فیزیک کوانتم و حقایق شگفت انگیز

فیزیک کوانتوم و حقایق شگفت انگیزش

---

فیزیک بدون

---

 شک علمی شگفت انگیز است. ذراتی که وجود ندارند در احتمالات به حساب می آیند، و زمان متناسب با سرعت حرکت شیء تغییر می کند. نشریه تلگراف، 10پدیده عجیب از این عجایب در علم فیزیک را با کمک تعدادی از کاربران توئیتر و کیهان شناسی به نام «مارکوس چاون» ارائه کرده است که در ادامه از نظرتان می گذرد.

---

خورشید می توانست از موز ساخته شده باشد

خورشید بسیار پرحرارت است زیرا وزن چند میلیارد میلیارد میلیارد تنی آن گرانش عظیمی به وجود می آورد که در نتیجه هسته ستاره را تحت فشاری غیرقابل تصور گذاشته و در نتیجه فشار بالاحرارت فوق العاده تولید می کند. در صورتی که به جای گاز هیدروژن از میلیاردها میلیارد میلیارد تن موز استفاده می شد نیز همان میزان فشار و در نتیجه همان مقدار حرارت در خورشید به وجود می آمد. با این حال با افزایش حرارت، اتم ها با بخش های مختلف ساختار ستاره یی برخورد کرده و انرژی اتمی را به وجود می آورند که در اینجا تفاوت میان حضور هیدروژن و موز در ساختار خورشید آشکار خواهد شد.

تمام ماده یی که نسل بشر را به وجود آورده است در یک حبه قند جا می گیرد

در اتم ها، 9999999999999/99 درصد فضا، خالی است و به همین دلیل در صورتی که تمامی اتم ها را به گونه یی به هم بفشاریم که فضای خالی میان آنها از بین برود، یک قاشق چایخوری یا حجمی برابر یک حبه قند از این ماده حدود پنج میلیارد تن وزن خواهد داشت: وزنی 10 برابر مجموع وزن تمامی انسان هایی که در حال حاضر در جهان حضور دارند. این در واقع همان پدیده یی است که در ستاره های نوترونی رخ می دهد و وزن آنها را تا حد غیرقابل باوری افزایش می دهد.

آینده می تواند گذشته را تغییر دهد

شگفتی جهان کوانتوم به اثبات رسیده است. آزمایش دو جداره که نور را در دو حالت موج و ذره به اثبات می رساند به اندازه کافی عجیب و غیرقابل تصور است به خصوص زمانی که اعلام شود مشاهده نور می تواند آن را از موج به ذره یا برعکس تبدیل کند. اما پدیده های عجیب تر این جهان پس از آزمایش «جان ویلر» فیزیکدان در سال 1978 خود را نمایان کرد. آزمایش وی نشان داد مشاهده یک ذره در زمان حاضر می تواند سرنوشت ذره مشابه دیگری در گذشته را متحول سازد. طبق آزمایش دو جداره در صورتی که هر یک از پرتوهای نوری خارج شده از یکی از شکاف های صفحه آزمایش را مشاهده کنید، در واقع پرتو را مجبور کرده اید خصوصیات ذره یی به خود بگیرد و اگر به هدف برخورد پرتو چشم بدوزید خصوصیت موج گونه به پرتو نور بخشیده اید. اما در صورتی که پس از عبور پرتو نور از شکاف به مسیری که از آن ناشی شده است، چشم بدوزید آنگاه است که پرتو نور می تواند در هر دوحالت شکل بگیرد. به بیانی دیگر زمان حال بر گذشته پرتو نوری تاثیر گذاشته است. این آزمایش در آزمایشگاه تنها چند صد هزارم ثانیه به طول می انجامد، اما در مشاهده نورهای ناشی از ستاره های دوردست نیز صدق می کند. در واقع مشاهده اکنون ستاره های دوردست می تواند گذشته چند هزار یا میلیون ساله آنها را تغییر دهد.

تقریباً همه جهان گم شده است

می توان به جرات گفت حدود 100 میلیارد کهکشان در جهان هستی وجود دارد که هر یک از آنها از 10 میلیون تا 10 تریلیون ستاره را در خود گنجانده اند. خورشید زمین در مقایسه با این ستاره ها یکی از کوچک ترین و ضعیف ترین ستاره ها به شمار می رود و حتی می توان نام کوتوله زردرنگ را روی آن گذاشت. در واقع در جهان هستی مقادیر ترسناک و عظیمی از ماده مرئی وجود دارد که انسان تنها قادر به مشاهده دو درصد از آن است. وجود این مقدار ماده به دلیل نیروی گرانش آنها پیش بینی می شود و ماده تاریک نیز که مقدار آن شش برابر جرم ماده مرئی تخمین زده می شود بخش نامرئی جهان را تشکیل داده است. به گزارش مهر به نقل از منابع علمی جهان وجود انرژی تاریک به عنوان بخشی دیگر از جهان که در واقع مابقی جهان را تشکیل داده است، موضوع را پیچیده تر خواهد کرد. این نوع انرژی با گسترش سریع جهان در ارتباط است و به همراه ماده تاریک همچنان ناشناخته باقی مانده است.

جسم می تواند سریع تر از نور حرکت کند نور نیز همیشه بسیار سریع حرکت نمی کند

سرعت نور در خلا300 هزار کیلومتر بر ساعت است با این حال نور همیشه در خلاحرکت نمی کند. برای مثال نور در آب با سرعتی یک سوم سرعت گفته شده حرکت می کند. در واکنش های اتمی برخی از ذرات به سرعت های بسیار بالایی دست پیدا می کنند که بخشی از سرعت نور است و در صورتی که از میان رابطی که سرعت نور را خواهد کاست عبور کنند، در واقع می توانند سریع تر از نور حرکت کنند. چنین پدیده یی درخششی آبی رنگ از خود به وجود می آورد که به «تشعشعات شرنکوف» شهرت دارد و با بمب های صوتی قابل مقایسه است. کمترین سرعتی که تاکنون برای نور به ثبت رسیده است 17 متر بر ثانیه یا 61 کیلومتر بر ساعت بوده که به واسطه عبور از میان روبیدیوم منجمد با حرارتی برابر صفر مطلق ایجاد شده است. این ماده در این حرارت در حالتی به نام چگالش «بوز- اینشتین» قرار دارد.

سیاهچاله ها سیاه نیستند

به طور حتم سیاهچاله ها بسیار تاریکند اما سیاه نیستند، زیرا این پدیده ها درخشان بوده و به آرامی نور خود را در تمامی طیف های نوری از جمله نور مرئی به اطراف منتشر می کنند. این تشعشعات که «تشعشعات هاوکینگ» نام دارد نور خود و جرم سیاهچاله ها را به تدریج کاهش داده و با از دست دادن منبع جرم سیاهچاله ها تبخیر می شوند. به گزارش مهر به نقل از منابع علمی جهان، سیاهچاله های کوچک در مقایسه با جرم شان و نسبت به سیاهچاله های بزرگ تر با سرعتی بالاتر از خود نور منتشر می کنند و بر همین اساس در صورتی که برخورددهنده بزرگ هادرون براساس برخی نظریه ها از خود میکروسیاهچاله هایی تولید کند، آنها به سرعت تبخیر خواهند شد و دانشمندان پس از آن قادر خواهند بود بقایای تابش های آنها را مشاهده کنند.

