فوتون ذره ای و فوتون موجی در یک فضای کوانتمی

فوتون ها ذرات بسیار کوچک مادی می باشند که به دلیل کوچکی بسیار زیاد خود این امکان را دارند که براحتی تحت تاثیر فضاهای کوانتمی مادی و غیرمادی قرار گیرد و خواص منحصر به فردی از جمله سرعت بالا و ثابت در چهارچوب های مختلف و نیز خاصیت موجی و ذره ای را از خود بروز می دهند.

در یک فضای کوانتمی مادی فوتونها به صورت ذره می باشند و در هنگام عبور از یک فضای غیرمادی تبدیل به موج می شوند و بنابراین بسته به فضای اطراف خود می توانند خواص ذره ای یا موجی از خود بروز دهند . فوتون ها دارای ابعاد مختلفی می باشند و این ابعاد می تواند در خواص آنها بسیار موثر باشد فوتون های بزرگ تر اصطلاحا فرکانس بالاتری را دارند و در یک محیط مادی بهتر حرکت می نمایند و بیشتر از فوتون های با فرکانس پایین تر می توانند از محیط مادی عبور نمایند و کمتر تحت تاثیر فضای کوانتمی غیرمادی قرار می گیرند. فوتون های بزرگ تر با فرکانس بالاتر هنگام عبور از فضای غیرمادی موجود در اطراف محیط مادی تونل می زنند و از خود خاصیت موجی بروز می دهند تبدیل موج به ذره در یک محیط مادی صورت می گیرد و در این محیط هر چه فضای کوانتمی مادی بزرگتر باشد فوتون به راحتی تشکیل می شود و فوتون های بزرگتر در این موارد ارجحیت دارند و در نتیجه فوتون های با فرکانس بالا بهتر از یک محیط مادی عبور می نمایند . در ضمن تونل زدن فوتون ها به میزان محیط غیرمادی بستگی دارد و هر چه محیط غیرمادی کوچکتر باشد امکان تونل زدن آسان تر می شود در نتیجه در نزدیکی محیط های مادی تونل زدن به راحتی صورت می گیرد و ذرات فوتونی کوچک تر (با فرکانس پایین تر) با توجه به این که نسبت حجم کمتری را از فضای کوانتمی غیرمادی اشغال می نمایند سخت تر از ذرات فوتونی بزرگ تر تونل می زنند. نکته اساسی در این است که نقش مهم فضا در حرکت امواج بسیار قابل ملاحظه می باشد. در یک فضای غیرمادی بسیار کوچک ذرات فوتونی کوچک تر نیز به راحتی تونل زده و از خود خاصیت موجی نشان می دهند و برعکس در یک فضای کوانتمی غیرمادی بسیار بزرگ می توان به حالتی دست یافت که فوتون های بزرگ با فرکانس بالا از خود خاصیت موجی بیشتری نشان می دهند و این موضوع باعث کاهش اثرات موثر این نوع فوتون می شود. این بدان معنی است خواص فوتون علاوه بر خواص موجود در خود فوتون نهفته است در فضای اطراف که فوتون ها در آن حرکت می نمایند بستگی خواهد داشت . بدین ترتیب با تغییر فضای اطراف یک فوتون می توان خواص ذاتی آنرا تغییر داد به این ترتیب که یک فوتون که حامل امواج رادیویی است را می توان با تغییر فضای کوانتمی غیرمادی و کوچک کردن آن در فضای اطراف فوتون مانند فوتون اشعه ایکس از اجسام مختلف عبور داد و یا با بزرگ کردن فضای کوانتمی مادی در اطراف یک اشعه گاما خواص آنرا در حد یک اشعه مادون قرمز تغییر داد و این کار از طریق دستکاری در فضای کوانتمی مادی و غیرمادی و تغییر تعادل این دو فضا می توان به آن دست یافت.

شتاب گرانشی و ارتباط آن با کوانتم

کره زمین دارای دره ها و کوه های فراوانی است و از نظر هندسی دارای شکلی با بیشترین سطح ممکن و کمترین حجم می باشد این موضوع اثرات وضعی زیادی بر محیط اطراف و فضای کوانتمی زمین دارد در مباحث قبل گفتیم که هر چه یک جرم دارای سطح وسیعتری در حجم کمتر باشد این جسم می تواند فضای کوانتمی غیرمادی بیشتری را در مقابل خود داشته باشد و در نتیجه باعث جذب بیشتر تابش های غیرمادی و دفع بیشتر تابش های مادی می شود. این موضوع سبب می شود که امواج کیهانی که از جنس مادی می باشند کمتر زمین را تحت تاثیر قرار دهند. امواج مادی وقتی به سطح زمین نزدیک می شوند با یک جابجایی فرکانس همراه می شوند و به دلیل اینکه این فرکانس با افزایش روبرو می شود به افزایش فرکانس آبی مشهور است این موضوع و نیز نیروی گرانشی زمین که موجب شتاب اجسام در هنگام سقوط می شود دو موضوعی است که در کنار هم می توان آنها را مورد بررسی قرار داد.

زمین در اطراف خود دارای یک فضای کوانتمی مادی و غیرمادی است که هر چه از زمین دور می شویم فضای کوانتمی غیرمادی افزایش می یابد و با نزدیک شدن به زمین به طور معکوس فضای کوانتمی افزایش می یابد اما شیب این افزایش یا کاهش با شتاب گرانشی زمین ارتباط مستقیمی دارد یعنی هر چه به زمین نزدیکتر می شویم به طور تصاعدی بر حجم فضای کوانتمی مادی افزوده می شود و در نتیجه اجسامی که به سمت زمین سقوط می نمایند در حین نزدیک شدن به زمین از فضای کوانتمی مادی بیشتری عبور می نمایند و در نتیجه میزان فضای کوانتمی غیرمادی که به دلیل مادی بودن نمی توانند در آن حضور قطعی داشته باشند کاهش می یابد و با توجه به این موضوع که به صورت تصاعدی از میزان فضای کوانتمی غیرمادی کاسته می شود شتاب G را که تقریبا 9.8 می باشد دارند. این شتاب نشان دهنده میزان تصاعدی کاهش فضای کوانتمی غیرمادی در نزدیک شدن به زمین می باشد و در نتیجه اجسامی که می خواهند زمین را ترک نمایند نیز باید از یک فضایی با بیشترین درصد فضای مادی وارد فضایی با ماهیت فضای غیرمادی شوند که این موضوع نیازمند شتاب بسیار زیادی می باشد زیرا با دور شدن از سطح زمین نیز به صورت تصاعدی شاهد افزایش فضای کوانتمی غیرمادی می باشیم که باید بر این نیروی منفی به صورت تصاعدی غلبه نمود. 

از طرفی در جابجایی آبی امواجی که به زمین می رسند فوتون ها باید از یک فضای کوانتمی مادی وارد یک فضای کوانتمی غیرمادی شوند و در مباحث قبلی بیان کردیم که فوتون  ها در عبور از یک فضای مادی به فضای غیرمادی تونل می زنند و در یک فضای غیرمادی دارای خاصیت موجی می باشند و در فضای مادی دارای خاصیت ذره ای . وقتی فوتون ها به زمین نزدیک می شوند فضای کوانتمی مادی افزایش می یابد و فضای کوانتمی غیرمادی کاهش در نتیجه هنگام تونل زدن وقتی به زمین نزدیک و نزدیک تر می شوند فضای کوانتمی غیرمادی کمتری را طی می نمایند و این موضوع باعث افزایش خاصیت ذره ای آنها و کاهش خاصیت موجی می شود زیرا ذرات فوتون بیشتر در یک محیط مادی حضور داشته و برای جابجایی مسافت بسیار کمتری را در فضای غیرمادی تونل می زنند. از آنجایی که فضای کوانتمی غیرمادی به صورت تصاعدی به سمت زمین در حال کاهش است فوتون ها در تونل زنی مسافت کوتاهی را طی می کنند و در هنگام برون رفت از ناحیه غیرمادی و ورود به ناحیه مادی با ناحیه متفاوتی در هنگام تولد مواجه می شود زیرا با تولد فوتون ذره ای در فضای کوانتمی مادی ، فضای کوانتمی مادی توسعه یافته است و فوتون در مواجه با این فضا اندکی رشد می یابد که این رشد فوتونی در زمان ورود مجدد به فضای کوانتمی غیرمادی خود را به صورت افزایش فرکانس و جابجایی آبی نشان می دهد.    

