(اين مطلب برگرفته از مجله‌ی فوكوس، شماره‌ی 126، مه 2003 است. نوشته‌ی رابرت ماتيور و شهاب مباشری تنها مترجم آن است.)

در تمام پيرامون شما، ذرات خردتر از اتم دم‌به‌دم می‌آيند و می‌روند. آن‌ها از هيچ‌كجا می‌آيند و در يك آن دوباره ناپديد می‌شوند. شما ممكن است حتا آمدن‌شان را درك و حس نكنيد، اما بايد از اين كه می‌آيند و می‌روند، خشنود باشيد. بدون آن‌ها نه وجود شما ممكن است نه هستی جهان.
به آن‌ها ذرات خلاء می‌گويند و يكی از نتيجه‌های شايد غريب‌ترين مفهوم علمی همه‌ی دوران هستند: اصل عدم‌قطعيت!
اولين بار كه از آن حرفی به ميان آمد حدود هفتاد و خرده‌يی سال قبل بود كه حتا انشتين را شگفت‌زده كرد و تا به امروز ديگر دانشمندان را مسحور كرده و می‌كند. به خاطر اين اصل است كه ديگر آدمی نمی‌تواند مدعی دانای كل بودن، آن‌گونه كه از خدا تصور می‌كنيم، بشود. و چنان است كه هر آن چه غيرممكن می‌نمايد، هر لحظه احتمال دارد محقق شود. كليد منشاء هر چيزی در دست آن است، گويی كه تردستانه از غيب همه چيز را ظاهر می‌كند.
ريشه‌های خود اين اصل در وهم‌آلوده بودن دست‌كمی ندارند. در بهار 1927 فيزيك‌دان بيست‌وپنج ساله‌ی آلمانی ورنر هايزنبرگ مقاله‌يی را منتشر كرد كه اساس آن يك پرسش عميق و ژرف فلسفی بود: چه‌گونه می‌توانيم ويژگی‌های دنيای پيرامون‌مان را بفهميم؟
پاسخ به نظر واضح و بديهی‌ست: با نگاه كردن به آن و سنجيدن‌اش. اما انقلابی در علم فيزيك در راه بود، انقلابی كه هايزنبرگ در آن نقشی كليدی داشت. در دل آن نگره‌ی كوانتوم است كه به تعبيری بازگويی دوباره‌ی ديدگاه‌هايی‌ست كه قرن‌ها درباره‌ی ماده، نور و خود واقعيت محل بحث بوده‌اند.

هايزنبرگ در سال 1927 اصل عدم‌قطعيت را مطرح كرد و به اين ترتيب، اطمينان مطلق از دنيای فيزيك رخت بربست و جای خود را به احتمال آماری داد.

