دنیای کوانتومی و دنیای ماکروسکوپی ما، از قوانین متفاوتی پیروی می کنند. فیزیکدانان دانشگاه لیدن هلند به تازگی توانسته اند مرز بین این دو دنیای متفاوت را پیدا کنند. با دیپ لوک همراه باشید…تا به حال از خود پرسیده اید مرز جهان کوانتومی و نیوتونی (یا به عبارتی مرز بین دنیای میکروسکوپی و ماکروسکوپی) کجاست؟ یا به عبارتی دقیقاً کی و کجا قوانین کوانتومی به قوانین نیوتونی تبدیل می شوند؟! این سوال بسیار هیجان انگیز است، چرا که اگر بتوانیم پاسخ دقیقی برای آن پیدا کنیم، به راحتی می توانیم رویدادهای کوانتومی و نیوتونی (کلاسیکی) را از یکدیگر جدا کنیم. در کوانتوم، اصلی به نام اصل تطابق بوهر وجود دارد که اینطور بیان می شود: “اگر یک سیستم به اندازه ی کافی بزرگ شود، به جای مکانیک کوانتومی می توانیم آن را با مکانیک کلاسیکی یا نیوتونی توصیف کنیم”. اما سوال اینجاست که دقیقا کجا چنین اتفاقی می افتد؟ فیزیکدانان دانشگاه لیدن هلند به تازگی به این سوال پاسخ داده اند. نتیجه ی کار آنها در ژورنال Physical Review Letters گزارش شد.
مرز بین دنیای کوانتومی و نیوتونی
در دنیای ماکروسکوپی، ما می توانیم مکان و زمان دقیقی را به اشیاء نسبت دهیم، اما در جهان ذرات بنیادی ما فقط می توانیم از احتمال توزیع ها صحبت کنیم، به عبارتی تنها ابزاری که برای توصیف ذرات در اختیار داریم، احتمال توزیع هاست. از آنجایی که قوانین کلاسیکی و کوانتومی، متفاوت هستند، انتظار می رود یک مرز واضح بین آنها وجود داشته باشد. مثلاً باید اندازه و جرمی وجود داشته باشد که به ازای آن، بتوانیم یک شی را در زمره ی جهان کوانتومی یا کلاسیکی قرار دهیم؛ اما پیدا کردن لبه ی این مرز، کار دشواری است. حالا فیزیکدانان لیدن، حد بالایی پدیده های کوانتومی را تعیین کرده اند. آنها می گویند: “ما هیچ مقداری را دور نمی اندازیم و به این ترتیب به آرامی به مرز نزدیک می شویم تا ببینیم در لبه ی دنیای کوانتومی چه اتفاقی رخ می دهد.”
پارامترهای تعیین کننده
اگر شما مدل کوانتومی مربوط به یک سیستم را بدانید، به راحتی می تواند با استفاده احتمال توزیع، محدوده ی مکانی یک ذره را توصیف کنید که البته گاهی اوقات به صورت خودبخودی، فروریزش می کند. (فروریزش یا کاهش تابع موج به معنای تغییر تابع موج کوانتومی یک سیستم در طی یک فرآیند اندازه گیری است، البته توجه کنید در اینجا فروریزش خودبخودی است و خبری از یک فرآیند اندازه گیری یا مشاهده گر نیست. برای اطلاعات تخصصی تر در این زمینه، مقاله ی زیر را مطالعه کنید: فروریزش خودبخودی تابع موج و نظریه ی میدان کوانتومی). بنابراین در مکانیک کوانتومی به جای یک مکان دقیق، فقط می توانیم از حضور ذره ی موردنظر در یک محدوده ی مکانی (مثلا بین x و x+dx) صحبت کنیم. این محدوده ی مکانی و اینکه فروریزش خودبخودی چگونه رخ میدهد، دو پارامتر کلیدی و تعیین کننده هستند که فیزیکدانان به دنبال آنها هستند. در واقع اگر این پارامترها تعیین شوند، می توان فرمول کاملی برای توصیف مرز دقیق بین دنیای کوانتومی و نیوتونی بنا کرد.
در شکل بالا، خط قرمز، حد بالایی پارامترهای rc (محدوده ی مکانی) و λ (فرکانس فروریزش تابع موج در هر واحد جرم اتمی) را نشان می دهد. نقطه چین مشکی، نتیجه ی آزمایش بعدی را پیش بینی می کند. توپ بنفش، این مقادیر را براساس این حقیقت که در ملکول های بزرگ، الکترون ها قطعاً به صورت کوانتومی رفتار می کنند، تخمین می زند. هدف نهایی این است که مقادیر هر دو پارامتر پیدا شود که در نتیجه فرمول تعیین مرز بین دنیای کوانتومی و نیوتونی را بدست می دهد. این فرمول برای یک اندازه و جرم معین، مشخص می کند که شی موردنظر تحت سلطه ی کدام یک از قوانین کوانتومی یا نیوتونی است.
در نهایت، نتایج برای حد بالایی دنیای کوانتومی به این صورت بدست آمد: ۳۱ فروریزش در هر سال در هر واحد اتمی با محدوده ی مکانی حدود ۱۰ نانومتر تا ۱ فروریزش در هر ۱۰۰ سال با محدوده ی مکانی ۱ میکرون. محققان برای اندازه گیری های بعدی، فروریزش های کمتری را انتظار دارند تا در نتیجه بتوانند حد بالایی دقیق تری را تعریف کنند.
گفتگو۳ دیدگاه
با سلام
بنده به تازگی با سایت شما آشنا شدم. بسیار جذّاب است. سپاس فراوان.
خواهش میکنم دوست خوبم، خوشحالم به جمع دیپ لوکی‌ها پیوستید
سوالی دارم
آیا تجزیه آب، با انرژی کم (شبیه کاربرد و اصطلاح عامیانه خودرو آبسوز آقای جاسمی) با بهره گیری از فرکانس تشدید، میدان مغناطیسی، کاتالیست خاص و … میتواند با مرز فیزیک نیوتنی و کوانتمی توضیح داده شود؟
با تشکر