نقلاب نسبیت

[Borna66]

در دهه اول قرن بیستم انقلابی درفلسفهعلوم طبیعیپیش آمد که بسیاری آن را از حیث عمق معنی و درهم ریزی احکام موجودپذیرفته شده ، نسبت بهانقلاب کوپرنیکی-گالیله‌ایبرتر به شمارمی‌آورند. در این فاصله زمانی دو نظریه بسیار مهمی پا به عرصه رقابت نهادند،نظریه نسبیتوکوانتمیکه نسبت به کارهای دانشمندان پیشین از جملهماکسول،سارین،کلوینوکل اوزیوسبه نحو چشمگیری متفاوت بودند. ایننظریه‌های جدید بامکانیکنیوتونینیز در بعضی از اصول و فرضهای بنیادی اختلاف شدیدی داشتند.
این نظریه علاوه بر اینکه در برگیرنده پیچیدگیهای ریاضی است، تصور ذهنی و فهم آن ،بسیار دشوار است. البته شایان ذکر است کهانیشتیندر مقاله 1905 خود که برای اولینبار بهنسبیتخاصخود پرداخت و از معادلات ریاضی ساده استفاده کرد، اما در مقاله 1919 که بهنسبیتعامپرداخت، برخلاف مقاله پیشین از فرمولهای پیجیده ریاضی استفاده کرد. نسبیتاز ریشه نسبی گرفته شده است، یعنی هر کدام از واحدهای فیزیکی شناخته شده برای توصیفپدیده‌های طبیعی نسبی هستند. به عبارت دیگر می‌توان گفت که بر اساس نسبیتجرم،سرعت،شتابو حتی زمان کهبرای ما تعریف می‌شوند نسبی هستند.
چند مثال ساده

* درمکانیککلاسیک(نیوتنی) ، نیروی وزن هر جسم در کره زمین را مقدار نیرویی که از طرفزمین بر آن جسم وارد می‌شود و آن را با شتاب g به سمت خود می‌کشاند، تعریفکرده‌اند. اگر از شخصی بپرسید که وزنتان چقدر است؟ او احتمالا می‌گوید: در کجا؟ وزنشخص در آسانسوری که با شتاب به سمت پایین می‌رود، در مقایسه با هنگامی که آنآسانسور با همان شتاب به سمت بالا می رود، فرق می‌کند.
* مجید و فرهاد دو دوست هستند که سوار بر اتومبیل پراید با سرعت ثابت V در حالحرکت هستند و مقصد آنها منزل احمد است. در این هنگام احمد از پشت بام منزلشان ،اتومبیل مجید را مشاهده می‌کند. وی در آنجا با انجام محاسباتی توسط دستگاهش ، سرعتمجید و فرهاد را V بدست می‌آورد (معادل سرعت اتومبیل). در این لحظه اتومبیل پدراحمد با سرعت ثابت P از کنار اتومبیل مجید می‌گذرد، در آن لحظه عبور ، دستگاه تعبیهشده در اتومبیل پدر احمد، سرعت مجید و فرهاد راU = V Pنشان می‌دهد.

لحظه به لحظه در حین عبور ، احمد با مجید تماسمی‌گیرد و از او می‌پرسد که سرعت فرهاد را اندازه گیری کند. مجید با شنیدن سخناناحمد ، تعجب می‌کند و می‌گوید: "این دیگر چه سوال بیخودی است. می‌بینی که فرهاد درکنار من ساکن نشسته است، پس باید سرعت او صفر باشد". احمد گوشی را می‌بندد و بهپدرش زنگ می‌زند و از او می‌پرسد که دستگاه محاسبه گر تو ، سرعت مجید و فرهاد راچقدر محاسبه کرده است؟ پدر می‌گوید: "سرعت مجید و فرهادU = V Pاست".

احمد در این هنگام با خود فکرمی‌کند که چگونه فردی در درون اتومبیل با سرعت ثابت بنشیند در حالی که خود او دارایسه سرعت کاملاً متفاوتی باشد. احمد با مبنای سینماتیک آشنایی زیادی ندارد. پس سرعتهم نسبی است.

نسبیت خاص و مکانیک کلاسیک

* اصل نسبیت در تمام رویدادهای طبیعی صحیح و صادق است.
* سرعتنوردر خلا ، در هرچارچوب لختیکه اندازه گیری می‌شود با صرفنظر از حرکت منبع نور ، معادل c است. اصل موضوع دوم نسبیت ، در واقع اندیشه مکانیکنیوتنی و سینماتیک گالیله‌ای را زیر پا می‌گذارد.
* طبق اصول سینماتیک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت در حال حرکت به سمت یکدیگرباشند، سرعت هر یک از آنها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است. اما درنسبیت اینیشتین این گونه نیست. اگر در نقطه‌ای نوری را گسیل کنیم، ناظر ساکن و ناظرمتحرک که با سرعت v در حال حرکت به سمت منبع است، سرعت نور را c محاسبه می‌کنند. این دو اصل سه نتیجه حیرت آوری به همراه دارد که عبارتند از:
* اتساعزمان: مطابق مکانیک نیوتنی زمان مطلق است، یعنی زمان در تمام نقاط جهان وبدون وابستگی به شرایط حاکم بر محیط ، بطور یکنواخت جریان دارد. اما نیشتین خلاف آنرا معتقد است. و در واقع اینجاست کهاسحاقنیوتنو انیشتین از هم جدا می‌شوند. انیشتین برای اثبات گفته‌های خود در موردعدم مطلق بودن زمان ، به اصل موضوعی دوم خود پناه می‌برد، که خلاصه این داستان بدینشرح است که، یکی از دو قلوها تصمیم می‌گیرد که با یکفضاپیماکه با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکتمی‌کند به یکسیارهدور برود. این مسافرت 70 سال زمینی طول می‌کشد. هنگامی که او بر می‌گردد می‌بیند که برادرش بهسن 90 سالگی رسیده و در حالی که او 29 سال بیشتر سن ندارد.
* پارادوکس دو قلوها:اتساع زمان در نظریهنسبیت ما را به پارادوکس دو قلوها می‌کشاند ، این پارادوکس بیش از 50 سال بعد ازانتشار نظریه نسبیت انیشتین ، مورد بحث میان دانشمندان بوده است.
* انقباض جرالد-لورنتس: اتساع زمان که یکیاز مهمترین نتایج نظریه نسبیت است، موجب شد که انقباض لورنتس-جرالد ، قدم به صحنهرقابت بگذارد. ناظر o در چارچوب ساکن لختی قرار دارد و می‌خواهد طول لوله‌ای رامحاسبه کند. روشاندازهگیریاو ، اینگونه است که یک شی را با سرعت ثابت v ، از یک سر لوله پرتاب میکند و با ثبت مدت زمانی که آن شیء به آن سر لوله می‌رسد و با استفاده از فومولهایسینماتیک ، طول لوله را می‌یابد، او طول لوله را L محاسبه می‌کند. (L = t .v) ناظر Z واقع در چارچوب متحرک لختی نیز می‌خواهد طول همان لوله را محاسبه کند.

اوبرای محاسبه طول لوله از شیوه ناظر O استفاده می‌کند و طول لوله را `L می‌یابد (`L` = t` .v ). طبق نتایج قبلی نسبیت (اتساع زمان) ، به این نتیجه رسیدیم که زمان درچارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن ، کندتر می‌گذرد. پسt` > tبنابراینL` > L، که نشان دهنده انقباض طول لوله در چارچوب متحرک است. درک چنینواقعیتی بسیار دشوار و سخت است. امالورنتسعلت آن را تغییر درنیروی الکترومغناطیسیاتمها در سرعتهای بالامی‌داند. اما متأسفانه تا کنون دانشمندان موفق نشده‌اند که انقباض لورنتس-جرالد رادر حد آزمایش عملی کنند.