تعداد نامحدودی نویسنده مطلب را نوشته و تعداد نامحدودی خواننده آن را می خوانند

براساس مدل های استاندارد کیهان شناسی جهان مرئی با تمامی میلیاردها کهکشان و تریلیون تریلیون ستاره هایش تنها یکی از بی نهایت جهان هایی است که مانند حباب های صابون در یک اسفنج در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. به دلیل بی نهایت بودن آنها می توان هر تاریخچه ممکنی را برایشان در نظر گرفت. اما تعداد تاریخچه های ممکن برای این جهان ها متناهی است زیرا تعداد محدودی پدیده و تعداد محدودی نتیجه در بر داشته اند. تعداد این پدیده ها بسیار زیاد اما متناهی است، پس همین پدیده عینی و کنونی که نویسنده این مطلب نوشته و شما آن را می خوانید، باید بی نهایت بار در زمان رخ داده باشد. شگفت انگیزتر از آن این است که بدانیم نزدیک ترین همتای ما در چه فاصله یی از ما قرار گرفته است. این فاصله عددی برابر 10 به توان 10 به توان 28 متر تخمین زده شده است که در صورت علاقه مندی به محاسبه آن می توانید از عدد یک و 10 میلیارد میلیاردمیلیارد صفر در برابر آن استفاده کنید.

تصور بنیادین از جهان مسوول گذشته، حال و آینده آن نیست

براساس نظریه نسبیت خاص چیزی به نام اکنون، گذشته یا آینده وجود ندارد و قالب های زمانی به یکدیگر وابسته اند زیرا همه هستی در سرعتی برابر در حرکت است. درصورتی که انسان با سرعتی کاملاً متفاوت در حرکت بود شاهد پیر شدن زودهنگام یکی از نزدیکان یا دیر پیر شدن وی نسبت به دیگران می بود.

ذره می تواند به صورت آنی روی ذره یی در آن طرف جهان تاثیر بگذارد

زمانی که یک الکترون با همتای ضدماده خود یا پوزیترون روبه رو می شود، هر دو در درخشش کوچکی از انرژی خنثی شده و دو فوتون از این برخورد متولد می شود. ذرات زیراتمی مانند فوتون ها یا کوارک ها یک ویژگی به نام اسپین دارند که به مفهوم چرخش است. این ذرات در واقع حرکت چرخشی ندارند، اما به گونه یی رفتار می کنند که انگار در حال چرخشند. جهت اسپین فوتون ها در زمان تولد در برابر یکدیگر است و در نتیجه خنثی می شوند. با توجه به رفتارهای غیرقابل پیش بینی کوانتومی، گفتن اینکه کدام فوتون در مسیر چپ گرد و کدام یک در مسیر راست گرد حرکت خواهد داشت، غیرممکن است و در واقع تا زمانی که یکی از آنها مشاهده نشود، هر دو در هر دو جهت حرکت خواهند داشت اما به محض اینکه یکی از آنها مشاهده شود جهت راست یا چپ گرد را به خود گرفته و به هر جهتی که حرکت کند، همتایش در مسیر متضاد آن حرکت خواهد کرد. این واقعیتی است که در آزمایش ها به اثبات رسیده است.

هرچه سریع تر حرکت کنید سنگین تر می شوید

در صورتی که بسیار سریع بدوید به صورت لحظه یی و نه دائم، سنگین وزن خواهید شد. سرعت نور مرز سرعت در جهان است در این صورت زمانی که جسمی با سرعتی نزدیک به نور در حرکت است و شما به آن نیرویی وارد کنید، به سرعت آن نخواهید افزود بلکه تنها به آن انرژی اضافی وارد کرده اید که این انرژی باید در جایی قرار بگیرد. بهترین مکان برای قرارگیری این انرژی جرم جسم است. براساس قانون نسبیت جرم و انرژی با یکدیگر برابرند پس هر چه انرژی وارد شده بیشتر باشد، جرم افزایش پیدا خواهد کرد. البته این افزایش وزن در انسان قابل چشم پوشی بوده و در عین حال غیرقابل انکار است.

 به نقل از تبیان

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 استفن 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.

