کتابخانه فیزیک

فیزیک‌ دان‌ ها چگونه به مفاهیم پیچیده می‌اندیشند؟

مطالعه مغز فیزیکدان‌ ها نشان می‌دهد که آن‌ها چگونه ایده‌های پیچیده‌ ای را که نمی‌توان تجربه کرد در مغز خود پرورش می‌دهند.
- ذرات کوانتومی هم وجود دارند و هم وجود ندارند.
- فضا یک بافت خم‌ شدنی است.
- ماده تاریک نامرئی است، اما بخش زیادی از کیهان را تشکیل می‌دهد.
- جهان ما از یک انفجار در 13.8 میلیارد سال قبل ایجاد شده و بی‌ نهایت در حال انبساط است.


اگر یک فیزیک‌ دان باشیم یا در زمینه‌ های فوق مطالعه عمیق داشته باشیم، درک این جملات برای ما دشوار نخواهد بود؛ اما اگر چنین نباشد، دست‌ کم یکی از این جملات موجب گیج شدن ما خواهد شد.

هنگامی که ما برای درک وسعت چنین مفاهیم پیچیده و غیر قابل تصوری تلاش می‌کنیم، احتمالا دچار نوعی ناهماهنگی شناختی می‌شویم؛
اما هر روز فیزیک‌ دان‌ های نظری در تمام طول روز به این ایده‌ ها و مفاهیم می‌اندیشند.

آن‌ها چگونه این کار را انجام می‌دهند؟

مغز فیزیکدان‌ ها از طریق دسته‌ بندی خودکار "قابل اندازه‌ گیری" یا "غیر قابل اندازه‌ گیری" با نظریه‌ های غیر شهودی دست‌ و پنجه نرم می‌کند.
اغلب چیز هایی که ما هر روز با آن‌ ها روبرو می‌شویم‌ مانند یک سنگ، یک دریاچه، یک گل و... ، قابل توصیف هستند، اما مفاهیمی که فیزیک‌ دان‌ ها در مورد آنها می‌اندیشند، این ویژگی را ندارند.

بر اساس تحقیقات انجام‌ شده به نظر می‌ رسد مغز فیزیک‌ دان‌ ها مفاهیم را به دو دسته تقسیم و سازماندهی می‌کند.
مفاهیم فیزیکی مانند ماده‌ تاریک، دوگانگی، کیهان‌ شناسی، چند‌ جهانی و... در ذهن فیزیک‌ دان‌ ها وجود دارند.
یک فرد معمولی ممکن است مفاهیم فیزیکی مانند ماده تاریک را در دسته غیر قابل توضیح قرار دهد، اما مهم‌ ترین مقیاسی که از این مفاهیم دریافت می‌کند در واقع غیرقابل اندازه‌ گیری بودن آن‌ ها خواهد بود.

اسکن‌ های مغزی فیزیک‌ دان‌ ها در ارتباط با فعالیت مغزی در واکنش به مفاهیم فوق نشان می‌دهد که آن‌ها ویژگی "وسعت" را ندارند؛ وسعت به اعمال محدودیت‌های ملموس بر چیزی اشاره می‌کند.

بررسی‌ ها نشان داده است که مغز فیزیک‌ دان‌ ها به شکلی خودکار می‌تواند تفاوت بین عناصر انتزاعی مانند فیزیک کوانتومی و عناصر قابل درک و قابل اندازه‌ گیری مانند سرعت و فرکانس را تشخیص دهد.
در واقع چیزی که موجب حس شگفتی در مردم عادی (غیر فیزیکدان‌‌ ها) می‌شود، افکار مربوط به "وسعت" را در آن‌ها برانگیخته نمی‌کند.
احتمالا به همین دلیل است که فیزیک‌ دان‌‌ ها می‌توانند به راحتی درباره این مفاهیم بی اندیشند، در حالی که وسعت و بزرگی این مفاهیم به تعجب یا نگرانی در مردم عادی و یا همان "غیر فیزیک دان ها" می‌‌انجامد.

در واقع قدرت فیزیک‌ دان‌ ها از فرگشت مغز ناشی می‌شود. به نظر می‌ رسد اندیشیدن به ایده‌ های انتزاعی فیزیک در دوران دانشجویی، می‌تواند بسیار متفاوت از درک یک فیزیک‌ دان‌ با سابقه نسبت به این مفاهیم باشد؛ بدین معنا که هر چه سن فیزیک‌ دان‌ ها بیشتر می‌شود، به شیوه‌ ای کارآمدتر می‌توانند این مفاهیم را به کار بگیرند و به نتایج موثر تری برسند و هر چه بیشتر با این مفاهیم سر و کار داشته باشند از این لحاظ بیشتر به دوستان قدیمی‌ شان تبدیل می‌شوند.