نظریه نسبیت عام

اینیشتین در سال 1919 با ترمیم و تعمیم نسبیت خود ، نسبیتعام را مطرح کرد. نسبیت عام برخلاف نسبیت خاص ، در برگیرنده معادلات و پیچیدگیهایریاضی بود. یکی از پیش بینیهای این نظریه آن بود که ساعتها درمیدانگرانشیبسیار قوی ، کندتر کار می‌کنند و همچنیننوردرمیدانگرانشیبسی ار قوی ، در مسیر مستقیم خود منحرف می شوند. این نظریه توانست بهبسیاری از معماهایکیهانشناسیدر موردسیاهچاله،عمر کرات و سیارات،انرژی ستاره‌هاوکهکشانها،چگالیج� �� �انو ... پاسخ دهد

منبع» کلوب فیزیک

[moo2010]

كوانتوم و نسبيت دوست يا دشمن (http://pnu-club.com/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fhosc.blogfa.com%2F post-121.aspx)
http://pnu-club.com/imported/2010/04/244.jpg
به ندرت مي توان درطول تاريخ علم دوره اي را يافت كه اين پايه از روشنگري توسط چنين جمع معدودي صورت پذيرفته باشد.
ماكس پلانگ را با كلاه و سيگارش در كنار ماري كوري در رديف جلو بنگريد. پلانگ عاري از نشاط است، او سالها تلاش براي افكار انقلابي اش،دربارۀ مواد وتابش، خسته به نظر مي آيد.
انيشتن با لباس شق ورق در وسط در رديف جلو نشسته است.در سمت راست عكس،پرفسور42 ساله اي به نام بور در اوج توانايي اش، آرام و مطمئن كه در رديف وسط نشسته است.
در رديف آخر، پشت سر اينشتين اروين شرودينگر با ژاكت و پاپيون اش به وضوح فردي بي قيد به نظر ميرسد. در سمت راست او، و با يك فاصله دو جوان افراطي به نام ولفگانگ پائولي و ورنر هايزنبرگ قرار دارند كه هنوز در دهه سوم عمرشان به سر قرار دارند.جلوي آنها پل ديراگ ،لويي دوبروي،ماكس بورن و بور قرار گرفته اند.
پيرترين آنها پلانگ69 ساله بود كه همه اين ماجراها را در سال1900 شروع كرد تا ديراك25 ساله كه جوانترين آنها بود نظريه را در سال1928 كامل كند.

هر زيبايي كه ديدم،
و خواهانش شدم و بر آن دست يافتم،
رويايي از تو بود.

جان دان، فرداي نيك
آيا مكانيك كوانتومي يك نظريه كامل است؟
نظريه كوانتوم چيست؟
نظريه كوانتوم موفق ترين دستگاههاي فكري است كه تاكنون توسط بشر ابداع شده است. اين نظريه، جدول تناوبي عناصر و چگونگي رخ دادن واكنش هاي شيميايي را توضيح مي دهد. نظريه كوانتوم همچنين پيشگويي هاي دقيقي درباره ليزر، ميكروچيپ، پايداري DNA و چگونگي تشعشع ذرات آن از درون هسته، به دست داده است.

اينشتين:نظريه كوانتوم غير شهودي است و عقل سليم را به مبارزه مي طلبد.

پائولي:اخيراْ مفاهيم آن به فلسفه شرقي شبيه شده اند و براي كاوش رازهاي پنهان شعور، اراده آزاد و فراهنجار به كار مي روند.

شرودينگر:نظريه كوانتوم هرگز ناكام نشد.

پلانك:نظريه كوانتوم اساساْ رياضي است.

بورن:ساختار نظريه كوانتوم چشم انداز جهان فيزيكي را دگرگون ساخته است.

قرائت بور از نظريه كوانتوم كه در سال1927 ارائه شد، امروزه نيز متداول است. اين امر با وجود اين است كه آزمايش هاي فكري انيشتن درسال1930 اصول بنيادي قرائت بور را زير سوال برد.
آيا ممكن است باز هم حق با انيشتن باشد؟ آيا چيزي ناديده گرفته شده؟
مكانيك كوانتومي به خوبي ما را در درك هرچه بهتر از ساختار وخواص اتمها ، مولكولها ، جامدات و رفتار ذرات زير اتمي ياري داده است و هداياي گرانقدري نيز به ما اعطا نمود ترانزيستور-ليزر-تلويزيون-كامپيوتر – ميكروسكوپ الكتروني – انرژي هسته‌اي و…
همه و همه نتايج فيزيك كوانتومي است فيزيكي كه بر پايه عدم قطعيت، احتمال ، ميانگين و آمار بناشده است. نظريه كوانتومي كه توسط پلانك و اينشتين ساخته و پرداخته گرديد باسايه انداختن ديدگاه احتمال و عدم قطعيت برآن موجب نارضايتي و دلسردي اينشتين شد و راهش را از سايرين جدا كرد چراكه طرز فكري كه نسبيت‌‌ها از آن تراوش كرده بودنند اين اجازه را به اينشتين نمي‌داد كه جهان عيني و علّي را رها كند و درسايه ترديد و تزلزل در پي كشف حقايق عالم برآيد ولي شايد اينشتين درست انديشيده بود و اين بوهر وهمفكران او بودند كه در بكارگيري و تعميم اصل عدم قطعيت راه را به بيراهه رفتند.
همان طور كه براي توجيه پديدهاي عالم ماكروسكوپي فيزيك كلاسيك به تنهايي ناقص و نارسا است شايد براي بررسي تمام جوانب عالم زير اتمي فيزيك كوانتومي نيز به تنهايي كافي نباشد و آنجا كه فيزيك كوانتومي دراندازه گيري همزمان تكانه و مكان ذره به بن بست مي‌رسد شايد براي رهايي از اين بن بست نمي‌بايست از اصل عدم قطعيت استفاده مي‌كرديم بلكه بايد مكانيك كوانتومي را كامل يا اصلاح مي‌نموديم يا با خلق روشهاي نوين در رفع اين معضل برمي‌آمديم وبدين گونه با تدوين نظريه‌اي جديد از اتهام طبيعت به سردرگمي و دو شخصيتي يك شخصيت علّي در توجيه وقوع رويدادهاي ماكروسكوپي و ديگري شخصيت غير قابل پيش‌‌بيني و غير قطعي در رويدادهاي زير اتمي پرهيز مي‌كرديم.
ولي در حال حاضر فيزيك كوانتومي با سرعتي متحير كننده مسير ترقي و شكوفايي خود را مي‌پيمايد بي‌آنكه درجاده هموار خود با مشكل مواجه شود. و تا موقعي كه مشكلي ايجاد نشود( همانند مشكلات موجود در فيزيك كلاسيك كه زمينه را براي تولد نظريه‌هاي نسبيت و كوانتوم فراهم نمود) دانشمندان نيازي به خلق نظريه‌ائي جديد يا ايجاد تغييري درآن نمي‌بينند.