این مطلب از سایت شگفتیها کپی شده است

فیزیک کوانتم ۱

در سال ۱۸۰۳، دانشمندی انگلیسی به نام توماس یانگ (Thomas Young)، آزمایش قابل توجهی انجام داد. یانگ که به هیروگلیف‌های مصری بسیار علاقه‌مند بود و در استخراج آنان نیز همکاری داشت، درباره‌ی ماهیت نور تحقیق می‌کرد. آزمایش وی، تحولی در فیزیک ایجاد کرد که در نهایت باعث دگرگونی قوانین حرکت آیزاک نیوتون شد، قوانینی که یک قرن پیش از یانگ ارائه شده بود. این آزمایش همچنین یکی از بزرگترین رازهای جهان را نمایان ساخت: راز کوانتوم. بدون شک، معمای رمزآلود فیزیک کوانتوم، معمای عمیقی است. اگر کسی یک مار بزرگ دریایی واقعی بگیرد یا به یک دایناسور زنده بربخورد، رسانه‌ها چندین ماه به این موضوع می‌پردازند. کنار آب‌سردکن‌های تمام ادارات جهان، درباره‌ی این کشف جدید صحبت می‌شود. با این حال، هر چند چنین یافته‌ای می‌تواند بسیار تکان‌دهنده باشد، اما تغییر چندانی در جهان‌بینی ما ایجاد نمی‌کند. ما می‌دانیم که خزندگان غول‌پیکر آبزی و دایناسورها در گذشته‌های دور می‌زیسته‌اند. برایمان بسیار تعجب‌برانگیز می‌شد اگر می‌فهمیدیم این موجودات به نحوی توانسته‌اند بی‌آنکه که توسط دنیای علم کشف شوند، این همه سال زنده بمانند. اما در هر حال، این کشف، تغییر چندانی در نظریه‌ی تکامل ایجاد نمی‌کند. ولی رازی که در بطن فیزیک کوانتوم نهفته، به طور غیر مستقیم، درک ما را از حقیقی بودن جهان و هر آنچه در آن است (از جمله خود ما)، مورد هدف قرار می‌دهد. به علاوه، ایده‌ی مارهای غول‌پیکر دریایی و دایناسورها، بسیار خیالی و غیرمحتمل می‌باشد، حال آن‌که تئوری فیزیک کوانتوم یکی از تئوری‌هایی است که از پیکار آزمایشات فراوانی در عرصه‌ی علم، جان سالم به در برده است. علی‌رغم مشخصه‌های نامأنوس فیزیک کوانتوم، در صحت این نظریه، تردید چندانی باقی نمانده. همان‌طور که دنیل ام. گرینبرگر بیان کرده است: «انیشتین می‌گفت اگر علم مکانیک کوانتوم درست باشد، جهان جای بسیار عجیبی است. انیشتین راست می‌گفت. جهان جای بسیار عجیبی است».     آزمایش دو شکاف (The Double Slit Experiment) برای صحبت درباره‌ی فیزیک کوانتوم، بهترین کار این است که با آزمایش یانگ در سال ۱۸۰۳ شروع کنیم. در آن زمان، دانشمندان می‌خواستند بدانند آیا نور از نوعی ذره تشکیل شده یا این که از طریق ماده‌ی ناشناخته‌ی دیگری، به صورت موجی حرکت می‌کند (مانند امواجی که در آب حرکت می‌کنند). در آزمایش یانگ، از یک منبع ریز نور و یک صفحه استفاده شده بود. یانگ، میان این دو شیء، یک مانع با دو شیار نازک عمودیِ موازی با یکدیگر قرار داد. یانگ می‌دانست در صورتی که نور، فقط جریانی از ذرات ریز باشد، باید از هر کدام از شکاف‌ها گذشته و روی صفحه‌ی پشت سوراخ‌ها جمع شود. این دقیقاً همان چیزی بود که با پوشاندن یکی از شکاف‌ها و باز گذاشتن شکاف دیگر، اتفاق افتاد. یک نوار عمودی باریک از نور، روی صفحه‌ی پشت سوراخ ظاهر شد. یانگ مسلماً انتظار داشت وقتی شکاف دیگر را هم باز کرد، دو نوار باریک نوری ببیند، اما این طور نشد. بیشتر بخش‌های صفحه را مجموعه‌ای از نوارهای عمودی روشن و تاریک پر کرد. یانگ معنای این مشاهده را دریافت. نور، مثل یک موج عمل می‌کند و از هر دو شکاف می‌گذرد. بعد از گذشتن از میان شکاف‌ها، امواج به شکل نیم‌دایره پخش می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. به این ترتیب، وقتی دو قله‌ی موج با هم تلاقی می‌کنند، باعث تقویت یکدیگر می‌شوند و وقتی یک قله‌ی موج و یک دره‌ی موج با هم تلاقی می‌کنند، هر دو خنثی می‌شوند. در نتیجه، مجموعه‌ای از نوارهای روشن و تاریک روی صفحه دیده می‌شود. دانشمندان، این پدیده را الگوی تداخل (interference pattern) می‌نامند، زیرا از تداخل امواج با یکدیگر حاصل می‌شود.         مثالی از الگوی تداخل     پس نور بدون شک یک موج بود. در طی سال‌ها، دانشمندان به دنبال ماده‌ای بودند که امواج نور از طریق آن حرکت می‌کنند (و آن را ether یا واسط نور می‌نامیدند)، اما نمی‌توانستند به آن دست یابند. به علاوه، شواهدی نیز موجود بود که نشان می‌داد نور به صورت نوعی ذره حرکت می‌کند (که بعدها به آن فوتون گفته شد). در نهایت چنین نتیجه گیری شد که فوتون‌ها ماهیتی دوگانه دارند و به صورت موج و ذره عمل می‌کنند. با این حال، دانشمندان هنوز هم از خود می‌پرسیدند اگر بتوانند فوتون‌ها را یکی یکی از دو شکاف بگذرانند، چه چیزی رخ خواهد داد. سرانجام، منبع نوری اختراع شد که قادر بود هر بار تنها یک فوتون آزاد کند. آزمایش دو شکاف یانگ دوباره انجام گرفت. اما این بار به جای صفحه‌ی عادی، از کاغذ عکاسی استفاده شد، زیرا یک فوتون، کم‌نورتر از آن است که روی صفحه دیده شود. حال آن که بعد از عبور میلیون‌ها فوتون از شکاف‌ها (به صورت تک تک)، الگوی مورد نظر بر روی کاغذ عکاسی قابل مشاهده می‌گردید. با ظاهر کردن عکس، همان الگوی تداخل پیشین مشاهده شد. دانشمندان این‌گونه نتیجه گرفتند که هر یک از فوتون‌ها به صورت موجی حرکت کرده‌، به طور همزمان از میان دو شکاف رد شده و با خودشان تداخل داشته‌اند و تنها هنگامی که سرانجام با کاغذ عکاسی برخورد کرده‌اند، به صورت ذره‌ای در موقعیت خاص ظاهر شده‌اند، و این بسیار عجیب بود. دانشمندان تصمیم گرفتند کنار شکاف‌ها، ردیابِ فوتون کنار قرار دهند تا مسیر واقعی فوتون را مشاهده کنند. آن‌ها موفق شدند، ولی وقتی این آزمایش را انجام دادند، الگوی تداخل ناپدید شد و تنها دو خط باریک (پشت هر سوراخ یکی)، روی صفحه ظاهر شد. ظاهراً فوتون‌ها «می‌دانستند» که در معرض مشاهده شدن قرار دارند و به همین دلیل، به جای این که به صورت موجی عمل کنند، رفتار ذره‌ای پیش گرفته‌اند!         طرح یانگ از آزمایشش که نشان می‌دهد امواج نور از شکاف‌های A و B خارج می‌شوند، و با همدیگر تداخل می‌کنند تا هر کدام از خطوط پایین صفحه را که به نام‌های  C، D،E و F نشان داده شده‌اند، به وجود آورند.     دانشمندان سپس تصمیم گرفتند که ردیاب فوتون را در جهتی از صفحه قرار دهند که با منبع نور فاصله‌ی بیشتری داشته باشد، تا به این ترتیب فوتون، فقط بعد از عبور از میان شکاف دیده شود. اما تغییری در نتیجه حاصل نشد. باز هم ظاهراً فوتون پیش از رسیدن به صفحه، «می‌دانست» در سمت دیگر آن یک ردیاب وجود دارد و به همین دلیل پیش از عبور از شکاف‌ها، به ذره تبدیل می‌شد. سرانجام، دانشمندی به نام جان ویلر (John Wheeler) آزمایشی پیشنهاد کرد که طی آن، صفحه می‌توانست درست در آخرین لحظه‌ی پیش از برخورد فوتون، با یک دستگاه ردیاب نوری جایگزین شود، به این ترتیب می‌شد فهمید فوتون از کدام شکاف عبور کرده است. تصمیم درباره‌ی کنار کشیدن یا نکشیدن صفحه، باید بعد از عبور فوتون از میان شکاف گرفته می‌شد. در زمانی که ویلر این آزمایش را مطرح کرد، انجام آن از لحاظ فنی غیرممکن بود. اما چند سال بعد، امکان انجام آزمایش به وجود آمد. نتیجه‌ی آزمایش چنین بود: هنگامی که صفحه در جای خود قرار داشت، فوتون طبق الگوی تداخل رفتار می‌کرد، حال آن که اگر صفحه در لحظه‌ی آخر، برداشته می‌شد تا اطلاعات مربوط به این که از کدام شکاف عبور کرده، به دست آید، فوتون طبق الگوی تداخل رفتار نمی‌کرد. گویا فوتون می‌دانست هنگام رسیدن به شکاف چگونه عمل کند، هر چند که تصمیم درباره‌ی برداشتن یا برنداشتن صفحه در لحظه‌ی آخر گرفته می‌شد. ظاهراً یا فوتون می‌توانست آینده را پیش‌بینی کند یا این‌که تصمیم درباره‌ی قرارگیری صفحه، می‌توانست گذشته را تغییر دهد. دانشمندان این طور نتیجه گرفتند که در نظریه‌ی کوانتوم، جایی برای علیت وجود ندارد. گویا اتفاقاتی که در زمان حال می‌افتند، می‌توانند گذشته را تغییر دهند، و این اوج غرابت کوانتوم بود. اگر خواندن این مطالب، شما را آشفته کرده، نگران نباشید. افراد زیادی از این مسئله آشفته شده‌اند، از جمله آلبرت انشتین. نور ستارگان، درخشش ستارگان امشب بیرون بروید و ستارگان را تماشا کنید. اگر زمستان باشد (در نیکره‌ی شمالی)، حتماً خواهید توانست صورت فلکی شکارچی (یا جبار) را ببینید. تشخیص این صورت فلکی آسان است، زیرا سه ستاره در یک خط، کمربند شکارچی را تشکیل می‌دهند. به ستاره‌ی وسطی نگاه کنید. او یک ستاره‌ی ابرغولِ سفید-آبی به نام اپسیلون جبار (Alnilam) است که ۱۳۰۰ سال نوری از ما فاصله دارد. وقتی به این ستاره نگاه می‌کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ بر اساس بسیاری از کتاب‌ها، هزار و سیصد سال پیش- اوایل قرون وسطی در اروپا- الکترونی برانگیخته در یکی از اتم‌های هیدروژن موجود در لایه‌های بیرونی این ستاره، یک ذره‌ی انرژی آزاد کرده است: یک فوتون. فوتون آزاد شده از اپسیلون جبار، با سرعت نور، حدوداً ۳۰۰۰۰۰ کیلومتر در ثانیه، در جهت زمین حرکت کرده است. اگرچه فوتون‌ها چندان تحت تأثیر جاذبه قرار نمی‌گیرند، اما سیارات، ستارگان و سایر اجرام آسمانی که در مسیر فوتون یاد شده قرار دارند، به طور خفیفی بر آن تأثیر گذاشته و در خلاء فضا، مسیری خاص به آن می‌دهند. با نزدیک شدن به زمین، فوتون، بدون برخورد با مولکول‌های اتمسفر، از آن‌ها می‌گذرد. درست وقتی به آسمان نگاه کردید، این فوتون توسط شما دریافت می‌شود. این فوتون (همراه بسیاری فوتون‌های دیگر)، شبکیه را که درست پشت چشمتان قرار دارد، تحریک می‌کند، پیغامی به مغز شما فرستاده می‌شود و شما در مغزتان نور ستاره را می‌بینید. این سیر حوادث، بسیار جالب است، منتها، با توجه به تئوری کوانتوم، در حقیقت این همان چیزی نیست که اتفاق می‌افتد. به هیچ وجه. هیچ کس دقیقاً نمی‌داند در سطح کوانتوم چه اتفاقی می‌افتد، با این حال، چند تفسیر از نظریه‌ی کوانتوم وجود دارد که می‌توانند به ما در فهم مسئله کمک کنند. معروف‌ترین آن‌ها تفسیر کُپنهاگ(Copenhagen Interpretation) نامیده می‌شود، زیرا قسمت عمده‌ی آن توسط نیلز بور (Niels Bohr)، فیزیکدان اهل کپنهاگ، ارائه شده است.  