نظريه‌ی كوانتوم می‌گويد كه ذرات خردتر از اتم فقط توپ‌های بيلياردی در مقياس ميكروسكوپی نيستند، و نور هم فقط امواج الكترومغناطيسی نيست. در برخی از آزمايش‌ها ذرات خواصی موج مانند از خود بروز می‌دهند، حال آن كه نور هم می‌تواند چنان رفتار كند كه گويی رشته‌يی‌ست از توپ‌های بيليارد. اين پی‌آمد غريب نظريه‌ی كوانتوم به «دوگانی موج- ذره» موسوم است. و هايزنبرگ دريافت كه اين امر برای رسيدن به پاسخ سؤالی كه به درازای عمر بشريت درباره‌ی واقعيت مطرح بوده است، اهميتی جدی دارد.
هر تلاشی برای رسيدن به درکی از دنيا نيازمند مشاهده است. و آن بر اساس چيزی که هايزنبرگ گفت به استفاده از نور يا هر گونه تشعشع ديگری مرتبط است. فرض کنيد که قصد داريم موقعيت يک الکترون در حال حرکت را تعيين کنيم. از آن‌جا که الکترون‌ها بسيار کوچک‌اند، تنها به کمک امواج دارای طول موج بسيار کوتاه می‌توان ردشان را گرفت، اما بر اساس نگره‌ی کوانتوم این تحرک و تشعشع ويژگی‌هايی شبيه به ذرات خردتر از اتم دارد، مثلاً دارای گشت‌آور است. به اين ترتيب، بر اساس نظر هايزنبرگ، هر گونه تلاش برای ديدن يک الکترون بی‌ترديد بر آن اثر می‌گذارد و سبب تغيير سرعت‌اش می‌شود. سعی برای استفاده از امواجی با طول موج کم‌تر برای دقت بيش‌تر در موقعيت الکترون، اين مسأله را تشديد می‌کند.
به عبارت ديگر، محاسبه‌ی موقعيت الكترون بی آن كه بر سرعت‌اش تأثير گذاشته شود، ممكن نيست. و دقيق‌تر اين كه تا موقعيت يكی را تعيين كنی، نسبت به موقعيت يك الكترون ديگر نامطمئن‌تر می‌شوی. ما هيچ گاه نمی‌توانيم دانش كاملی از اين دو ويژگی از دنيای واقعی در يك لحظه داشته باشيم. چنين موضوعی نسبت به زمان و انرژی هم مصداق دارد: هر چه مقياس زمانی اندازه‌گيری كوچك‌تر شود، بی‌اطمينانی درباره‌ی انرژی ذرات خردتر از اتم بيش‌تر می‌شود.
هايزنبرگ روابط رياضی‌يی را استخراج كرد كه به ياری‌شان می‌توان ميزان عدم‌قطعيت را محاسبه كرد. اين روابط هستند كه هسته‌ی آن‌چه را موسوم به اصل عدم‌قطعيت هايزنبرگ شد، تشكيل می‌دهند و به نتيجه‌يی مجرد منجر می‌شوند: عدم‌قطعيت جزئی تفكيك‌ناپذير از واقعيت است، مانعی هميشگی برای دانايی كل.

بنا بر عقيده‌ی هايزنبرگ حتا روی‌كرد استدلالی علت و معلول نيز به چالش كشيده می‌شود، و توانايی پيش‌بينی كردن درباره‌ی آينده با اطمينان بر باد می‌رود. اگر امكان‌پذير نيست كه دانشی دقيق نسبت به موقعيت يك الكترون به‌دست آوريم، چه‌گونه می‌توان از رخ‌دادهای آينده سخن گفت؟ به‌ترين كار اين است كه دست به دامان احتمالات بشويم.
مقاله‌ی هايزنبرگ بحث و جدل بسياری ميان دانشمندان آن روز برانگيخت. نيلز بور، فيزيك‌دان دانماركی و يكی از بنيان‌گذاران نظريه‌ی كوانتوم و برنده‌ی جايزه‌ی نوبل، با نظر هايزنبرگ همراهی زيادی كرد، اما بر اين باور بود كه عدم‌قطعيت مبتنی بر امری بسيار ظريف‌تر از مشاهده‌ی تكانه‌های الكترونی‌ست. وی عقيده داشت در هر آزمايش و مشاهده‌يی از يكی از دو رفتار شبيه به موج و ذرات خردتر از اتم در نور و ماده استفاده می‌شود، و اين ناممكن بودن بهره جستن از اين دو ويژگی در يك آزمايش است كه به عدم‌قطعيت منجر می‌گردد.

