از نظر دانشمندان انسان موج است یا ذره

از نظر دانشمندان انسان موج است یا ذره

فیزیک کوانتوم چیست؟

کوانتوم مکانیک شاخه‌ای از علم فیزیک است که دنیای ذرات بسیار کوچک را مورد بررسی قرار می‌دهد. این شاخه از فیزیک، نتایجی عجیب را در پی دارد که در دنیای واقعی قابل توجیه نیستند. در مقیاس الکترونی و اتمی، بسیاری از معادلات فیزیک کلاسیک که توصیف‌کننده نحوه حرکت اجسام هستند، نمی‌توانند فیزیک مسائل را توصیف کنند.

در فیزیک کلاسیک، یک جسم در یک لحظه مشخص، در مکانی مشخص قرار می‌گیرد. این در حالی است که در کوانتوم مکانیک الکترون‌ها در فضایی احتمالی قرار دارند. در حقیقت احتمال وجود آن‌‌ها در نقطه‌ AA، برابر با عددی مشخص بوده و در نقطه BB، این احتمال عددی متفاوت است.

سه اصل انقلابی

فیزیک کوانتوم از ریاضیاتی برخوردار است که آزمایش‌های غیر قابل توصیف در مکانیک کلاسیک را توجیه می‌کند. سرآغاز این علم به ابتدای قرن بیستم و به زمانی باز می‌گردد که آلبرت انیشتین مقاله‌اش را در مورد نسبیت چاپ کرد.

نسبیت انیشتین توصیف‌کننده نحوه حرکت اجسام در سرعت‌های بسیار بالا است. برخلاف نسبیت، فیزیک کوانتوم را نمی‌توان به دانشمندی خاص نسبت داد، چرا که فیزیکدانان بسیاری در توسعه آن نقش داشته‌اند.

در بین سال‌های ۱۹۰۰ تا ۱۹۳۰ سه اصل انقلابی توسط دانشمندان، توسعه داده شدند که با استفاده از آزمایش به تدریج مورد پذیرش جامعه علمی قرار گرفتند. این سه اصل، کوانتیزه بودن مشخصه‌های ماده، ذره‌ای بودن نور و موجی بودن ماده است(1).

نور به‌صورت بسته‌هایی از انرژی تحت عنوان فوتون در نظر گرفته می‌شود.

ذره‌های نور

نور در مواردی رفتاری ذره‌ای را از خود نشان می‌دهد. در ابتدا پذیرش ذره‌ای بودن نور مشکل به نظر می‌رسید، چراکه پس از ۲۰۰ سال آزمایش، دانشمندان به این نتیجه رسیده بودند که نور از جنس موج است. این فرض دقیقا همانند حالتی است که سنگی را در آب انداخته و در نتیجه آن موج تشکیل شود.

در حالت کلی قله‌های نور (با توجه به موجی بودن آن) می‌توانند با یکدیگر جمع شوند که منجر به افزایش شدت آن شده و یا از هم کم شوند که منجر به ایجاد تاریکی می‌شود.

منبع نور را می‌توان همچون توپی در نظر گرفت که با نظم مشخصی به مرکز بستری از آب ضربه می‌زند. رنگ نور وابسته به فاصله بین قله‌ها است؛ توجه داشته باشید که این فاصله معادل با سرعت ضربه زدن توپ به آب است(2)

موج‌های ماده

ماده نیز می‌تواند رفتاری موجی از خود نشان دهد. این گزاره خلاف آزمایش‌هایی است که در مدت زمان ۳۰ سال انجام شده بود. این بیان نیز بسیار عجیب به‌نظر می‌رسد. در ادامه موجی بودن ماده و همچنین دو مورد بیان شده در بالا را با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهیم.

دوگانگی موجی-ذره‌ای اجسام

تمام اجسام خاصیت دوگانگی موجی-ذره‌ای را از خود نشان می‌دهند. یعنی یک انسان نیز کاملا ذره نیست و خاصیت موجی از خود نشان می‌دهد. اما همانطور که می‌دانید این خاصیت موجی به صورت ملموس دیده نمی‌شود.

برای مثال اگر طول‌موج یک انسان که در حال دویدن با سرعت عادی است حساب شود، مقداری با مرتبه بزرگی ۳۴- متر بدست می‌آید. دوباره مشاهده می‌شود که این مقدار بسیار کوچک است و عملا تکرار آن انسان (به عنوان یک موج) روی خودش می‌افتد و درنتیجه خاصیت موجی آن به صورت ملموس دیده نمی‌شود. اما اگر طول‌موج برای یک الکترون درون یک ساختار بلوری محاسبه شود مقدار حدودی یک آنگستروم بدست می‌آید. این مقدار برابر با فاصله بین اتم‌ها در ساختار بلوری است.