دانشمندان و مهندسان، سال‌هاست از کپنهاگ به عنوان روشی استاندارد جهت درک دنیای کوانتوم استفاده می‌کنند. تفسیر کپنهاگی نظریه‌ی کوانتوم، مشاهده شدن اپسیلون جبار توسط شما را این گونه توضیح می‌دهد: آنچه که حدود ۱۳۰۰ سال پیش، اتم هیدروژن را ترک کرد، فوتون نبود، بلکه یک موج احتمال بود. این موج، بیانگر مکان احتمالی فوتون نبود، بلکه بیانگر این احتمال بود که در صورت مشاهده شدن فوتون، این اتفاق در چه مکانی روی خواهد داد. موج با سرعت نور به بیرون حرکت کرد، اما نه به سوی زمین، بلکه به شکل کُره‌ای که با سرعت نور بزرگ و بزرگ‌تر می‌شد. سیارات، ستارگان و سایر اجرامِ نزدیک به آن، بر مکان احتمالی مشاهده‌ی شدن فوتون تأثیر گذاشتند، اما هنوز این امکان وجود داشت که فوتون در هر جایی از کره‌ی در حال انبساط، ظاهر شود. موج/کره، ۱۳۰۰ سال بزرگ شد، تا این که قطری برابر ۲۶۰۰ سال نوری پیدا کرد، یعنی ۱۵۲۵۰۸۰۹ بیلیون مایل. جبهه‌ی موج از اتمسفر زمین گذشت. درست در این لحظه، شما چشمتان را بر روی اپسیلون جبار متمرکز کردید و جبهه‌ی موج با سلول‌های شبکیه‌ی چشم شما درگیر شد. سپس، جایی میان شبکیه‌ی چشم شما که با موج درگیر شده و مغزتان که ستاره را دیده، این واقعه رخ داد.         صورت فلکی شکارچی. ستاره‌ای که در میان قرار دارد اپسیلون است.     بلافاصله، موج احتمال به قطر ۲۶۰۰ سال نوری، از میان رفت و فوتون در برخورد با شبکیه‌ی چشم شما، ظهور کرد. اگر شما در لحظه‌ی مناسب به آسمان نگاه نکرده بودید، شاید فوتون، چند ثانیه‌ی دیگر، در سوی دیگر اپسیلون جبار، توسط ناظر بیگانه‌ای در یک سیاره‌ی دیگر با فاصله‌ی هزاران سال نوری، از هم می‌پاشید. اما مشاهده شدن فوتون توسط شما در کره ی زمین، برای همیشه این احتمال را از میان برد. وقتی شما این فوتون را دیدید، سرنوشتی منحصر به فرد برایش رقم خورد. مسیری ایجاد شد تا او از آن اتم هیدروژن در اپسیلون جبار، به چشم شما برسد. شاید این طور به نظر بیاید که نابودی چیزی با وسعت ۲۶۰۰ سال نوری غیرممکن است، زیرا لازمه‌ی آن، پیشی گرفتن از سرعت نور می‌باشد. اما این مورد، تنها یکی از موارد متعددی است که در آن، نظریه‌ی کوانتوم، حداکثر سرعت کیهانی را به چالش می‌طلبد. این مسئله نیز، انشتین را عمیقاً آشفته کرد. دو فرزند انشتین گفته می‌شود در اوایل قرن بیستم، انشتین صاحب دو فرزند شد- دو نظریه‌ی بزرگ فیزیک. می‌گویند او یکی را فرزندانش را دوست داشت (نسبیت) و از دیگری متنفر بود (فیزیک کوانتوم). چه چیزی در فیزیک کوانتوم، او را بر می‌آشفت؟ اول از همه، غیر قابل پیش‌بینی بودن آن. اگر قرار باشد یک تفنگ را تنظیم کنید و آن را به هدف بزنید، با معلوم بودن سرعت و جهت گلوله، تعیین مسیر آن بعد از خروج از لوله‌ی تفنگ، بسیار ساده است. اما فوتون این طور نیست. همان‌طور که مثالِ ما درباره‌ی موج نورِ رهسپار شده از یک ستاره‌ی دوردست، نشان داد، فوتون به صورت موج احتمال حرکت می‌کند. فوتون ممکن است هرجایی در مسیر حرکت موج، ظاهر شود. هر چند، احتمال ظهور آن، در بعضی مکان‌ها بیشتر است. این باعث شد انشتین به طعنه بگوید که باورش نمی‌شود «خدا با هستی تخته نرد بازی کند».             انشتین کمک کرد نظریه‌ی کوانتوم به دنیا بیاید، ولی بسیار از آن آشفته گشت.         دومین نکته‌ای که انشتین را آزار می‌داد، این ایده بود که با توجه به کپنهاگ، یک جسم پیش آن‌که مورد مشاهده قرار گیرد، تنها به شکل موج احتمال وجود دارد. شاید وقتی حرف از یک فوتون باشد، این مسئله چندان مهم به نظر نرسد، چون بسیار بسیار کوچک است. اما این تنها فوتون‌ها نیستند که از قوانین فیزیک فیزیک کوانتوم پیروی می‌کنند، بلکه الکترون‌ها، پروتون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها نیز مشمول این قوانین هستند. همه‌ی آن‌ها پیش از مشاهده شدن، تنها موج‌اند و آزمایش دو شکاف، با موادی به بزرگی مولکول‌های فولرن (Fullerene) که ۶۰ اتم کربن دارند، انجام شده است. در نهایت اگر فکر کنیم، می‌بینیم تمام جهان ما، از اتم‌ها و مولکول‌ها تشکیل شده و خود ما نیز. آیا این بدان معناست که ما تنها، امواج بزرگ احتمال هستیم؟ این تصور که هر چیزی در جهان ما، در صورت مشاهده نشدن، ماهیتی مستقل ندارد، انشتین را واداشت به شوخی بگوید: «ترجیح می‌دهم فکر کنم ماه، حتی وقتی نگاهش نمی‌کنم، باز وجود دارد».     گربه‌ی شرودینگر (Schrödinger’s Cat) انشتین، تنها بنیانگذار نظریه‌ی کوانتوم نبود که به آن شک داشت. اِروین شرودینگر، یکی از معادلات کلیدی را برای پیش‌بینی چگونگی تغییر سیستم کوانتوم در طول زمان مطرح کرد. این کار برای او جایزه‌ی نوبل سال ۱۹۳۳ را به ارمغان آورد. با این حال، وی با بعضی از مفاهیم فیزیک کوانتوم، مشکل داشت و برای نشان دادن بی‌معنا بودن آن‌ها، مثالی مطرح کرد.             شرودینگر درباره‌ی نظریه‌ای که در به وجود آمدنش سهیم بود، شک داشت و آزمایش فرضی مشهور گربه را مطرح کرد تا نشان دهد این نظریه ناقص است.         در آزمایش فرضی شرودینگر، یک گربه درون جعبه‌ای مهر و موم شده قرار می‌گیرد (توجه: این فقط یک مثال است، شرودینگر هرگز نمی‌خواست کسی این آزمایش را با یک گربه‌ی واقعی انجام دهد). در درون این جعبه، یک دستگاه «نابودگر» شامل یک ماده‌ی رادیواکتیو، یک شمارشگر گایگر مولر و یک ظرف شیشه‌ای قرار دارد. ماده‌ی رادیواکتیو به اندازه‌ای است که در عرض یک ساعت به احتمال ۵۰ درصد تجزیه شده، ذره‌ای آزاد می‌کند که باعث به کار افتادن شمارشگر می‌شود. شمارشگر نیز به گونه‌ای تعبیه شده که در صورت شناسایی ذره، چکشی را رها می‌سازد و موجب متلاشی شدن ظرف شیشه‌ایِ پر از گاز کشنده‌ی هیدروژن سیانید می‌شود. بعد از گذشت یک ساعت، احتمال این که جعبه را باز کنید و گربه را زنده یا مرده بیاید، پنجاه/ پنجاه است. اما گربه پیش از باز کردن جعبه، در چه وضعیتی است؟ از آنجایی که نابودی اتم، رویدادی کوانتومی است، با توجه به تفسیر کپنهاگ، می‌توان گفت تا زمانی که اتم (به عنوان تابع موج احتمال)، مشاهده نشده، در حالت برهم نهی قرار دارد- یعنی همزمان در دو وضعیت است. معنایش می‌تواند این باشد که دستگاه نابودگر و گربه نیز در حالت برهم نهی هستند، گربه هم زنده است و هم مرده. شرودینگر چنین ایده‌ای را مضحک یافت و تلاش کرد از آن، برای نشان دادن کاستی‌های نظریه‌ی کوانتوم، استفاده کند و بگوید این نظریه یا اشتباه است یا ناقص. مسئله‌ی دیگری که فیزیکدانان اولیه‌ی حوزه‌ی کوانتوم را درگیر کرد، مسئله‌ی ناظری بود که تابع را در هم می‌شکست. ناظر کدام است؟ شکارشگر گایگر مولر؟ گربه؟ انسان آگاه آزمایشگر؟             آزمایش فرضی مشهور گربه‌ی شرودینگر         از نظر عده‌ای، آگاهی به طرز غریبی با فیزیک کوانتوم در ارتباط می‌باشد. حال آن‌که برای بسیاری از فیزیکدانان، چنین دیدگاهی، همچون یک لعن و نفرین است. از زمانی که کوپرنیک، برای اولین بار، زمین را از مرکز منظومه‌ی شمسی برداشت و آن را تنها یکی از چند سیاره‌ای معرفی کرد که به دور خورشید می‌گردند، جایگاه انسان در کیهان، مرتب کوچک و کوچک‌تر شد، تا جایی که اکنون، سیاره‌ی ما، تنها، لکه‌ی کوچکی است در هستی وسیع و بی‌پایان. اگر مفاهیم کوانتوم با آگاهی در ارتباط مستقیم باشند، یعنی دانشِ پانصد سال باید زیر و رو شود. چیزی که فیزیکدانان از آن بیزارند. آیا تفاسیر دیگری از نظریه‌ی کوانتوم وجود دارد که برای این مشکلات، پاسخی ارائه دهد؟ بله. ما در بخش‌های بعدی به آن‌ها می‌پردازیم. هر کدام از تفاسیر دارای نکته‌ای روشن‌گرانه است، اما نمی‌تواند به طور کامل از غرابت کوانتوم بگریزد.

