مقاله اي در مورد فيزيك كوانتمي

نظريه مكانيك كوانتومي نيز به روش هاي فكري كاملا جديدي كه پايه فهمساختار اتمي و هسته اي اند، منجر مي شود. با اين وجود بعضي از جنبه هايتوصيف كوانتومي طبيعت كاملا جديد نيستند و در حقيقت در فيزيك كلاسيك نيزيافت مي شوند.

تقسيم بندي كميت ها:

درمطالعه دنياي فيزيكي با دو نوع عام از كميت هاي فيزيكي سروكار داريم: كميتهايي كه داراي پيوستاري از مقاديرند «كميت هاي پيوسته). و كميت هايي كهكوانتيده اند. كميت هاي كوانتيده محدود به مقادير گسسته معيني هستند. گاهيآنها را به عنوان كميت هايي كه داراي "اتميسيته" يا "دانه" هستند نيز بيانمي كنند.

برخي كميت هاي فيزيكي پيوسته كلاسيكي يا غير كوانتيده عبارتند از:

سرعت يك ذره آزاد كه مي تواند از صفر تا سرعت نور تغيير كند.

بزرگي اندازه حركت زاويه اي يك ذره كه از صفر تا بينهايت مي تواند هر مقداري را اختيار كند.

انرژيمكانيكي يك دستگاه دو ذره اي ، كه هر گاه اين دو ذره به يكديگر مقيد باشندهر مقدار منفي (Em<0) و هر گاه آزاد باشند هر مقدار مثبتي (Em>0) رامي توانند بپذيرند. كه Em معرف انرژي مكانيكي سيستم مي باشد.

زاويه بين جهت گشتاور دو قطبي يك آهنربا و يك مغناطيس خارجي ، كه مي تواند از 0 تا 180 درجه تغيير كند.

برخي كميت هاي فيزيكي با مقادير كوانتيده عبارتند از:

جرمهاي سكون مشاهده شده اتم ها كه در يك گستره پيوسته قرار نمي گيرند. اينمطلب ابتدا در مطالعات بنيادي تركيبات شيميايي كه به نظريه اتمي دالتونمنجر شدند، مشاهده شد.

امروزه جرم اتم هايي كه در طبيعت يافت ميشود بادقت زيادي معلوم شده است. اما جالب است بدانيم كه اين جرم ها تقريبابه نسبت اعداد صحيح اند، نه دقيقاً برابر با آن.

يكي از وظايف فيزيك هسته اي توضيح اين انحراف ها نسبت به اعداد صحيح به كمك چند اصل اساسي است.

بار الكتريكي كوانييده است:

زيرابار كل هر جسمي دقيقا ً مضرب صحيحي (مثبت يا منفي) از بار الكتريكي بنياديالكترون (e) است. كوانتومي شدن بار كه به وضوح در مفهوم شميايي ظرفيت و درقوانين الكتروليز آشكار شده بود، به وسيله آزمايش قطره روغن ميليكان بهطور مستقيم نشان داده شد. در اين آزمايش بار الكترون مستقيماً اندازه گيريشد(اندازه گيري بار الكترون).

كوانتيدگي فركانس نوسان فيزيك امواج ايستاده:

امواجايستاده و تشديد كه ظهورات كاملاً برجسته كوانتش در فيزيك كلاسيك هستند. فركانس نوسان يك تار مرتعش تشديد كننده كه دو انتهاي آن ثابت است فقط ميتواند مضرب صحيحي از پايين ترين فركانس يا فركانس اصلي نوسان باشد. فركانساصلي به نوبه خود با استفاده از خواص فيزيكي و طول تار تعيين مي شود.

اينموج مكرراً از مرزها يا از دو انتهاي ثابت تار رويش باز مي تابد و با خودموج اوليه تداخل سازنده ايجاد مي كند و فيزيك امواج ايستاده توليد مي گردد.

تشديدفقط در صورتي حاصل مي شود كه فاصله بين دو نقطه انتهايي «طول تار) دقيقاًمضرب نصف صحيحي از نصف طول موج باشد. البته فقط وقتي موج داراي گسترشنامتناهي در فضا باشد، فركانس آن دقيقاً تعيين مي شود.

اين استدلالحتي براي موج هايي كه بين مرزهاي بازتابان به دام افتاده اند، نيز معتبراست. زيرا مي توان چنين تصور نمودكه اين فيزيك امواج بينهايت بار بررويخود تاب خورده است.

