روابط بین اشیا در جهان اتمی

اوایل قرن بیستم مصادف با دو انقلاب بزرگ در نظریه های فیزیكی بود, یعنی مكانیك نسبیت و مكانیك كوانتوم با شروع قرن بیستم مشخص شد كه فیزیك كلاسیك نیوتنی و ماكسولی قادر به پاسخگویی به مشكلاتی كه در بررسی اشیا و با اندازه های اتمی رخ می دهد نیست

اوایل قرن بیستم مصادف با دو انقلاب بزرگ در نظریه های فیزیكی بود، یعنی مكانیك نسبیت و مكانیك كوانتوم. با شروع قرن بیستم مشخص شد كه فیزیك كلاسیك نیوتنی و ماكسولی قادر به پاسخگویی به مشكلاتی كه در بررسی اشیا و با اندازه های اتمی رخ می دهد نیست. اما تا دهه ۱۹۲۰ هیچ نظریه ای قادر نبود به خوبی مسائل حوزه اتمی را تبیین كند. در سال ،۱۹۲۷ «هایزنبرگ» تلاش كرد حالت و تكانه یك الكترون را محاسبه كند. «هایزنبرگ» نشان داد انجام آزمایشی كه با آن بتوان حالت و تكانه یك الكترون را محاسبه كرد نامیسر است. از طرف دیگر هر محاسبه ای كه انجام دهیم، به سبب اختلافی كه ابزار محاسبه گر به وجود می آورد، تقریبی خواهد بود. او استدلال كرد نه تنها عملاً محاسبه كردن امكان پذیر نیست، بلكه به لحاظ نظری نیز انجام محاسبه به طور دقیق نامیسر است. اما قبل از هایزنبرگ دانشمندان دیگری در رشد و تكامل نظریه او سهیم بودند. یكی از این دانشمندان «ماكس پلانك» بود. پژوهش های وی در خصوص تابش جسم سیاه (جسمی كه همه پرتوهای تابیده شده را جذب می كند) نشان داد كه تابش انرژی به صورت جریانی متصل گسیل نشده بلكه گسیل آن در بسته های جداگانه موسوم به «كوانتوا» است (quanta). او با این كشف توانست معادله ای را كه در جست وجوی آن بود صورت بندی كند یعنی hV = E كه «V» بسامد نور و «h» ثابت پلانك است كه عددی بسیار كوچك است و پیوسته در فرمول های فیزیك قرن بیستم تكرار می شود.

اینشتین نیز در نظریه نسبیتش كار پلانك را مبنا قرار داد و تبیین نور بر حسب كوانتوم ها را یكی از اصول موضوعه بنیادی نظریه اش قرار داد. او با كشف اثر «فتوالكتریك» به رشد نظریه كوانتوم یاری رساند. اینشتین پی برد كه نور مركب از ذراتی به نام «فوتون» است. هنگامی كه جریانی از فوتون ها گسیل می شوند تا به یك صفحه فلزی برخورد كنند الكترون هایی كه صفحه فلزی از آنها ساخته شده است كنده شده و آزاد می شوند. در سال ۱۹۲۵ نیز «دوبروی» اعلام داشت الكترون ها ذره نیستند بلكه منظومه هایی از امواج اند. «شرودینگر» این نظریه را گسترش داد و اعلام كرد نه فقط الكترون ها، بلكه فوتون ها، اتم ها و تمام مولكول ها را می توان به منزله امواج دانست. «هایزنبرگ» در این سال ها وارد صحنه می شود. وی نشان داد با توجه به نوع معادله ای كه استفاده می شود فیزیكدان ها می توانند كوانتوم های نور را ذرات یا امواج محسوب كنند. او در تلاش هایش برای تعیین حالت و تكانه یك الكترون به این نتیجه رسید كه دشواری ای كه در چنین محاسبه ای وجود دارد این است كه الكترون كوچك تر از یك موج نوری است. چون برای مشاهده الكترون باید از میكروسكوپ استفاده كرد و هنگام استفاده از میكروسكوپ از یك چشمه نور هم استفاده خواهیم كرد. چون بنابر اثر فوتوالكتریك اینشتین، فوتون های نور در حالت الكترون ها اختلال ایجاد می كند در نتیجه در محاسبه حالت و تكانه یك الكترون با دو مشكل روبه روییم:

اول آنكه از هر نوری استفاده كنیم در حالت الكترون اختلال ایجاد می شود و اگر از پرتوهای گامای رادیوم استفاده كنیم چون آنها هم بسامد بالا دارند و هم موج هایی با طول موج های كوتاه تر از نور، در نتیجه در حالت الكترون اختلال ایجاد می كنند. به این ترتیب محاسبه حالت و تكانه الكترون عملاً و نظراً غیرممكن است. این نظریه كوانتوم جدید به سرعت در حوزه عمل نیز موفقیت خود را ثابت كرد هم در شرح پدیده هایی مانند پایداری اتم ها و هم در پیش بینی جزئیات كمی مانند طول موج و شدت نوری كه اتم ها در هنگام تحریك گسیل می كنند. در مكانیك كلاسیك نیوتنی، حالت یك سیستم در یك زمان خاص كاملاً با داشتن مكان و تكانه هر یك از اجزای سازنده آن، مشخص می شود. در نظریه مكانیك كلاسیك، معادلات حركت می توانند تغییر حالت سیستم را مشخص كنند. لااقل در مورد سیستم منزوی ساده حل این معادلات حالت سیستم را در همه زمان های بعدی مشخص می كنند. با توجه به حالت اولیه و نیروهای عمل كننده بر آن، مكانیك كلاسیك نظریه موجبیتی است. رفتار زمان های آینده سیستم منحصراً به وسیله حالت فعلی تعیین می شود. در این حالت یك مشاهده ایده آل حالت سیستم نه تنها موقعیت و تكانه دقیق هر یك از اجزای سازنده آن را در یك زمان خاص تعیین می كند بلكه پیش بینی حالت آینده دقیق آن را نیز ممكن می سازد. اگرچه مكانیك كوانتوم از همان كمیت های دینامیكی استفاده می كند با این حال برای سیستمی كه در مورد آن اعمال می شود (مانند الكترون) حالتی را كه در آن همه كمیت ها مقدار دقیقی داشته باشند مشخص نمی كند. در عوض حالت یك سیستم منزوی به وسیله یك مفهوم ریاضی انتزاعی نشان داده می شود. به طور نمونه یك تابع موج یا به طور كلی تر یك بردار حالت (برداری كه از یك nتایی تشكیل شده است كه تعدادی ورودی و تعدادی خروجی دارد). این بردار فقط نشان می دهد كه یك اندازه گیری از هر كمیت دینامیكی سیستم با چه احتمالی، مقداری مشخص را پیدا می كند و هیچ یك از این احتمالات نمی تواند معادل با یك یا صفر باشد. به علاوه هیچ تلاشی برای تعیین حالت اولیه سیستم از طریق اندازه گیری كمیت های دینامیكی نمی تواند اطلاعاتی بیش از آنچه یك بردار حالت به ما می دهد فراهم كند. به طور كلی هیچ اندازه گیری یا حتی تعیین نظری حالت فعلی سیستم نمی تواند در چارچوب نظری مقادیری را كه در اندازه گیری های یك كمیت دلخواه دینامیك در زمان های بعدی مشاهد می شوند، تعیین كند.

در این معنا، نظریه مكانیك كوانتوم «غیرموجبیت گرایانه» است. مكانیك كوانتوم در دهه ۱۹۲۰ بحث های داغی را میان فیزیكدانان ایجاد كرد كه در نهایت به «تفسیر كپنهاگی» انجامید. تفسیر كپنهاگی به صورت كلی بیان می كند كه كامل ترین توصیف یك سیستم در یك زمان معین تنها از نظر احتمالاتی پیش بینی رفتار آتی آن را ممكن می سازد. این تفسیر كپنهاگی اشاره بر این دارد كه جهان غیرموجبیتی است. آیا این سخن به معنای نفی علیت است؟ علیت واژه مبهمی است. اگر علیت به این معناست كه پدیده های تكرارپذیر قوانین طبیعی را تایید می كنند پس مكانیك كوانتوم نفی علیت نیست حتی اگر این نظریه دلالت بر این داشته باشد كه جهان نهایتاً غیرموجبیتی است. اگر علیت معادل با موجبیت (نظریه ای موجبیت گرایانه است كه آگاهی معین درباره رویدادهایی معین در زمان و مكان خاصی بدهد) است، پس علیت در چنین جهانی ناتوان است. اما آیا علیت می تواند در یك جهان غیرموجبیتی وجود داشته باشد؟ این سئوال و سئوالاتی مشابه بحث های دقیق فلسفی را ایجاد كرده است كه تا به امروز محل نزاع فیلسوفان است.

فلسفه علم _ نیكلاس كاپالدی. ترجمه علی حقی. ۱۳۷۷.

احمدرضا همتی مقدم