این مطلب از سایت شگفتیها کپی شده است

کوارک ها

مدت زیادی اینطور تصور می شد که پروتونها و نوترونها ذرات بنیادی هستند و بنابراین گمان می‌رفت مثل تقسیم الکترون دیگرقابل تقسیم نبوده و دارای یک ساختار داخلی نیستند. امروزه می‌دانیم که نوکلئونها یا به عبارت دیگر پروتونها و نوترونها خود از ذرات کوچکتری ساخته شده‌اند که کوارک نامیده می‌شوند. تا به حال ۶نوع کوارک متفاوت شناسایی شده‌اند با این همه فقط دو نوع آنها در تشکیل مواد پایدار معمولی نقش مهمی دارند که عبارت از کوارک u و کوارک D هستند، U علامت اختصاری برای بالا (UP) و D علامت اختصاری برای پایین (down) می‌باشد .

اگر بار اکتریکی یک الکترون را منفی ۱ فرض کنیم (۱- = الکترون) کوارک u دارای بار الکتریکی ۳/۲+ و کوارک d داری بار ۳/۱- می‌باشد. پروتون که دارای بار مثبت است از ۲ کوارک u و یک کوارک d تشکیل شده است از این طریق است که بار آن حاصل می شود: ۱+=۳/۲+۳/۲+۳/۱- ، برعکس یک نوترون دارای ۲کوارک D و یک کوارک U بوده و با ر آن برابر است با ۱- = ۳ /۲ + ۳/۱ – ۳/۱-.