نظریه نسبیت آلبرت انیشتین

تئوری جاذبه ای که نیوتن (Newton) ارائه کرد، خیلی زود بدون تقریبآ هیچ سوالی جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا اینکه در اوایل قرن بیستم آلبرت اینشتین (Albert Einstein 1879-1955) با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵ و نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۱۵ نه تنها قوانین فیزیک و جاذبه عمومی نیوتن بلکه پایه های فیزیک عصر خود را لرزاند.
هر چند قبل از او ماکس پلانک (Max Planck) با ارائه نظریه کوانتم (Quantum) تا حد زیادی فیزیک نیوتنی را زیر سئوال برده بود اما اینشتین با انتشار مقاله های خود راجع به تئوری نسبیت رسماً ثابت کرد که فیزیک نیوتن در حالت های بسیار خاص پاسخگوی پدیده های فیزیکی می باشد.
وی بعد ها با فعالیت هایی که در سالهای ۱۹۲۰ تا ۱۹۲۵ انجام داد بعنوان یکی از پایه گذاران اصلی مکانیک کوانتم نیز شناخته شد.
آلبرت اینشتین طی سالهای ۱۹۳۰ الی ۱۹۵۵ به بررسی رفتار جهان هستی پرداخت و مقالاتی در این باره منتشر کرد. او می خواست با ترکیب تئوری نسبیت و کوانتم به تئوری جامعی برای مدل کردن جهان هستی دست پیدا کند که زندگی این فرصت را برای تکمیل کار به او نداد. اما بعد ها در سال ۱۹۳۳ هابل (Hubble) و هومنسون (Humanson) با تحقیقاتی که در زمینه کهکشانهای مختلف انجام دادند بر نظریه های او راجع به جهان هستی صحه گذاردند.
آلبرت انیشتین دو نظریه دارد. نسبیت خاص را در سن ۲۵ سالگی بوجود آورد و ده سال بعد توانست نسبیت عام را مطرح کند.

نظریه نسبیت خاص

نسبیت خاص یکی از نظریاتی است که انیشتین مطرح کرده و شامل سه پدیده در سرعت ‌های بالا است .

* انقباض لورنتزی که کاهش طول جسم در مسیر حرکت است

* اتساع زمان که کند شدن زمان است

* افزایش جرم

نسبیت خاص بطور خلاصه تنها نظریه ایست که در سرعتهای بالا ( در شرایطی که سرعت در خلال حرکت تغییر نکند–سرعت ثابت) میتوان به اعداد و محاسباتش اعتماد کرد. جهان ما به گونه ای است که در سرعتهای بالا از قوانین عجیبی پیروی می کند که در زندگی ما قابل دیدن نیستند. مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان برای او بسیار کند می گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچک تر میشود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می کند دیگر ثابت نیست بلکه ازدیاد پیدا می کند. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش متوقف می شود، طولش به صفر میرسد و جرمش بینهایت میشود.

به نظر خلبان موشک که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کند، ماه
دچار انقباض طولی شده است (بالا). حال آنکه برای فضانورد روی ماه، موشک
فشرده به نظر می‌رسد (پایین).

حتی زمان هم نسبی می باشد!

از نتایج جالب تئوری نسبیت خاص می توان به بیان ارتباط میان زمان و و فضا (فاصله) و اینکه تمام موجودیت ها در دنیا با یکدیگر مرتبط بوده و بر یکدیگر اثر می گذارند، اشاره کرد. نیوتن معتقد بود که زمان ثابت است و در تمام نقاط به یک صورت عمل می کند. اما اینشتین نشان داد که اینگونه نیست.

مثال جالبی که معمولا” در این باره بیان می شود آن است که دو برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی روی زمین می ماند و دیگری با یک فضا پیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می کند. پس از آنکه برادر روی زمین ۱۰۰ سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است!

نظریه نسبیت عام

انیشتین در نوامبر سال ۱۹۱۵یک سری سخنرانی‌هایی در آکادمی علوم پروس ایراد کرد که در آن نظریه جدید گرانش، موسوم به نسبیت عام را مطرح کرد. او در آخرین سخنرانی ای که ایراد کرد معادله‌ای را مطرح کرد که جانشین قانون جاذبه نیوتون شد، معادله میدان انیشتین. این نظریه قائل به این است که نه تنها کسانی که یا یک سرعت ثابت در حرکتند، بلکه تمامی ناظران یکسان و هم ارز هستند. در نسبیت عام، گرانش دیگر نیرو محسوب نمی‌شود (مانند قانون جاذبه نیوتون)، بلکه نتیجه خمیدگی مکان- زمان است .

به خاطر جنگ، مقالاتی که انیشتین در مورد نسبیت عام چاپ کرده بود، در خارج از آلمان در دسترس نبود. خبر نظریه جدید انیشتین توسط فیزیک دانهای هلندی هنریک آنتون لورنتز و پل اهرنفست و همکار آنها ویلیام دو سیتر که مدیر رصد خانه لیدن بود، به ستاره شناسان انگلیسی زبان در انگلیس و آمریکا رسانده شد. در انگلیس، آرتور استنلی ادینگتون که دبیر انجمن نجوم سلطنتی از دو سیتر خواست تا یک سری مقالاتی به زبان انگلیسی به نفع منجمان بنویسد. نظریه جدید او را مجذوب خود ساخته بود و از این رو یکی از مدافعان و مبلغان اصلی نسبیت شد. . اغلب ستاره شناسان، هندسی سازی گرانش توسط انیشتین را نمی‌پسندیدند و معتقد بودند پیش بینی‌های او در مورد خمیدگی نور و به قرمزی گرایی گرانشی درست از آب در نخواهد آمد. در سال ۱۹۱۷، منجمان رصد خانه ویلسون در کالیفرنیای جنوبی نتایج تحلیل طیف نور را که در ظاهر نشان می‌داد که در پرتو خورشید به قرمزی گرایی گرانشی وجود ندارد، منتشر کردند. . در سال ۱۹۱۸، منجمان رصد خانه لیک در شمال کالیفرنیا تصاویری از خورشیدگرفتگی که در ایالات متحده قابل رویت بود گرفتند.پس از پایان جنگ، آنها نتایج بررسی‌های خود را اعلام کردند و مدعی شدند که پیش بینی نسبیت عام انیشتین در خصوص خمیدگی نور اشتباه بوده‌ است. با این حال آنها به خاطر خطاهای احتمالی فراوان، هیچگاه اقدام به چاپ نتایجی که به دست آورده بودند نکردند .
آرتور استنلی ادینگتون، طی سفرهایی که درماه می ‌سال ۱۹۱۹ در زمانی که خورشید گرفتگی در بریتانیا رخ داد، به سوبرال سیارا برزیل و جزیره پرینسیپ در ساحل غربی آفریقا داشت، اندازه گیری خمیدگی گرانشی عدسی نور ستاره را به هنگام عبور از نزدیکی خورشید تحت نظارت داشت و در نهایت به این نتیجه رسید که محل قرار گرفتن ستاره از خورشید دورتر است. این حالت عدسی گرایی گرانشی نامیده می‌شود و وضعیت ستاره‌های مشاهده شده دو برابر حالتی بود که فزیک نیوتنی پیش بینی اش را می‌کرد. معهذا، این حالت با پیش بینی هم ارزی میدانی انیشتین نسبیت عام همخوان بود. ادینگتون اعلام کرد که نتایج به دست آمده پیش بینی انیشتین را تایید می‌کند و مجله تایمز در هفتم نوامبر آن سال با اتنخاب تیتر زیر تایید شدن پیش بینی انیشتین را گزارش کرد: «انقلابی در علم، نظریه‌ای جدید در مورد جهان، ایده‌های نیوتن اعتبار خود را از دست می‌دهد.» ماکس بورن، برنده جایزه نوبل از نسبیت عام به عنوان ‹‹ بزرگ‌ترین دستاورد و شاهکار تفکر بشری در مورد طبیعت›› بر شمرد و پل دیراک نیز که یکی از برندگان جایزه نوبل است، از آن به عنوان ‹‹ بزرگ ‌ترین اکتشاف علمی آن زمان›› یاد کرد. این اظهار نظرها و تبلیغات متعاقب از آن، باعث شهرت و معروفیت انیشتین شد.او در سطح جهانی معروف شد که موفقیت استثنایی و خاصی برای یک دانشمند محسوب می‌شود.
با این حال هنوز هم بسیاری از دانشمندان به دلایل مختلفی که شامل دلایل علمی (مخالفت با تفسیر انیشتین از آزمایش ‌های انجام شده، اعتقاد به اتر و یا ضرورت وجود ملاک مطلق) و دلایل روانی- اجتماعی (محافظه کاری، یهود ستیزی) می‌شد، نظریات انیشتین را نمی‌پذیرفتند. به نظر انیشتین، اغلب مخالفتهایی که با نظریه او می‌شد، از جانب آزمایش-باورانی بود که درک ناچیزی از نظریه مطرح شده داشتند .