واكنش انشتين
با وجود اين كه بور آزمايش و ايده‌ی هايزنبرگ را رد كرد، اما يكی از حاميان جدی و پيشگامان پيشرفت اصل عدم‌قطعيت بود. و او در اين روند مخالفان بسياری داشت كه بزرگ‌ترين و نام‌دارترين‌شان انشتين بود. همين كه هايزنبرگ مقاله‌اش را منتشر كرد، انشتين درباره‌ی آن ترديدهای زيادی مطرح كرد. او گفت كه اين موضوع هيچ چيز جز شرحی بر ناديده‌انگاری و نادانی نيست. به تعبيری عدم‌قطعيت هيچ نيست، مگر بازتابی از نقصان و حلقه‌ی مفقوده‌يی در نظريه‌ی كوانتوم.
وقتی كه انشتين مشغول جر و دعوا با دانشمندان نام‌جو و شهرت‌طلب درباره‌ی كشف هايزنبرگ بود، ديگران داشتند از آن بهره می‌بردند. شايد در نگاه نخست اين اصل نااميدكننده به چشم می‌آيد، چرا كه محدوديتی‌ست برای آن‌چه ما از دنيا می‌دانيم. با اين حال، آن روی سكه بسيار شگفت‌آور است. بر مبنای اين اصل، آن‌چه اتفاق‌اش ناممكن به نظر می‌رسد، بخت رخ دادن می‌يابد.
تنها به فاصله‌ی چند ماه از انتشار مقاله‌ی هايزنبرگ، جورج گامو نشان داد كه با استناد به عدم‌قطعيت چه‌گونه يكی از پرسش‌های رازآلود علمی پاسخ داده می‌شود. در مطالعات پيشين معلوم شده بود كه عناصر راديواكتيو ذرات آلفا می‌پراكنند كه منشاء‌شان هسته‌ی عناصر است. از سويی در اندازه‌گيری‌ها معلوم شد كه اين ذرات انرژی كافی برای گريز از جاذبه‌ی هسته‌ی عناصر را ندارند. پس اين اتفاق چه‌طور رخ می‌دهد؟
اصل عدم‌قطعيت است كه به سوی جواب رهنمون‌مان می‌شود. ذرات آلفا به خاطر محبوس شدن در هسته‌های كوچك عناصر، موقعيتی كاملاً تحميلی دارند. با اتكا به اصل عدم‌قطعيت هايزنبرگ در ارتباط با بی‌اطمينانی نسبت به سرعت و انرژی اين ذرات، می‌توانند به سرعتی فراتر از نياز برای رها شدن از حصر هسته‌ها برسند.
محاسبات دقيق گامو و ديگران نشان داد كه هرچند احتمال تونل زدن ذرات آلفا در مسيری كه رو به بيرون می‌يابند، رقم بسيار كوچكی‌ست، اما كاملاً با داده‌های موجود در ارتباط با فساد مواد راديواكتيو می‌خواند. يك سال بعد از آن بود كه دانشمندانی ديگر فهميدند به كمك پديده‌ی تونل زدن كوانتومی چه‌گونه می‌توان به منبع توان خورشيد پی برد. در سال 1920، فيزيك‌دان و ستاره‌شناس انگليسی آرتور ادينگتون پيشنهاد كرد كه توان هنگفت خورشيد از هم‌جوشی اتم‌های هيدروژن برای توليد هليم به‌دست می‌آيد. با اين حال، محاسبات و جمع و تفريق‌های فيزيك‌دانان درست از آب در نمی‌آمد تا اين‌كه اصل عدم‌قطعيت به ياری‌شان آمد و گريزگاهی برای حل مسأله در اختيارشان نهاد. در سال‌های دهه‌ی سی بود كه ايشان نشان دادند وقتی اتم‌ها با توجه به اثر تونل زدن در هم می‌آميزند، پيشنهاد و ايده‌ی هم‌جوشی ادينگتون توضيح معتبری‌ست برای ميلياردها سال درخشش و نورافشانی خورشيد.
برخلاف همه‌ی اين موفقيت‌ها، انشتين كماكان بر اين باور بود كه اصل عدم‌قطعيت بنيانی ندارد. و در سال 1935 بحثی را درانداخت كه می‌پنداشت كار را تمام خواهد كرد. مولكولی را در نظر بگيريد كه كه از دو ذره‌ی الف و ب تشكيل شده و دچار از هم گسيختگی می‌شود. در نتيجه‌ی اين انفجار ذرات الف و ب در دو سمت مخالف پرتاب می‌شوند. بر اساس اصل عدم‌قطعيت هايزنبرگ، هر گونه تلاشی برای سنجيدن موقعيت دقيق ذره‌ی الف مانع دانستن سرعت دقيق‌اش می‌شود. اما انشتين گفت كه يك راه وجود دارد: مطابق اصل برابری كنش و واكنش نيوتن، ذرات الف و ب در جهت مخالف يك‌ديگر با سرعتی يكسان حركت می‌كنند. از اين‌رو، انشتين مدعی شد كه محاسبه‌ی سرعت دقيق ذره‌ی الف امكان‌پذير است: "سرعت آن برابر با سرعت ذره‌ی ب است."
انشتين عقيده داشت كه آزمون ذهنی‌اش نشان می‌دهد كه عدم‌قطعيت به سادگی نتيجه‌ی چيزی گم‌شده در نظريه‌ی كوانتوم است. در جواب به چالشی كه انشتين درانداخت، بور گفت كه عدم‌قطعيت بر هر دو ذره‌ی الف و ب اثر می‌گذارد. درست در همان لحظه‌يی كه ذره‌ی الف مورد بررسی قرار می‌گيرد، عمل مشاهده بر ذره‌ی ب نيز اثر می‌گذارد، چراكه اصل نيوتن بايد به دقت رعايت شود. شگفت‌انگيزتر اين كه بور مدعی شد كه اين اتفاق در يك لحظه رخ می‌هد، حتا اگر اين دو ذره در فاصله‌يی زياد از يك‌ديگر قرار داشته باشند.
بحثی كه بور به ميان آورد، حتا قانون خود انشتين را درباره‌ی محدوديت رسيدن به سرعت نور را به چالش كشيد. بر اساس نظر بور، اين دو ذره هيچ‌گاه از هم جدا نمی‌شوند. تولد آن‌ها با هم رخ داده و ويژگی‌هايشان برای هميشه به هم گره خورده خواهد ماند.
انشتين عقب نشست، اما هيچ‌گاه كاملاً استدلال بور را نپذيرفت، استدلالی كه به «استدلال شبح» معروف شد. ساير فيزيك‌دانان كماكان به كشف كاربردها و جلوه‌هايی كه متأثر از اصل عدم‌قطعيت بودند، ادامه دادند.