مثالهاي عام كوانتش كلاسيكي:

يك تاسپرتابي برروي وجوه خود فقط اعداد صحيح 1و2و3و4و5و6 را دارد. اين تاس يكياز مثال هاي روزمره است كه كميت هاي كوانتيده را نشان مي دهند. مثال هايمعروف ديگر عبارتند از:

روي يك سكه ، افراد مردم و تعداد سكه ها

نظريه مكانيك كوانتومي در مورد كوانتش چه مي گويد؟

نظريهمكانيك كوانتومي به مقدار زيادي مبتني بر اين كشف است كه بعضي كميت ها كهدر فيزيك كلاسيك پيوسته در نظر گرفته مي شدند، در حقيقت كوانتيده اند. ازلحاظ تاريخي آغاز اين نظريه به تعبير شدت تابش الكترومغناطيسي از يك جسمسياه بر حسب طول موج با انتظارات نظري الكترومغناطيس توافق ندارد.

ماكسپلانك تدوين كننده نظريه مكانيك كوانتومي در سال 1900 ميلادي نشان داد كهتجديد نظر در مفاهيم كلاسيكي به كمك كوانتش انرژي منجر به برقراري توافقبين آزمايش و نظريه مي شود و از اين طريق يك پل ارتباطي بين مكانيك كلاسيكو مكانيك كوانتومي ايجاد شد كه با وجود تعارضات فاحش ، تشابهات زيادي نيزباهم دارند.

اینشتین هرگز با كوانتوم آشتى نكرد

هميشه وقتىسخن از اينشتين به ميان مى آيد، ذهن ها متوجه نظريه نسبيت و پيامدهاىانقلابى آن در فيزيك مى شود. اما كمتر كسى اين نكته را به خاطر مى آورد كهاينشتين همانطور كه در اولين انقلاب علمى قرن بيستم يعنى نظريه نسبيت سهيمبود، در انقلاب ديگر يعنى فيزيك كوانتومى نيز نقش بسزايى داشت. حتى جايزهنوبل هم به خاطر مقاله «اثر فوتوالكتريك» كه تاييدى بر كوانتومى بودن نوربود، به او اهدا شد. اما بازى سرنوشت آنگونه شكل گرفت كه يكى از بزرگترينحاميان مكانيك كوانتومى، منتقد تراز اول آن نيز باشد. اين مقاله نگاهى استبه واكنش اينشتين نسبت به مكانيك كوانتومى و مباحثات او با فيزيكدانانبانى نظريه كوانتوم به ويژه نيلز بور. هدف توصيف اتفاقاتى است كه در تاريخكوانتوم افتاده است و تنها در موارد ضرورى مسائل علمى ذكر شده است.

كنگره سولوى

همهچيز از كنگره سولوى شروع شد. بانى اين سرى كنگره ها، يك صنعتگر آلمانى بهنام ارنست سولوى بود. او اولين كنگره بين المللى سولوى را كمى قبل از شروعجنگ جهانى اول، در شهر بروكسل برگزار كرد. قرار بر اين بود كه در اينكنفرانس ها حدود 30 نفر از فيزيكدانان برجسته دعوت شوند و بر روى موضوع ازقبل تعيين شده اى، بحث و بررسى كنند. از سال 1911 تا 1927 پنج كنگره بااين روش برگزار شد و هر كدام به يكى از پيشرفت هاى فيزيك در آن سال هااختصاص داشت. معروف ترين كنگره سولوى در سال 1927 و با موضوع فيزيككوانتومى برگزار شد. در بين شركت كنندگان در اين كنفرانس 9 فيزيكدان نظرىحضور داشتند كه بعد ها همه آنها به خاطر سهم مهمى كه در شكل گيرى نظريهكوانتوم داشتند، برنده جايزه نوبل شدند. ماكس پلانك، نيلز بور، ورنرهايزنبرگ، اروين شرودينگر و... آلبرت اينشتين از جمله آن فيزيكدان هابودند. اما اينشتين هنگام شركت در كنگره به خاطر نظريه نسبيت و همين طوردريافت جايزه نوبل به قدر كافى مشهور بود. به همين دليل نظر او براى ديگرفيزيكدان ها اهميت زيادى داشت. هنگام برگزارى پنجمين كنگره سولوى يكى، دوسال بود كه از ارائه فرمول بندى شسته رفته اى از مكانيك كوانتومى مى گذشت. ماكس بورن يك فرمول بندى آمارى از مكانيك كوانتومى منتشر كرده بود وهايزنبرگ هم اصل عدم قطعيت (uncertainty principle) خود را مطرح كرده بود. نيلز بور نيز براساس اين دستاوردها تعبير معرفت شناختى خود را از مكانيككوانتومى پيشنهاد كرده بود كه در ضمن آن ايده مكمليت (complementarity) رانيز معرفى مى كرد. همه اين موارد دلايلى كافى بودند كه اينشتين در تمامطول كنفرانس با بور و هايزنبرگ به بحث بنشيند.

