آزمایش دوشکاف! شعبده‌بازیه طبیعت

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
Enjoy-physics

عضویت : دوشنبه ۱۴۰۰/۱/۲۳ - ۰۵:۵۳


پست: 55

سپاس: 25

آزمایش دوشکاف! شعبده‌بازیه طبیعت

پست توسط Enjoy-physics »

سلام دوستان، یه مطلب درباره آزمایش دوشکاف از سایت بیگ‌بنگ :
The Double Slit Experiment.jpg
The Double Slit Experiment.jpg (24.72 کیلو بایت) مشاهده 210 مرتبه
شكافي را در نظر بگيريد كه توسط چندين توپ هدف گيري مي شود. توپ هايي كه از شكاف رد مي شوند، مستقيما پيش رفته و به صفحه پشتی برخورد مي كنند. يك شكاف ديگر در كنار قبلي ايجاد مي كنيم. با تكرار آزمايش توپ ها از هر دو شكاف عبور كرده و مسلما ردي كه در صفحه پشت به جا مي گذارند، شبيه همان دو شكاف است.

اگر اين آزمايش را با امواج نور يا هر نوع موج ديگري انجام دهيم، زمانيكه از يك شكاف استفاده شود، اثر امواج مستقيما در پشت شكاف و بر روي صفحه ظاهر مي شود كه کاملا شبيه به قضیهٔ توپ ها میشود. یعنی نور چراغ بصورت یک نوار باریک روی صفحه نمایان میشود.
اكنون همين كار را با دو شكاف انجام مي دهیم. نتيجه كار بر روي صفحه پشتي، يك الگوي تداخلي است كه براي امواج رخ مي دهد. يك نوار روشن در مركز و نوارهاي كم نورتر در مجاور آن. جالب اينكه نوار مركزي روي صفحه ، در راستايي منطبق با وسطِ این دو شكاف، قرار مي گيرد!
wave.jpg
wave.jpg (69.96 کیلو بایت) مشاهده 210 مرتبه
توماس يانگ همين تداخل را براي نور ديد كه تعبير آن موجي بودن نور است، اما موضوع، بسيار عجيب تر از اين تعبير است، نور خاصيت ذره اي بودن خود را به ويژه در پديده فتو الكتريك اینشتین به نمايش گذاشته است و نام فوتون، اينگونه براي ذرات نور انتخاب شد. ظاهرا نور هم موج است و هم ذره! ممكن است با اين موضوع كنار بياييد، اما آزمايش دو شكاف عجيب تر از اين دو گانگي هست.

در آزمايش يانگ، سيلي از فوتونها به سمت دو شكاف حركت مي كنند و تداخل امواج را به نمايش مي گذارند. اما اگر بتوانيم فوتون ها را تك به تك به سمت شكافها شلیک كنيم چه اتفاقي مي افتد؟ دراین صورت انتظار میرود دو نوار روشن بر روی صفحه در آنسوی دو شكاف تشكيل شود، اما مسئله عجیب اینجاست که هربار این اتفاق نمی افتد!


سرانجام تفنگ نوری اختراع شد. به طوري كه قادر بود هر بار تنها يک فوتون شليك کند. آزمايش دو شکاف با اين شيوه تكرار شد با اين تفاوت كه به جای صفحهٔ‌ پشتی، از کاغذ عکاسی استفاده شد زيرا يک فوتون، کم‌نورتر از آن است كه روی صفحه معمولي ديده شود.

سپس ميليون‌ها فوتون به صورت تک تک به سمت شكافها شليك شد. دانشمندان اين كاغذ عكاسي را ظاهر كردند تا آنچه كه انتظار داشتند را مشاهده نمايند، اما الگويي را ديدند كه يكي از بزرگترين معماهاي طبيعت به بديهيات ذهني ما را به نمايش مي گذارد. الگوي تداخل موجي! چرا اين موضوع اينقدر عجيب است؟

در اين حالت بحث «دوگانگي موج-ذره» نور مطرح نيست. حتي اگر فوتون شبيه موج عمل كند، چون از يك شكاف مي گذرد، باز هم بايد اثر خود را پشت آن شكاف به جا بگذارد، در حاليكه الگوي تداخل تعبيري بسيار عجيب پيش رو مي گذارد: اينكه فوتون متوجه مي شود كه در مسير مقابلش يك شكاف وجود دارد يا دو عدد. اگر يك شكاف بود همچون توپ از آن مي گذرد، اما اگر دو شكاف در مقابل خود ببيند، همزمان از هر دو شكاف مي گذرد! راه ديگري براي تفسير اين پديده نيست!