اسکن‌ های مغزی نیز از این گفته پشتیبانی می‌کند:
«مغز فیزیک‌ دان‌ های قدیمی که سالها با این مفاهیم سر و کار دارند، دارای عملکرد بهینه‌ تری است.
همچنین فعالیت مغزی بیشتری در نیم کره راست مغز اساتید فیزیک نسبت به دانشجویان این رشته مشاهده می‌شود که نشان می‌دهد آنها با تعداد بیش‌ تری از مفاهیم مرتبط با فاصله مانند نزدیک و دور در مدت‌ زمان طولانی‌ تری در ارتباط بوده‌اند.

بنابراین یک دانشجوی فیزیک ممکن است بین سرعت و شتاب ارتباط برقرار کند، اما به نظر می‌ رسد اساتید سرعت را به مفاهیم دور تری مثل سرعت انبساط جهان ربط می‌ دهند»


لازم به ذکر است که رسیدن به ایده‌ های جدید فقط مختص فیزیک‌ دان‌ ها نیست.
مغز ما به شکلی فرگشت یافته است که همه می‌توانند به ایده‌ های جدید و انتزاعی برسند، درست است که شاید فقط فیزیک‌ دان‌ های نظری بتوانند به راحتی مفاهیمی مانند دوگانگی یا چند جهانی را متوجه شوند، اما کسانی که در دیگر زمینه‌ ها مشغول هستند نیز ایده‌ های پیچیده خود را دارند. به عنوان مثال اگر هنگام ورزش به نوسانات فکر کنید، مغز بخش‌ های مربوط به فعالیت ریتمیک را فعال می‌کند.
ایده‌ موج‌ های سینوسی چند صد سال بیشتر قدمت ندارد، اما افراد از گذشته‌های دور به نوسانات روی برکه نگاه می‌کردند!

کوانتوم چیست؟

کوانتوم (از کوانتا) کوچکترین واحد گسسته یک پدیده است.  مثلاً یک کوانتوم نور یک فوتون است و یک کوانتوم الکتریسیته یک الکترون است.

کوانتوم در لاتین به معنای "یک مقدار" یا "چه‌مقدار؟" است.

اگر چیزی قابل اندازه‌گیری(quantifiable) باشد، می‌توان آن را اندازه‌گیری(measurement) کرد.


کوانتوم در فیزیک چیست؟

استفاده امروزی از کوانتوم در فیزیک توسط ماکس پلانک در سال 1901 ابداع شد. او سعی داشت تابش جسم سیاه و چگونگی تغییر رنگ اجسام پس از گرم شدن را توضیح دهد.
او به جای این که فرض کند انرژی در یک موج ثابت منتشر می شود، این گونه مطرح کرد که انرژی در بسته ها یا بسته های مجزا منتشر می شود که کوانتای انرژی نامیده می شدند.  این منجر به کشف ثابت پلانک شد که یک واحد جهانی اساسی است.

ثابت پلانک به صورت h نشان داده می شود و انرژی یک فوتون را به فرکانس فوتون مرتبط می کند.  واحدهای بیشتری از ثابت پلانک مشتق شدند: طول پلانک و زمان پلانک که کوتاه ترین واحد معنی دار فاصله و کوتاه ترین واحد معنی دار زمان را توصیف می کنند.
برای هر چیز کوچکتر، اصل عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ اندازه گیری را بی معنی می کند.

کشف کوانتوم و ماهیت کوانتومی ذرات زیراتمی منجر به انقلابی در فیزیک شد. همه اینها به نظریه کوانتومی یا مکانیک کوانتومی تبدیل شدند.

🟢 نظریه کوانتومی رفتار ذرات میکروسکوپی را توصیف می کند.
🔴 نظریه نسبیت آلبرت اینشتین رفتار اشیاء ماکروسکوپی را توصیف می کند.
این دو نظریه زیربنای فیزیک مدرن هستند.

متأسفانه، این دو تا نظریه سرسازگاری با هم ندارند و با حوزه های مختلفی سروکار دارند و فیزیکدانان را به دنبال "یک نظریه به اصطلاح یکپارچه درباره همه چیز" میکشانند.