تعبير كپنهاگى

نكتهمهم در اصل عدم قطعيت هايزنبرگ اين بود كه، نمى توان مكان و تكانه (ياسرعت) يك ذره را به طور همزمان و به طور دقيق اندازه گيرى كرد. با اندازهگيرى مكان عدم قطعيتى در اندازه گيرى سرعت به وجود مى آيد و بالعكس. بامطرح شدن اين اصل جنجال برانگيز خيلى ها عدم قطعيت را ذاتى طبيعت دانستندو گفتند كه اين مشكل دستگاه اندازه گيرى يا ناظر نيست. به اين ترتيب اصلعليت را زير سئوال بردند، به اين معنى كه وقتى نمى توانيم زمان حال يكسيستم را به طور دقيق بدانيم پس از آينده آن نيز چيزى نمى دانيم و از آنجاكه اين جهل به ذات طبيعت و نه به دستگاه اندازه گيرى مربوط است، روابط علىمخدوش مى شود. اين نتيجه گيرى از يك اصل كاملاً فيزيكى يكى از جنبه هاىتعبيرى بود كه بعدها به «تعبير كپنهاگى» از مكانيك كوانتومى معروف شد. ازديگر مولفه هاى تعبير كپنهاگى ويژگى آمارى و احتمالاتى پديده هاى زيراتمىبود. براى مثال اگر ناظرى سرعت ذره اى را در راستاى معينى اندازه گيرىكند، به احتمال X يك مقدار خاص و به احتمال Y مقدار ديگرى را به دست مىآورد. روى دادن هر كدام از اين احتمالات هم كاملاً تصادفى است و هيچمكانيسمى براى چگونگى اتفاق آنها بيان نمى شود. نكته ديگر تعبير كپنهاگىانكار واقعيت فيزيكى بود، به اين معنا كه فرمول بندى مكانيك كوانتومى تنهاواقعيت موجود است. پيش بينى نتايج و كارآمد بودن فرمول بندى كافى است ولازم نيست كه اين فرمول بندى حتماً با يك واقعيت عينى فيزيكى متناظر باشد.

اينشتين بر ضد بور

اينشتينبه هيچ وجه نمى توانست زير بار يك چنين تعبيرى برود. او فيزيكدانى بود كههمواره به دنبال كشف طبيعت بود و يك چنين نظريه اى با اين نتايج عجيب وغيرشهودى او را راضى نمى كرد. اينشتين به رئاليسم اعتقاد داشت و نمىتوانست بپذيرد كه مشاهده كننده واقعيت يك پديده فيزيكى را تعيين مى كند. او معتقد بود كه فيزيكدان ها به ايده آليسمى از نوع باركلى روى آورده اندكه آنها را سرمست كرده است و از هدف اصلى علم و همچنين فيزيك دور شده اند. به همين دليل بود كه در كنگره سولوى به شدت در مقابل نظريات بور وهايزنبرگ موضع گيرى كرد. هايزنبرگ در خاطرات خود مى نويسد: «همه بحث ها درسر ميز غذا شكل مى گرفت و نه در تالار كنفرانس و بور و اينشتين كانون همهبحث ها بودند. بحث معمولاً از سر ميز صبحانه شروع مى شد و اينشتين آزمايشفكرى جديدى كه گمان مى كرد اصل عدم قطعيت را رد مىكند، مطرح مى كرد. پساز بحث هاى بسيار در طول روز، بور سر ميز شام به اينشتين ثابت مى كرد كهآن آزمايش هم نمى تواند اصل عدم قطعيت را خدشه دار كند. اينشتين كمىناراحت مى شد، اما صبح روز بعد با يك آزمايش فكرى ديگر كه پيچيده تر ازآزمايش قبلى بود، از راه مى رسيد. پس از چند روز پاول اهرنفست فيزيكدانهلندى كه دوست اينشتين بود گفت: من به جاى تو خجالت مى كشم، استدلال هاىتو در برابر مكانيك كوانتومى شبيه استدلال هايى است كه مخالفانت در برابرنظريه نسبيت مى آورند.» اينشتين با اين آزمايش هاى فكرى مى خواست وجودناسازگارى در مكانيك كوانتومى را نشان دهد تا بتواند آن را رد كند، اماموفق نشد. او هميشه مى گفت نمى تواند قبول كند كه خدا شير يا خط بازى مىكند. او معتقد بود اگر خدا مى خواست تاس بازى كند اين كار را به طور كاملانجام مى داد و در آن صورت ما ديگر مجبور نبوديم به دنبال قوانين طبيعتبگرديم، چرا كه ديگر قانونى نمى توانست وجود داشته باشد. جواب بور بهتمامى اين جملات نغز اين بود كه: ما هم وظيفه نداريم براى خدا در ادارهكردن جهان تعيين تكليف كنيم. به اين ترتيب بور در پنجمين كنگره سولوىتوانست از سازگارى منطقى تعبير كپنهاگى دفاع كند. اما بحث هاى اينشتين وبور به ششمين كنگره سولوى در سال 1930 نيز كشيده شد و باز هم اينشتيننتوانست نتيجه اى بگيرد. پس از آن تلاش كرد كه ناقص بودن مكانيك كوانتومىرا نشان دهد.