كاربردهای عملی
در دهه‌ی چهل نظريه‌پردازان دريافتند كه كشف هايزنبرگ به اين توضيح منجر می‌شود كه خلاء انباشته از انرژی‌ست. بر اساس اصل عدم‌قطعيت ، انفجارهای اتفاقی در هر جا و هر زمان رخ می‌دهند و طول آن‌ها وابسته به روابط برقرار در نظرات هايزنبرگ است. در سال 1947، دو فيزيك‌دان آمريكايی به نام‌های ويليس لم و رابرت ردرفورد موفق شدند تا انرژی خلاء را كه جلوه‌ی ظريفی در طيف هيدروژن است، شناسايی كنند. يك سال بعد، هندريك كازيمير، فيزيك‌دان آلمانی، پيش‌بينی كرد كه انرژی خلاء در فضای ميانی دو صفحه‌ی فلزی نيرويی بسيار اندك را باعث می‌شود. پيش‌بينی‌يی كه در سال 1996 درستی‌اش به اثبات رسيد. در سال 1957، لئو ايساكی از آزمايشگاه‌های سونی، با اختراع ديود تونلی، اولين كاربرد عملی اصل عدم‌قطعيت را عينيت بخشيد. ديود تونلی يك كليد يا سوئيچ بسيار سريع الكترونيكی‌ست كه عمل‌كردش متكی به اثر تونل زدن كوانتومی‌ست.
در سال 1964، جان بـِل، نظريه‌پرداز اهل ايرلند شمالی، شرحی بر صحت نظريات و استدلال‌های بور ارائه كرد. بل نشان داد كه ميزان به‌هم وابسته بودن ذرات قابل اندازه‌گيری‌ست. در سال 1982، يك گروه از پژوهشگران فرانسوی به سرپرستی آلن اسپكت آزمايشی به راه انداختند و نشان دادند كه ادعای بور صحيح است.
اين به هم وابسته بودن، هم‌اكنون بنيان و پايه‌ی رمزنگاری كوانتومی را شكل می‌دهد كه روشی كاملاً بديع برای حفاظت از پيام‌های محرمانه است. تا به امروز چنين بوده كه هر كس می‌خواسته پيامی محرمانه را منتقل كند، نيازمند كليدی برای رمزنگاری و رمزگشايی بوده است. چه بسا كليد به‌دست كسی بيفتد كه نبايد. ارسال كليد با استفاده از شعاع‌های نوری به‌هم وابسته سبب می‌شود تا هر گونه تلاش برای تصاحب غيرمجاز كليد بی‌درنگ آشكار شود. با اين شيوه، ارسال كليد تا فاصله‌ی هشتاد كيلومتری با موفقيت به انجام رسيده است. شايد روزی اساس تمام فعاليت‌های مخابراتی محرمانه بر همين شيوه استوار گردد.
اما غريب‌ترين عرصه‌يی كه اصل عدم‌قطعيت به‌كار گرفته شده است، مقياسی بسيار بزرگ‌تر دارد. طی چند سال اخير فضانوردان شواهدی يافته‌اند كه نيرويی رمزآميز و در حال شتاب در پهنه‌ی گيتی فعال است و با نيروی جاذبه مقابله می‌كند و چنين به نظر می‌رسد كه گويی می‌خواهد تمام كيهان را منفجر و متلاشی كند. نشانه‌های موجود آن هستند كه اين نيرو از هيچ‌كجا می‌آيد و محصولی از اصل عدم‌قطعيت است.

