کوانتوم، جادوی بی‌‌‌انتهای علم
به بهانه 14 آوریل، روز جهانی کوانتوم، سفری به شگفت‌انگیزترین قوانین علمی فیزیک کوانتوم داریم که با واقعیت‌‌‌های روزمره زندگی در تضاد جدی هستندنویسنده: سید مصطفی صابری | روزنامه‌نگار
مترجم:
تا به حال به این فکر کرده‌اید که چرا بعضی از قوانین علمی این‌قدر عجیب به نظر می‌رسند که حتی نوابغی مثل انیشتین هم زمانی آن‌ها را «غیرقابل باور» می‌دانستند؟ ما با دانستن سرعت و جرم یک جسم میتوانیم مکان آن را پیش‌‌‌بینی کنیم؛ اما تصور این‌‌‌که یک ذره میتواند در دو نقطه باشد یا به‌‌‌جای حالتی که در کتاب‌‌‌های درسی برای ما توصیف شده به شکل طول موج باشد بسیار مشکل است؛ اساساً فیزیک در مقیاس کوانتومی شگفت‌‌‌انگیز است به‌‌‌طور مثال درهم تنیدگی کوانتومی باعث میشود با تغییر حالت یک ذره، دیگری در هر جایی از کیهان که باشد تغییر وضعیت بدهد. روز ۱۴ آوریل به‌عنوان روز جهانی کوانتوم انتخاب شده است تا اهمیت علم کوانتوم و فناوری‌های مرتبط با آن برجسته شود. علت انتخاب این تاریخ به دلیل ارتباط آن با عدد 4/14 است که به صورت 4.14 تقریباً به عدد ثابت پلانک (6.626 x 10^34) اشاره دارد. ثابتی که اساس مکانیک کوانتومی را تشکیل می‌دهد و بر نقش کوانتوم انرژی و خواص ذرات بنیادین تاکید دارد. هرچند ممکن است مکانیک کوانتومی برای بسیاری مفهومی انتزاعی و پیچیده به نظر برسد، اما تاثیر آن در زندگی ما بسیار ملموس است. فناوری‌هایی مثل لیزر، تلفن‌های هوشمند، تصویربرداری پزشکی و اخیراً اشکال جدید اینترنت و رمزنگاری همگی بر اساس اصول مکانیک کوانتومی توسعه یافته‌اند. به‌‌‌رغم این دستاوردهای ملموس در زندگی روزمره ما، دنیای کوانتوم پر است از شگفتی‌ها. چیزهایی که گاهی چنان عجیب‌اند که یادآور داستان‌های تخیلی می‌شوند، اما حقیقت دارند؛ واقعیت‌هایی که فهم ما از جهان را به شکل اساسی تغییر داده و پایه بسیاری از فناوری‌های امروزی هستند. در پرونده امروز به بهانه روزجهانی کوانتوم شما را به سفری کوتاه اما هیجان‌انگیز در دنیای علم ببریم؛ جایی که قوانین طبیعت، از تجربه‌های روزمره فراتر می‌روند و گاهی حتی تمام باور ما به جهان را زیر سؤال می‌برند. آماده شگفت زده شدن هستید؟
1. اصل برهم‌نهی کوانتومی| همزمان در دو نقطه
در دنیای کوانتوم، ذرات می‌توانند به لحاظ احتمالات همزمان در چندین حالت مختلف باشند. به این پدیده «اصل برهم‌نهی» گفته میشود. یعنی یک ذره (مثلاً الکترون) میتواند همزمان در دو مکان مختلف باشد، یا همزمان دو ویژگی مختلف (مثل انرژی بالا و پایین) داشته باشد. برای درک بهتر موضوع فرض کنید یک الکترون در اتاقی وجود دارد. در فیزیک کلاسیک، این الکترون یا در طرف چپ اتاق است یا در طرف راست. اما در دنیای کوانتوم، الکترون میتواند به صورت «برهم‌نهی» همزمان در هر دو طرف باشد. تنها در لحظه‌ای که شما «آن را اندازه می‌گیرید». مشخص میشود که الکترون دقیقاً کجاست. البته تجربه ما از دنیای عادی به ما میگوید که یک جسم نمی‌تواند همزمان در دو مکان باشد. مثلاً وقتی لیوانی روی میز است، نمی‌تواند روی زمین هم باشد! اما در دنیای کوانتومی، این کاملاً طبیعی است!