جنگ سي ساله نظريه كوانتوم در برابر فيزيك كلاسيك

سه تجربه در عصر پيش كوانتومي وجود داشت كه نمي توان براي توجيه آن از فيزيك كلاسيك استفاده كرد.
1- تشعشع جسم سياه و فاجعه فرابنفش كوانتوم(پلانك)
2- اثرفوتوالكتريك ذرات نور(انيشتن)
3-خطوط روشن طيف نوري (اتم بور)
اين دانشمندان با ارائه راه حل هايشان نخستين قدمها را براي درك جديد طبيعت برداشتند. امروز كار مشترك اين سه مرد كه نقطه اوج آن مدل اتمي بور در سال 1913 بود، بعنوان نظريه قديم كوانتومي شناخته مي شود.

تولد سه نظريه جديد كوانتومي

در طول 12 ماه از ژوئن 1925 تا ژوئن 1926 نه يك،نه دوتا بلكه سه طرح متفاوت و مستقل از نظريه كامل كوانتومي منتشر شد. كه بعدها نشان داده شد كه هرسه آنها معادل يكديگر هستند.
اولين:مكانيك ماتريسي كه توسط ورنر هايزنبرگ مطرح شد.
دومين:مكانيك موجي كه توسط اروين شرودينگر مطرح شد.
سومين: جبر كوانتومي كه توسط پل ديراگ مطرح شد.

مكانيك كوانتومي و ناخشنوديهاي آن

هايزنبرگ(76-1901) در مونيخ در جايي كه پدرش استاد زبان يوناني در دانشگاه محلي بود، پرورش يافت. اواغلب از كوهنوردي از كوهنوردي لذت مي برد. او دانش آموزي تيز هوش و پيانستي ماهر بود و درسال 1920 بعد از ثبت نام در دانشگاه مونيخ براي مطالعه نزد سامرفيلد رفت و در آنجا باولفانگ پائولي ملاقات كرد.

