تصور ما از واقعیت مبتنی بر تجربیات روزمره است. اما دوگانگی موج-ذره آنقدر عجیب است که ما مجبور می شویم تصورات رایج خود را دوباره بررسی کنیم. دوگانگی موج – ذره به خاصیت اساسی ماده اشاره دارد که در یک لحظه مانند یک موج به نظر می رسد و در لحظه دیگر مانند یک ذره عمل می کند. در ادامه مطلب علم کوانتوم چیست؟ برای درک دوگانگی موج-ذره، بررسی تفاوت‌های بین ذرات و امواج بسیار با ارزش است.
همه ما با ذرات آشنا هستیم، خواه آنها مرمر، دانه های شن، نمک در نمکدان، اتم ها، الکترون ها و غیره باشند. خواص ذرات را می توان با سنگ مرمر نشان داد. سنگ مرمر یک توده کروی از شیشه است که در نقطه ای از فضا قرار دارد. اگر سنگ مرمر را با انگشت خود تکان دهیم، به آن انرژی می دهیم – این انرژی جنبشی است و سنگ مرمر متحرک این انرژی را با خود می برد.
تعداد انگشت شماری از تیله های پرتاب شده در هوا فرو می ریزند و هر سنگ مرمر در جایی که به زمین برخورد می کند انرژی ایجاد می کند. در مقابل، امواج پخش می شوند. نمونه‌هایی از امواج عبارتند از: غلتک‌های بزرگ در اقیانوس باز، امواج در برکه، امواج صوتی و امواج نور. اگر در یک لحظه موج موضعی شود، مدتی بعد در یک منطقه بزرگ پخش می شود، مانند امواجی که وقتی یک سنگریزه را در حوضچه می ریزیم. موج با خود انرژی مربوط به حرکت خود را حمل می کند. برخلاف ذره، انرژی در فضا توزیع می شود زیرا موج پخش می شود.
چرا امواج با ذرات تفاوت بسیاری دارند؟
ذرات در برخورد با یکدیگر جهش می کنند اما امواج در برخورد با یکدیگر عبور می کنند و بدون تغییر ظاهر می شوند. اما امواج
همپوشانی می توانند تداخل داشته باشند – در جایی که یک فرورفتگی با یک تاج همپوشانی دارد، موج می تواند به طور کلی ناپدید شود. الگوی تداخل یک موج در دو سوراخ در یک صفحه نمایش. سوراخ ها در نزدیکی پایین تصویر دیده می شوند.
این را می توان زمانی مشاهده کرد که بخش هایی از یک موج از سوراخ های نزدیک در یک صفحه عبور می کند. امواج در همه جهات پخش می‌شوند و تداخل می‌کنند و به مناطقی در فضا می‌روند که موج ناپدید می‌شود و مناطقی که قوی‌تر می‌شود. تصویر سمت چپ نمونه ای از آزمایش شکاف دوگانه را نشان می دهد که توسط دانشمند انگلیسی توماس یانگ اختراع شده است. این پدیده پراش نامیده می شود.
در مقابل ، سنگ مرمری که روی صفحه پرتاب می‌شود یا به بیرون پرتاب می‌شود یا مستقیماً از یکی از سوراخ‌ها عبور می‌کند. در طرف دیگر صفحه، سنگ مرمر بسته به سوراخی که از آن عبور کرده است، در یکی از دو جهت در حال حرکت است. این ها مثال هایی از دوگانگی موج-ذره است.
دوگانگی موج-ذره : خداحافظی موج با امواج
پدیده پراش یکی از ویژگی های شناخته شده امواج نور است. اما در آغاز قرن بیستم، مشکلی با نظریه‌های امواج نوری که از اجسام داغ منتشر می‌شوند، مانند زغال‌های داغ در آتش یا نور خورشید پیدا شد.
این نور را تابش جسم سیاه می نامند. این تئوری ها همیشه انرژی بی نهایت را برای نور ساطع شده فراتر از انتهای طیف آبی – فاجعه فرابنفش – پیش بینی می کنند. پاسخ این بود که فرض کنیم انرژی امواج نور پیوسته نیست، بلکه در مقادیر ثابتی می آید، گویی از تعداد زیادی ذرات تشکیل شده است، مانند تعداد انگشت شماری از سنگ مرمرهای ما. بنابراین این تصور به وجود آمد که امواج نور مانند ذرات عمل می کنند که این ذرات فوتون نامیده می شوند.
اگر نوری که فکر می‌کردیم موج‌مانند است نیز مانند یک ذره رفتار می‌کند، آیا ممکن است اجسامی مانند الکترون‌ها و اتم‌ها که ذره‌مانند هستند، مانند امواج رفتار کنند؟ برای توضیح دوگانگی موج-ذره در ساختار و رفتار اتم ها، فرض بر این بود که ذرات دارای خواص موج مانند هستند. اگر این درست باشد، یک ذره باید از طریق یک جفت سوراخ با فاصله نزدیک، درست مانند یک موج، پراش شود.
دوگانگی موج-ذره : پراش الکترون و اتم
آزمایش‌ها ثابت کردند که ذرات اتمی درست مانند امواج عمل می‌کنند. وقتی الکترون‌ها را به یک طرف صفحه با دو سوراخ نزدیک به هم شلیک می‌کنیم و توزیع الکترون‌ها را در طرف دیگر اندازه‌گیری می‌کنیم، دو قله را نمی‌بینیم، یکی برای هر سوراخ، بلکه یک الگوی پراش کامل را می‌بینیم، درست مثل اینکه از امواج استفاده کرده است.