2. درهم‌تنیدگی کوانتومی| نادیده گرفتن فاصله
وقتی ذرات به حالت "درهم‌تنیده" درمی‌آیند، هر تغییری در یکی از آن‌ها بلافاصله روی دیگری اثر می‌گذارد، حتی اگر فاصله بین دو ذره به‌اندازه سال‌های نوری باشد! ماجرا پیچیده شد، حق دارید، فرض کنید دو فوتون (ذرات نور) به گونه‌ای تولید شوند که ویژگی‌هایشان به هم گره بخورد. برای مثال، اگر یکی از آن‌ها «چرخش بالا» داشته باشد، دیگری «چرخش پایین» خواهد داشت. حالا اگر یکی از فوتون‌ها را اندازه‌گیری کنید و ویژگی‌اش را تغییر دهید، فوتون دوم فوراً ویژگی متناظرش را تغییر خواهد داد، حتی اگر میلیاردها کیلومتر دورتر باشد. اما جنبه عجیب این موضوع این است که ما برای انتقال اطلاعات معمولاً نیاز به زمان داریم. مثلاً اگر بخواهیم پیامی به کسی در طرف دیگر دنیا بفرستید، مدتی طول می‌کشد (حتی اگر این زمان بسیار کوتاه باشد). اما درهم‌تنیدگی هیچ زمانی نمی‌خواهد؛ تغییر در یکی، آنی در دیگری بازتاب می‌یابد. البته این تغییر حالت، در واقع بستگی به رابطه ذاتی ذرات دارد و به معنای انتقال اطلاعات بین دو نقطه نیست. انیشتین این پدیده را «عمل شبح‌وار در فاصله» نامید. برای درک بهتر موضوع تصور کنید دو سکه داریم؛ یکی نزد شما و دیگری در قطب جنوب! اگر یکی از سکه‌ها را بچرخانید و به حالت خاصی مثل «شیر» برسد، سکه دیگر هم فوری خود را با شما وفق می‌دهد و «خط» میشود، بدون هیچ پیامی بین آن‌ها!
3. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ| قطعیتی در مکان و سرعت نیست!
طبق این اصل نمی‌توانید مکان و سرعت یک ذره را به طور همزمان با دقت کامل اندازه‌گیری کنید. این اصل میگوید وقتی سعی کنید مکان یک ذره زیر اتمی (مثل الکترون) را بسیار دقیق پیدا کنید، اطلاعاتی که درباره سرعت آن به دست می‌آورید، دچار اختلال و عدم قطعیت میشود. یعنی هر چه مکان دقیق‌تر باشد، سرعت (تکانه) غیردقیق‌تر است و برعکس. اما در زندگی روزمره ما میتوانیم هم مکان یک جسم را بدانیم و هم سرعت آن. اما در دنیای کوانتوم این غیرممکن است. برای درک ماجرا فرض کنید بخواهید هم جای دقیق یک پرنده روی شاخه را مشخص کنید و هم بدانید دقیقاً از چه سمتی می‌خواهد پرواز کند؛ وقتی به یکی از این دو تمرکز کنید، دیگری از دست می‌رود! جالب نیست؟
4. تونلزنی کوانتومی| عبور از موانع!