پائولي و هايزنبرگ در ژوئن 1922 در گوتينگن بودند.و در اين زمان هايزنبرگ براي اولين بار بور راملاقات كرد. او تنها 20 سال داشت و در اين زمان بر روي تز دكتراي خود كار مي كرد.در همان روزها بود كه پس از يكي از سخنراني هاي بور به اعتراض برخاست وبور با ترديد به اعتراض او جواب داد:
هايزنبرگ:بس از پايان سخنراني، بور نزد من آمد و از من خواست براي راهپيمايي در كوههاي هاينبرگ اورا همراهي كنم. اين راهپيمايي تاثيرعميقي بر زندگي علمي من گذاشت. شايد صحيح ترباشد كه بگويم كه زندگي علمي وافعي من از عصر همان روز شروع شد كه بور به من گفت:
«اتم شئي نيست». وما حدود سه ساعت باهم صحبت كرديم.وبراي اولين بار بود كه من ديدم يكي از بنيان گذاران نظريه كوانتوم نگران مشكلات آن است. بور بينش عميقي داشت كه ناشي از مشاهده پديده هاي واقعي بود و نه از نتيجه تحليل هاي رياضي. او مي توانست به جاي استنتاج صوري روابط آن ها را به طور شهودي بفهمد.
پس از پياده روي بور درباره هايزنبرگ به دوستانش گفت:
هايزنبرگ همه چيز را مي فهمد.در حال حاضر همه راه حل در دست اوست. او بايد راهي فرار از مشكلات نظريه كوانتوم بيابد. اما هايزنبرگ باعث شگفتي بور شد.او از مدارهاي الكتروني بور متنفر بود.
هايزنبرگ:هرگز نمي توان آنها را مشاهده كرد . فايده صحبت كردن درباره مسيرهاي نامرئي الكترون در اتم غير قابل رويت چيست؟
اگر نتوان اتم را ديد، پس اتم مفهومي بي معني است.
چندين سال بود كه هايزنبرگ و همكارانش با مسئله اي كه بور در 1913 دربارهُ نظريهُ اتم عنوان كرده بود كلنجار مي رفتنند:چرا الكترون در اتم فقط مجاز ند ترازهاي مشخصي را كه داراي كه داراي انرزيهاي معيني هستند را پر كنند. هايزنبرگ روشي تازه ابداع كرد، چون هيچ كس نمي تواند مدارهاي الكترون را در درون اتم ببيند، او تصميم گرفت كه فقط ارقامي را بپذيرد كه قابل اندازه گيري است: به ويژه ،مصمم شد با انژيهاي وابسته به«حالتهاي كوانتومي» كه در آنها الكترونهاي اتم مدارهاي مجاز را پر مي كنند كاركند، وهمچنين به سرعتهاي نظر بيفكند كه يك اتم ممكن است با انتشار يك فوتون به طور خود انگيز از هريك از اين حالتهاي كوانتومي به حالت ديگر انتقال يابد.
هايزنبرگ، چنانچه كه خود گفته است ، جدولي از سرعت انتقالها تنظيم كرد و يك دستگاه رياضي كه روي اين جدول عمل مي كند ابداع كرد، كه خود آن به جدولهايي نوين انجاميد:
نوعي جدول براي هريك از كميتها مانند مكان يا سرعت يا توان دوم سرعت الكترون. با دانستن اينكه انرژي ذره اي در يك دستگاه ساده چگونه به سرعت و به مكانش بستگي دارد، هايزنبرگ توانست جدولي از انرژي هاي دستگاهي را در حالتهاي گوناگون كوانتومي آن محاسبه كند.
هايزنبرگ مي گويد:نقطه شروع كار من ايده نوسانگرهاي ساده واقعي بود كه مي توانند همه فركانسهاي طيف را توليد كنند،نه بصورت مدل كوچكي از منظومه شمسي.و اگر بخواهيم دقيق تر بگوييم،ترازهاي درون جدول هايزنبرگ ارقامي بودند كه امروزه به نام دامنه انتقال معروف است، ارقامي كه توان دوم آنهاسرعت انتقال را معين مي كند. پس از بازگشت از هلگولند به گوتينگن به اوگفتند كه روش اختراعي جدولهايش براي رياضيدانها آشنا است، اين نوع جدولها نزد رياضيدانها به ماتريس معروف است.
بعدها هايزنبرگ كشف خود را هديه اي از بهشت ناميد، پيش از پايان سال 1925 فيزيكداناني نظير ماكس بورن، پاسكوال يوردان در آلمان و پل ديراگ در انگلستان عقايد هايزنبزگ را در باره مكانيك كوانتومي بشكلي درآوردندكه قابل فهم باشد امروزه اين شكل به مكانيك ماتريسي معروف است.
استيون واينبرگ(برنده جايره نوبل فيزيك)در مورد مقالهاي هايزنبرگ چنين مي گويد:
اگر خواننده اي در فهم آنچه هايزنببرگ انجام داد سر در گم است، او در اين كار تنها نيست. چندين بار كوشيده ام تا مقاله اي را كه هايزنبرگ پس از بازگشتن از هلگولند نوشت بخوانم، و با اينكه گمان مي كنم مكانيك كوانتوم را مي فهم، هرگز نتوانستم انگيزه هايزنبرگ را در گامهاي رياضي را كه در اين مقاله برداشته است را درك كنم.
فيزيكدانان نظريه پرداز در موفقترين كارهاي خود يكي از اين دو نقش را دارند:يا «خردمندانه»يا «افسونگرانه» . فيزيكدان خردمند درباره مسائل فيزيكي با گامهاي منظم و بر پايه عقايد بنيادي استدلال مي كند كه طبيعت چگونه بايد باشد. براي نمونه، اينشتن در ايجاد نظريه نسبيت عام نقش خردمندانه اي داشت. وي با مسئله اي مشخص رو به رو بود : چگونه مي توان نظريه گرانش را با نظريه اي نوين درباره فضا وزمان، كه خود او در سال 1905 به نام نظريه نسبيت خاص پيشنهاد كرده بود، سازگار كرد.اما در سال1900 ، پلانگ در اختراع نظريه انتشار حرارت يك افسونگر بود، و اينشتن نقش افسونگر را هنگامي بازي كرد كه ايده فوتون را در سال 1905 پيش نهاد. شايد علت اينكه نظريه فوتون را بعدها به عنوان انقلابي ترين فكر خود ذكر كرد همين باشد. به طور كلي، درك نوشته هاي فيزيك دانهاي خردمند بسيار دشوار نيست، اما بيشتر نوشته هاي فيزيكدانهاي افسونگر درك پذير نيست. به اين معنا، نوشته سال 1925 هايزنبرگ افسونگريي ناب است.
ولفگانگ پاولي در هامبورگ، از اين مكانيك ماتريس نوين توانست يكي از مسائل فيزيك را كه انگشت نما شده بود، يعني محاسبه انرژي حالتهاي كوانتومي هيدروژن، محاسبه كند و نتايجي راكه بور قبلاً بدست آورده بود تاييد كند.
پاولي تز دكتراي خود را زير نظر سامرفيلد درباره نظريه كوانتومي هيدروژن يونيزه در سال1921 انجام داد. اويك نيم سال به عنوان دستيار بور به گوتينگن رفت وسپس به عنوان استاد بدون حقوق به هامبورگ عزيمت كرد.پاولي براي محاسبه كوانتومي مكانيكي در زمينه ترازهاي انرژيي اتم هيدروژن شايستگي
رياضي فوق العاده اي از خود نشان داده محاسبه او روش استفاده خردمندانه از قواعد هايزنبرگ وتقارنهاي خاص اتم هيدروژن بود.
بااينكه هايزنبرگ و ديراگ نيروي خلاقيت بيشتري نسبت به پاولي داشتند اما هيچ فيزيكداني از نظر هوش به پاي او نمي رسيد. ولي حتي او هم نتوانست اين محاسبات را به اتم بعدي،يعني هليوم گسترش دهد، چه رسد به اتم ها و مولكولهاي ديگر.
مكانيك كوانتومي كه امروزه در دانشگاهها تدريس مي شود و شيميدانان و فيزيكدانان از آن استفاده مي كنند در واقع همان مكانيك ماتريس هايزنبرگ وپاولي وهمكارانشان نيست، بلكه دستگاه معادل رياضي ديگري است كه بسيار آسانتر به كار مي آيد،و شكل آنرا،كمي بعدكشف مكانيك ماتريس،اروين شرودينگر ابداع كرد.
در كوانتوم مكانيكي كه شرودينگر پيشنهاد كرد،هريك از حالتهاي فيزيكي ممكن دستگاهي را ميتوان باتعيين كميتي به نام تابع موجي مشخص كرد،درست مانند آنچه براي توضيح نور به عنوان موجي از ميدانهاي الكتريسيته و مغناطيسي ديده مي شود.
روش تابع موجي براي مكانيك كوانتوم ، در سال 1923 در مقاله لوئي دوبروي و سپس در رساله دكترايش در سال1924، پيش از نوشته هاي هايزنبرگ مطرح شده بود.دراين قسمت كمي به عقب تر باز مي كرديم وبا شاهزاده فرانسوي جناب دوبروي آشنا شويم.درسال1923 يك دانشجوي فارغ التحصيل از سوربن پاريس، پرنس لوئي دوبروي ايده حيرت انگيز خود را ارائه داد كه بيانگر خصوصيت موجي بودن ذرات بود.دوبروي به شدت تحت تاثير بحث هاي اينشتن درباره لزوم لحاظ كردن دوگانگي در فهم طبيعت نور ، قرار داشت.
دوبروي در تز دكترايش چنين نوشت...
به نظر مي رسد كه ايده اساسي نظريه كوانتوم غير ممكن بودن تصور يك كمييت انرژي،
مجزا از پيوند آن با فركانس خاص است.
اگر چه درك دقيق فركانسي در رابطه اينشتين مشكل است...
E=hf
انرژ ي برابر است با ثابت پلانك ضرب در فركانساما اين مفهوم در واقعه يك روند چرخه اي دروني را
هنگامي كه دوبروي تز دكتراي خود را تحت عنوان«تحقيقاتي دربارهُ كوانتوم » ارائه داد. ايده هاي حيرت انگيز آن باع شگفتي هيئت آزمون دانشگاه پاريس شد. ويكي از اعضاي اين هيئت پل لنژوين بود كه خوشبختانه يك نسخه تكميل شده از تز دوبروي را براي انيشتن فرستاد .انيشتن پس از برسي تز دوبروي در تماسي با هنريك لورنتز او را نيز در جريان قرار داد. وچنين گفت كه: من معتقد هستم نظريه دوبروي اولين پرتو ضعيف نور را بر معماهاي فيزيكدانان مي افكند.
انيشتین با هيئت آزمون بحث عميقي كرد و هيئت آزمون تز دكتراي دوبروي را پذيرفت.دوبروي مي گويد كه:
هنگامي كه يك الكترون در اتم حركت مي كند موج وابسته به آن ايستا است يعني به فرم موج ايستاده مانند موجي در طول سيم ويلون كه دو طرف آن ثابت شده است. در اين شرايط همان طور كه هر دانشجويي موسيقي به خوبي مي داند تنها فركانس هاي مشخص و پيوسته-فركانس هاي اصلي و هارمونيك هاي آن- توليد مي شوند.
