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  

 
اوایل قرن بیستم مصادف با دو انقلاب بزرگ در نظریه هاى فیزیکى بود، یعنى مکانیک نسبیت و مکانیک کوانتوم. با شروع قرن بیستم مشخص شد که فیزیک کلاسیک نیوتنى و ماکسولى قادر به پاسخگویى به مشکلاتى که در بررسى اشیا و با اندازه هاى اتمى رخ مى دهد نیست. اما تا دهه 1920 هیچ نظریه اى قادر نبود به خوبى مسائل حوزه اتمى را تبیین کند. در سال ،1927 «هایزنبرگ» تلاش کرد حالت و تکانه یک الکترون را محاسبه کند. «هایزنبرگ» نشان داد انجام آزمایشى که با آن بتوان حالت و تکانه یک الکترون را محاسبه کرد نامیسر است. از طرف دیگر هر محاسبه اى که انجام دهیم، به سبب اختلافى که ابزار محاسبه گر به وجود مى آورد، تقریبى خواهد بود. او استدلال کرد نه تنها عملاً محاسبه کردن امکان پذیر نیست، بلکه به لحاظ نظرى نیز انجام محاسبه به طور دقیق نامیسر است. اما قبل از هایزنبرگ دانشمندان دیگرى در رشد و تکامل نظریه او سهیم بودند. یکى از این دانشمندان «ماکس پلانک» بود. پژوهش هاى وى در خصوص تابش جسم سیاه (جسمى که همه پرتوهاى تابیده شده را جذب مى کند) نشان داد که تابش انرژى به صورت جریانى متصل گسیل نشده بلکه گسیل آن در بسته هاى جداگانه موسوم به «کوانتوا» است (quanta). او با این کشف توانست معادله اى را که در جست وجوى آن بود صورت بندى کند یعنى hV = E که «V» بسامد نور و «h» ثابت پلانک است که عددى بسیار کوچک است و پیوسته در فرمول هاى فیزیک قرن بیستم تکرار مى شود.

اینشتین نیز در نظریه نسبیتش کار پلانک را مبنا قرار داد و تبیین نور بر حسب کوانتوم ها را یکى از اصول موضوعه بنیادى نظریه اش قرار داد. او با کشف اثر «فتوالکتریک» به رشد نظریه کوانتوم یارى رساند. اینشتین پى برد که نور مرکب از ذراتى به نام «فوتون» است. هنگامى که جریانى از فوتون ها گسیل مى شوند تا به یک صفحه فلزى برخورد کنند الکترون هایى که صفحه فلزى از آنها ساخته شده است کنده شده و آزاد مى شوند. در سال 1925 نیز «دوبروى» اعلام داشت الکترون ها ذره نیستند بلکه منظومه هایى از امواج اند. «شرودینگر» این نظریه را گسترش داد و اعلام کرد نه فقط الکترون ها، بلکه فوتون ها، اتم ها و تمام مولکول ها را مى توان به منزله امواج دانست. «هایزنبرگ» در این سال ها وارد صحنه مى شود. وى نشان داد با توجه به نوع معادله اى که استفاده مى شود فیزیکدان ها مى توانند کوانتوم هاى نور را ذرات یا امواج محسوب کنند. او در تلاش هایش براى تعیین حالت و تکانه یک الکترون به این نتیجه رسید که دشوارى اى که در چنین محاسبه اى وجود دارد این است که الکترون کوچک تر از یک موج نورى است. چون براى مشاهده الکترون باید از میکروسکوپ استفاده کرد و هنگام استفاده از میکروسکوپ از یک چشمه نور هم استفاده خواهیم کرد. چون بنابر اثر فوتوالکتریک اینشتین، فوتون هاى نور در حالت الکترون ها اختلال ایجاد مى کند در نتیجه در محاسبه حالت و تکانه یک الکترون با دو مشکل روبه روییم:

اول آنکه از هر نورى استفاده کنیم در حالت الکترون اختلال ایجاد مى شود و اگر از پرتوهاى گاماى رادیوم استفاده کنیم چون آنها هم بسامد بالا دارند و هم موج هایى با طول موج هاى کوتاه تر از نور، در نتیجه در حالت الکترون اختلال ایجاد مى کنند. به این ترتیب محاسبه حالت و تکانه الکترون عملاً و نظراً غیرممکن است. این نظریه کوانتوم جدید به سرعت در حوزه عمل نیز موفقیت خود را ثابت کرد هم در شرح پدیده هایى مانند پایدارى اتم ها و هم در پیش بینى جزئیات کمى مانند طول موج و شدت نورى که اتم ها در هنگام تحریک گسیل مى کنند. در مکانیک کلاسیک نیوتنى، حالت یک سیستم در یک زمان خاص کاملاً با داشتن مکان و تکانه هر یک از اجزاى سازنده آن، مشخص مى شود. در نظریه مکانیک کلاسیک، معادلات حرکت مى توانند تغییر حالت سیستم را مشخص کنند. لااقل در مورد سیستم منزوى ساده حل این معادلات حالت سیستم را در همه زمان هاى بعدى مشخص مى کنند. با توجه به حالت اولیه و نیروهاى عمل کننده بر آن، مکانیک کلاسیک نظریه موجبیتى است. رفتار زمان هاى آینده سیستم منحصراً به وسیله حالت فعلى تعیین مى شود. در این حالت یک مشاهده ایده آل حالت سیستم نه تنها موقعیت و تکانه دقیق هر یک از اجزاى سازنده آن را در یک زمان خاص تعیین مى کند بلکه پیش بینى حالت آینده دقیق آن را نیز ممکن مى سازد. اگرچه مکانیک کوانتوم از همان کمیت هاى دینامیکى استفاده مى کند با این حال براى سیستمى که در مورد آن اعمال مى شود (مانند الکترون) حالتى را که در آن همه کمیت ها مقدار دقیقى داشته باشند مشخص نمى کند. در عوض حالت یک سیستم منزوى به وسیله یک مفهوم ریاضى انتزاعى نشان داده مى شود. به طور نمونه یک تابع موج یا به طور کلى تر یک بردار حالت (بردارى که از یک nتایى تشکیل شده است که تعدادى ورودى و تعدادى خروجى دارد). این بردار فقط نشان مى دهد که یک اندازه گیرى از هر کمیت دینامیکى سیستم با چه احتمالى، مقدارى مشخص را پیدا مى کند و هیچ یک از این احتمالات نمى تواند معادل با یک یا صفر باشد. به علاوه هیچ تلاشى براى تعیین حالت اولیه سیستم از طریق اندازه گیرى کمیت هاى دینامیکى نمى تواند اطلاعاتى بیش از آنچه یک بردار حالت به ما مى دهد فراهم کند. به طور کلى هیچ اندازه گیرى یا حتى تعیین نظرى حالت فعلى سیستم نمى تواند در چارچوب نظرى مقادیرى را که در اندازه گیرى هاى یک کمیت دلخواه دینامیک در زمان هاى بعدى مشاهد مى شوند، تعیین کند.

در این معنا، نظریه مکانیک کوانتوم «غیرموجبیت گرایانه» است. مکانیک کوانتوم در دهه 1920 بحث هاى داغى را میان فیزیکدانان ایجاد کرد که در نهایت به «تفسیر کپنهاگى» انجامید. تفسیر کپنهاگى به صورت کلى بیان مى کند که کامل ترین توصیف یک سیستم در یک زمان معین تنها از نظر احتمالاتى پیش بینى رفتار آتى آن را ممکن مى سازد. این تفسیر کپنهاگى اشاره بر این دارد که جهان غیرموجبیتى است. آیا این سخن به معناى نفى علیت است؟ علیت واژه مبهمى است. اگر علیت به این معناست که پدیده هاى تکرارپذیر قوانین طبیعى را تایید مى کنند پس مکانیک کوانتوم نفى علیت نیست حتى اگر این نظریه دلالت بر این داشته باشد که جهان نهایتاً غیرموجبیتى است. اگر علیت معادل با موجبیت (نظریه اى موجبیت گرایانه است که آگاهى معین درباره رویدادهایى معین در زمان و مکان خاصى بدهد) است، پس علیت در چنین جهانى ناتوان است. اما آیا علیت مى تواند در یک جهان غیرموجبیتى وجود داشته باشد؟ این سئوال و سئوالاتى مشابه بحث هاى دقیق فلسفى را ایجاد کرده است که تا به امروز محل نزاع فیلسوفان است.

فلسفه علم _ نیکلاس کاپالدى. ترجمه على حقى. 1377.


کلمات کلیدی: فیزیک جدید