خب آماده یک غافلگیری دیگر هستید؟ تونلزنی کوانتومی میگوید ذرات می‌توانند از میان موانعی عبور کنند؛ چیزی که که در زندگی معمولی فقط برای دیوید کاپرفیلد و همکاران شعبده‌‌‌بازش ممکن است. اما این اتفاق چطور ممکن است؟ ذرات زیراتمی، برخلاف چیزهایی که در دنیای روزمره می‌بینیم، گاهی به جای برخورد با مانع، از درون آن عبور می‌کنند! کلمه «تونلزنی» به همین دلیل است؛ ذره با ساختن تونل کوانتومی، خودش را به طرف دیگر می‌برد. تصور کنید که بخواهید از دیوار عبور کنید! این غیرممکن است، چون انرژی کافی برای شکستن مولکول‌های دیوار ندارید. اما در مقیاس کوانتومی، ذرات این کار را بدون نیاز به انرژی کافی انجام می‌دهند. یک مثال ملموس از این موضوع خورشید در حال سوختن است. اگر قانون تونلزنی نبود، همجوشی هسته‌ای در خورشید هیچ‌گاه رخ نمی‌داد!
5. گربه شرودینگر| عجیبترین گربه جهان!
خب این یکی خیلی معروف است؛ گربه‌ای داخل جعبه‌ای قرار دارد که وضعیتش وابسته به یک فرآیند کوانتومی است. این گربه میتواند همزمان هم زنده و هم مرده باشد (!) تا وقتی که شما به داخل جعبه نگاه کنید. چه‌‌‌طور؟ در فرآیندهای کوانتومی، چیزی که اندازه‌گیری نشده باشد، نتیجه مشخصی ندارد. این آزمایش ذهنی به این شکل بود: دستگاهی که سم را آزاد می‌کند به یک ذره کوانتومی حساس است؛ اگر ذره رفتار خاصی کند، سم آزاد شده و گربه می‌میرد، و اگر نه، گربه زنده می‌ماند. چون وضعیت ذره مشخص نیست، گربه هم در وضعیت زنده/ مرده باقی می‌ماند! هرچند
در زندگی عادی، چیزی یا زنده است یا نیست. ما گربه‌ای را نمی‌توانیم زنده و مرده در نظر بگیریم.
6. اصل دوگانگی موج/ ذره| بالاخره موجی یا ذره؟
سال‌‌‌ها در فیزیک و شیمی مدرسه خواندیم که ذرات بنیادی، مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها (ذرات نور) رفتار ذرهای دارند و تصور عمومی‌‌‌مان هم یک دایره فسقلی بود؛ درحالی‌‌‌که برخلاف چیزی که یاد گرفتیم ذرات بنیادی می‌توانند در ماهیت رفتارشان به طور همزمان ویژگی «ذرهای» و «موجی» داشته باشند. به بیان ساده‌تر، گاهی مثل یک جسم کوچک رفتار می‌کنند و گاهی مثل یک موج گسترده‌شده. خب چه‌‌‌طور میشود؟ فرض کنید یک فوتون از میان دو شکاف عبور کند. اگر شما به آن نگاه نکنید، مثل یک موج رفتار می‌کند و در دو شکاف به طور همزمان حضور دارد؛ اما به محض این‌‌‌که آن را اندازه‌گیری یا مشاهده کنید، ناگهان به شکل یک ذره کوچک ظاهر میشود که تنها از یک شکاف عبور کرده است. در دنیای عادی، اشیا یا موج هستند یا جسم، نه هر دو. مثلا نور در دنیای کلاسیک به عنوان یک موج شناخته میشود، اما در مکانیک کوانتومی میتواند مثل یک ذره مستقل رفتار کند. مثال ملموس از این موضوع آزمایش «دو شکاف» است که ویدئوهای جذابی درباره آن در فضای مجازی وجود دارد؛ آزمایشی که نشان می‌دهد که نور یا الکترون میتواند همزمان مثل موج و مثل ذره رفتار کند.
7. انرژی خلأ کوانتومی| خلأ خالی نیست!