در نتیجه برای الکترون که طول‌موج آن در حد و اندازه فاصله صفحات بلوری (یعنی جایی که در آن حضور دارد) است خاصیت موجی به صورت ملموس دیده می‌شود. ولی برای یک انسان طول‌موج بدست آمده بسیار بسیار کوچکتر از اندازه فضایی است که در آنجا قرار دارد و به همین دلیل است که خاصیت موجی آن به صورت ملموس دیده نمی‌شود(3).

موج و ذره

تا قبل از تولد فیزیک کوانتوم؛ دیدگاه ما نسبت به جهان بر مبنای فیزیک نیوتنی استوار بود. این دیدگاه برای جهان یک ماهیت ماشینی و مکانیکی قائل و معتقد بود جهان قابل پیش بینی است تا حدی که وجود یا عدم وجود انسان هیچ تاثیری در عملکرد جهان ندارد.

با تولد فیزیک کوانتوم و با ورود علم به دنیای درون اتم چیزهایی آنچنان شگفت آور کشف شدند که جهان بینی انسان نسبت به هستی و نسبت به خودش تغییر کرد. ماهیت ماشین وار جهان جای خود را به عالمی زنده ، آگاه ، غیر قابل پیش بینی و در عین حال کاملاً پاسخگو داد.

فیزیک کوانتوم ذهن و آگاهی انسان را وارد بر واقعیتهای جهان می داند بطوریکه معتقد است بدون وجود انسان واقعیتها یعنی دنیای ماده اینگونه که مشاهده می شوند، وجود نمی داشتند. و مهمتر از همه نقش سطح آگاهی انسان در تاثیر گذاری بر وقایع جهان از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

از نگاه فیزیک کوانتوم جهان درون اتم بیشتر شبیه سرزمینی سحر آمیز است تا ادامه جهان طبیعی. قلمرویی عجیب که در آن نیروهای راز آمیز به مثابه چیزهای عادی قلمداد می شود و منطق دنیای ماده در آن جای ندارد.یکی از کشفیات حیرت انگیز فیزیکدان های کوانتوم این بود که اگر شما ماده را به تکه های کوچک تقسیم کنید، سرانجام به جایی می رسید که آن تکه ها – الکترونها ، پروتونها و غیره – دیگر حاوی ویژگیهای شیء مادی نخواهند بود.

مثلاً ما غالباً الکترون را به مثابه یک گوی کوچک در حال چرخش می پنداریم ، ولی این پندار از حقیقت بسیار دور است. گرچه الکترون گاه چنان عمل می کند که گویی یک ذره کوچک منسجم است، ولی فیزیکدانها دریافته اند که الکترون تقریباً واجد هیچ بعدی نیست.

درک و تصور این گفته برای اغلب ما مشکل است چون هرچیزی در سطح وجود انسانی واجد بعد است با این حال چنانچه بخواهید عرض یک الکترون را اندازه بگیرید هرگز نمی توانید. چون یک الکترون مثل اشیای معمولی دیگری که می شناسیم نیست.

کشف دیگر فیزیکدانها این بود که الکترون قادر است هم به صورت ذره و هم به صورت موج نمود کند که به نظریه مکمل یا دوگانگی موج – ذره مشهور است. اگر الکترونی را به سوی صفحه تلویزیون خاموش پرتاب کنیم، یک ذره نورانی پدیدار می شود که از اصابت الکترون به مواد فسفری که پشت صفحه تلویزیون را فرا گرفته به وجود آمده است. نقطه حاصل از اصابت الکترون بروشنی وجه ذره‌ای ماهیت آن را آشکار می سازد. اما این تنها شکلی نیست که الکترون قادر است به خود بگیرد. چه الکترون می تواند به توده ابر مانندی از انرژی بدل شود و چنان عمل کند که انگار موجی است گشوده در فضا.

هر گاه الکترون به صورت موج نمود کند، کاری می کند که از هیچ ذره‌ای بر نمی آید. مثلاً اگر به مانعی که دو شکاف دارد بر خورد کند، می تواند همزمان از هر دو شکاف گذر کند. هرگاه الکترونهای موج گونه به هم اصابت کنند بی درنگ الگوهای متداخل تولید می کنند. این خصلت دوگانه الکترون را نیز می توان در تمام ذرات زیر اتمی و در همه آن چیزهایی که تصور می شد تنها به صورت موج متجلی می شوند مانند نور، اشعه های گاما، امواج رادیویی و اشعه ایکس نیز باز یافت و همه اینها می توانند از حالت موج گونه به ذره بدل شوند.