اينشتين، پودلسكى و روزن

اينشتين در ادامهتلاش هايش براى اثبات ناقص بودن تعبير استاندارد مكانيك كوانتومى، مقالهاى را در سال 1935 با همكارى پودلسكى و روزن منتشر كرد. اين مقاله باعنوان «آيا توصيف مكانيك كوانتومى از واقعيت فيزيكى مى تواند كامل باشد؟» بعدها با نام اختصارى EPR معروف شد. آنها در مقاله شان سعى كردند كه با يكآزمايش فكرى نشان دهند عناصرى از واقعيت وجود دارند كه در توصيف كوانتومىوارد نشده اند و بنابراين مكانيك كوانتومى ناقص است. طبق نظر اينشتيننظريه اى كامل است كه هر عنصرى از واقعيت فيزيكى مابه ازايى در آن داشتهباشد. چهار ماه بعد، بور در مقاله اى با همان عنوان آزمايش EPR را رد كردو نشان داد كه استدلال آنها مغالطه آميز است.اما اين پايان ماجرا نبود. نهاينشتين و نه بور، هيچكدام راضى نشده بودند. اينشتين تا پايان عمرش در سال 1955 همچنان مشكلات مكانيك كوانتومى را يادآورى مى كرد. در مورد بور هممعروف است عكسى كه از تخته سياه او درست يك روز قبل از مرگ او گرفته شده،شامل طرح آزمايشى است كه در سال 1930 مورد بحث او و اينشتين بوده است. اينشتين هيچ گاه مكانيك كوانتومى را نپذيرفت و در بهترين حالت قبول كرد كهاين نظريه، فقط يك نظريه موقتى است كه كامل نيست و فيزيكدانان بايد بهدنبال نظريه اى ديگر باشند. نظريه اى كه هم به عليت و هم به رئاليسم مقيدباشد و در عين حال زيبا و ساده نيز باشد.

منابع:

1- جزء و كل/ ورنر هايزنبرگ/ حسين معصومى همدانى/ نشر دانشگاهى

2- تحليلى از ديدگاه هاى فلسفى فيزيكدانان معاصر/ مهدى گلشنى/ انتشارات مشرق

3- Stanford Encyclopedia of Philosophy / Quantum Mechanics

مقاله اي در مورد فيزيك كوانتمي

مطالب مشابه :

تحقیق در مورد درس فیزیک سال اول دبیرستان موضوع :سوختهای فسیلی

تحقیق فیزیک-اول دبیرستان

مقاله اي در مورد فيزيك كوانتمي

فیزیک

تحقیق فیزیک دوم دبیرستان

قرآن و فیزیک

مقاله در مورد فیزیک ، تحقیق در مورد ، تحقیق دانشجویی ، انواع مقالات دانشجويي ، دانشجوی ، دانش آموزي

روش تحقیق

فیزیک کوانتوم

پدر علم فیزیک ایران

تحقیق در مورد درس فیزیک سال اول دبیرستانموضوع :سوختهای فسیلی