شهرتی که انیشتین بعد از چاپ مقاله ۱۹۱۹دست آورده بود، باعث شد بسیاری از دانشمندان نسبت به ابراز نفرت و انزجار کنند و نفرت و انزجار برخی از آنها حتی تا دهه ۳۰نیز ادامه یافت. مباحث زیادی در مورد ابراز انزجار نسبت به شهرت و معروفیت انیشتین وجود دارد، بویژه در میان آن دسته: از فیزیک ‌دانان آلمانی که بعد‌ها جنبش ضد انیشتینی ‹‹دویچه فیزیک›› را در مقدمه Klaus Hentschel ؛ یعنی ‹‹ فیزیک و سوسیالسم اجتماعی›› به راه انداختند.
انیشتین در ۳۰مارس سال ۱۹۲۱، یعنی همان سالی که برنده جایزه نوبل شد، برای ایراد سخنرانی در مورد نظریه جدید نسیبت به نیویورک رفت. اگرچه امروزه انیشتین به خاطر فعالیتهایش در مورد نسبیت شهرت یافته، اما جایزه نوبل به خاطر کارهای او در مورد اثر فوتوالکتریک به او اعطا شد؛ چرا که در مورد نسبیت عام در آن زمان هنوز اختلاف نظر وجود داشت. هیات نوبل با خود به این نتیجه رسیند که اشاره به آن نظریه انیشتین در نوبل که اختلاف نظر و مخالفت در مورد آن کمتر است، بیشتر مورد قبول جامعه علمی واقع خواهد شد.

نظریه نسبیت عام به زبان ساده

نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر می کند یا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد ۹٫۸۱m/s است نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ای است راجع به اجرامی که شتاب ثقل دارند. به طور کلی، در هر کجای جهان، جرمی که در فضای خالی باشد، حتما یک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته به جرم آن جسم می باشد. پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد. نسبیت عام با این شتابها سر و کار دارد و بیان می کند که هر جسمی که از سطح یک سیاره دور شود زمان برای او کند تر میشود. یعنی مثلا، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه های ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا میرود و از سیاره ی زمین جدا میشود هم دوربینی بگذارند و هر دو فیلم را کنار هم روی یک صفحه ی تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تند تر کار می کند. نسبیت عام نتایج بسیار عجیب و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به اطراف ستاره ای سنگین میرسد کمی بسمت آن ستاره خم میشود. سیاهچاله ها(سیاهچاله ها: اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده میشود و یک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست میکند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمیتواند از آن فرار کند) هم بر اساس همین خاصیت است که کار می کنند. جرم انها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می گذرد به داخل آنها می افتد و هرگز بیرون نمی آید.

آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش کاری نداشت. اولین موضوعات را در نظریه نسبیت عام خود که در ۱۹۱۵ انتشار یافت مورد بحث قرار داد.نظریه نسبیت عام دید گرانشی را بکلی تغییر داد و در این نظریه جدید نیرو ی گرانش را مانند خاصیتی از فضا در نظر گرفت نه مانند نیرویی بین اجرام ، یعنی برخلاف آنچه که اسحاق نیوتن گفته بود! در نظریه او فضا در مجاورت ماده کمی انحنا پیدا می‌کرد. در نتیجه حضور ماده اجرام ، مسیر یا به اصطلاح کمترین مقاومت را در میان منحنیها اختیار می‌کردند. با این که فکر آلبرت انیشتین عجیب به نظر می‌رسید می‌توانست چیزی را جواب دهد که قانون ثقل نیوتن از جواب دادن آن عاجز می ماند. سیاره اورانوس در سال ۱۷۸۱ میلادی کشف شده بود و مدارش به دور خورشید اندکی ناجور به نظر می‌رسید و یا به عبارتی کج بود!
نیم قرن مطالعه این موضوع را خدشه ناپذیر کرده بود.بنابر قوانین اسحاق نیوتن می بایست جاذبه ای برآن وارد شود. یعنی باید سیاره ای بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نیرو یی بر اورانوس وارد شود.در سال ۱۸۴۶ میلادی اختر شناس آلمانی دوربین نجومی خودش را متوجه نقطه ای کرد که « لووریه» گفته بود و بی هیچ تردید سیاره جدیدی را در آنجا دید که از آن پس نپتون نام گرفت.نزدیک ترین نقطه مدار سیاره عطارد به خورشید در هر دور حرکت سالیانه سیاره تغییر میکرد و هیچ گاه دوبار پشت سر هم این تغییر در یک نقطه خاص اتفاق نمی‌افتاد.اختر شناسان بیشتر این بی نظمی ها را به حساب اختلال ناشی از کشش سیاره های مجاور عطارد می دانستند! مقدار این انحراف برابر ۴۳ ثانیه قوس بود. این حرکت در سال ۱۸۴۵ به وسیله لووریه کشف شد بالاخره با ارائه نظریه نسبیت عام جواب فراهم شد این فرضیه با اتکایی که بر هندسه نااقلیدسی داشت نشان داد که حضیض هر جسم دوران کننده حرکتی دارد علاوه برآنچه اسحاق نیوتن گفته بود.وقتی که فرمولهای آلبرت انیشتین را در مورد سیاره عطارد به کار بردند، دیدند که با تغییر مکان حضیض این سیاره سازگاری کامل دارد. سیاره هایی که فاصله شان از خورشید بیشتر از فاصله تیر تا آن است تغییر مکان حضیضی دارند که به طور تصاعدی کوچک می شوند.اثر بخش‌تر از اینها دو پدیده تازه بود که فقط نظریه آلبرت انیشتین آن‌را پیشگویی کرده بود. نخست آنکه آلبرت انیشتین معتقد بود که میدان گرانشی شدید موجب کند شدن ارتعاش اتمها می شود و گواه بر این کند شدن تغییر جای خطوط طیف است به طرف رنگ سرخ! یعنی اینکه اگر ستاره ای بسیار داغ باشد و به طوری که محاسبه می کنیم بگوییم که نور آن باید آبی درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر می‌رسد کجا برویم تا این مقدار قوای گرانشی و حرارت ی بالا را داشته باشیم، پاسخ مربوط به کوتوله های سفید است.دانشمندان به بررسی طیف کوتوله های سفید پرداختند و در حقیقت تغییر مکان پیش بینی شده را با چشم دیدند! اسم این را تغییر مکان آلبرت انیشتینی گذاشتند. آلبرت انیشتین می گفت میدان گرانشی شعاع های نور را منحرف می‌کند. چگونه ممکن بود این مطلب را امتحان کرد. اگر ستاره ای در آسمان آن سوی خورشید درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف خورشید قابل رؤیت باشد اگر وضع آنها را با زمانی که فرض کنیم خورشیدی در کار نباشد مقایسه کنیم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعی که انگشت دستتان را جلوی چشمتان در فاصله ۸ سانتیمتری قرار دهید و یکبار فقط با چشم چپ و بار دیگر فقط با چشم راست به آن نگاه کنید به نظر می رسد که انگشت دستتان در مقابل زمینه پشت آن تغییر جا می‌دهد ولی واقعاً انگشت شما که جابجا نشده است!