ویژگی کوارکها

اگر روابط و نسبتها در اتمها که در مقایسه با کوارکها بزرگ هستند مهم و چشمگیر است، این روابط در کوارکهای کوچک مسلماً مهمتر هستند. مثلا کوارکها هیچگاه به تنهایی نقشی را به عهده ندارند بلکه همیشه در گروههای ۲ و ۳ تایی هستند ذراتی که از ۲کوارک تشکیل می‌شوند مزون نام دارند. ذراتی را که از ۳ کوارک دارند باریون می‌نامند. کوارکها در کنار بار الکتریی که دارند خاصیت مرموز دیگری نیز دارا می‌باشند که رنگ خوانده می‌شود. کوراکها از این جهت به قرمز ، سبز و آبی طبقه بندی می‌شود، البته از این طبقه بندی باید رنگهای حقیقی را تصور کرد بلکه منظور نوع بار الکتریکی آنهاست. بنابراین ذرات آزاد معلق در طبیعت باید همیشه دارای رنگ خنثی و به عبارت دیگر سفید باشند.

یک کوارک قرمز یک کوارک سبز و یک کوارک آبی یک گروه سه تایی مثلا یک پروتون می‌سازد. همانطور که ترکیب رنگهای رنگین کمان رنگ سفید را بوجود می‌آورد، ازترکیب رنگهای سه گانه کوارک نیز سفید بدست می‌آید. به این ترتیب یک ذره سفید مجاز و پایدار تشکیل می‌شود. امکان دیگر این است که یک کوارک قرمز با یک ضد کوارک که رنگ ضد قرمز دارد یک زوج بسازند، قرمز و ضد قرمز همدیگر را خنثی کرده ، رنگی خنثی را بوجود می‌آورند. به هرحال چون این گروههای دوتایی (مزونها) از ماده و ضد ماده ایجاد شده‌اند، خیلی سریع فرو می‌پاشند، به این جهت مزونها پایدار نیستند.

آیا کوارکها را می‌توان مشاهده کرد؟

روشن است که کوارکها را نمی‌توان مشاهده کرد، بلکه می‌شود وجود آنها را مثل هسته اتمها از طریق آزمایشهای فراوان پیچیده اثبات نمود، برای این کار مثل آنچه که رادرفورد ۷۵ سال پیش برای شناسایی هسته اتم انچام داد عمل می‌شود و پروتونها یا الکترونهای بسیار پر شتاب مورد اصابت قرار می‌گیرند. بیشتر الکترونها در این آزمایش به ندرت تغییر مسیر می‌دهند، ولی تعدادی از آنها کاملا از مدار خود خارج می‌شوند درست مثل اینکه به گلوله‌های سخت و کوچکی در داخل پروتونها برخورد کنند. این گلوله‌های بسیار کوچک همان کوارکها هستند که در جستجویشان بوده‌ایم یک بررسی دقیق نشان داده که پروتون در مجموع از سه سنگ بنای اولیه این چنین تشکیل شده است.

کوارکها هیچگاه در طبیعت به عنوان ذرات مستقل و آزاد وجود ندارند. ایجاد ذرات متشکل از ۲ کوارک یا به عبارت دیگر (مزونها) ، البته ممکن است، ولی این ذرات پایدار نیستند. برعکس گروههای سه تایی یا به زبان دیگر پروتونها و نوترونها ساختارهایی بسیار پایدار هستند. انسان کره زمین و در واقع کهکشان راه شیری عملاً از ۳ سنگ بنای اولیه ایجاد شده‌اند که عبارت ازکوارکهای U ، کوارکهای D و الکترونها می‌باشند. کوارکها ، نوکلئونها را می‌سازند و آنها به یکدیگر متصل شده هسته اتمها را بوجود می‌آروند.
هسته‌ها و الکترونها دراتحاد با یکدیگر اتمها را ایجاد می‌کنند و اتمها نیز با پیوستن به یکدیگر مولکولهای کوچک و بزرگ از قبیل مولکولهای آب یا سفیده تخم مرغ را می‌سازد. میلیاردها مولکول سلولهای بدن ما را بوجود می‌آورند و هر انسان در بدن خود میلیاردها سلول دارد، اما با تمام تفاوتهایی که انسانها ، جانوران ، گیاهان ، سیاره‌ها و یا ستارگان با یکدیگر دارند باز هم تمام آنها فقط از ۳ ذره زیر بنایی ساخته شده‌اند که عبارتند از کوراکهای U ، کوارکهای D و الکترونها.

جرم دقیق کوارک

کشف ذرات زیر اتمی جدید باعث سر در گمی دانشمندان شده است. این ذرات عجیب و ناشناخته تئوری پردازان را واداشته است تا در نظریات خود در مورد نیروهای قوی که ذرات زیر اتمی را در اتمها کنار یکدیگر نگه می‌دارد، تجدیدنظر کنند. احتمالاً این ذره جدید که DS2317 نام گرفته ، صورت غیر متداولی از کورکها است. کوارکها ذرات بسیار ریزی هستند که در دسته‌های سه تایی وجود دارند و اجزای سازنده پروتونها و نوترونها هستند. شاید این ذره جدید ناشناخته کوارکی باشد که حول کوارک دیگر در حال چرخش است، شاید هم مولکول جدیدی است که از چهار کوارک ساخته شده است.

مارچللو گئورگی از دانشگاه پیزای ایتالیا و اعضای گروهش پس از صرف وقت سه ساله و جمع آوری اطلاعات از آشکارساز بابار (BaBar) مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد (Slac) در کالیفرنیا با DS 2317 مواجه شدند. وقتی که Slac الکترون را با پوزیتون که ضد ماده الکترون محسوب می‌شود، برخورد می‌دهد، آشکارساز باربار تعداد زیادی از ذراتی که در نتیجه این برخورد بوجود می‌آیند را شناسایی می‌کند. گئورگی می‌گوید: «ما از نتایج این آزمایشات بسیار شگفت زده شدیم، اما چیزی که بیش از همه باعث اعجاب ما شد، جرم این ذرات است. جرم این ذرات از مقدار پیش بینی شده کمتر و در عین حال بسیار دقیق و مشخص بود.

جرم بسیاری از این ذرات پرانرژی دقیقاً مشخص نیست و با کمی عدم قطعیت همراه است. اما وزن DS 2317 دقیقاً مشخص است و مقدار آن برابر ۲۳۱۶ مگاالکترون ولت است. الکترون ولت واحدی است که فیزیکدانان برای اندازه گیری مقدار جرم و انرژی ذرات بکار می‌برند. استیا ایچتن (Estia Eichten) نظریه پرداز فیزیک نظری از آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی در باتاویای ایلینویز می‌گوید، شاید این جرم دقیق به محققین کمک کند تا ماهیت دقیق نیرویی که اتمها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد، درک کنند. از آنجایی که در مقیاسهای کوچک جرم و انرژی معادل یکدیگرند، دانستن جرم یک کوارک جدید می‌تواند ما را به شناخت نیروهای قوی که در داخل ذرات حاکم است، راهنمایی کند.