معادلات هايزنبرگ نشان می‌دهند كه حتا فضای خلاء هميشه خالی نيست. همواره نسبت به ميزان انرژی موجود در اين فضا بی‌اطمينانی و عدم‌قطعيت وجود دارد. از دهه‌ی هفتاد به اين سو، يكی از ذهنيت‌های فيزيک‌دانان اين بوده است كه «انرژی تاريكی» نقشی كليدی در انفجار بزرگ آغازين كبهان بازی كرده است. در سال 1997، فضانوردانی كه ابر- نو- اخترهای دوردست را مطالعه می‌كردند، اولين شاهد را برای تأثيرگذاری انرژی محدوده‌ی تاريكی بر فضاهای دوردست كيهان جستند. پس از آن بود كه شواهد متعددی برای‌اش كشف شد، چندان كه اينک ادعا می‌شود نيروی اصلی مسبب انفجار كيهان ناشی از آن است. توضيح اين كه چرا و چه‌‌گونه، امروز يكی از چالش‌های بزرگ رو در روی علوم نوين است.
زمانی كه هايزنبرگ به تبيين اصل عدم‌قطعيت پرداخت، به نظر می‌رسيد كه نتايج آن كم‌تر به كار عرصه‌های فراتر از دنيای خردتر از اتم بيايند. اكنون گذشته از اين‌كه اساس چندين فن‌شناسی پيشرفته متكی به آن است، درك داستان خورشيد و ستارگان هم به آن نياز دارد. چه بسا به زودی توضيح و تبيين منشاء «هر چيزی» به كمک آن ممكن گردد.

برچسب‌ها:  فيزيك ، نظريه‌ی كوانتوم ، هايزنبرگ ، الكترون ، انشتين ، خلاء ، زمان ، عدم‌قطعيت

  6 خرداد 1389    ||    (زندگی)    ||    نظر خوانندگان ( 2 )    ||    بالای صفحه

* نام:


* ای‌میل: (نمایش داده نمی‌شود)


آدرس سایت شخصی:



* نظر شما:


* لطفاً آن‌چه را که در تصویر پایین می‌بینید وارد کنید.
(کد امنیتی برای جلوگیری از اسپم)

(نظردهی در برزخ آدابی دارد که رعایت نکردن آن‌ها به حذف نظر می‌انجامد. این آداب را در «این صفحه» بخوانید.)