اين درست همان چيزي است كه بور در سال1913 در طرح اتم هيدروژن خود به آن نياز داشت. با جا دادن تعداد صحيحي موج الكترون در اتم و استفاده از روابط دوبروي بور مي توانست توجيه نظري كاملي براي كوانتومي بودن مدارها ارائه دهد.
با چنين رساله دكترايي انتظار مي رفت كه دوبروي پاپيش گذارد و بسياري از مسائل فيزيك را حل كند. ولي در واقع،او هيچ كار مهم ديگري در علم طي باقي مانده عمر خود انجام نداد.
در واقع اين آقاي شرودينگر بود كه در زوزيخ،وبين سالهاي1925-1926، آراي مبهم دوبروي دربارهُ امواج الكترون را از نظر رياضي به طور دقيق و منسجم به ضابطه در آورد كه براي تمامي الكترونها يا هر ذرهُ ديگر در اتم يا مولكول كاربرد داشت. به علاوه، شرودينگر توانست نشان دهد كه مكانيك موجي او با مكانيك ماتريسي هايزنبرگ برابر است، از راه رياضي هريك را از ديگري مي توان به دست آورد.
سال 1926 سال تعيين كننده براي مكانيك كوانتومي بود اروين شرودينگر با طرح مكانيك موجي خود و ورنرهايزنبرگ با ارائه مكانيك ماتريسي سنگ بناي اين علم نوين را بنا نهادنند، شرودينگر با تدوين مكانيك موجي توانست تابع موج يك ذره مانند الكترون را به كمك معادله خود مشخص كند اين تابع موج تا حدود زيادي از اصل موجبيت يا جبر نيوتوني پيروي مي‌كرد.
ماباحل معادله شرودينگرمي‌توانستيم با تعيين نيروي وارد برذره الكترونتابع موج آن ذره را كه رفتار آينده آن رامشخص مي‌كند بدست بياوريم اين تقريبا شبيه آن چيزي است كه فيزيك كلاسيك براي پيش بيني رفتار يك ذره يا موج به كمك قوانين نيوتن يا معادلات ماكسول با دانستن وضعيت كنونيش به دست مي‌آورد بود. معادله شرودينگر كه براي تعيين رفتار موجي ذره درنظر گرفته شد معجوني از فيزيك كلاسيك ونظريه‌هاي جديد (كه صحت آنها به كمك آزمايش تاييد گرديد) بود در اين معادله اصل پايستگي انرژي ماهيت دوگانه‌ ذره‌اي - موجي ماده بر اساس فرض دوبروي اصل برهم نهي امواج نظير امواج صوتي و الكترومغناطيس رعايت شده است اين معادله مستقل از زمان و يك بعدي است مجذور تابع موج به ما كمك مي‌كند تا بتوانيم موقعيت يك ذره مانند الكترون را با احتمال بسيار زياد در محل معيني از فضا تعيين كنيم.كاري كه شرودينگر انجام داد شبيه كاري بود كه نيوتون و ماكسول انجام دادند و آن قراردادن وقايع مشاهده شده در يك چارچوب رياضياتي بود نيوتون و ماكسول تنها براي مسائلي كه مشاهده مي‌شدند قانون وضع نمودنند و اين قوانين به خوبي كار خود را انجام ميدادند شرودينگر نيز با استفاده از مفاهيم جديد و تازه كشف شده و با تركيب آنها با يافته‌هاي پيشين توانست يك قالب به صورتيكه ناقص اصل عليت نباشد براي آنها تدوين نمايد ولي اين هايزنبرگ بود كه به كلي بنيان اين اصل را درهم ريخت و رابطه علت و معلولي را كه پيش از اين براي رويدادهاي فيزيكي تدوين شده بود به عدم قطعيت و ترديد مبدل نمود. اصل عدم قطعيت يكي از جنجالي ترين اصول مكانيك كوانتومي است اين اصل بيان ميدارد تعين دقيق مكان و تكانه (اندازه حركت) يك ذره به طور همزمان غير ممكن است و حاصل ضرب اين عدم قطعيت‌ها در مكان و اندازه حركت ذره همواره كمتر يا مساوي 1.05*10-34 ژول ثانيه است. كوچكي اين مقدار به ما مي‌گويد كه بايد در ذرات زير اتمي بدنبال عدم قطعيت باشيم نه در ذرات ماكروسكوپي و بزرگ گرچه آنان نيز از اصل عدم قطعيت پيروي مي‌كنند ولي مقدار آن در مقابل اندازه جسم چنان ناچيز است كه قابل صرفنظر كردن مي‌باشد مثلا يك توپ بيس بال به جرم 145 گرم كه با سرعت 5/42 متر برثانيه حركت مي‌كند در صورتي كه بتوان سرعت آن را با دقت يك درصد اندازه گرفت تكانه آن از عدم قطعيتي معادل 6.16*10-2 كيلوگرم در متر برثانيه و بدنبال آن مكان نيز از عدم قطعيت مكان 1.7*10-33 متر(چيزي در حدودهزار ميليارد ميليارد ميليارديم يك ميليمتر) برخوردار خواهد بود كه نسبت به اندازه توپ بيس بال بسيار بسيار ناچيز مي‌باشد. ولي در مورد فوتون و ذرات بنيادي و زير اتمي ديگر جايز نيست كه ما از عدم قطعيت‌ها در مكان و تكانه چشم پوشي كنيم چرا كه مقدار عدم قطعيت ها درمقابل اندازه ذره چشمگير و قابل توجه مي‌باشد.اگر در آزمايش پراش، قطر روزنه كه فوتون از آن مي‌‌گذرد را بعنوان عدم قطعيتدرمكان ذره وپهناي نقش پراش كه روي پرده ايجاد مي شود را به عنوان عدم قطعيت در تكانه و اندازه حركت فوتون بدانيم در صورتي كه بخواهيم عدم قطعيت در مكان ذره را كاهش دهيم تا با اطمينان بيشتري از مكان فوتون آگاهي يابيم بايد قطر روزنه راكم وكمتر كنيم ، در اينجا ما اگر بتوانيم ذرات را مشاهده كنيم با برخورد آنها به پرده مي‌توانستيم اندازه حركت آنها را نيز بدست بياوريم ولي همين كوچك كردن قطر روزنه يا شكاف موجب مي‌شود پهناي نقش پراش كه بيانگر جنبه موجي نور است افزايش يابد ، ظهور اين ماهيت از ماده ما را در تعيين اندازه حركت ذر ه با يك عدم قطعيتي گريز ناپذير روبرو مي‌كند كه براي برطرف كردن آن بايد از پهناي نقش پراش بكاهيم براي اينكار بايد قطر روزنه يا شكاف را افزايش دهيم همين افزايش قطر شكاف موجب ايجاد عدم قطعيت در مكان ذره مورد نظر (فوتون) خواهد شد با يك آزمايش فكري بهتر مي‌توان به اصل عدم قطعيت پي برد. توصيف مي كند.
فرض كنيد مي‌خواهيم سرعت حركت يك الكترون و جاي آن را در يك لحظه معين در اطراف هسته حساب كنيم براي اين كار بايد قادر به ديدن الكترون باشيم اگر دستگاهي بتواند قدرت ديد ما ر ا تا حد ديدن يك الكترون بالا ببرد در اين صورت براي تشخيص دقيق مكان الكترون بايد پرتو نوري را با طول موج كوتاهتر به آن بتابانيم و چون برخورد اين پرتو به الكترون باعث انتقال انرژي به آن مي‌‌شود اين انرژي منتقل شده سرعت حركت الكترون را افزايش مي‌دهد و ما براي تعيين سرعت الكترون و بدنبال آن براي تعين تكانه آن با يك عدم قطعيتي مواجه مي‌شويم براي اينكه اين عدم قطعيت را به حداقل كاهش دهيم بايد پرتوي نوري كه براي تشخيص مكان الكترون بكار مي‌بريم از انرژي كمتري (طول موج بيشتري) برخوردار باشد.
اين كاهش انرژي پرتو نور سبب ايجاد يك عدم قطعيتي در تعيين مكان الكترون مي‌شود كه با كاهش انرژي پرتو نور اين عدم قطعيت در مكان الكترون افزايش مي‌يابد( هرچه طول موج نور تابيده شده به يك جسم كوتاهتر باشد جزئيات آن جسم بهتر مشخص مي‌‌شود.) وما قادر نخواهيم بود با دقت مورد علاقه‌مان جاي الكترون را در يك محدوده معين از فضاي اطراف هسته معين سازيم. اصل عدم قطعيت نه تنها تعيين همزمان مكان و تكانه ذره را با دقت نامحدود غيرممكن مي‌سازد بلكه تعيين همزمان انرژي و مختصه زمان ذره را نيز با دقت نامحدود محال مي‌داند.همان گونه كه در مكان و اندازه حركت يك ذره مانند الكترون عدم قطعيتي گريز ناپذير وجود دارد در انرژي يك ترازتشديد نيز عدم قطعيت وجود دارد .
اين بدان معناست كه اگر دستگاه مورد نظر در زمان كمتري در يك تراز تشديد بماند محاسبه انرژي آن تراز از دقت كمتري برخوردار خواهد بود اگر بخواهيم عدم قطعيت در انرژي را كاهش دهيم بايد اتم مدت بيشتري در آن تراز تشديدبماند كه در آن صورت عدم قطعيت در اندازه گيري زمان افزايش مي يابدبنابراين اصل عدم قطعيت دقت در اندازه گيري انرژي را نيز محدود مي سازد.
فيزيكدانان دربارۀ تعبير مكانيك كوانتوم سالها پس از اينكه به حل معادله شرودينگر خو گرفته بودند مباحثه مي كردند. اين مباحثه ها بيشتر در مركز فيزيك نظري در دانشگاه كپنهاگ، زير نظر و به رهبري نيلس بور، به ويژه در مورد يكي از مشخصات مكانيك كوانتوم كه بور آن را مكمل بودن يا مكمليت ناميده انجام مي گرفت: يعني شناخت ما نسبت به يك بخشي از دستگاه مانع شناخت ما نسبت به بعضي بخشهاي مشخص ديگر از همان دستگاه مي شود. اصل عدم قطعيت هايزنبرگ يكي از مثالهاي مكمل بودن است:
يعني شناخت مكان(يا اندازه حركت) جسمي مانع شناخت اندازۀ حركت(يا مكان)ذره است.در سالهاي بعد، بور بر اهميت مكمل بودن در زمينۀ مسائلي بسيار دور از فيزيك تآكيد كرد. داستاني دربارۀ او وجود دارد كه در آلمان از او پرسيدند: كيفيتي كه مكمل حقيقت است چيست. بور پس از اندكي تآمل پاسخ داد: روشني كلام . پس از هفته ها بحث و مشاجره با هايزنبرگ دربارۀ اين مفهوم،بور تدوين اجزاي مختلف نظريۀ كوانتومي را به صورت يك كل منسجم، آغاز كرد.
بور دراين باره ميگويد: حتي افراطي تر از اين،من(به همراه هايزنبرگ،بورن و پائولي) به اين نتيجه رسيدم كه وضعيت يك سيستم اتمي قبل از اندازه گيري نامشخص است.و سيستمها تنها داراي مقادير ممكن خاصي با احتمال مشخص هستند.اين مفهوم جديد ديگري بود كه بر مسئله اندازه گيري كوانتومي و ارتباط مهم آن با فيزيك كلاسيك متمركز شده بود. مجموعۀ اين ايده ها بعنوان تعبيركپنهاكي شناخته مي شود.