امروزه فیزیکدانها معتقدند که پدیده زیر اتمی را نمی باید تنها به عنوان موج یا ذره طبقه بندی کرد، بلکه باید به عنوان چیزهایی در نظر گرفت که همواره به نوعی قادرند هر دو باشند. این چیزها کوانتا نام دارند و فیزیکدانها معتقدند که کوانتا در حکم ماده اولیه ای است که کل جهان از آن به وجود آمده است(4)

شاید اعجاب آورتر از همه این باشد و همه شواهد و مدارک هم موید آن است که کوانتا ( کوانتوم ها) تنها زمانی به صورت ذره نمود می کنند که ما بدانها می نگریم. برای مثال وقتی کسی به الکترون نگاه نمی کند، آزمایش ها نشان می دهند که همواره موج است. این اصل چه می خواهد بگوید و معنای آن در دنیای اتم و زندگی روزمره ما چیست؟

 در واقع فیزیک کوانتوم می گوید که اتم هیچ محدوده معینی ندارد مگر اینکه مورد مشاهده قرار گیرد. بدون شما ( ناظر) همه اتم ها با سرعتی فوق العاده به درون جهان گسترده می شوند. عمل مشاهده و توجه دقیق است که گسترش مکانی اتمها را کاهش می دهد و آنها راتبدیل به واقعیتهای ملموس می کند.

به بیان ساده تر می گوید اتم و الکترونهای اتم که در یک محدوده مکانی مشخص به دور هسته (ذرات بنیادی) در گردش هستند و ما به آن ماده می گوئیم اگر انسان ( در فیزیک به آن ناظر و مشاهده‌گر گفته می شود) وجود نداشته باشد اتم محدوده مشخص خود را از دست می دهد و الکترونها و ذرات بنیادی تبدیل به موج شده با سرعت زیاد شروع می کنند به دور شدن از یکدیگر و به این ترتیب همه واقعیتهای ملموس ناپدید می شوند.

بنابراین بر خلاف دیدگاه فیزیک نیوتونی ( و آنچه به آن عادت داریم) که واقعیات (جهان ماده) مستقل از ما هستند در فیزیک کوانتومی واقعیات وابسته به ما هستند. در واقع بدون ذهن ناظر وعمل تفکر هیچ ذره ، هیچ اتم و هیچ جهان مادی وجود ندارد و واقعیت با فعالیت های ذهنی ما ساخته و پرداخته می شود(5).

اگر یک اتم مورد مشاهده قرار نگیرد اتم به اندازه یک میلیاردم از یک میلیارد قسمت یک ثانیه طول می کشد تا گسترده شده و محو گردد. این گستردگی تا آن زمان ادامه می یابد که آن را مشاهده کنید. فیزیکدانها این محو شدگی را عدم قطعیت می نامند.

خاصیت دوگانگی موجی-ذره‌ای و همینطور گسسته بودن انرژی عام است و برای همه اجسام صدق می‌کند. اما این حالت برای اجسام بزرگتر ملموس نیست و برای ذراتی همچون الکترون ملموس است و اثرات آن دیده می‌شود.

این توضیحات برای مشاهده اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نیز صادق است. از مهم‌ترین نتایجی که توسط فیزیک کوانتوم گرفته می‌شود، حل معادله شرودینگر برای الکترون در شرایط مختلف است که یکی از مهم‌ترین آنها مربوط به الکترون درون یک اتم است. با حل معادله شرودینگر در این حالت سه عدد کوانتومی اصلی بدست می‌آید و باتوجه به آن می‌توان اوربیتال‌های مرجح الکترون در یک اتم را تعیین نمود(6).

فیزیک کوانتوم، شاخه ای از فیزیک نظری است که در مقیاس اتمی و زیراتمی به جای مکانیک نیوتنی و پیش بینی دقیق، توصیف گر جهان میکروسکوپی و چگونگی ذرات بر اساس حساب احتمالات است.
فیزیک کوانتوم، مدل منظومه ای الکترون ها را نمی پذیرد. یعنی الکترون ها را ذراتی همچون منظومه شمسی به دور هسته مرکزی توصیف نمی کند؛ بلکه نظریه دو گانگی موج ذره، را مطرح می کند. یعنی الکترون در فیزیک کوانتوم، هم به صورت ذره و هم به صورت موج توصیف می شود. ساختار اتم در این مدل، از طریق حواس ظاهری و با کیفیات حسی و مقولات زمان و مکان و علیت، بیان پذیر نیست.