طی تحقیقاتی که بعدها صورت گرفت، تصور می‌شد که DS 2317 از کوارکهای سنگین و ناشناخته‌ای تشکیل شده است. دیوید سینابر و یکی از متخصصین فیزیک انرژی بالا در دانشگاه کورنل در ایتاکای نیویورک می‌گوید: «قسمت عمده‌ای از اطلاعاتمان در مورد نیروهای قوی از بررسی کوارکهای سبکتر حاصل شده است. اما امکان دارد با بررسی کوارک سنگینتر اطلاعات جدیدی کسب کنیم.»

انواع کوارک

کوارکها در شش گروه مختلف جای می‌گیرند: بالا ، پایین ، جذاب ، عجیب ، زیر و رو. دسته‌های سه تایی از کوارکهای بالا و پایین که جزء سبکترین و معمولی‌ترین کوارکها محسوب می‌شوند، پروتونها و نوترونهای مواد عادی را که اطراف ما را فرا گرفته است تشکیل می‌دهد. اما ممکن است DS 2317 از دو کوارک تشکیل شده باشد و ذره کمیابی به نام مزون را بوجود آورده باشد. ایچتن می‌گوید این مزون ممکن است تا حدودی شبیه یک اتم باشد. اتمی که در آن یک کوآرک سبک «ضد ـ عجیب» (anti-Strange) حول یک کوآرک سنگینتر «جذاب» (Charm) در حال چرخش است.

اما سایر محققین در تفسیر پدیده‌های مشاهده شده ، نظریات پیچیده‌تری را ابراز می‌کنند. جاناتان رزنر فیزیکدان نظری دانشگاه شیکاگو می‌گوید احتمال دارد که ذره جدید حاوی جفتهایی از کوارکهای مزدوج باشد. وجود مولکولهایی حاوی چنین ذرات زیر اتمی مدتها قبل پیش بینی شده بود. سینابرو می‌گوید: «ما تاکنون هیچ شاهدی مبنی بر وجود اینگونه ذرات نداشتیم. اما اگر این شیء وجود داشته باشد، واقعاً جای تعجب است.» محققین Slac در مرکز سنکروتون انرژی بالای دانشگاه کورنل و سازمان تحقیقات شتاب دهنده انرژی بالا در ژاپن ضمن کنکاش در اطلاعات قدیمی ، در صددند نظریات خود را در مورد ذراتی شبیه DS 2317 بیازمایند.

شیمی مدیون پروتون

نوترونها و پروتونها از ذراتی ساخته شده‌اند که کوارکهای بالا و پایین نامیده می‌شوند. هر پروتون شامل دو کوارک بالا و یک کوارک پایین است، در حالی که هر نوترون دارای دو کوارک پایین و یک کوارک بالا است. کوارکهای پایین کمی سنگینتر از کوارکهای بالا هستند و به همین دلیل وزن نوترونها از پروتونها بیشتر است. بار هر کوارک بالا برابر دو سوم بار مثبت است و هر کوارک پایین دقیقا یک سوم بار مثبت را با خود دارد. به همین دلیل پروتون دارای یک بار الکتریکی مثبت است، در حالی که نوترونها خنثی هستند و باری ندارند.

در عین حال ما هنوز هم جرم دقیق کوارکها را نمی‌دانیم. به همین دلیل دانشمندان سعی دارند ضمن آزمایشات مختلف جرم آنها را دریابند. در عین حال نظریه پردازان نیز سعی دارند قطعات حاصل از برخورد ذرات مختلف را بررسی کرده و سرعت انجام واکنشهای مختلف را محاسبه کنند. آنها امیدوارند با این روش بتوانند به ساختار یک هسته اتم دست نخورده دست یافته و دریابند چه میزان از اختلاف در خواص کوارکهای بالا و پایین از اختلاف جرمشان ناشی می‌شود و چه مقدار از این اختلاف بخاطر تفاوت در بارهای الکتریکی است.

آنها امیدوارند با این آزمایشات جرم دقیق کوارکها را دریابند. بیراون کولک فیزیکدان نظری دانشگاه آریزونا می‌گوید: «هم آزمایشات انجام شده و هم تفسیرهای نظری ارائه شده در این مورد بسیار پیچیده است و بنابراین لازم است هم از نتایج آزمایشات و هم تفسیرهای نظری کمک گرفت و با تلفیق نتایج حاصل از این آزمایشات اطلاعات مهمی در مورد جرم کوارکها بدست آورد.» اختلاف بین کوارکهای بالا و پایین به این معنی است که اگر یک نوترون را به حال خود رها کنیم به یک پروتون تبدیل می‌شود. اما این سرنوشت نهایی نوترونها نبود.

این ذرات با قرار گرفتن در کنار الکترونها که بار منفی دارند، می‌توانند اتمهای هیدروژن را بوجود آورند که ماده سوختی اولیه ستارگان محسوب می‌شود. ادوارد استفنسون که یکی از فیزیکدانان دانشگاه ایندیانا است می‌گوید: «دنیای مملو از پروتون به این معنی است که مقدار زیادی هیدروژن در اختیار داریم. بدون در اختیار داشتن پروتون ، شیمی به آن صورتی که امروز می‌شناسیم، ممکن نبود.» البته باید در نظر داشت همین اختلاف کم در جرم این کوارکها نتایج بسیاری را در پی داشته است. اخیراً یک گروه از دانشمندان دانشگاه ایندیانا دو هسته دوتریم را به هم برخورد دادند.

دوتریم نوعی اتم هیدروژن است که در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد. گروهی دیگر نیز در دانشگاه اوهایو با استفاده از نوترون و پروتون واکنش همجوشی هسته‌ای انجام دادند. طی هر دو این آزمایشات ذراتی حاصل شد که آنها را پیون می‌نامند. این دانشمندان معتقدند ایجاد پیون نشانه عدم تقارن بار است که از اختلاف در اجزای تشکیل دهنده پروتونها و نوترونها ناشی می‌شود. این اختلاف در جرم عامل اصلی ترکیب اجزای عالم است.

کوارک در طبیعت

قبل از کشف کوارک توسط مورای ژل مان تصور می‌شد که پروتونها و نوترونها مانند الکترونها غیر قابل‌ تقسیم هستند، ولی اکنون می‌دانیم نوکلئونها (پروتونها و نوترونها) تجزیه‌پذیر بوده و از ذرات کوچکتری به نام کوارک تشکیل شده‌اند.

کوارکها در طبیعت

کوارکها‌ هیچگاه در طبیعت به عنوان ذرات مستقل و آزاد وجود ندارند. مزون‌های π از یک کوارک و یک ضد کوارک تشکیل می‌شوند، که آنتی کوارک (ضد کوارک) با یک خط تیره افقی (علامت منفی) بالای حرف مربوطه مشخص می‌گردد. چون این مزونها از ماده و ضد ماده تشکیل می‌شوند، خیلی سریع فرو می‌پاشند. ایجاد ذرات متشکل از ۲ کوارک یا به عبارت دیگر مزونها البته ممکن است، ولی این ذرات پایدار نیستند. برعکس گروههایی سه ‌تایی یا به زبان دیگر پروتونها و نوترونها ساختارهایی بسیار پایدار هستند.