اصل عدم قطعيت

پلانك و اينشتين به اندازه كافي موجب سردرگمي دانشمندان شده بودنند دانشمنداني كه ساليان سال نور را در قالب يك موج مي‌ديدند و با اين موج هر كاري كه مي‌خواستند انجام ميدانند حال اگر اين موج از عهده حل معماي تابش جسم سياه و اثر فوتوالكتريك برنمي‌آيد نيايد اينها چيزهايي نبودند كه ستونهاي مستحكم ديدگاه موجي نور (تابش) را درهم بريزند ولي شايد دهه بيست قرن گذشته را بتوان زلزله بار ترين ساليان عمر فيزيك دانست در اين دهه بود كه مكانيك موجي و ماتريسي شرودينگر و هايزنبرگ شكل گرفت و طومار جبر نيوتني درهم نورديده شد اصل عدم قطعيت مانند شبحي خواب خوش دانشمنداني چون اينشتين و همكفرانش را آشفته ساخت و ابرهاي تيره كه بر زواياي پنهان ديناي زير اتمي سايه افكنده بود آرام آرام جاي خود را به روشناي آمار و احتمالات سپردنند هر چند كه اين مبحث جديد از انحرافات چشمگيري نسبت به اصول عقل سليم برخوردار بود ولي نتايج آن به طرز جالبي با واقعيت ها مطابقت داشت به طوري كه اينشتين با تمام مخالفت‌هاي بنيادي كه با اين رويكرد جديد علمي داشت بارها به توانمندي عملي آن اقرار نمود.
گفتيم كه ماهيت دوگانه موجي- ذره‌اي هم براي تابش و هم براي ماده وجود دارد و ما نمي‌‌توانيم همزمان به كمك يك آزمايش هم ماهيت ذره‌اي وهم ماهيت موجي يك تابش ياذره ‌مادي رااندازه بگيريم گرچه به سادگي باصرفنظر كردن از يك خاصيت تابش يا ذره مادي مي‌توان خاصيت ديگر آن را به دقت سنجيد مثلا اگر بخواهيم بدانيم كه فوتون از كدام يك از دو شكاف موجود در آزمايش تداخل گذر نموده است(چشم پوشي از ماهيت ذره‌اي فوتون) مي‌توانيم بخوبي خاصيت موجي آن را مشاهده كنيم و اگر بدنبال فريزهاي تداخلي نباشيم(چشم پوشي از ماهيت موجي فوتون) مي‌توانيم تشخيص دهيم فوتون مورد نظر ما از كدام يك از شكاف ها گذشته است (خصلت ذره‌اي( اين موضوع يعني دوگانگي موجي –ذره‌اي ((Wave-particle duality)) تابش هاي الكترومغناطيس و ماده موجب شده است تا با تدبيرزيركانه هايزنبرگ اصل عدم قطعيت برمبناي آن شكل بگيريد و باب جديدي را بردنياي زير اتمي را بگشايد.
در سال 1935 ميلادي يوكاوا دانشمند ژاپني براي توجيه پايداري هسته و به منظور نشان دادن بر هم كنش بين نوكلئون ها ي آن نيرويي پيشنهاد نمود كه از بردي در حدود يك فمتومتر(10^-15 متر) برخوردار بود و جرم ذرات ميدان كه نقش انتقال اين نيرو رابر عهده دارند را 200مگا الكترون ولت تخمين زد ذرات پيشنهادي يوكاوا مزون متوسط ناميده شدند چرا كه جرم ذره فرضي وا حد واسط بين جرم ذرات شناخته شده سبك الكترون و نوكلئون هاي سنگين بود در سال1947 ميلادي يعني دوازده سال بعد يك فيزيكدان انگليسي به نام سسيل پاول با مطالعه پرتو هاي كيهاني اين مزون را كه به پيون معروف است كشف نمود. برد اين ذره را مي توان به طرز جالبي با استفاده از اصل عدم قطعيت در انرژي بدست آورد بر اساس اصل عدم قطعيت ، يك ذره مجازي تا زماني كه t بزرگتر از آنچه كه اين اصل مجاز مي شمارد نباشد مي تواند بوجود آيد و براي مدت زمان t دوام داشته باشد انطباق جالب برد ذره مزون P بدست آمده از محاسبات يوكاوا با نتايج حاصل از رابطه عدم قطيعت در انرژي گواهي بر تاييد تجربي اين اصل مي‌باشد.