اگر تا این‌‌‌جا آمدید و هنوز شگفت‌‌‌زده نشدید مطمئن باشید قرار نیست دست خالی بروید چون هنوز با انرژی خلأ کوانتومی آشنا نشدید که طبق آن حتی در خلأ کامل، جایی که هیچ ذرهای وجود ندارد، انرژی وجود دارد! این مفهوم به نام «انرژی نقطه صفر» شناخته میشود و ناشی از نوسان‌های کوانتومی است. ماجرا از این قرار است که در مکانیک کوانتومی، خلأ هیچ‌گاه کاملاً خالی نیست. ذرات مجازی به طور لحظه‌ای ظاهر و ناپدید می‌شوند، و این فرایند باعث تولید نوعی انرژی دایمی میشود که حتی در غیاب تمام ماده‌ها وجود دارد. طبیعتاً ما براساس تجربه زندگی روزمره‌‌‌مان خلأ را معمولاً به معنای «هیچ» تصور می‌کنیم؛ فضایی که در آن هیچ انرژی یا ماده‌ای وجود ندارد. اما فیزیک کوانتومی میگوید که مدل ذهنی ما غلط است و خلأ کاملاً خالی نیست! مثال معروف از این موضوع «اثر کازیمیر» است؛ جایی که دو صفحه فلزی بدون بار الکتریکی و در فاصله‌ای بسیار کوچک، به واسطه انرژی خلأ به سمت یکدیگر جذب می‌شوند، یکی از پیامدهای این اصل عجیب است.
8. زمان نسبی| گذشته و آینده کنار هم!
اشتباه نکنید، درحال خواندن یک داستان علمی تخیلی نیستید، واقعاً در فیزیک کوانتومی، زمان ممکن است کاملاً معنی متداول خود را از دست بدهد. حتی در محیط‌هایی مثل نزدیکی سیاهچالهها این عدم قطعیت بیشتر دیده میشود، به‌طوری‌که گذشته، حال و آینده می‌توانند حالت‌های عجیبی پیدا کنند. چه‌‌‌طور؟ در دنیای کوانتومی، زمان و فضا از یک پیوستار یکپارچه تشکیل شده‌اند. گاهی به دلیل چگالی فوق‌العاده انرژی یا گرانش، زمان با مفهومی غیرخطی رفتار می‌کند. این موضوع در فهم ما از قوانین نسبیت و مکانیک کوانتومی ترکیب شده است. درحالی‌‌‌که ما زمان را به صورت لحظه‌هایی ممتد می‌فهمیم؛ گذشته، حال و آینده در زندگی عادی دقیقاً مجزا هستند. اما فیزیک کوانتومی میگوید هیچ قطعیتی در تعریف زمان یا «توالی» وجود ندارد؛ حتی ممکن است بعضی نقاط گذشته و آینده همزمان وجود داشته باشند! در این زمینه یکی از عجیبترین پیش‌بینی‌هایی که در نظریه‌های کوانتوم و نسبیت دیده میشود، رفتار الکترون‌ها و ذرات زیر اتمی در نزدیکی سیاهچالهها است؛ جایی که زمان میتواند چندین مسیر مختلف داشته باشد.
9. جهان‌های موازی| بینهایت دنیا!
یکی از عجیبترین نظریه‌های مکانیک کوانتومی این است که با هر تصمیم یا اندازه‌گیری، جهان به چندین جهان موازی تقسیم میشود؛ در هر کدام یکی از نتایج ممکن رخ می‌دهد. این تفسیر میگوید که هر بار چیزی اندازه‌گیری شود (مثلاً برهم‌نهی یک ذره پایان یابد)، واقعیت به چندین نسخه مختلف تقسیم میشود. در نتیجه، ممکن است بینهایت جهان وجود داشته باشد که در هر کدام یک نسخه از شما زندگی می‌کند! این مفهوم که هنوز شواهد علمی کافی برای آن وجود ندارد کاملاً برخلاف تجربه زندگی معمول ماست چون ما جهان را یکپارچه و ثابت می‌بینیم، اما نظریه جهان‌های موازی میگوید راه‌حل‌های مختلف ممکن همه به صورت همزمان در جهان‌های متفاوت اتفاق افتاده‌اند. برای درک ماجرا فرض کنید در یک جهان شما سکه‌ای را پرتاب و شیر آورده‌اید؛ در جهان موازی دیگر، همان سکه به خط افتاده است و شما زندگی کاملاً متفاوتی کرده‌اید. فراموش نکنید این نظریه بیشتر یک «تفسیر نظری» است که بر اساس قوانین معین مکانیک کوانتوم (مثل اصل برهم‌نهی) شکل گرفته است.