دانشمندان در موقع کسوف در جزیره پرنسیپ پرتغال واقع در آفریقای غربی دیدند که نور ستاره ها به جای آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشید و در اثر نیرو ی گرانشی آن خم می شوند و به صورت منحنی در می آیند. یعنی ما وضع ستاره ها را کمی بالاتر از محل واقعیش می‌بینیم.ماهیت تمام پیروزیهای نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین نجومی بود ولی دانشمندان حسرت می کشیدند که ای کاش راهی برای امتحان آن در آزمایشگاه داشتند.ـ نظریه آلبرت انیشتین به ماده به صورت بسته متراکمی از انرژی نگاه می کرد به همین خاطر می گفت که این دو به هم تبدیل پذیرند یعنی ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل می شود. E = mc². دانشمندان به ناگاه جواب بسیاری از سؤالها را یافتند. پدیده رادیواکتیوی به راحتی توسط این معادله توجیه شد. کم کم دانشمندان متوجه شدند که هر ذره مادی یک پادماده مساوی خود دارد و در اینجا بود که ماده و انرژی غیر قابل تفکیک شدند.تا اینکه آلبرت انیشتین طی نامه ای به رئیس جمهور آمریکا نوشت که می توان ماده را به انرژی تبدیل کنیم و یک بمب اتمی درست کنیم و آمریکا دستور تأسیس سازمان عظیمی را داد تا به بمب اتمی دست پیدا کند. برای شکافت هسته اتم اورانیوم ۲۳۵ انتخاب شد. اورانیوم عنصری است که در پوسته زمین بسیار زیاد است. تقریباً ۲ گرم در هر تن سنگ! یعنی از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است اما خیلی پراکنده.در سال ۱۹۴۵ مقدار کافی برای ساخت بمب جمـع شـده بود و ایـن کار یعنی ساختن بمب در آزمایشگاهــی در « لوس آلاموس » به سرپرستی فیزیکدان آمریکایی «رابرت اوپنهایمر» صورت گرفت. آزمودن چنین وسیله ای در مقیاس کوچک ناممکن بود. بمب یا باید بالای اندازه بحرانی باشد یا اصلاً نباشد و در نتیجه اولین بمب برای آزمایش منفجر شد. در ساعت ۵/۵ صبح روز ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵ برابر با ۲۵ تیرماه ۱۳۲۴ و نیرو ی انفجاری برابر ۲۰ هزار تنT.N.T آزاد کرده دو بمب دیگر هم تهیه شد. یکی بمب اورانیوم بنام پسرک با سه متر و ۶۰ سانتیمتر طول و به وزن ۵/۴ تن و دیگری مرد چاق که پلوتونیم هم داشت. اولی روی هیروشیما و دومی روی ناکازاکی در ژاپن انداخته شد. صبح روز ۱۶ اوت ۱۹۴۵ در ساعت ۱۰ و ده دقیقه صبح شهر هیروشیما با یک انفجار اتمی به خاک و خون کشیده شد. با بمباران هیروشیما جهان ناگهان به خود آمد، ۱۶۰۰۰۰ کشته. در یک روز وجدان خفته فیزیکدان ها بیدار شد! « اوپنهایمر» مسئول پروژه بمب و دیگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند. آلبرت انیشتین اعلام کرد که اگر روزی بخواهم دوباره به دنیا بیایم دوست دارم یک لوله‌کش بشوم نه یک دانشمند!

برخی نتایج حاصل از نسبیت

اینشتین با نظریه نسبیت خاص خود نشان داد که سه قانون فیزیک نیوتن تنها در شرایط خاصی آنهم بصورت تقریبی صحت دارند و هنگامی که سرعت اجسام زیاد شده و با سرعت نور قابل مقایسه شوند به هیچ وجه نمی توان قوانین نیوتن را در مورد اجسام حتی با تقریب بالا بکار برد. همچنین نظریه نسبیت عام او نشان داد که باز نظریه نیوتن راجع به قانون جاذبه عمومی دقیق نمی باشد و در میدان های جاذبه بسیار قوی فرمول نیوتن جای بحث دارد.
مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشید از دیر باز مورد علاقه ستاره شناسان و فیزیک دانان بوده است. مشکل اینجا بوجود آمد که مشاهده شد صفحه ای که عطارد در آن به دور خوشید می چرخد خود دارای حرکت می باشد.
اندازه گیری ها نشان داد که این حرکت در هر یکصد سال معادل ۴۳ ثانیه (در اینجا منظور از ثانیه واحد اندازه گیری کمان می باشد که معادل ۱/۳۶۰۰ درجه است) می باشد. با وجود آنکه این مقدار حرکت برای هر سال بسیار کم می باشد اما قانون جاذبه عمومی نیوتن از توجیه آن عاجز است.
نیوتن معتقد بود که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می کند اما اینشتین نشان داد که اگر جسمی دارای یک میدان جاذبه بزرگ باشد و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسیر مستقیم خود می شود.
دیگر مواردی که از قانون نسبیت عام می توان نتیجه گرفت آن که نور ستارگانی که دارای میدانهای مغناطیسی قوی میباشند در راه رسیدن به زمین تغییر طول موج می دهند. این اثر که به Red Shift مشهور است، باعث می شود طول موج نور این ستاره ها بزرگتر شود. این مسئله که باز با قوانین نیوتن قابل تحلیل نمی باشد توسط معادلات تئوری نسبیت عام بسادگی مدل می شود.

آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟

زمان و فضا –بر طبق نظریه نسبیت انیشتین –به یکدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله‌ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).
بر طبق نظریه نسبیت عام انیشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به زبان انیشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.
اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی چهار بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.

اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است :

چهار ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این کره ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود ۴ سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچ گاه اختلاف آنها با یک کره کامل بیش از ۴۰ لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ‌، حرکت می کرد.
بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی ۰٫۰۴۱ ثانیه قوس جابه جا شود. یک ثانیه قوس ۳۶۰۰/۱ یک درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده ۰٫۰۰۰۵ ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است که بخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصله ی ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگیریم.
محققان GP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع کرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا «بدون لرز» ساخته اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس با آن، اختراع کردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می گوید: «در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر کننده ای اتفاق نیفتاده است.» اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات پایان یافته است ، او می گوید : «دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به کار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.»
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسی کنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می کنند تا بی نظمی های موجود در آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمده در طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا کرد، می یابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می کنند.اوریت می گوید: «بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شرکت در این پروژه داده می شود.» اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را که انتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است که بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه انیشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام انیشتین یافته شود. اختلاف کوچکی که ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.

برگرفته از: سایت «دنیایی از همه چیز»

و بخش فیزیک سایت دانشگاه فلوریدا

فوتون ها و فضای کوانتمی

فوتون ها ذراتی هستند که هم خاصیت مادی دارند و هم خاصیت موجی . خاصیت مادی آنها که به خاصیت ذره ای نیز مشهور است از طرق مختلف اثبات شده است و خاصیت موجی نور نیز از روش های گوناگونی قابل اثبات می باشد. اما فوتون ها چگونه هر دو خاصیت موجی و ذره ای را دارا می باشند و این خاصیت از کجا ناشی شده است. در آزمایشات گوناگونی ثابت شده است که فوتون ها دارای خاصیت موجی و ذره ای با هم می باشند و اندازه گیری هر خاصیت می تواند بر خاصیت دیگر آن اثرگذار باشد و این موضوع نشان می دهد که فوتون ها این خاصیت را از دو جبهه کسب نموده اند یکی از فضای اطراف خود و دیگری کوچکی آنها در مقایسه با ابعاد  فضاهای کوانتمی می باشد. فضای کوانتمی اطراف فوتون ها شامل فضای مادی و غیرمادی است و برای درک آن می توانید صفحه شطرنجی را در نظر بگیرید که خانه های سفید فضای مادی و خانه های سیاه فضای غیرمادی می باشد. فوتون ها به عنوان ذرات مادی در حرکت داخل فضای مادی مشکلی نداشته و به راحتی حرکت می نمایند ولی در برخورد با دیواره سیاه فضای غیرمادی نمی توانند به عنوان یک ذره مادی از آن عبور نمایند و جهت عبور از این فضا با پتانسیل بی نهایت چاره ای جز تونل زدن ندارند. در پدیده تونل زدن کوانتمی می توان ذره ای با انرژی جنبشی کمتر را از یک سد پتانسیل بالا عبور داد. بنابراین فوتون ها برای عبور از این سد چاره ای جز تونل زدن ندارند اما نکته مهم این است که در هنگام تونل زدن چه اتفاقی برای فوتون می افتد و فوتون به عنوان ذره ای مادی چه می شود. فوتون ها برای عبور از سد به وجود آمده از پدیده تونل زدن استفاده می نمایند و در این مکانیسم فوتون باید خاصیت ذره ای خود را از دست بدهد و وارد یک فضای غیرمادی شود در فضای غیرمادی حضور ذرات به عنوان ذرات مادی منتفی است زیرا درک ما از این فضا شامل صورت های دیگری از ماده می باشد که انرژی و موج یکی از آنها می باشد با عبور فوتون از این فضا انرژی که به صورت موج وارد فضای مادی می شود مجدداْ به صورت ذره پدیدار می شود زیرا در یک فضای مادی صورت مادی ذرات قابل حرکت و سکون می باشد و بنابراین ما ذرات فوتون را در این فضا به صورت ذرات مادی قابل درک می یابیم.