ذرات زیر اتمی به شیوه‌ای رفتار می‌کنند که غیرمعمول است. همانطور که در آزمایش دو شکاف نشان داده شده است، یک کوانتوم تک فوتونِ نور می تواند به طور همزمان از دو شکاف در یک قطعه ماده عبور کند. گربه شرودینگر یک آزمایش فکری معروف است که یک ذره کوانتومی را در برهم نهی، یا حالتی که شکل موج احتمال فروپاشی نکرده است، توصیف می‌کند. ذرات همچنین می توانند به صورت کوانتومی در هم بپیچند و تنیده شوند و با هم برهمکنش داشته باشند.

در نظریه کوانتوم، ذرات کوانتومی می‌توانند همزمان در حالت ترکیبی از حالت‌ها وجود داشته باشند و در اثر تعامل با ذرات دیگر به یک حالت واحد فرو ریزند.

برخی از دانشمندان در آن زمان که نظریه کوانتوم در حال توسعه بود یعنی دهه 1930، از علم به حوزه فلسفه وارد شدند و اظهار کردند که ذرات کوانتومی تنها در صورت مشاهده توسط یک ناظر آگاه به یک حالت فرو می‌ریزند. شرودینگر این مفهوم را پوچ دانست و آزمایش فکری خود را برای روشن ساختن نتیجه پوچ و منطقی چنین ادعاهایی ابداع کرد.

در آزمایش فکری شرودینگر شما گربه‌ای را در جعبه‌ای با مقدار کمی ماده رادیواکتیو قرار می‌دهید. هنگامی که ماده رادیواکتیو واپاشی می‌کند شمارنده گایگر را فعال می‌کند که باعث انتشار سم یا انفجار می‌شود که در نتیجه گربه را می‌کشد. در حال حاضر واپاشی ماده رادیواکتیو تحت قوانین مکانیک کوانتومی اداره می‌شود. این بدان معنی است که اتم در حالت ترکیبی بین واپاشی و عدم واپاشی قرار دارد. اگر ایده مبتنی بر ناظر را در این مورد به کار ببریم، هیچ ناظر آگاهی وجود ندارد زیرا همه چیز در یک جعبه مهر و موم شده است. بنابراین کل سیستم به عنوان ترکیبی از دو احتمال باقی می‌ماند. گربه به طور همزمان مرده و زنده است. از آنجا که وجود گربه‌ای که همزمان مرده و زنده است پوچ است و در دنیای ما اتفاق نمی‌افتد این آزمایش فکری نشان می‌دهد که فروپاشی عملکرد موجی کوانتوم فقط به دلیل وجود ناظر آگاه نیست.
اینشتین نیز با ایده ناظر به همین مشکل برخورد کرد و به شرودینگر برای تصویر سازی هوشمندانه‌اش تبریک گفت. از آن زمان شواهد زیادی وجود دارد که نشان می دهد فروپاشی عملکرد موجی تنها توسط ناظران آگاه انجام نمی‌شود. در حقیقت، هر فعل و انفعالی(هرگونه تداخل عملی ) که با یک ذره کوانتومی ایجاد شود، می‌تواند حالتش را از بین ببرد. ناظر هرچیزی هست که این تداخل را انجام‌ دهد،از شبکیه چشم انسان گرفته تا ابزار اندازه گیری مثل دتکتور و هر چیزی که اندازه گیری میکند نه فقط شبکیه چشم‌ ما. شبکیه چشم ما یکی از بینهایت ناظر است، که عمل اندازه گیری را انجام‌ میدهد؛ در نتیجه این‌ اتفاق هیچ ارتباطی با آگاه بودن یا نبودن ندارد. سو برداشت از همین آزمایشات مثل آزمایش دو شکاف، باعث شده تا کلاشان و کلاهبرداران کتابها بنویسند با عنوانهایی مثل کوانتوم و مولانا، کسب آرامش با کوانتوم، روانشناسی و کوانتوم یا آگاهی کوانتومی! تمامی این‌ موارد نه تنها غیر علمی هستند بلکه همزمان ضد علمی و شبه علم هستند و مردود و مکروه و مذموم.

