فلسفه فیزیک کوانتوم 2

در مقاله قبلی که لینکش را اینجا قرار داده‌ام، دریافتیم که فرمالیسم مکانیک کوانتومی به شکلی است که فلاسفه و فیزیکدانان را قانع کرده تا از منظر فلسفی نیز به آن توجهی ویژه داشته باشند. زیرا این فرمالیسم نتایج عجیبی دارد که ما را وادار می‌کند تا بازبینی عمیقی در مفاهیم اساسی تفکر عقلانی و تجربی خود داشته باشیم. اما این فرمالیسم چرا شکل گرفته و آیا راهی وجود ندارد که پدیده‌های اتمی را به شکل دیگری فرمول‌بندی کنیم تا به فرمالیسمی که چنین دردسرساز است نرسیم؟ پیش از این که درباره خود فرمالیسم صحبت کنیم، لازم است مسیری که طی شده تا مکانیک کوانتومی به شکل امروزی حاصل شود را به خوبی و با جزئیات بشناسیم.

در سال 1897 فردیناند براون که بیشتر فیزیکدانان وی را به خاطر کشف پدیده حرکت براونی می‌شناسند، لامپ الکترونی را اختراع کرد. لامپ الکترونی یک حباب خلاء است که در یک سر آن صفحه‌ای با روکش فسفر و در سر دیگر آن یک سیستم ساده متشکل از فلز آند و کاتد که دو سر آن به یک باتری وصل است قرار داده شده است. در شکل 1 می‌توانید نمای کلی این لامپ را مشاهده کنید. هنگامی که باتری روشن می‌شود، از کاتد که بار منفی دارد ذراتی ساطع شده و به سمت آند با بار مثبت شتاب می‌گیرند. سپس با عبور از روزنه‌ای که در آند قرار داده شده به صفحه فسفرسان رسیده و با ظاهر شدن یک نقطه نورانی روی صفحه حضور خود را اعلام می‌کنند. این ذرات الکترون نامیده می‌شوند.

این که چطور فیزیکدانان فهمیده‌اند این ذرات الکترون هستند بسیار ساده است. با قوانین حرکت نیوتن و استفاده از یک میدان الکتریکی خارجی، می‌توان خم شدن مسیر الکترون تحت تاثیر این میدان را اندازه‌گیری کرد و بر اساس جهت خم شدن و زاویه آن، نوع و مقدار بار و البته جرم ذره‌ای که در حال عبور از کاتد به آند است را اندازه گرفت و با بار و جرم الکترون مقایسه کرد. از آن جا که مقدار بار و جرم این ذرات با بار و جرم الکترون یکسان هستند، می‌توان نتیجه گرفت ذرات عبوری از کاتد به آند الکترون هستند. تا این جا مشکلی در تفسیر اتفاقی که در حال رخ دادن است وجود ندارد. ذرات ریزی به نام الکترون با بار منفی وجود دارند که وقتی به یک فلز جریان الکتریکی وارد می‌شود، از آن کنده شده و در خلاء از کاتد (با بار منفی) به سمت آند (با بار مثبت) حرکت می‌کنند. این ذرات دارای مسیر مشخصی از کاتد به آند بوده و می‌توان آن‌ها را مانند توپ‌هایی بسیار ریز در نظر گرفت که در حال شلیک در جهتی مشخص هستند. با این حال فیزیکدانان تجربی با تغییر بعضی پارامترهای این آزمایش ساده، در نیمه اول قرن بیستم دریافتند که نمی‌توان با چنین دیدگاهی نسبت به پرتو کاتدی (یا همان الکترون‌ها) نتایج تجربی مختلفی که به دست می‌آید را توضیح داد.

• تغییر اول

داده‌های تجربی که در این آزمایش برای ما مهم هستند و باید با یک تئوری توضیح داده شوند، نقاط نورانی حاصل از برخورد الکترون‌ها روی صفحه فسفرسانس است. در چیدمان آزمایش که در قسمت قبل توضیح دادیم، کافی است یک المنت گرما به سر کاتد وصل کنیم تا افزایش دمای کاتد باعث بالا رفتن تعداد الکترون‌های کنده شده شود. اگر دمای المنت را از کم به زیاد افزایش دهیم، در ابتدا که دما کم است تنها تعدادی نقطه نورانی روی صفحه ظاهر می‌شود ولی هرچه دما بیشتر شود، این تعداد زیادتر شده تا درنهایت به یک لکه نورانی تبدیل شود (شکل 2). این آزمایش نشان می‌دهد که درنظر گیری پرتو کاتدی به شکل ذراتی مجزا از هم، توضیح درستی است زیرا می‌توان تکه تکه بودن نقاط نورانی و سپس تبدیل آن به یک لکه پیوسته را با درنظر گیری الکترون‌ها به‌صورت ذراتی مجزا از هم، توضیح داد.