10. اصل تحول احتمال| تله‌‌‌پورت ماده!
در دنیای کوانتوم، هیچ چیز قطعی نیست و همه چیز بر اساس «احتمال» رخ می‌دهد. فرض کنید یک الکترون در یک مسیر حرکت می‌کند. در مکانیک کوانتومی، نمی‌توان گفت دقیقاً این حرکت چگونه ادامه خواهد یافت، بلکه تنها می‌توان احتمال وقوع مسیرهای مختلف را بیان کرد. این موضوع حتی برای خواص ذرات هم صدق می‌کند. ما در دنیای معمولی، انتظار داریم بتوانیم مسیر دقیق یک ماشین، یا وضعیت وزنه روی ترازو را تعیین کنیم. اما در جهان کوانتوم، هیچ قطعیتی وجود ندارد، همه چیز غیردقیق و احتمالی است. فرض کنید یک توپ را روی میز هل دهید با اطمینان انتظار دارید یک خط مستقیم طی کند، اما در دنیای کوانتوم این توپ میتواند جابه‌جایی‌های غیرمنتظره داشته باشد و ناغافل از جای دیگری سر دربیاورد.
1. اصل برهم‌نهی کوانتومی| همزمان در دو نقطه
در دنیای کوانتوم، ذرات می‌توانند به لحاظ احتمالات همزمان در چندین حالت مختلف باشند. به این پدیده «اصل برهم‌نهی» گفته میشود. یعنی یک ذره (مثلاً الکترون) میتواند همزمان در دو مکان مختلف باشد، یا همزمان دو ویژگی مختلف (مثل انرژی بالا و پایین) داشته باشد. برای درک بهتر موضوع فرض کنید یک الکترون در اتاقی وجود دارد. در فیزیک کلاسیک، این الکترون یا در طرف چپ اتاق است یا در طرف راست. اما در دنیای کوانتوم، الکترون میتواند به صورت «برهم‌نهی» همزمان در هر دو طرف باشد. تنها در لحظه‌ای که شما «آن را اندازه می‌گیرید». مشخص میشود که الکترون دقیقاً کجاست. البته تجربه ما از دنیای عادی به ما میگوید که یک جسم نمی‌تواند همزمان در دو مکان باشد. مثلاً وقتی لیوانی روی میز است، نمی‌تواند روی زمین هم باشد! اما در دنیای کوانتومی، این کاملاً طبیعی است!
2. درهم‌تنیدگی کوانتومی| نادیده گرفتن فاصله
وقتی ذرات به حالت "درهم‌تنیده" درمی‌آیند، هر تغییری در یکی از آن‌ها بلافاصله روی دیگری اثر می‌گذارد، حتی اگر فاصله بین دو ذره به‌اندازه سال‌های نوری باشد! ماجرا پیچیده شد، حق دارید، فرض کنید دو فوتون (ذرات نور) به گونه‌ای تولید شوند که ویژگی‌هایشان به هم گره بخورد. برای مثال، اگر یکی از آن‌ها «چرخش بالا» داشته باشد، دیگری «چرخش پایین» خواهد داشت. حالا اگر یکی از فوتون‌ها را اندازه‌گیری کنید و ویژگی‌اش را تغییر دهید، فوتون دوم فوراً ویژگی متناظرش را تغییر خواهد داد، حتی اگر میلیاردها کیلومتر دورتر باشد. اما جنبه عجیب این موضوع این است که ما برای انتقال اطلاعات معمولاً نیاز به زمان داریم. مثلاً اگر بخواهیم پیامی به کسی در طرف دیگر دنیا بفرستید، مدتی طول می‌کشد (حتی اگر این زمان بسیار کوتاه باشد). اما درهم‌تنیدگی هیچ زمانی نمی‌خواهد؛ تغییر در یکی، آنی در دیگری بازتاب می‌یابد. البته این تغییر حالت، در واقع بستگی به رابطه ذاتی ذرات دارد و به معنای انتقال اطلاعات بین دو نقطه نیست. انیشتین این پدیده را «عمل شبح‌وار در فاصله» نامید. برای درک بهتر موضوع تصور کنید دو سکه داریم؛ یکی نزد شما و دیگری در قطب جنوب! اگر یکی از سکه‌ها را بچرخانید و به حالت خاصی مثل «شیر» برسد، سکه دیگر هم فوری خود را با شما وفق می‌دهد و «خط» میشود، بدون هیچ پیامی بین آن‌ها!
3. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ| قطعیتی در مکان و سرعت نیست!
طبق این اصل نمی‌توانید مکان و سرعت یک ذره را به طور همزمان با دقت کامل اندازه‌گیری کنید. این اصل میگوید وقتی سعی کنید مکان یک ذره زیر اتمی (مثل الکترون) را بسیار دقیق پیدا کنید، اطلاعاتی که درباره سرعت آن به دست می‌آورید، دچار اختلال و عدم قطعیت میشود. یعنی هر چه مکان دقیق‌تر باشد، سرعت (تکانه) غیردقیق‌تر است و برعکس. اما در زندگی روزمره ما میتوانیم هم مکان یک جسم را بدانیم و هم سرعت آن. اما در دنیای کوانتوم این غیرممکن است. برای درک ماجرا فرض کنید بخواهید هم جای دقیق یک پرنده روی شاخه را مشخص کنید و هم بدانید دقیقاً از چه سمتی می‌خواهد پرواز کند؛ وقتی به یکی از این دو تمرکز کنید، دیگری از دست می‌رود! جالب نیست؟
4. تونلزنی کوانتومی| عبور از موانع!
خب آماده یک غافلگیری دیگر هستید؟ تونلزنی کوانتومی میگوید ذرات می‌توانند از میان موانعی عبور کنند؛ چیزی که که در زندگی معمولی فقط برای دیوید کاپرفیلد و همکاران شعبده‌‌‌بازش ممکن است. اما این اتفاق چطور ممکن است؟ ذرات زیراتمی، برخلاف چیزهایی که در دنیای روزمره می‌بینیم، گاهی به جای برخورد با مانع، از درون آن عبور می‌کنند! کلمه «تونلزنی» به همین دلیل است؛ ذره با ساختن تونل کوانتومی، خودش را به طرف دیگر می‌برد. تصور کنید که بخواهید از دیوار عبور کنید! این غیرممکن است، چون انرژی کافی برای شکستن مولکول‌های دیوار ندارید. اما در مقیاس کوانتومی، ذرات این کار را بدون نیاز به انرژی کافی انجام می‌دهند. یک مثال ملموس از این موضوع خورشید در حال سوختن است. اگر قانون تونلزنی نبود، همجوشی هسته‌ای در خورشید هیچ‌گاه رخ نمی‌داد!
5. گربه شرودینگر| عجیبترین گربه جهان!
خب این یکی خیلی معروف است؛ گربه‌ای داخل جعبه‌ای قرار دارد که وضعیتش وابسته به یک فرآیند کوانتومی است. این گربه میتواند همزمان هم زنده و هم مرده باشد (!) تا وقتی که شما به داخل جعبه نگاه کنید. چه‌‌‌طور؟ در فرآیندهای کوانتومی، چیزی که اندازه‌گیری نشده باشد، نتیجه مشخصی ندارد. این آزمایش ذهنی به این شکل بود: دستگاهی که سم را آزاد می‌کند به یک ذره کوانتومی حساس است؛ اگر ذره رفتار خاصی کند، سم آزاد شده و گربه می‌میرد، و اگر نه، گربه زنده می‌ماند. چون وضعیت ذره مشخص نیست، گربه هم در وضعیت زنده/ مرده باقی می‌ماند! هرچند
در زندگی عادی، چیزی یا زنده است یا نیست. ما گربه‌ای را نمی‌توانیم زنده و مرده در نظر بگیریم.