يك فوتون پس از شليك به دو فوتون تقسيم شده، اين دو فوتون هر كدام از يك شكاف مي گذرند، در پشت شكافها همچون امواج تداخل مي كنند، سپس همديگر را در آغوش گرفته و دوباره يك فوتون شده و بر روي صفحه عكاسي فرود مي آيند!!



تکرار آزمایش ولی این‌بار با الکترون‌ها ، اتم‌ها و مولکول‌ها
young-experiment.jpg
young-experiment.jpg (45.97 کیلو بایت) مشاهده 210 مرتبه
این‌بار این آزمایش با تفنگ الكتروني انجام شد. الكترون هايي كه در اتاق ابر ويلسون، شبيه حركت يك ذره ، مسير مشخصی از خود به جای مي گذارند. این به این معنیست که الكترونها ذره هستند. اما آنچه در پشت صفحه مشاهده مي كنيد، الگوي تداخل امواج است. اين آزمايش حتي با شليك يك الكترون در هر ثانيه نيز انجام شده است.

اين آزمايش با اتم ها ، با مولكول هاي “باكي بال” (شامل 60 اتم كربن) و همچنین حتی با مولكولهایي شامل 800 اتم نیز انجام شد و هربار به همان نتيجه الگوي تداخلي امواج ختم شد.
مولكولهاي باكي بال در زير ميكروسكوپ الكتروني هيچ تفاوتي با توپهايي كه در ابتدا شليك كرديم، ندارند. آيا اين مولكولها نيز همزمان از هر دو شكاف عبور مي كنند؟



دانشمندان نيز با همين پرسشها درگير شدند و لذا تصميم گرفتند، رديابهايي همچون چشم آدمي در كنار شكافها قرار دهند تا متوجه شوند اين فوتون ها يا ذرات ديگري كه شليك مي شود از يك شكاف عبور مي كنند يا از هر دو؟ اين بار نيز طبيعت سر به سر آدمي مي گذارد!
به محض قرار گرفتن رديابها براي مشاهده مسير عبور ذرات، الگوي تداخلي محو مي شود و آنچه باقي مي ماند، آثار اين ذرات به صورت دو نوار بر روي صفحه پشت شكافهاست. هر ذره از يك شكاف عبور مي كند و مستقيماً به صفحه برخورد میکند!

این به این معنا هست که نور به دو شكاف تابيده است و صفحه پشت آن با چند نوار روشن شده است. همين كه كليد ردياب روشن مي شود، بلافاصله تمام آن نوارها از بين رفته و تنها دونوار روشن در راستاي دو شكاف باقي مي ماند! لحظه اي كه ردياب خاموش می شود، مجددا تصوير چند نوار ظاهر مي گردد! شايد تصور كنيد كه رديابها در حركت ذرات به سوي شكافها اختلال ايجاد مي كنند.

احتمالا جان ويلر آمريكايي نيز چنين حدسي زد و طرحي را پيشنهاد کرد كه رديابها را به پشت شكافها منتقل کنند. در اين آزمايش، صفحهٔ پشتی مي بايست دقيقا در آخرين لحظه‌ پيش از برخورد فوتون، با يک دستگاه ردياب نوری جايگزين شود. به اين ترتيب می‌شد فهميد فوتون از کدام شکاف عبور کرده است.
حتما متوجه شده ايد كه تصميم درباره‌ی جايگزين كردن صفحه با ردياب ، بعد از عبور فوتون از ميان شکاف گرفته می‌شود. طرح ، بي نقص است. اين بار دست اين شعبده بازان طبيعت براي آدمي رو خواهد شد! با اين روش به محض عبور هر ذره از شكاف يا شكافها، مسير آن قابل كشف است. چند سال بعد كه اين آزمايش اجرايي شد، نتيجه اين بود : هنگامی که صفحه معمولي در جای خود قرار داشت، فوتون طبق الگوی تداخل رفتار می‌کرد، اما همين كه در لحظه‌ی آخر، ردياب جايگزين آن مي شد، فوتون الگوی تداخل را كنار مي گذاشت و همچون ذره مي شد!