انسان ، کره زمین و در واقع کهکشان راه شیری عملا از سه سنگ بنای اولیه ایجاد شده‌اند، که عبارت از کوارکها‌ی U و کوار‌ها‌ی D و الکترونها می‌باشند. کوارکها‌ ، نوکلئونها را می‌سازند و آنها به همدیگر متصل شده ، هسته اتمها را بوجود می‌آورند. هسته‌ها و الکترونها در اتحاد با یکدیگر اتمها را ایجاد می‌کنند و اتمها نیز با پیوستن به یکدیگر مولکولهای کوچک و بزرگ از قبیل مولکولهای آب یا سفیده تخم مرغ را می‌سازند.

میلیاردها مولکول سلولهای بدن ما را بوجود می‌آورند و هر انسان در بدن خود میلیاردها سلول دارد. اما با تمام تفاوتهایی که انسانها ، جانوران ، گیاهان ، سیارات و یا ستارگان با یکدیگر دارند، باز هم تمام آنها فقط از سه ذره زیربنایی ساخته شده‌اند، که عبارتند از: کوارکها‌ی U و کوارکها‌ی D و الکترونها.

آیا کوارکها‌ را می‌توان مشاهده کرد؟

روشن است که کوارکها‌ را نمی‌توان مشاهده کرد، بلکه می‌شود وجود آنها را مثل هسته اتمها ، از طریق آزمایشهای فراوان پیچیده اثبات نمود. برای این کار مشابه آنچه که رادرفورد ۷۵ سال پیش برای شناسایی هسته اتم ، انجام داد، عمل می‌شود و پروتونها با الکترونهای بسیار پر شتاب ، مورد اصابت قرار می‌گیرند. بیشتر الکترونها در این آزمایش ، به ندرت تغییر مسیر می‌دهند، ولی تعدادی از آنها کاملا از مدار خود خارج می‌شوند، درست مثل اینکه به گلوله‌های سخت و کوچکی در داخل پروتونها ، برخورد کنند. این گلوله‌های بسیار کوچک همان کوارک‌ها‌ هستند، که در جستجویشان بوده‌ایم. یک بررسی دقیق ، نشان داده که پروتون در مجموع از سه واحد سنگ بنای اولیه این چنینی تشکیل شده است.

نیروهای بنیادی اولیه

بین ذرات بنیادی چهار نیرو عمل می‌کنند که آنها را نیروهای بنیادی یا اولیه می‌نامند.
نیروی پرقدرت کوارک: نیروی پرقدرت کوارک که نیروی رنگ نیز نامیده می‌شود، از جدا شدن بیش از حد کوارکها‌ی داخل هسته از یکدیگر و یا حتی از پرت شدن آنها به خارج جلوگیری می‌کند. نیروی پر قدرت کوارک یا نیروی قوی ، از طریق ذرات مبادله کننده یا به اصطلاح گلوئونها ، که بین کوارکها‌ در پرواز هستند، انتقال می‌یابد. این نیرو مانند چسب ، پیوستگی بین کوارکها را تضمین می‌کنند. نیروی هسته‌ای که پروتونها و نوترونها را در هسته اتم به هم پیوسته نگاه می‌دارد، در واقع نیروی بنیادی نیست، بلکه نیرویی است که از نیروی رنگ کوارکها‌ (یعنی قویترین نیرویی که به آن اشاره می‌شود)، بدست می‌آید.

برهمکنش الکترومغناطیسی: این نیرو ، وقتی که صحبت از بارهای الکتریکی به میان می‌آید، ظاهر می‌شود. یک ذره دارای بارالکتریکی مثبت ، بوسیله یک ذره مثبت دیگر ، دفع و به سوی یک ذره دارای بار الکتریکی منفی ، جذب می‌شود. این نیرو توسط فوتونها یا ذرات نوری مبادله می‌شود و در نتیجه این ذرات نوری که بین ذرات باردار در پرواز هستند، به یکدیگر متصل می‌شوند.

برهمکنش ضعیف هسته‌ای: بسیاری از ذرات ، نسبت به هیچ یک از دو نیروی یاد شده در بالا ، یعنی نیروی قوی کوارک و نیروی الکترومغناطیسی واکنش نشان نمی‌دهند. از آن میان ذراتی هستند که فاقد بار الکتریکی و رنگ هستند. برای این گونه ذرات یک نیروی بنیادی دیگر وجود دارد. که در فاصله‌های خیلی خیلی کم خود را نشان می‌دهد و بدون استثنا بر روی همه ذرات اثر می‌گذارد. این نیرو که نیروی ضعیف نام دارد، توسط ویکونها منتقل می‌شود.

نیروی جاذبه یا گرانش: این نیرو تمام ذراتی را که دارای جرم هستند، جذب می‌کند، ولی در مقایسه با سه نیروی قبلی ، آن قدر ضعیف است، که می‌توان آن را نادیده گرفت. از آنجایی که این نیرو در فاصله‌های زیاد کارگر است، در علم ستاره شناسی دارای اهمیت می‌باشد.

چرا جهان مادی یه صورت کوانتمی پدید آمده است؟

جواب این سؤال ساده است با کمی دقت در مفهوم کوانتمی ماده به ذرات زیراتمی می رسیم ذرات زیراتمی خود از ذرات کوچکتر ساخته شده اند و در ادامه این مخروط مادی ما به ماده بدون جرم ولی دارای حجم می رسیم.  به عنوان نمونه هرم مادی شامل مواد بزرگ در قائده هرم است و هر چه به نوک هرم نزدیکتر می شویم ذرات کوچکتر می شوند فوتون ها که ذرات نور را تشکیل می دهند جزء انتهایی از نوک این هرم را تشکیل می دهند. در ادامه می توان ذراتی را پیش بینی نمود که مانند فوتون ها هستند ولی فاقد جرم می باشند. فوتون های بدون جرم به دلیل اینکه فاقد انرژی مادی می باشند براحتی با استفاده از تاثیرات جرم و انرژی قابل کشف نمی باشند. ما به دلیل اثرات متقابل جرم و انرژی است که می توانیم ذراتی مانند فوتون را که دارای جرم و انرژی می باشند کشف و تشخیص دهیم بنابراین شناسایی ذراتی که فاقد این عنصر هستند با روش های جاری قابل شناسایی نیست. این ساختار هرمی طوری طراحی شده است که هر ذره کوچکتر با ذره کوچک بعدی تعامل برقرار نموده و این توانایی به صورت هرمی به ذرات کوچک و کوچکتر ادامه می یابد تا به ذرات مادی فاقد جرم منتهی می شود و ذرات فاقد جرم می توانند تنها بر ذرات دارای جرم بسیار پایین مانند فوتون ها تاثیر داشته باشند. این اثرات در مورد ذرات فاقد جرم نیز امتداد یافته تا به ذرات فاقد حجم می رسیم ذرات غیرمادی ذراتی هستند که که فاقد جرم و حجم می باشند و تنها در صورتی می توانن اثرات این ذرات را به ذرات مادی پذیرفت که از یک مکانیسم کوانتمی پیروی نمود. در مدل کوانتمی ما می توانیم اثرات غیرمادی را به اثرات مادی پیوند داد و در اینجاست که پیوند بیم روح و ماده برقرار می شود و تنها را عبور از این بعد و ابعاد دیگر فضایی و زمانی به وجود می آید بنابراین تنها راه مؤثر در تشکیل یک مجموعه کامل و متعادل وجود دو هرم مادی و غیرمادی در کنار یکدیگر است که می توانند از طریق نوک هرم اثرات مقابلی را بپذیرند و این عامل تنها با مکانیسم های کوانتمی حادث می  شود.