پيامدهاي فيزيك كوانتومي

هر نظريه جديد خواه ناخواه با خود يكسري نگرشهاي جديد نسبت به عالم به ارمغان مياورد چنانچه نسبيت جهان كوچك ما ر ا وسعت بخشيد وافق محدود عالم ما را تا ميلياردها سال نوري گسترش داد سكون را از عالم ما گرفت و براي خلقت آن، نقطه آغاز متصور گرديد زمان مطلق را كه ا ز ازل تايم شده بود و قرار بود تا ابد تيك تاك كند را درهم شكست و سرعت‌ها را كه فيزيك كلاسيك رها كرده بود سامان داد و درچارچوب سرعت نور مهار كرد فيزيك كوانتومي نيز با خود همانند نظريه نسبيت ديدگاههاي جديدي نسبت به عالم نه با مقياس نسبيت بلكه در مقياس بسيار كوچكتر (اتمي و زير اتمي) ارائه نمود .ما كه از دنياي كلان با فيزيك كلاسيك و نسبيت آگاهي رضايت بخشي كسب نموديم تا قبل از پيدايش مكانيك كوانتومي تنها الكترون و هسته را مي‌شناختيم آن هم در حد يك شناخت سطحي ويكسري روابط دست وپا شكسته كه اوج آنها روابطي بود كه بوهر فيزيكدان دانماركي با زيركي از تلفيق فيزيك كلاسيك با اصول موضوعه خود به آنها دست يافت گرچه اين روابط طيف حاصل از اتم هيدروژن را به خوبي توجيه مي‌كرد ولي عملا براي ساير اتم‌هاي سنگين‌تر ناكارآمد وبي‌استفاده بود.فيزيك كوانتومي با پيدايش خود سه بمب اتم بر سرعالم فرو ريخت دوتاي آنهادر ژاپن و سومي بر تفكر فلسفي فيزيكدانان .براي فيزيكداناني كه صدها سال با جبر نيوتني يا اصل عليت خوگرفته بودند و وقوع هر معلولي را به يك علت خاص ربط مي‌دانند بسيار بغرنج بود كه دست از اين تفكر بردارند چرا كه اين تفكر بخوبي با وقايع دنيايي قابل مشاهده منطق بود.گردش زمين تنها معمول نيروي گرانشي است كه خورشيد برآن وارد مي‌كند، انحراف نور ستارگان دور دست از يك مسير مستقيم، تنها معلول انحناي فضا – زمان است. پديده تداخل معلول رفتار موجي نور مي‌باشد و دامنه اين تفكر جبري به جائي رسيد كه لاپلاس رياضيدان فرانسوي بيان نمود
كه حالت جهان معلول گذشته آن و علت آ‌ينده آن است. اين تفكر به ما مي‌گويد كه با آگاهي از موقعيت كنوني زمين و خورشيد نسبت بهم و سرعت چرخش زمين بدور خورشيد مي‌توان كسوف‌هاي آينده را دقيقا مشخص نمود حركت سيارات وحتي ستارگان دنباله دار را با دقت فوق العاده تعيين كرد. بنابراين همه چيز از جبر نيوتني يا اصل موجبيت يا عليت پيروي مي كرد ولي به يكباره پيدايش فيزيك كوانتومي با اصل عدم قطعيتش همه چيز را بهم ريخت وسايه ترديد و احتمال را بر دنياي زير اتمي مسلط ساخت.غير قابل پيش بيني بودن برخي از وقايع – تاثير روش هاي اندازه‌گيري بر روي سيستمهاي مورد آزمايش- ناتواني مطلق دراندازه گيري همزمان متغيرها‌ي مكمل(چون تكانه و مكان ذرات يا خاصيت موجي و ذره‌اي فوتون) از جمله پيامدهاي فيزيك كوانتومي بود. اين فيزيك جديد به ما مي‌‌گويد نمي‌توان با قطعيت مسير يك ذره‌اي را بادانستن تمامي حالات كنونيش پيش‌بيني كرد، ما هرگز نمي‌توانيم بفهميم در پديده تداخل الكترون مورد نظر ما از كدام يك از دو شكاف دستگاه عبور كرده است.فيزيك كوانتومي همانند فيزيك كلاسيك و نسبيت اين اجازه را به ما نمي‌دهد كه با دانستن حالت كنوني يك سيستم با قطعيت از آينده آن صحبت كنيم.همه جا صحبت ازميانگين‌ها و احتمال هاست و همين موضوع بود كه اينشتين را وادار به بيان اين جمله كرد : خدا هرگز تاس نمي‌اندازد ولي آيا طبيعت به راستي فرمانبردار مطلق خداست؟. آيا يك اتم اورانيوم هنگامي متلاشي مي‌شود كه از خدا فرمان بگيرد؟ و يا يك فوتون هنگام رسيدن به سر دو راهي شكاف‌ها منتظر فرمان خدا مي‌ايستد كه از كدام يك از شكاف‌ها بگذرد و بهمين خاطر ما قادر به تعيين محل آن نيستيم؟ يا اينكه طبيعت بعد از ساخته شدن توسط خدا رها شده است كه ذرات آن هر گونه كه دلشان بخواهند رفتار كنند اين تفكر كه نمي‌توان با قطعيت از رفتار آينده يك سيستم صحبت كرد و اين اندازه‌گيري‌ها است كه به پديده‌ها رنگ واقعيت مي‌بخشد به تفكر كپنها گيCopenhagen interpretation معروف است كه بوهر سردمدار آن بود.اين تعبير از جهان اطراف ما به ما مي‌گويد كه تصور مكان و تكانه مشخص براي يك ذره همانند الكترون تا موقعيكه اندازه‌گيري نشده‌اند بي معناست در اين اندازه گيري شي و دستگاه اندازهگيري توامان نتايج حاصل از اندازه‌‌گيري را مشخص مي‌كنند. ولي آيا مي‌توان پذيرفت كه فرآيند اندازه‌گيري مي‌تواند روي جهان تاثير بگذارد آيا شليك يك گلوله تا موقعي كه گوشي صداي آن را نشنيده است(به عنوان دستگاه اندازه گيري) داراي صدا است آيا يك الكترون داراي بارالكتريكي است يا اينكه اين دستگاه اندازه‌گيري است كه براي الكترون باري مشخص در نظر مي‌گيرد. كوانتوم فرآيند اندازه گيري را مختل كننده و تاثيرگذار فرض مي‌كند تا جائيكه بوهر باني تفكر كپنهاگي بيان مي‌دارد كه خواصي مانند ماهيت موجي يا ذره‌اي يك فوتون يا الكترون يا بار الكتريكي ، تكانه ، محل و سرعت يك ذره، تا هنگامي كه اندازه‌گيري نشده‌اند وجود ندارد يا غير واقعي هستند به عبارت كلي تر يك سيستم كوانتومي فاقد خواص است .اينشتين به واقعيت عيني معتقد بود، اينكه جهان فيزيكي مستقل از هر نوع فرآيند اندازه‌گيري است، و به اين موضوع ايمان راسخ داشت. به عبارتي او تاثير گذاري فرآيند اندازه گيري را بر پديده‌هاي فيزيكي مردود مي‌دانست و معتقد بود كه ذرات زير اتمي داراي وجودي مستقل از اندازه‌گيري هستند براستي آيا فيزيك كوانتوم آن گونه كه اينشتين اعتقاد داشت ناقص است؟ ولي نتايج تمام آزمايشات به خوبي با محاسبات فيزيك كوانتومي مطابقت دارند گرچه فيزيك كوانتومي از پيش بيني رفتار يك فوتون يا يك هسته اتم راديواكتيو به تنهايي عاجز است ولي به خوبي رفتار گروهي اين ذرات را پيش بيني مي‌كند. فيزيك كوانتومي نه تنها قادر به توصيف رفتار ذرات زير اتمي است بلكه با تعميم آن مي‌‌توان رفتار اجرام ماكروسكوپي همانند يك توپ تنيس يا يك جسم قابل مشاهده ديگر را تعيين نمود و همين عامل موجب شده است تا فيزيكي كوانتومي را يك نظريه بنيادي كه رفتار جهان را توصيف مي كند در نظر بگيريم همانند فيزيك كلاسيك و نسبيت.
پيامدهاي فلسفي اين علم جديد را مي‌توان به گردن بوهر انداخت. بوهر به جاي تكميل و رفع نواقص آن كه از ديد اينشتين و حاميان او( EPR paradox )مطرح مي‌گرديد با قاطعيت شروع به دفاع فلسفي از اين ايده جديد نمود او پديده تكميل يا اصل مكمليت( Principle of Complementarity) را كه مبتني بر اصل عدم قطعيت‌هايزنبرگ بود را براي تاثير اندازه گيري بر سيستم كوانتومي مطرح كرد. بر اساس اين اصل، اندازه گيري خاصيتي از يك سيستم است و درهنگام اندازه گيري يك خاصيت از يك سيستم اطلاعات مادر مورد ساير خاص آن سيستم از بين مي‌رود مثلا اگر بنا باشد خاصيت موجي نور را اندازه گيري كنيم
اطلاعات ما در مورد خاصيت ذره اي آن به كلي از ميان مي رود. همچنين در تعبير كپنهاگي واقعيت تا هنگامي كه اندازه‌گيري نشود وجود ندارد بر همين اساس تصور بار و تكانه و… براي يك الكترون تا هنگاميكه اين كميت‌ها اندازه‌گيري نشوند بي‌معنا خواهد بود.