آیا مشاهده گر باعث تغییر رفتار فوتون های می شود؟ باور كنيد يا نه، فوتون ها و ديگر ذرات از قبیل الکترون و … قبل از رسيدن به شكاف ها دست آدمي را مي خوانند!
آنها آينده را پيش بيني مي كنند، اگر این ادعا نادرست باشد پس بايد با اين تعبير كنار بياييم: ردياب، مسير گذشته فوتون را تغيير مي دهد. مشاهده گر، گذشته و تاريخ را تغيير مي دهد. اين به معناي از ميان رفتن تقدم زماني در علت و معلول و درنتيجه فروپاشي عليت نيز مي باشد!
تفسيرهاي ديگري نيز وجود دارد. تفسير كپنهاگي كه توسط بور بنيانگذاري شد. تفسير بوهم و تفسير جهان هاي موازي.
با توجه به طولاني شدن بحث، شرح مفصل تر جهان هاي موازي را مي توانيد در كتابي با همين عنوان ، نوشته ميچيو كاكو، ترجمه شيواي سارا ايزد يار و علي هاديان مطالعه نماييد.

نمایه کاربر
rohamjpl

نام: roham hesami

محل اقامت: Tehran -Qeytariyeh, Ketabi Street, 8 meters from Saba

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 620

سپاس: 391

جنسیت:

تماس:

Re: آزمایش دوشکاف! شعبده‌بازیه طبیعت

پست توسط rohamjpl »

Superposition توانایی سیستم کوانتومی در چندین حالت همزمان است تا زمانی که اندازه گیری شود. از آنجا که درک این مفهوم دشوار است ، این اصل اساسی مکانیک کوانتوم اغلب با آزمایشی که در سال 1801 توسط فیزیکدان انگلیسی ، توماس یانگ انجام شد ، نشان داده می شود.superposition چیست؟ Superposition سیستمی است که دارای دو حالت مختلف است که می تواند آن را تعریف کند و وجود آن در هر دو امکان پذیر است. به عنوان مثال ، از نظر فیزیکی ، یک الکترون دارای دو حالت کوانتومی ممکن است: چرخش به بالا و چرخش به پایین
ویژگی سیستم کوانتومی به موجب آن همزمان در چندین حالت کوانتومی جداگانه وجود دارد. هر الکترون ، تا زمانی که اندازه گیری شود ، احتمال محدود بودن در هر دو حالت را خواهد داشت. ... فقط هنگام اندازه گیری مشاهده می شود که در حالت چرخش خاصی باشد به بیان دیگه اصل برهم نهی بیان می کند که وقتی دو یا چند موج در فضا با هم همپوشانی داشته باشند ، آشفتگی حاصل با مجموع جبری اغتشاشات فردی برابر است.کمی به زمینه بستگی دارد. اصل برهم نهی در شکل کلی آن بیان می کند که برای یک سیستم خطی مجموع دو راه حل ممکن نیز یک راه حل است -
"پاسخ خالص در یک نقطه مشخص در فضا و زمان به دلیل دو یا چند محرک ، مجموع پاسخهایی است که می تواند توسط هر محرک به طور جداگانه ایجاد شود
در مورد مکانیک کوانتوم ، حل معادله شرودینگر امکان وجود حالت های مختلف را فراهم می کند. Supposition می گوید که حالت واقعی یک سیستم ، در یک لحظه معین از زمان ، همیشه می تواند به صورت یک جمع خطی (superposition) آن حالت ها بیان شود. اما از QM ما همچنین می دانیم که وقتی سیستم مشاهده می شود ، در واقع فقط در یکی از این حالت ها خواهد بود.
این بدان معنا نیست که یک فوتون ، قبل از کشف ، "تمام حالتهای قطبی ممکن" را دارد - اگر می دانید فوتون چگونه تولید شده است ، ممکن است از قطبش آن اطلاع داشته باشید. اگر چنین باشد ، می توانید احتمال عبور فوتون از یک قطبش را محاسبه کنید - اگر قطبش در زاویه راست قطبی اولیه قرار دارد ، با احتمال صفر. این بدان معناست که درست قبل از ردیابی ، تمام حالتهای قطبش در دسترس آن فوتون خاص نبوده است.اجازه دهید به عقب بازگردیم. پروتون در آزمایش یانگ در موقعیت برهم نهی قرار دارد، بنابراین واقعاً به طور همزمان از هر دو شکاف عبور کرده و با خودش تداخل می کند! اگر یک آشکارساز را در مقابل شکاف ها قرار داده و مشاهده کنیم پروتون از کدام شکاف عبور می کند، برهم نهی از بین رفته و الگوی تداخلی ناپدید می شود! الکترونی که از یک تفنگ، شلیک می شود، به طور همزمان در بیش از یک ویژه حالت است و بنابراین به طور همزمان چندین سرعت داشته و در چندین مکان قرار دارد. اما پس از برخورد و درست زمانیکه فروریزش تابع موج رخ می دهد، الکترون، تنها در یک مکان قرار می گیرد!
رفتار عجیب پروتون ها در آزمایش یانگ و غیرقابل پیش بینی بودن الکترون هادر تفنگ الکترونی، هر دو نتیجه ی یک اصل بنیادی مکانیک کوانتوم به نام برهم نهی هستند. طبق اصل برهم نهی کوانتومی، در صورتی که یک شی کوانتومی، مشاهده نشود، می تواند به طور همزمان در تمام حالت های ممکن قرار داشته باشد. بنابراین برهم نهی به معنای ترکیب تمام حالت هایی است که شی می تواند از نظر تئوری در آن ها قرار داشته باشد. یعنی ذره ای که مشاهده نمی شود، می تواند به طور همزمان چندین سرعت داشته باشد و در چندین مکان هم باشد!
زمانیکه یک شی کوانتومی، مشاهده می شود، به اصطلاح کلاپس یا فروریزش تابع موج رخ می دهد. فروریزش تابع موج یعنی کاهش تابع موج به یک ویژه حالت (یک مکان و یک سرعت). فروریزش تابع موج باعث می شود هیچگاه نمی توانیم یک شی را با چندین سرعت و چندین مکان مشاهده کنیم، زیرا با مشاهده، برهم نهی حالات از بین می رود. بنابراین یک نتیجه ی بسیار مهم و جنجالی حاصل می شود: عمل مشاهده، فقط ویژگی های یک شی کوانتومی را مشخص نمی کند، بلکه ماهیت آنها را هم تعیین می کند! این بدان معناست که ما آینده ی یک شی را صرفاً با مشاهده ی آن تعیین می کنیم (یعنی اندازه گیری ویژگی هایش)!!