6. اصل دوگانگی موج/ ذره| بالاخره موجی یا ذره؟
سال‌‌‌ها در فیزیک و شیمی مدرسه خواندیم که ذرات بنیادی، مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها (ذرات نور) رفتار ذرهای دارند و تصور عمومی‌‌‌مان هم یک دایره فسقلی بود؛ درحالی‌‌‌که برخلاف چیزی که یاد گرفتیم ذرات بنیادی می‌توانند در ماهیت رفتارشان به طور همزمان ویژگی «ذرهای» و «موجی» داشته باشند. به بیان ساده‌تر، گاهی مثل یک جسم کوچک رفتار می‌کنند و گاهی مثل یک موج گسترده‌شده. خب چه‌‌‌طور میشود؟ فرض کنید یک فوتون از میان دو شکاف عبور کند. اگر شما به آن نگاه نکنید، مثل یک موج رفتار می‌کند و در دو شکاف به طور همزمان حضور دارد؛ اما به محض این‌‌‌که آن را اندازه‌گیری یا مشاهده کنید، ناگهان به شکل یک ذره کوچک ظاهر میشود که تنها از یک شکاف عبور کرده است. در دنیای عادی، اشیا یا موج هستند یا جسم، نه هر دو. مثلا نور در دنیای کلاسیک به عنوان یک موج شناخته میشود، اما در مکانیک کوانتومی میتواند مثل یک ذره مستقل رفتار کند. مثال ملموس از این موضوع آزمایش «دو شکاف» است که ویدئوهای جذابی درباره آن در فضای مجازی وجود دارد؛ آزمایشی که نشان می‌دهد که نور یا الکترون میتواند همزمان مثل موج و مثل ذره رفتار کند.
7. انرژی خلأ کوانتومی| خلأ خالی نیست!
اگر تا این‌‌‌جا آمدید و هنوز شگفت‌‌‌زده نشدید مطمئن باشید قرار نیست دست خالی بروید چون هنوز با انرژی خلأ کوانتومی آشنا نشدید که طبق آن حتی در خلأ کامل، جایی که هیچ ذرهای وجود ندارد، انرژی وجود دارد! این مفهوم به نام «انرژی نقطه صفر» شناخته میشود و ناشی از نوسان‌های کوانتومی است. ماجرا از این قرار است که در مکانیک کوانتومی، خلأ هیچ‌گاه کاملاً خالی نیست. ذرات مجازی به طور لحظه‌ای ظاهر و ناپدید می‌شوند، و این فرایند باعث تولید نوعی انرژی دایمی میشود که حتی در غیاب تمام ماده‌ها وجود دارد. طبیعتاً ما براساس تجربه زندگی روزمره‌‌‌مان خلأ را معمولاً به معنای «هیچ» تصور می‌کنیم؛ فضایی که در آن هیچ انرژی یا ماده‌ای وجود ندارد. اما فیزیک کوانتومی میگوید که مدل ذهنی ما غلط است و خلأ کاملاً خالی نیست! مثال معروف از این موضوع «اثر کازیمیر» است؛ جایی که دو صفحه فلزی بدون بار الکتریکی و در فاصله‌ای بسیار کوچک، به واسطه انرژی خلأ به سمت یکدیگر جذب می‌شوند، یکی از پیامدهای این اصل عجیب است.
8. زمان نسبی| گذشته و آینده کنار هم!