به هر حال فوتون ها در یک فضای مادی و غیرمادی کوانتمی حرکت می نمایند که این موضوع باعث تغییرات پی در پی در خاصیت موجی و مادی آنها می شود و این موضوع به عنوان یکی از اولین و پیچیده ترین موضوعات کوانتمی سال هاست مورد آزمایش قرار گرفته است. فوتون ها در برخورد با ذرات مادی خاصیت ذره ای خود را بروز می دهند که این موضوع به دلیل این است که در اطراف ذرات مادی فضای کوانتمی مادی افزایش یافته و ذرات فوتون در برخود با ذرات مادی در یک فضای خالص مادی قرار دارند و بنابراین از خود خاصیت ذره ای را نشان می دهند نزدیک کردن ذرات مادی به فوتون نیز همین خاصیت را برای فوتون ها به دنبال دارد و هر چه فوتون ها از ذرات مادی دورتر شوند به دلیل افزایش فضای غیرمادی خاصیت موجی بیشتری را از خود بروز می دهند و پدیده هایی مانند تداخل امواج را از آنها شاهد هستیم.

فوتون ها در عبور از سد غیرمادی و وارد شدن به آن تغییر ماهیت می دهند و این تغییر ماهیت شامل ویژگی های زمانی و مکانی نیز می باشد به این ترتیب که در فضای غیرمادی زمان با آنچه در فضای مادی می گذرد متفاوت بوده و زمان در این فضا بسیار کندتر از فضای مادی می گذرد. بنابراین فوتونها در این فضای غیرمادی از دید ناظری در فضای مادی حالت ایستا پیدا می کند و یک ناظر در محیط مادی احساس می کند که نور در این بازه از حرکت می ایستد در حالی که فوتون با سرعت بسیار زیادی در حال ترک این فضا می باشد. این موضوع در فواصل بسیار دور و نیز محاسبه سرعت نور از دید ناظر متحرک اهمیت بیشتری پیدا می کند زیرا یک ناظر متحرک سرعت نور را همان C اندازه گیری می نماید و این موضوع به سبب این است که ناظر همواره میانگینی از سرعت فوتون در محیط مادی و غیرمادی را مشاهده می نماید و با توجه به ایجاد حالت ایستایی در فضای غیرمادی نسبت به فضای مادی سرعت نور همواره میانگینی از تاثیرات کوانتمی بر این فضا ها می باشد که مقدار قابل اندازه گیری آن c می باشد. نکته قابل تامل در این خصوص این است که در هنگام تونل زدن فوتون و وارد شده به یک فضای کوانتمی غیرمادی حرکت فوتون در داخل این فضا نمی تواند متاثر از فضای مادی و فوتون های ذره ای باشد. این فضا قوانین مربوط به خود را دارد و درک ما از این فضا تنها ناشی از اندازه گیری برخی از اثرات این حرکت مانند امواج و انرژی می باشد. تاثیرات امواج و انرژی که ما اندازه گیری می نماییم قطعا نمی تواند وجود واقعی و حرکت واقعی و نوع حرکت فوتون را در این فضا نشان دهد. 

درک حرکت فوتون ها در این فضا با توجه به درک گذشت زمان و نیز سرعت در این فضا آمیخته می باشد و با توجه به تغییرات فضاهای کوانتمی در اطراف ذرات مادی و غیرمادی می توان به ویژگی های متغیر این ذرات دست یافت.

فیزیک کوانتم ۲

فوتون‌های درهم‌تنیده، در هر فاصله‌ای از هم که قرار داشته باشند، حتی اگر چندین سال نوری از هم دور باشند، می‌توانند بلافاصله بر یکدیگر تأثیر بگذارند.

در قسمت پیشین، کاوش خود را در دنیای عجیب فیزیک کوانتوم آغاز کردیم. دنیایی که در آن، هر چیزی، فقط در صورتی وجود داشت که نگاهش می‌کردیم، دنیایی که در آن گربه‌ها می‌توانستند همزمان، هم مرده باشند و هم زنده. در این قسمت، به این موضوع خواهیم پرداخت که چگونه بر اساس برخی تفاسیر از فیزیک کوانتوم، هر چیزی در جهان، به صورت آنی، با تمام چیزهای دیگر در هر فاصله‌ای از آن که قرار داشته باشد، مرتبط است. (توجه: توصیه می‌شود پیش از خواندن قسمت دوم، حتماً قسمت اول را مطالعه کنید).

سال ۱۹۲۷، شاهد آغاز مجموعه‌ای از مناظرات، میان دو تن از برجسته‌ترین دانشمندان جهان در آن روزگار بود: انشتین (Einstein)، نویسنده‌ی نظریه‌ی نسبیت عام و نیلز بور (Niels Bohr)، یکی از اولین محققان در نظریه‌ی کوانتوم. نخستین برخورد میان این دو، در پنجمین کنفرانس بین‌المللی سلوی(Solvay Conference)، درباره‌ی الکترون‌ها و فوتون‌ها اتفاق افتاد، که در بروکسل بلژیک برگزار شده بود. تعداد شرکت‌کنندگان این کنفرانس اندک بود، اما همگی آنان، افراد برجسته‌ای بودند. از میان ۲۹ دانشمند حاضر در کنفرانس، ۱۷ نفر یا برنده‌ی جایزه‌ی نوبل بودند، یا این که بعدها صاحب نوبل شدند. ماری کوری، دو بار برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شد.

اگرچه انشتین، از پایه‌گذاران تئوری کوانتوم بود، اما با آن مشکل داشت. یکی از مهم‌ترین توانایی‌های انشتین به عنوان یک دانشمند، توانایی طراحی آزمایشات فرضی (Thought Experiments) بود؛ آزمایشاتی که در دنیای واقعی، غیرممکن هستند، اما انجامشان در ذهن، می‌تواند روشنگر بخشی از ماهیت فیزیک باشد. (یکی از جالب‌ترین آزمایشات فرضی انشتین، این بود که اگر او بتواند دوچرخه‌اش را با سرعت نور براند، دنیا به چه شکلی دیده خواهد شد). با این حال، استفاده از این نوع آزمایشات فرضی، برای دستیابی به ماهیت حقیقی نظریه‌ی کوانتوم، ناامیدکننده بود. نتایج این آزمایش‌ها، غیرمنطقی به نظر می‌آمدند؛ اشیاء وجود نداشتند مگر آن‌که نگاهشان می‌کردید، گربه‌ها همزمان مرده و زنده بودند و اگر از مکان دقیق یک ذره (مثل فوتون) آگاهی داشتید، چگونگی حرکت آن مشخص نمی‌شد.

اما بور، با این مسئله، مشکلی نداشت. ظاهراً معماهای این تئوری، فکر بور را به خود مشغول نمی‌کرد، و او تنها به نتایج معادلات توجه داشت. همان طور که دیوید مرمین فیزیکدان گفت، رویکرد نیلز بور، آن‌گونه که در تفسیر کوپنهاگ معروفش از فیزیک کوانتوم بیان شده، به این صورت است: «خفه شو و محاسبه کن!»

شرکت‌کنندگان پنجمین کنفرانس بین‌المللی سلوی درباره‌ی فوتون‌ها و الکترون‌ها. انشتین، در اواسط ردیف اول نشسته است.

رویارویی بارز انشتین/بور زمانی شروع شد که انشتین، مثالی ارائه داد تا نشان دهد تئوری کوانتوم، یا اشتباه است یا ناقص. بور، عصر روز بعد، به تفکر درباره‌ی این مسئله پرداخت و فردای آن روز، پاسخی برای رد انتقاد انشتین، ارائه داد. این مباحثات زمانی بالا گرفت که در سال ۱۹۳۵، انشتین همراه با بوریس پودولسکی و نیتان روزن، مقاله‌ای ارائه کرده، در آن به توضیح مطلبی پرداخت که به پارادوکس EPR مشهور شد (Einstein- Podolsky- Rosen Paradox).