حالا یک سوال پیش می آید: یک شی کوانتومی چگونه یک ویژه حالت را در زمان مشاهده انتخاب می کند؟ پاسخ را باید در احتمال جستجو کنیم. احتمال اینکه یک شی کوانتومی در یک ویژه حالت خاص قرار بگیرد، به وسیله ی تابع موجش مشخص می شود. بنابراین از تابع موج به عنوان موج احتمال هم یاد می شود. از هر تابع موجی، می توان یک عدد به نام بزرگی احتمال را بدست آورد. احتمال اینکه یک شی کوانتومی در یک ویژه حالت معین قرار بگیرد، با مربع یا مجذور بزرگی احتمال تعیین می شود. مثلاً اگر احتمال رخ دادن یک فرآیند معین، ۵۰ درصد باشد، بزرگی احتمال این فرآیند، برابر با ۲√/ ۱ خواهد بود.فرض کنید می خواهیم سرعت یک الکترون را تعیین کنیم که این الکترون در برهم نهی از دو ویژه حالت کوانتومی قرار دارد. در نخستین ویژه حالت، سرعت الکترون، ۱ و در دومین ویژه حالت، سرعت الکترون، ۲ است. این برهم نهی دو سرعت را می توان از نظر ریاضی نشان داد
برهم-نهی-سرعت-های-کوانتومی- تابع موج و برهم نهی کوانتومی
تا زمانی که الکترون مشاهده نمی شود، هر دو سرعت را دارد. اما به محض مشاهده، تابع موج یک احتمال معین از یک ویژه حالت را به هر الکترون اختصاص می دهد. فرض می کنیم الکترون با احتمال ۷۵ درصد در ویژه حالت اول (سرعت ۱) و با احتمال ۲۵ درصد در ویژه حالت دوم (با سرعت ۲) قرار دارد. از نظر ریاضی می توان آن را با استفاده از بزرگی احتمال نوشت:
بزرگی-تابع-احتمال-کوانتومی- تابع موج و برهم نهی کوانتومی
اگر سرعت را اندازه بگیریم، طبیعتاً فروریزش تابع موج رخ می دهد و الکترون تنها یک سرعت را بدست می آورد. فرض می کنیم که در نخستین اندازه گیری، الکترون دارای سرعت ۱ است. اگر اندازه گیری را چندین بار با الکترون های دیگر با تابع موج یکسان، تکرار کنیم، به طور تصادفی هر یک از دو سرعت ۱ یا سرعت ۲ بدست می آید. در ۷۵ درصد موارد، الکترون، سرعت ۱ و در ۲۵ درصد باقی مانده، سرعت ۲ را دارد. اما هیچگاه با اطمینان نمی توانیم بگوییم که الکترون در اندازه گیری بعدی، چه مقداری را بدست خواهد آورد.
هنگامیکه یک شی کوانتومی در برهم نهی چندین ویژه حالت قرار دارد، هر یک از این حالات دارای مقدار احتمال معینی هستند. جمع مقادیر احتمال تمام ویژه حالات این شی کوانتومی، مساوی با یک است. نشانه های ریاضی آن به شکل زیر هستند (c1,c2,c3 بزرگی های احتمال هستند):