🔰 تابع موج چیست؟

🔵 مکانیک کوانتوم را میتوان به دو بخش قدیم و مدرن تقسیم کرد. دوره ی کوانتوم قدیم، اندکی پس از معرفی دوگانگی موج-ذره توسط دوبروی، به پایان رسید. به این ترتیب سال های ۱۹۰۰تا ۱۹۲۵ را دوره ی کوانتوم قدیم می نامند. پدیده های اصلی کوانتوم قدیم، کوانتش انرژی و دوگانگی موج-ذره هستند. از سال ۱۹۲۵ به بعد، با مکانیک کوانتومی مدرن سروکار داریم. فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر در سال ۱۹۲۵، نظریه ی نادقیق دوبروی را اصلاح کرد و به هر شی کوانتومی یک تابع موج را نسبت داد. بررسی فضایی یک تابع موج با یک معادله ی پیچیده بنام معادله ی شرودینگر توصیف می شود. تابع موج را با حرف یونانی Ψ (بخوانید:سای) بزرگ یا ψ کوچک نشان می دهیم (به طور دقیق تر: اگر تابع موج به زمان و مکان وابسته باشد، با حرف سای بزرگ و اگر تابع موج مستقل از زمان و تنها وابسته به مکان باشد، با سای کوچک نمایش داده می شود).

🔴 تابع موج یک تابع ریاضی پیچیده است که تمام ویژگی های شی کوانتومی (اندازه حرکت، موقعیت و …) در آن ذخیره می شود. این مجموعه از ویژگی های شی کوانتومی، حالت کوانتومی نامیده می شود. به همین دلیل  است که به تابع موج، تابع حالت هم گفته می شود. یک حالت کوانتومی به صورت 〈 Ψ | نشان داده می شود. تابع موج، مهمترین ایده و در واقع قلب مکانیک کوانتومی است، زیرا اکثر پدیده های مکانیک کوانتومی مدرن با استفاده از آن بدست آمده اند. بعضی از این پدیده ها به ویژهاصل برهم نهی کوانتومی با چیزهایی که ما در جهان عادی خود می بینیم، کاملاً متفاوت بوده و باور آنها بسیار دشوار است

‌ .


📚 مکانیک کوانتومی و واقعیت:


🔴 واقعیت به چه معناست⁉️
#بسیار_جالب 👇
🔸 حتما بخوانید:

🔻 مکانیک کوانتومی، این جهان بینی کهنه و قدیمی را که گویا جهان در بیرون قرار دارد و ما برای مشاهده ی آن روبرویش نشسته ایم نفی کرده است.

🔹 جان ویلر، فیزیکدان بزرگ، از مثالی جالب در مورد واقعیت استفاده کرده، او گفته: « هنوز که بازی بیست سوالی را فراموش نکرده اید یکی از حاضرین را از اتاق بیرون می کنند و دیگران بر روی یک کلمه توافق می نمایند. نفری که نوبت اوست پس از برگشتن به اتاق باید با سوالاتی که پاسخ آنها فقط آری یا نه می باشد، کلمه مورد نظر را پیدا کند. جاندار است؟ نه. روی کره زمین است؟ بله. پرسش ها به همین ترتیب و به تناوب ادامه پیدا می کنند تا کم کم مطلب مورد سوال مشخص شود. هر کس بتواند حداکثر با بیست سوال کلمه را پیدا کند برنده شده و در غیر این صورت بازی را باخته است.

🔸 ناگهان نوبت به خود ما می رسد. ما را از اتاق بیرون می کنند؛ پس از بازگشت به اتاق، سوال های خود را شروع می کنیم. در ابتدا پاسخ ها خیلی سریع می آیند، اما بعد، پاسخ به هر سوال بیشتر و بیشتر طول می کشد عجیب است‼️ جواب که فقط می تواند آری یا نه باشد، پس چه نیازی به این همه فکر⁉️

🔹 به جواب مسابقه خیلی نزدیک شده ایم و بالاخره می پرسیم: ابر است؟، جواب می رسد که بله و آنگاه شلیک خنده از همه سو بر می خیزد. معلوم می شود که وقتی ما را از اتاق بیرون کردند، تصمیم گرفتند هیچ کلمه خاصی را انتخاب نکنند. هر یک از حاضرین می توانستند به هر سوال ما به دلخواه خود آری یا نه پاسخ دهد، تنها به شرطی که در آن لحظه کلمه ای را مد نظر داشته باشد که با این پاسخ و تمام پاسخ های قبلی مطابقت داشته و در تضاد نباشد.

🔸 در فیزیک کوانتومی، هیچ پدیده تا پدیده ای مشهود نباشد، پدیده نیست. در نوع غافلگیر کننده بازی ۲۰ سوالی ما، یک کلمه، تنها هنگامی یک کلمه است که با انتخاب نوع سوال ها و پاسخ ها، به مقام حقیقت ارتقاء یابد.

🔹 آیا ابر کلمه ای بود که هنگام ورود به اتاق وجود خارجی داشت و تنها در انتظار کشف شدن به وسیله ما بسر می برد؟

چه توهمی‼️