رفتاری غریب در فاصله

آزمایش فرضی انشتین در مقاله‌ی یاد شده، به این ترتیب است که یک ذره (ما می‌توانیم یک پیون را به عنوان مثال در نظر بگیریم) برداشته شده و باقی می‌ماند تا به دو فوتون (ذره‌های نور) تجزیه شود. این دو فوتون در دو جهت متفاوت به حرکت درمی‌آیند. از آنجایی که این دو فوتون، از یک پیون خارج شده‌اند، درهم‌تنیده‌اند (Entangled Photons)، یعنی تابع موج یکسانی دارند. این دو فوتون، دارای چند ویژگی مکمل نیز هستند. برای مثال چرخش آن‌ها: پیون در ابتدا هیچ چرخشی نداشت، بنابراین، اگر یک فوتون، چرخشی رو به بالا بر محور x خود داشته باشد، فوتون دیگر، برای ایجاد تساوی، باید داری یک چرخش رو به پایین بر محور x خود باشد.

اما با توجه به تئوری کوانتوم، یک ویژگی تا زمانی که اندازه‌گیری نشده، وجود ندارد. بنابراین وقتی فوتون اول را اندازه می‌گیرید و می‌بینید چرخشی رو به بالا دارد، فوتون دیگر، بلافاصله باید چرخشی رو به پایین به خود بگیرد، حتی اگر یک سال نوری از فوتون اول فاصله داشته باشد. به عقیده‌ی انشتین و نویسندگان دیگر این مقاله، چنین چیزی منطقی نبود. یا فوتون‌ها در زمان جدا شدن از یکدیگر، اطلاعات مربوط به چرخش را با خود برده بودند، یا این که فوتون اول، هنگامی که مورد بررسی قرار گرفته، اطلاعات چرخش خود را بلافاصله با سرعتی بیشتر از سرعت نور، به فوتون دوم، که در فاصله‌ی بسیار دوری از آن قرار دارد، منتقل کرده است. انشتین این تأثیر را «رفتار غریب در فاصله» نامید.

از آنجایی که اطلاعات نمی‌توانند با سرعتی بیش از سرعت نور منتقل شوند، انشتین چنین استدلال کرد که فوتون‌ها، احتمالاً دارای «متغیرهای پنهان» هستند که از زمان به وجود آمدن فوتون‌ها، اطلاعات چرخش را شامل می‌شدند. در تئوری کوانتوم، چنین متغیرهایی وجود نداشتند، پس تئوری حتماً ناقص بود.

بل و برهان‌اش

مشکل «رفتار غریب در فاصله‌»‌ی انشتین، بعد از مرگ‌اش در سال ۱۹۵۵ و حتی پس از مرگ بور در سال ۱۹۶۲، حل‌نشده باقی ماند. درسال ۱۹۶۴، یک فیزیکدان ایرلندی به نام «جان بل» (John Bell) مقاله‌ای منتشر ساخت با عنوان «در باب مسئله‌ی متغیرهای پنهان در مکانیک کوانتوم». بل در ابتدا، این ایده‌ی انشتین را که احتمالاً متغیرهای پنهانی وجود دارد، تأیید کرد. وی در مقاله‌اش، آزمایشی ارائه کرد تا معلوم شود آیا متغیرهای پنهان می‌توانند دلیلی برای آنچه مشاهده شده باشند، یا نه.

جدال بور (چپ) و انشتین (راست)، تنها زمانی حل شد که بل این برهان را مطرح کرد و کلازر با انجام آزمایشی نشان داد که بور، درست می‌گفته است.

در آزمایش بل، دو ذره‌ی درهم‌تنیده، ایجاد شده و به سمت دو فرد فرستاده می‌شوند (به عنوان مثال آلیس و باب). سپس، این دو نفر، ذره‌ها را مورد آزمایش قرار می‌دهند تا ویژگی‌های مکمل آن‌ها مشخص شود. درک جزئیات آزمایش، دشوار است، اما بل توانست نشان دهد که طی آزمایشات متعدد، در صورت وجود ویژگی‌ها از ابتدا، تعداد دفعاتی که آلیس و باب نتایج یکسانی گزارش می‌کنند، ، در مقایسه با وضعیتی که ویژگی‌ها در زمان بررسی و اندازه‌گیری فوتون اول، ایجاد شوند، متفاوت خواهد بود. بل تصور می‌کرد پس از آن که برهانش را (که اغلب به دلیل یکی از پیش‌بینی‌هایش «نادرستی بل» خوانده می‌شود) منتشر کند، سال‌ها طول خواهد کشید تا کسی بتواند در آزمایشی واقعی، آن را امتحان کند. اما تنها یک سال بعد، یکی از فارغ‌التحصیلان متهور دانشگاه کلمبیا، «جان کلازر» (John Clauser) توانست صورت ساده‌ای از این آزمایش را انجام دهد. او نشان داد رفتار فوتون‌ها مطابق همان چیزی است که توسط فیزیک کوانتوم پیش‌بینی شده، نه آنچه که از تئوری «متغیر پنهان» انتظار می‌رود. یک دانشمند دیگر به نام «آلن اسپکت» (Alen Aspect) بعدها طی آزمایشاتی با دقت و صحت بیشتر، ثابت کرد برخلاف تردیدهای انشتین، بی‌شک «رفتار غریب در فاصله» در جهان کوانتوم وجود دارد.

کار علمی بل، در حوزه ی تجربی، سرآغازی بود برای آنچه که تصور می‌شد بیشتر موضوعی است فلسفی. وی چنان تأثیر به سزایی داشت که «هنری استپ» (Henry Stapp) از لابراتوار لورنس برکلی کالیفرنیا، عملکرد بل در حوزه‌ی فیزیک کوانتوم را «ژرف‌ترین کشف علمی» نام نهاد.

تفسیر بوهم

بل، علی‌رغم این که خود، صحت تئوری کوانتوم را اثبات کرده بود، اما به دلیل وابستگی تفسیر استاندارد کپنهاگ به مشاهده، برای شکستن تابع موج و حقیقی شدن یک ذره (و به همان ترتیب یک گربه)، از این تفسیر پشتیبانی نمی‌کرد. بل، تفسیر ارائه شده توسط دیوید بوهم (David Bohm) فیزیکدان را منطقی‌تر یافت. برای درک تفسیر بوهم، بازگشت به مثالمان در قسمت اول درباره‌ی نگاه کردن به ستاره‌ی اپسیلون جبار در برج شکارچی، می‌تواند کمک شایانی باشد. در بحث خود درباره‌ی تفسیر کوپنهاگ، دیدیم که یک فوتون- یک ذره‌ی نور- در واقع اپسیلون جبار را ترک نمی‌کند، بلکه، این موج احتمال است که به چشمان ما می‌رسد. در تفسیر بوهم، فوتونی واقعی، که توسط یک نیروی «پتانسیل کوانتوم» هدایت می‌شود، از ستاره بیرون می‌آید. این فوتون، مثل چراغ دریایی، در زمان به عقب برمی‌گردد تا ذره را به ما برساند. طبق تفسیر بوهم، همه چیز در دنیا به چیزهای دیگر مرتبط است. در این تفسیر، برخلاف تفسیر کوپنهاگ، نیازی به تابع موج نیست تا به محض دیده شدن، بشکند. با این حال، این تفسیر نیز، خالی از ایراد نیست. اگرچه تفسیر بوهم جبرگرایانه است، یعنی با اطلاعات کافی می‌توان هرچیزی را که در جهان اتفاق خواهد افتاد را از آغاز پیش‌بینی کرد، اما برای حرکت به عقب در زمان و طی یک فاصله‌ی بسیار زیاد، به اطلاعات نیاز هست. به همین دلیل، تفسیر بوهم، طرفداران چندانی میان دانشمندان نداشته است.

تفسیر «دنیاهای چندگانه»

طبق تفسیر دنیاهای چندگانه، جهان دو شاخه می‌شود و گربه‌ی شرودینگر، در یک جهان می‌میرد و در دیگری زنده می‌ماند.