یک الکترون، یک کوانتوم به معنای یک بسته است. بر اساس برخی نگرش ها موج و ذره بودن الکترون ها و کوانتوم ها، به ناظر نیز بستگی دارد. الکترون های اتم با نبود ناظر، محدوده مشخصی نخواهند داشت و به موج تبدیل می شوند. فیزیک کوانتوم برای مشاهده گر در فرایند تجربه سهم زیادی قایل است؛ بر این اساس، قوانین دقیق در جهان اتم حکومت نمی کند(7و8).

نتيجه گيري

يكي از نتايجي كه از مباحث مطرح در آزمايشهاي ذكرشده ممكن است به ذهن ما بيايـد اين است كه از انتخاب آگاهانة ذرات سخن بگوييم. ذرات ميتوانند بـا يـك شـعورمندي خاص و البته محدود در حد خود از پيرامون خود نوعي حساسيت و آگاهي داشته باشـند و به تناسب شرايط پيراموني، رفتار خاصي از خود بروز دهند. تابع موج محتواي اطلاعاتي الكترون را دربر دارد و سرنوشت آن را تعيين ميكنـد. دانشمندان معتقد هستند كه اين ممكن است شبيه شعور باشد:

«الكترون تا آن جا كه در برابر يك معنا در محيط خود عكس العمل دارد، محيط را مشـاهده ميكند. آن دقيقاً كاري را ميكند كه انسانها ميكنند»

در ساحت آيات و روايات، با وجود شعورمند زمين، آسمان و هر آنچه در اين دو به سر ميبرند مواجه هستیم. اينها گواه زندگي ما و رفتارهاي ما هستند؛ در رفتار ما اثر ميگذارند و به طور متقابل از اعمال ما اثر ميپذيرند. در اثر رفتار خوبمان، بركـات را از آسـمان و زمـين بـه روي مـا گشـايند (اعراف: 96) . و در اثر رفتار بد ما فساد در دريا و خشكي نمايان ميشود (روم: 41). بنابراين بحث شعورمندي موجودات و شعور در عوالم هستي در محضر قرآن كـريم و روايـات شـريف، موضوع آشكاري است. قرآن كريم در بيش از 50 آيـه، از تسـبيح و تقـديس، سـجده و خضـوع، تسليم و قنوت و علم و شعور همة موجودات در دعا و تسبيحشان خبر ميدهد. طبق اين تعاليم، همة اين موجودات بر اعمال ما در قيامت گواهي خواهند داد.

بنابراين همانطور كه برخي علماي دين تصريح كرده اند، موجودات گوناگون از جمله اعضاي بدن انسان نه اينكه ايـنجـا علـم بـه رفتار انسان ندارند، بلكه علم دارند ولي اذن ندارند؛ در قيامت اذن خدا در نطق و تكلم آنان نسبت به اداي شهادت است. در دعاهـاي معصـومين(ع) نجواي يك بندة نيايشگر را با برخي مخلوقات خداي متعـال شـاهديم. به گونه اي كه گويا با يك موجود شعورمند سخن ميگويد (10). در عرفان و فلسفه هم «هر موجودي به قدر سعة وجود خود، حي و مدرك و فعال است و از باب سريان علم و قدرت و اراده و سمع و بصر و حب و عشق در ذراري وجود، همة حقايق، حي و زندهاند حتي ماديات و جمادات …» (11)

منابع

1. هالیدی، دیوید. رزنیک، رابرت. واکر، جرل. -مبانی فیزیک. تهران، انتشارات مبتکران، 1386.
2. گریفیث، دیوید. جِی، آشنایی با مکانیک کوانتومی، ویراست دوم، ترجمهٔ حمیدرضا مشفق، سعید واشهری، فرشاد نژادستاری، تهران، نشر کتاب دانشگاهی، 1388
3. Kasap, Safa O. Principles of electronic materials and devices. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 2006.
4. آیا افکار ما توسط مکانیک کوانتم کنترل می‌شود؟ ترجمه‌ای از مقاله مجلهcom , January 13, 2009>>
5. Mitin, Vladimir V., Dmitry I. Sementsov, and Nizami Z. Vagidov. Quantum mechanics for nanostructures. Cambridge University Press, 2010.
6. Levi, Anthony Frederic John. Applied quantum mechanics. Cambridge University Press, 2006.
7. Herbert, Nick, Quantum Reality: Beyond the new Physics (Nee york: Doubleday, 1985) p: 30
8. ایان باربور، علم و دین، ترجمه بهاء الدین خرمشاهی، تهران، مرکز نشر دانشگاهی، 1374، بخش سوم
9. . قرآن مجيد
10. صحيفة سجاديه: دعـاي رؤيـت هلال (دعاي 43
11. فيض كاشاني، ملا محسن (1362 :53) .(اصول المعارف، مقدمة سيد جلالالدين آشتياني، قم: دفتر تبليغات اسلامي).