اشتباه نکنید، درحال خواندن یک داستان علمی تخیلی نیستید، واقعاً در فیزیک کوانتومی، زمان ممکن است کاملاً معنی متداول خود را از دست بدهد. حتی در محیط‌هایی مثل نزدیکی سیاهچالهها این عدم قطعیت بیشتر دیده میشود، به‌طوری‌که گذشته، حال و آینده می‌توانند حالت‌های عجیبی پیدا کنند. چه‌‌‌طور؟ در دنیای کوانتومی، زمان و فضا از یک پیوستار یکپارچه تشکیل شده‌اند. گاهی به دلیل چگالی فوق‌العاده انرژی یا گرانش، زمان با مفهومی غیرخطی رفتار می‌کند. این موضوع در فهم ما از قوانین نسبیت و مکانیک کوانتومی ترکیب شده است. درحالی‌‌‌که ما زمان را به صورت لحظه‌هایی ممتد می‌فهمیم؛ گذشته، حال و آینده در زندگی عادی دقیقاً مجزا هستند. اما فیزیک کوانتومی میگوید هیچ قطعیتی در تعریف زمان یا «توالی» وجود ندارد؛ حتی ممکن است بعضی نقاط گذشته و آینده همزمان وجود داشته باشند! در این زمینه یکی از عجیبترین پیش‌بینی‌هایی که در نظریه‌های کوانتوم و نسبیت دیده میشود، رفتار الکترون‌ها و ذرات زیر اتمی در نزدیکی سیاهچالهها است؛ جایی که زمان میتواند چندین مسیر مختلف داشته باشد.
9. جهان‌های موازی| بینهایت دنیا!
یکی از عجیبترین نظریه‌های مکانیک کوانتومی این است که با هر تصمیم یا اندازه‌گیری، جهان به چندین جهان موازی تقسیم میشود؛ در هر کدام یکی از نتایج ممکن رخ می‌دهد. این تفسیر میگوید که هر بار چیزی اندازه‌گیری شود (مثلاً برهم‌نهی یک ذره پایان یابد)، واقعیت به چندین نسخه مختلف تقسیم میشود. در نتیجه، ممکن است بینهایت جهان وجود داشته باشد که در هر کدام یک نسخه از شما زندگی می‌کند! این مفهوم که هنوز شواهد علمی کافی برای آن وجود ندارد کاملاً برخلاف تجربه زندگی معمول ماست چون ما جهان را یکپارچه و ثابت می‌بینیم، اما نظریه جهان‌های موازی میگوید راه‌حل‌های مختلف ممکن همه به صورت همزمان در جهان‌های متفاوت اتفاق افتاده‌اند. برای درک ماجرا فرض کنید در یک جهان شما سکه‌ای را پرتاب و شیر آورده‌اید؛ در جهان موازی دیگر، همان سکه به خط افتاده است و شما زندگی کاملاً متفاوتی کرده‌اید. فراموش نکنید این نظریه بیشتر یک «تفسیر نظری» است که بر اساس قوانین معین مکانیک کوانتوم (مثل اصل برهم‌نهی) شکل گرفته است.
10. اصل تحول احتمال| تله‌‌‌پورت ماده!
در دنیای کوانتوم، هیچ چیز قطعی نیست و همه چیز بر اساس «احتمال» رخ می‌دهد. فرض کنید یک الکترون در یک مسیر حرکت می‌کند. در مکانیک کوانتومی، نمی‌توان گفت دقیقاً این حرکت چگونه ادامه خواهد یافت، بلکه تنها می‌توان احتمال وقوع مسیرهای مختلف را بیان کرد. این موضوع حتی برای خواص ذرات هم صدق می‌کند. ما در دنیای معمولی، انتظار داریم بتوانیم مسیر دقیق یک ماشین، یا وضعیت وزنه روی ترازو را تعیین کنیم. اما در جهان کوانتوم، هیچ قطعیتی وجود ندارد، همه چیز غیردقیق و احتمالی است. فرض کنید یک توپ را روی میز هل دهید با اطمینان انتظار دارید یک خط مستقیم طی کند، اما در دنیای کوانتوم این توپ میتواند جابه‌جایی‌های غیرمنتظره داشته باشد و ناغافل از جای دیگری سر دربیاورد.
10 شماره آخر
پربازدیدترین اخبار