شاید مهم‌ترین جایگزین برای تفسیر کپنهاگ در میان فیزیکدانانی که نظریه‌ی کوانتوم را مطالعه می‌کنند، تفسیر دنیاهای چندگانه (the “Many Worlds” interpretation) باشد. دانشمندان برجسته‌ای همچون استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) و ریچارد فاینمن (Richard Feinman) از طرفداران تفسیر دنیاهای چندگانه هستند و روز به روز به حامیان این تفسیر اضافه می‌شود. تفسیر دنیاهای چندگانه، توسط هیو اِوِرِت سوم (Hugh Everett III)، فارغ‌التحصیل دانشگاه پرینستون، در ابتدا با نام «فرمول‌بندی حالت نسبی» (the “relative state” formulation) ارائه شد.

اورت می‌گوید تابع موج، هرگز از بین نمی‌رود. این ایده، آزمایش فرضی گربه‌ی شرویدینگر را گسترش می‌دهد. این فقط گربه نیست که در دو حالت زنده و مرده قرار دارد، بلکه دانشمندی که آزمایش را انجام می‌دهد نیز به دو دانشمند تبدیل می‌شود که یکی گربه‌ی مرده را می‌بیند و دیگری، گربه‌ی زنده را. این دوشاخه شدن، تنها به آزمایش «گربه» محدود نمی‌شود، بلکه درباره‌ی تمام نتایج ممکن پدیده‌های کوانتومی برای هر ذره‌ای، صدق می‌کند. بر اساس این تفسیر، جهان، همچون درختی عظیم که هر شاخه‌اش، دو شاخه می‌شود، مرتباً در حال تکثیر به نسخه‌های متفاوت بی‌شمار است. جهان‌هایی موازی وجود دارند که تنها اندکی با جهان ما متفاوت‌اند و جهان‌های دیگری هم هستند که با جهان ما، تفاوت عمده‌ای دارند.

در واقع، بر اساس نتیجه‌ی منطقی تفسیر دنیاهای چندگانه، هر چیزی که امکان‌پذیر است، هر قدر هم نامحتمل باشد، در نسخه‌ای از جهان، وجود دارد. در یک جهان، شما رئیس جمهور ایالات متحده هستید و در دیگری، به خاطر کشتار جمعی، در زندان به سر می‌برید. ایده‌ی وجود همه‌چیز، اگرچه عجیب به نظر می‌رسد، اما یکی از تعابیری است که حامیان پر و پا قرصی دارد. مکس تگمارک (Max Tegmark)، کیهان‌شناس، که بر اساس همین تفسیر، سلسله مراتب سطوح دنیاهای چندگانه را طراحی کرده، معتقد است توضیح مجموعه‌ای از جهان‌ها (گاه آن را چندگیتی multiverse نیز می‌نامند) که در آن‌ها هر چیزی ممکن است، آسان‌تر از توضیح یک جهان با قوانین مشخص است.«ویژگی مشترک هر چهار سطح چندگیتی، این است که ساده‌ترین و ظریف‌ترین نظریه، اساساً دنیاهای موازی را شامل می‌شود. برای انکار وجود این دنیاها، باید با اضافه‌کردن فرض‌های فاقد عمومیت و فرایندهایی که اساس تجربی ندارند، تئوری را پیچیده کنیم: فضای متناهی، از بین رفتن تابع موج و عدم تقارن هستی‌شناسانه. به این ترتیب، در نهایت، رأی ما به جایی می‌رسد که به نظرمان بی‌فایده‌تر و ناهنجارتر است: دنیاهای چندگانه، یا کلمات چندگانه.»

مکس تگمارک، کیهان‌شناس، طراح سلسله مراتب دنیاهای چندگانه.

تفسیر دنیاهای چندگانه، به یکی از دشوارترین پرسش‌های فلسفی کسانی که به ساخت ماشین زمان اندیشیده‌اند، پاسخ می‌دهد. اگر تنها یک جهان وجود داشته باشد، بازگشت به گذشته با ماشین زمان، و کشتن پدربزرگتان، باعث ایجاد پارادوکس خواهد شد. اما اگر دنیاهای چندگانه‌ی چندگیتی، وجود داشته باشند، دیگر پارادوکسی در کار نیست. در این صورت، کشتن پدربزرگتان، فقط باعث به وجود آمدن گذشته‌ی متفاوتی خواهد شد که شما در آن حضور ندارید. در شاخه‌ی دیگری از گذشته، پدربزرگتان زنده می‌ماند و شما متولد می‌شوید. اگر به شاخه‌ی اصلی خود برگردید، پدربزرگتان همچنان زنده خواهد بود. اگر در گذشته‌ی دیگر، که در آن پدربزرگتان را کشته‌اید، باقی بمانید، وجودی غریب خواهید شد بی هیچ گذشته‌ای.

به جز تفسیر کپنهاگ، بوهم و دنیاهای چندگانه، تفاسیر دیگری نیز از فیزیک کوانتوم وجود دارد. با این حال، به نظر می‌رسد تمام آن‌ها در نوعی «غرابت»، با هم مشترک‌اند. هنوز هم فیزیکدانان، بر سر این که کدام یک از این تفاسیر درست است، یا این که اصلاً این تفاسیر درست هستند یا نه، با هم اختلاف نظر دارند. راه حل این مسئله، در دست فیزیکدان باهوشی است که برای اثبات یا رد این تفاسیر، آزمایشی طرح کند.

به هر حال، در پایان، از ایده‌هایی که هنوز قابل آزمودن نیستند، فاصله می‌گیریم و به آزمایشی می‌پردازیم که در چندین آزمایشگاه، تکرار شده است. یکی از زیباترین آزمایشاتی که تا کنون انجام شده: پاک‌کننده‌ی کوانتوم انتخاب تأخیردار (The Delayed Choice Quantum Eraser).

آزمایش پاک‌کننده‌ی کوانتوم انتخاب تأخیردار

در آزمایش اولیه‌ی دو شکاف، دیدیم در صورت مشخص بودن اطلاعات مربوط به «کدام مسیر» که معلوم می‌کند فوتون از کدام شکاف عبور کرده، الگوی تداخل ناپدید می‌شود، زیرا فوتون به جای آن‌که موجی عمل کند، به صورت ذره‌ای عمل می‌کند. آزمایش پاک‌کننده‌ی کوانتوم انتخاب تأخیردار، که برای نخستین بار توسط Yoon-Ho Kim، R. Yu، S. P. Kulik، Y. H. Shih و Marlan O. انجام شد، ساختاری مشابه آزمایش دو شکاف دارد. با این تفاوت که درست پشت شکاف‌ها (آن‌ها را شکاف‌های A و B می‌نامیم)، یک کریستال بتا باریوم بورات beta barium borate(BBO) قرار می‌گیرد.  وقتی یک فوتون به این کریستال برخورد می‌کند، کریستال، دو فوتون با انرژی کمتر آزاد می‌کند که درهم‌تنیده هستند (تابع موج یکسانی دارند). یکی از فوتون‌ها (که فوتون سیگنال signal photon نام دارد) به سمت یک ردیاب (این ردیاب را هم D0 می نامیم) می‌رود تا موقعیت‌اش شناسایی شود. هر دو مسیر، از شکاف A و شکاف B به ردیاب D0 می‌رسند، تا با رسیدن فوتون‌های بیشتر، این اطلاعات برای دریافتن این که آیا فوتون طبق الگوی تداخل رفتار می‌کند یا نه، مورد استفاده قرار گیرد. درست مثل آزمایش دو شکاف اصلی.

فوتون درهم‌تنیده با فوتون سیگنال (که فوتون متأخر idle photon نام دارد)، در جهت دیگری حرکت می‌کند. این فوتون نیز می‌تواند مانند فوتون سیگنال، در دو مسیر متفاوت (A و B) حرکت کند، یعنی هرکدام از یکی از شکاف‌ها عبور کنند. آزمایش، به گونه‌ای طراحی شده تا مسیرهای فوتون متأخر، بسیار طولانی‌تر از مسیرهای فوتون سیگنال باشند. یعنی تا زمانی که فوتون متأخر، به یکی از دستگاه‌های اپتیکال برخورد کند، فوتون سیگنال به ردیاب D0 رسیده و ثبت شده است. فوتون متأخر، ابتدا به دو پرتوشکاف (می‌توانیم آن‌ها را BSA و BSB بنامیم، برای هر مسیر یکی). پرتوشکاف، دستگاهی اپتیکال است که ۵۰%  احتمال دارد مثل یک تکه شیشه، فوتون را از خود عبور دهد و ۵۰%  احتمال دارد مثل آینه، آن را منعکس کند. اگر فوتون از پرتوشکاف منعکس شود، بسته به این که مسیر A را طی کند یا مسیر B را، به یکی از دو ردیاب (ما این ردیاب‌ها را D3 و D4 می‌نامیم) برخورد خواهد کرد. اگر فوتون‌ها، از پرتو شکاف بگذرند، به آینه‌هایی برخورد می‌کنند که آنان را به سمت یک پرتوشکاف نهایی انعکاس می‌دهد. در اینجا، فوتون‌های یک مسیر، ممکن است عبور کنند تا به ردیاب D1 برخورد کنند، یا منعکس شوند تا به ردیاب D2 برخورد کنند. فوتون‌هایی که از مسیر دیگر می‌گذرند، درست عکس این عمل می‌کنند، یعنی در صورت عبور به D2 برخورد می‌کنند و در صورت منعکس شدن به D1.