این نمونه دیگری از آزمایش شکاف یانگ است که در بالا نشان دادیم، اما این بار با استفاده از امواج الکترونی. این مفاهیم اساس تئوری کوانتومی را تشکیل می‌دهند، شاید موفق‌ترین نظریه‌ای که دانشمندان تاکنون ایجاد کرده‌اند.
نکته عجیب در مورد آزمایش پراش این است که موج الکترونی انرژی را در کل سطح آشکارساز ذخیره نمی کند، همانطور که ممکن است با برخورد موجی در ساحل انتظار داشته باشید.
انرژی الکترون در نقطه ای رسوب می کند، درست مثل اینکه یک ذره باشد. بنابراین در حالی که الکترون در فضا مانند یک موج منتشر می شود، در نقطه ای مانند یک ذره برهمکنش می کند. این به عنوان دوگانگی موج – ذره شناخته می شود.
دوگانگی موج-ذره : در امواج مرموز، حرکت می کند
اگر الکترون یا فوتون به صورت موج منتشر شود اما انرژی خود را در یک نقطه رسوب کند،برای بقیه موج چه اتفاقی می افتد؟
ناپدید می شود، از سراسر فضا، دیگر هرگز دیده نمی شود! به نحوی، آن بخش‌هایی از موج که از نقطه تعامل فاصله دارند، می‌دانند که انرژی از بین رفته و بلافاصله ناپدید می‌شوند.
اگر این اتفاق با امواج اقیانوس می افتاد، یکی از موج سواران روی موج تمام انرژی را دریافت می کرد و در آن لحظه موج اقیانوس در تمام طول ساحل ناپدید می شد. یکی از موج سواران در امتداد سطح آب به شدت موج سواری می کند و بقیه آرام روی سطح آب می نشینند.
این همان چیزی است که با فوتون ها، الکترون ها و حتی امواج اتمی اتفاق می افتد. به طور طبیعی، این معما بسیاری از دانشمندان، از جمله انیشتین را ناراحت کرد. معمولاً زیر فرش جارو می‌شود و در اندازه‌گیری به آن «فروپاشی تابع موج» می‌گویند.
دوگانگی موج-ذره : اصل عدم قطعیت
با انتشار موج، ذره کجاست؟ خوب، ما به طور قطع نمی دانیم. جایی در ناحیه فضا با ابعادی شبیه به توزیع طول موج هایی که موج آن را مشخص می کند قرار دارد. این به عنوان اصل عدم قطعیت هایزنبرگ شناخته می شود که خود گویای دوگانگی موج-ذره است.
برای ذرات معمولی روزمره، مانند سنگ مرمر، نمک و ماسه، طول موج آنها به قدری کوچک است که می توان مکان آنها را به دقت اندازه گیری کرد. برای اتم ها و الکترون ها، این کمتر واضح می شود.
در آزمایش پراش، طول موج الکترون بزرگ است، بنابراین مکان الکترون بسیار نامشخص است. در واقع الکترون مانند یک موج، از طریق هر دو شکاف به طور همزمان حرکت می کند. از نظر ذرات، تصور واقعی این امر برای ما غیرممکن می شود زیرا با تجربه روزمره در تضاد است.
انیشتین نگران این بود که ذره در کجا واقع شده است و به این نتیجه رسید که اطلاعات در نظریه کوانتومی وجود ندارد. انیشتین و همکارانش ناتان روزن و بوریس پودولسکی در مقاله‌ای مشهور در مورد متغیرهای پنهان، دو گزینه را استخراج کردند: یا نظریه کوانتومی اشتباه بود یا مشکل در تصور ما از واقعیت بود.
مجموعه ای از آزمایش های دقیق و هوشمندانه ثابت کرد که نظریه کوانتومی درست است و تصور ما از واقعیت اشتباه است .
دوگانگی موج-ذره : رفتار شبح‌آمیز
اما این پایان ماجرای دوگانگی موج-ذره نیست. آزمایش‌هایی که تصورات ما از واقعیت را رد کرد، شامل دو ذره بود که به‌عنوان یک موج به هم متصل شدند. اندازه‌گیری روی یک ذره بر خواص فیزیکی ذره دیگر تأثیر می‌گذارد، حتی اگر آنها از هم دور باشند. این به عنوان “عمل شبح وار در فاصله” شناخته می شود و نتیجه درهم تنیدگی کوانتومی است.
این یک مفهوم بسیار ظریف است اما اساس کامپیوترهای کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی را تشکیل می دهد!
پس واقعیت چه مشکلی دارد؟
در این مرحله، کل مشکل به سختی می‌تواند ذهن شما را درگیر کند. اما زیاد نگران این موضوع نباشید. همانطور که ریچارد فاینمن، برنده جایزه نوبل و مرد واقعاً درخشان گفت: “من فکر می کنم با خیال راحت می توانم بگویم که هیچ کس مکانیک کوانتومی را نمی فهمد.”
اکثر افرادی که در این زمینه کار می کنند فقط به این مفهوم عادت می کنند و به زندگی خود ادامه می دهند یا فیلسوف می شوند. و اما واقعیت؟ فکر می‌کنم پروفسور فاینمن نیز در این مورد آخرین حرف را می‌زند: «…تناقض فقط تضاد بین واقعیت و احساس شما از آنچه واقعیت باید باشد است.»
منبع : the conversation