• تغییر دوم

حال همان چیدمان قبلی را درنظر بگیرید با این تفاوت که این بار یک تک شکاف باریک سر راه مسیر حرکت الکترون‌ها قرار گیرد. چیزی که در عمل مشاهده می‌شود، باریک شدن لکه نورانی است. نتیجه تقریبا براساس فرضیه ذره‌ای بودن پرتوهای کاتدی قابل پیش بینی است. وقتی یک شکاف باریک سد راه ذرات قرار گیرد، تنها ذراتی از آن عبور می‌کنند که تواتایی عبور از این شکاف را از نطر مسیر عبور دارند. پس تجمع این ذرات روی هم یک لکه نورانی باریک را نتیجه خواهد داد. اما موضوع زمانی جالب می‌شود که ما عرض شکاف را بسیار کم کنیم. وقتی این کار انجام شود، با یک لکه نورانی عریض روبرو می‌شویم نه یک لکه نورانی بسیار باریک در حد و اندازه عرض شکاف! (شکل 3) این داده باید با فرضیه قبلی ما قابل توضیح باشد اگر فرض را بر این بگذاریم که فرضیه ما مبنی بر ذره‌ای بودن پرتو کاتدی درست باشد. سعی کنید با تئوری ذره‌ای این داده تجربی را توضیح دهید. مثلا آیا ممکن است ذرات الکترون بعد از عبور از روزنه باریک ناگهان تحت تاثیر یک نیروی اسرارآمیز از هم جدا شده و درنهایت باعث بروز لکه نورانی عریض شوند؟ این تئوری کمی دور از تصور است زیرا دلیلی ندارد این نیروی اسرار آمیز درست بعد از عبور الکترون‌ها از شکاف بروز کند. با این حال ما یک موجود ریاضی دیگر را می‌شناسیم که توانایی توضیح این پدیده را دارد: امواج.

هر موج هنگام عبور از یک روزنه که ابعاد آن در حد و اندازه طول موجش باشد، پراکنده می‌شود. پس اگر تئوری موجی برای توصیف این پدیده مناسب باشد، باید بتواند با کوتاه و بلند کردن طول موج پرتو کاتدی، میزان پراکش مشاهده شده (بزرگ و کوچک شدن عرض لکه نورانی) را مشاهده کرد. در واقع اگر طول موج خیلی بزرگ‌تر از عرض شکاف باشد، ما پراکندگی زیادی مشاهده نمی‌کنیم. در آزمایش نشان داده شده که با کاهش ولتاژ میان کاتد و آند (که البته انرژی پرتو را کاهش داده و نتیجتا طول موج بلند می‌شود) عرض لکه نورانی کم شده و برعکس با افزایش ولتاژ میان کاتد و آند (افزایش انرژی پرتو و کوتاه شدن طول موج) عرض لکه نورانی بیشتر می‌شود. پس برای توجیه این پدیده استفاده از این تئوری که پرتوهای کاتدی می‌توانند امواج الکترومغناطیس باشند بسیار مفید است.

• نتیجه

ما یک چیدمان خاص داریم که با آن ذرات اتمی که الکترون نام دارند را بررسی می‌کنیم. در شرایط خاصی از این آزمایش لازم است که پرتو کاتدی یا الکترون‌ها را مانند ذراتی گسسته از هم در نظر بگیریم و در شرایط خاص دیگری لازم است آن‌ها را دسته‌ای از امواج الکترومغناطیس در نظر بگیریم. کدام تئوری درست است؟

یک تفسیر رایج این است که بگوییم ما با پدیده‌ای به نام موج/ ذره روبرو هستیم که بر اساس بعضی شرایط خاص رفتار ذره‌ای و بر اساس بعضی شرایط دیگر رفتار موجی از خود نشان می‌دهد. اما این موجود چگونه موجودی است؟ مکانیک کوانتومی در پاسخ به این سوال چیزی برای گفتن ندارد و درباره این "هستنده" توضیحی نمی‌دهد. این تئوری تنها یک فرمالیسم مفید برای توضیح این پدیده آزمایشگاهی ارائه می‌دهد و نه بیشتر! پس پرسش از ماهیت و مکانیسم موجودی مثل موج/ ذره در حیطه فیزیک کوانتومی نیست. اما چاره چیست؟ در ادامه که بیشتر با پدیده‌ها و البته خود فرمالیسم مکانیک کوانتومی سروکله زدیم، یک سری چاره برای عقلانی کردن این توضیحات و تفسیرها پیدا خواهیم کرد. فعلا صحبت از راه چاره خیلی زود است. باید بیشتر در پدیده‌های اتمی عمیق شویم و البته به مرور فرمالیسم فهم این سطح از پدیده‌ها و چگونگی کار با آن را بیاموزیم.