بورقهرمان وارد مي شود

در سپتامر1927 بور،پس از ماهها تلاش براي بيان فصيح عقايدش درباۀ همه مفاهيم كوانتومي،در كومو، سخنراني اي براي بهترين فيزيكدانان اروپا به دور از چشم انيشتن ايراد كرد و بور جزئيات اصل مكمليت خود را براي اولين بار بيان كرد.

در اواخراكتبر1927،تنها چند هفته پس از نشست كومو،بور،براي كنفرانس تاريخي سولوي، به هتل متروپل بروكسل وارد شد. انيشتن به دنبال نظريه اي بود كه خود چيزها را توصيف كند نه احتمال وقوع آنها را با اين همه بور اطمينان داشت كه اينشتن تعبير او را كه متكي به آزمايش بود، قبول خواهد كرد.اين روشي بود كه خود انيشتن براي اثبات نسبيت خاص كه عقل سليم را به چالش مي طلبيد استفاده كرده بود.
انيشتن به بور مي گويد: من نظريه احتمالات را دوست ندارم وبراين باورم راهي كه به وسيله بورن، هايزنبرگ و شما دنبال مي شود اگر اغراق نباشد راهي موقتي است كه براي ارزيابي مقادير اكتشافي به كار مي آيد.
انيشتن هر بار با طرح آزمايشات فكري استادانه اي مي كوشيد كه قانون هايزنبرگ را نقض كند، اما هر باربور درطرح اينشتن نقطه ضعفي مي يافت و استعدلال او را رد مي كرد.
جعبه نور انيشتن
سه سال بعد،در نشست سولوي بحث هاي بسيار مهمي رخ داد. اينشتن تصور مي كرد كه سرانجام موردي را يافته است كه در آن اصل عدم قطعيت نقض مي شود. او جعبۀ نوري را توصيف مي كرد كه مي گفت در آن هم انرژي يك فوتون منفرد و هم زمان گسيل آن دقيقآ قابل تعيين است. زمان و انرژي صفت ديگري از متغيرهايي هستند كه اصل عدم قطعيت تبعيت مي كنند.
انيشتن مي گويد: ابتدا مي توان جعبه را وزن كرد، سپس يك فوتون مي تواند در لحظه مشخصي از درون يك پنجره، به وسيله ساعتي كه در درون جعبه عمل مي كند، آزاد شود.سپس براي دانستن جرم مي توان جعبه را بار ديگر وزن كرد. انرژي فوتون را از رابطه من،[1]
محاسبه كرد.
بنابراين تغيير انرژي به همراه زمان دقيق گسيل فوتون دانسته مي شود. و اين پايان اصل عدم قطعيت شماست!
آيا بور گير افتاده بود؟از قرار معلوم قبل از پيدا كردن پاسخ نهايي او همۀ شب را بيدار ماند تا چيزي را كه در اين آزمايش نادرست بود بيابد، صبح روز بعد او طرحي از جعبه انيشتن تهيه كرد. سپس اين بور بود كه با رد استدلال جعبه نور، انيشتن را متاسف كرد.
بور در اين باره مي گويد: هنگامي كه فوتون آزاد مي شود يك عقب نشيني باعث عدم قطعيت در مكان ساعت در ميدان جاذبه زمين مي شود. اين به اقتضاي نظزيه نسبيت عمومي انيشتن يك عدم قطعيت متناظر در ثبت زمان ايجاد مي كند. قبول داريد يا نه !
استاد نظريه خود را فراموش كرده، اما بور از آن براي محاسبه عدم قطعيتي كه رابطه هايزنبرگ پيش بيني مي كرد، استفاده كرد.

پارادوكسEPR

اما آيا انيشتن تسليم شد؟
پنج سال بعد،هنگام قدرت گرفتن هيتلر ،انيشتن به همراه دو همكار جوان خود به نامهاي (بوريس پودولسكي) و (ناتان روزن) چالش ديگري را براي بور به وجود آوردند كه اين بار بر اساس اصل عدم قطعيت نبود ، وانيشتن به احترام همكارانش آن را به عنوان پارادوكسEPR مطرح كرد.
پودولسكي مي گويد:به دست آوردن يك جفت ذره ،مثلا الكترون در وضعيت به اصطلاح تك حالت كه اسپين آنها يكديگر را خنثي مي كند و اسپين صفر به دست مي دهد، امكان خواهد داشت. بيايد فرض كنيم اين دو ذرهAوB از يكديگر دور شوند، بعد از اينكه اسپين Aدر يك جهت اندازه گيري شد و در حالت بالا يافته شد...
از آنجا كه دو اسپين بايد همديگر را به صفر خنثي كنند. در نتيجه ذره B بايد در همان جهت اسپين پائين داشته باشد. در فيزيك كلاسيك اين به هيچ وجه مسئله اي نيست. شخص نتيجه مي گيرد كه ذرهB از لحظه جدايي هميشه اسپين پائين داشته است.

اصل موضعيت

ناتان روزن مي گويد:به هر حال طبق CHI ، اسپين A تا قبل از اينكه اندازه گيري شود، مقدار معيني ندارد. در اين لحظه يك اثر آنيB باعث كاهش تابع موج اسپين به حالت وارونه مي شود. اين وضعيت باور نكردني مستلزم كنش از دور يا انتقال با سرعت بيش از سرعت نور است، كه هر دو غير قابل قبولند.
انيشتن و همكارانش متقاعد شده بودند كه وجود متغييرهاي پنهاني را اثبات كرده اند كه نظريه كوانتوم آنها را ناديده گرفته است. و بنابراين نشان دادن كه اين نظريه كامل نيست. موضوع مهم براي انيشتن مسئله جدايي، يعني اصل موضعيت بود.
انيشتن معتقد است كه اگر دو سيستم در زماني از يكديگر مجزا باشند، اندازه گيري اولي نمي تواند تغييرات واقعي بر روي دومي ايجاد كند. نسبيت خاص مرا فراموش نكنيد. هيچ چيز سريعتر از نور حركت نمي كند.

بور و غير موضعيت

بور گفت جدايي يا موضعيت مجاز نيست، او بلا فاصله به انيشتن و جهانيان آنچه را كه CHI مدعي آن بود ياد آوري كرد. مكانيك كوانتوم جدايي بين مشاهده گر و مشاهده شونده را اجازه نمي دهد. هر دو الكترون و مشاهده گر اجزاي يك سيستم هستند. آزمايش EPR نا كامل بودن نظريه كوانتوم را ثابت نمي كند بلكه ساده انگاري فرض موضعيت را در يك سيستم كوانتومي اثبات مي كند.



نقل از :تاریخ و فلسفه علم (http://pnu-club.com/redirector.php?url=http%3A%2F%2Fhosc.blogfa.com)