ساختار آزمایش پاک‌کننده‌ی کوانتوم انتخاب تأخیردار. BS نشانگر پرتوشکاف، M نشانگر آینه و D نشانگر ردیاب است. (تحت امتیاز پاتریک ادوین و مشترکین ویکی‌پدیا)

حاصل این قرارگیری، چنین است که اگر یک فوتون، توسط پرتوشکاف اول منعکس شود، در D3 و D4 ردیابی خواهد شد و اطلاعات مربوط به «کدام مسیر» درباره‌ی این که این فوتون و فوتون درهم‌تنیده‌اش، از کدام شکاف عبور کرده‌اند، به دست خواهد آمد. اما اگر فوتون از پرتوشکاف‌های اول عبور کند، پرتوشکاف نهایی نمی‌تواند مسیرها را درست تشخیص دهد. بنابراین، ما می‌فهمیم که فوتون به D1 و D2 رسیده، اما نمی‌دانیم این فوتون و فوتون درهم‌تنیده‌اش، در چه مسیری از دستگاه دوشکاف عبور کرده است.

تمام ردیاب‌ها، به دستگاهی به نام «شمارشگر همرویداد» (coincidence counter) متصل‌اند که برخورد و موقعیت فوتون سیگنال در D0 را با فوتون متأخر در D1، D2،D3  و D4 انطباق می‌دهد. شمارشگر رویداد، برای جلوگیری از تأثیرگذاری فوتون‌های نامناسب بر آزمایش، به کار می‌رود. تمام فوتون‌هایی که به BBO برخورد می‌کنند، زوج درهم‌تنیده به وجود نمی‌آورند. به همین دلیل، فوتون‌های درهم‌نتینده‌ی بسیاری وجود خواهند داشت که باید از داده‌های نهایی کنار گذاشته شوند.

هنگامی که اطلاعات به دست آمده از این آزمایش، مورد مطالعه قرار گرفتند، نتایج بسیار جالبی مشاهده شد. اگر یک فوتون متأخر، به D3 یا D4 برخورد کند، می‌توانیم بفهمیم که این فوتون و فوتون درهم‌تنیده‌اش، از کدام شکاف عبور کرده‌اند و می‌بینیم که این فوتون، از الگوی تداخل، پیروی نکرده است. اگر فوتون‌های سیگنال، از D0 با فوتون‌های درهم‌تنیده‌شان از D1 انطباق داده شوند، الگوی روشن تداخل، مشاهده می‌شود. زیرا نمی‌دانیم فوتون از کدام شکاف عبور کرده است. با بررسی D0 و D2 هم به نتایج یکسانی می‌رسیم، زیرا در اینجا هم نمی‌دانیم فوتون از کدام شکاف عبور کرده است (اگرچه در این مورد دوم، به دلیل ویژگی‌های اپتیکال آخرین پرتو شکاف، الگوی تداخل، اندکی با الگوی D0/D1 تفاوت دارد).

بازگشت در زمان؟

نکته‌ی جالب توجه درباره‌ی آزمایش پاک‌کننده‌ی کوانتوم انتخاب تأخیردار، این است که فوتون‌های سیگنال و متأخر، هیچ کدام، در برخورد فیزیکی با تجهیزات آزمایشگاهی رفتار متفاوتی از خود نشان نمی‌دهند، حال چه الگوی تداخل ظاهر بشود، چه ظاهر نشود. در آزمایش اصلی دو شکاف، می‌توان گفت ردیابی که عبور فوتون از شکاف بررسی می‌کرد، به نحوی با فوتون برخورد فیزیکی داشت و باعث می‌شد فوتون، رفتار موجی خود را به رفتار ذره‌ای تبدیل کند. در اینجا، تصمیم درباره‌ی این که آیا فوتون سیگنال با خود تداخل خواهد کرد یا نه، تنها بر پایه‌ی این مسئله قرار دارد که بعد از برخورد فوتون متأخر، اطلاعات مربوط به این که فوتون از کدام شکاف عبور کرده، همچنان موجود باشد. از آن‌جایی فوتون متأخر، به طور مشخص، بعد از رسیدن فوتون سیگنال به ردیابش، به ردیاب خود می‌رسد، این طور به نظر می‌آید که اطلاعات «پاک می‌شوند». انگار چیزی در زمان به عقب برمی‌گردد و گذشته را تغییر می‌دهد. آیا واقعاً این اتفاق روی می‌دهد؟

اگر از نقطه‌نظر محض تفسیر کپنهاگ نگاه کنیم، احتمالاً نه. فوتون سیگنال، وقتی به ردیاب D0 می‌رسد، در حالت برهم‌نهی است. این فوتون، هم از الگوی تداخل پیروی کرده و هم از آن پیروی نکرده. وقتی فوتون سیگنال، به ردیاب برخورد می‌کند، تابع موج خود را با تابع D0 درهم‌ می‌تند و به این شکل، ردیاب را نیز در حالت برهم‌نهی قرار می‌دهد. تابع موج، تنها در صورتی در یک موقعیت، یا موقعیت‌های دیگر از بین می‌رود که فوتون متأخر، به ردیابش برسد و مشاهدات پایان یابد. البته هنوز بر سر این که چه چیزی یا چه کسی مشاهدات را پایان می‌بخشد (انسان یا دستگاه) اختلاف نظر هست، هرچند به نظر می‌رسد ردیاب D0 به تنهایی ناظر و مشاهده‌کننده محسوب نمی‌شود.

از دیدگاه کسانی که به تفسیر دنیای چندگانه، اعتقاد دارند، برهم‌نهی هرگز از بین نمی‌رود، و جهان، همراه با دانشمندانی که آزمایش را انجام می‌دهند، به چهار نسخه تبدیل می‌شود، هر نسخه برای هرکدام از ردیاب‌ها که فوتون متأخر می‌تواند به آن‌ها برخورد کند. هرکدام از دانشمندان، در دنیای خودشان، گمان خواهند کرد که برخورد فوتون متأخر به ردیابش، گذشته را تغییر داده است، حال آن‌که در حقیقت، این مسئله، معلول چهار شاخه شدن جهان است.

این بود نگاهی گذرا و محدود به غرابت کوانتوم. هم‌اکنون، دانشمندان، تا حد زیادی اطمینان دارند که تئوری کوانتوم درست است، اما هنوز بر سر این که کدام تفسیر را باید پذیرفت، با یکدیگر اختلاف نظر دارند. آیا مشاهدات ما، دنیای اطرافمان را به وجود می‌آورند، یا ما تنها نقاط ریزی هستیم در چندگیتی که تمام گذشته‌های ممکن را شامل می‌شود؟ آیا احتمال دیگری هم وجود دارد؟ هیچ کس به طور یقین نمی‌داند.

سال‌های سال، فیزیکدانان از پاسخ دادن به این پرسش‌ها، خوددداری کرده‌اند و غرابت فیزیک کوانتوم، همان طور که J. M. Jauch، نویسنده و دانشمند، گفته است، همچون «اسکلتی است داخل گنجه». اخیراً افراد زیادی به این حوزه علاقه‌مند شده‌اند و تحقیق درباره‌ی معنای فیزیک کوانتوم، ارج و قرب بیشتری یافته است. امید است که این تلاش‌ها، پاسخ‌های بیشتری برای پرسش‌هایی که به نظر می‌رسد پیچیده‌ترین پرسش‌های جهان باشند، به ارمغان آورد.

بازگشت به قسمت اول

منبع به زبان اصلی: unmuseum

برگردان: شگفتیها دات کام