این رفتار برای ما عجیب به نظر می رسد، اما اگر به تابع موج دقت کنیم، برهم نهی ملموس تر می شود. مثلاً به موقعیت یک شی توجه کنید. همانطور که قبلاً بیان شد، تابع موج، تمام ویژگی های یک شی را دل خود دارد؛ در نتیجه تابع موج، موقعیت شی را مشخص می کند، اما یک مشکل وجود دارد: موج در یک مکان مستقر نمی شود، بلکه در عوض تمایل به پخش شدن در فضا دارد و این ویژگی در مورد تابع موج ما هم صدق می کند. در نتیجه تا زمانیکه تابع موج یک شی، وجود دارد، موقعیت این شی را نمی توان به صورت دقیق تعیین کرد و تنها می توان گفت شی همان جایی است که تابع موجش قرار دارد (در چند ویژه حالت قرار دارد). برای تعیین دقیق موقعیت یک شی کوانتومی، باید تابع موج ناپدید شود که با مشاهده می توانیم به سادگی تابع موج را محو کنیم! بنابراین به هیچ وجه، نگاه خود را دست کم نگیرید!!

اره تاثیر داره درهم تنیدگی در موقعیت­هایی رخ می­دهد که ما نسبت به حالت دو سیستم دانشی جزیی (Partial Knowledge) داریم. بزار یک مثال بزنم فرض کنید در یک فرایندهای مکانیکی کوانتوم (در آزمایشگاه من از تبدیل پارامتری خودبه خود به پایین استفاده می کنیم) یک دسته جفت ذره تولید می کند. از هر جفت یک ذره می گیریم ، آنها را به ترتیب ردیف می کنیم و همه را در یک جعبه می گذاریم ، که این را به یک متخصص آزمایش به نام رهام می دهیم. ما ذرات دیگر را نیز به همین ترتیب بسته بندی کرده و به رها خواهرم می دهیم. این جعبه ها هر کدام دارای دو دکمه (با برچسب 1 و 2) هستند که با فشار دادن آنها اندازه گیری ذره بعدی در خط داخل جعبه انجام می شود. اندازه گیری ها دو نتیجه احتمالی دارند که به صورت چراغ قرمز روی جعبه یا چراغ سبز نشان داده می شوند.
رهام و رها به مکان های دوردست می روند و هر دقیقه یکی از دکمه ها را می فشارند. انتخاب هر دکمه برای فشار دادن در هر دقیقه ، فارغ از همه گزینه های قبلی است و کاملاً به خود آنها بستگی دارد. هر کدام از آنها در پاسخ به هر اندازه گیری چراغ هایی را که چشمک می زنند ، ضبط می کنند. بعداً ، رهام و رها با یکدیگر دیدار می کنند و یادداشت ها را با هم مقایسه می کنند.
بلافاصله ، و قبل از مشاهده داده های دیگری ، اولین چیزی که آنها توافق می کنند این است که هیچ الگوی مشخصی وجود ندارد که چراغ در پاسخ به فشار دادن دکمه چشمک بزند. هر کدام که رهام جعبه خود را فشار دهد ، چراغ قرمز یا سبز آن به احتمال زیاد 50٪ چشمک می زند. به نظر می رسد هیچ قافیه یا دلیلی برای کدام یک یا چرا وجود ندارد.
با این حال ، اندکی بعد ، آنها متوجه شدند که همبستگی شدیدی بین رفتار دو جعبه وجود دارد. برای تنظیمات خاص این جعبه ها ، مشاهداترهام ورها ، که کاملاً با پیش بینی QM موافق هستند ، موارد زیر است:
در جایی که هر دو رهام و رها دکمه 1 را فشار می دادند ، چراغ هایی که روی هر جعبه آنها ظاهر می شد ، در حالی که هنوز هم ظاهراً تصادفی بودند ، در 100٪ مواقع یکسان با یکدیگر بودند.
جایی که یکی از آنها دکمه 1 را فشار می داد و دیگری دکمه 2 را فشار می داد ، چراغ هایی که روی هر جعبه آنها ظاهر می شد در 99٪ مواقع یکدیگر و در 1٪ مواقع متفاوت بودند.
در جایی که هر دو رهام و رها دکمه 2 را فشار می دادند ، چراغ هایی که روی هر جعبه آنها ظاهر می شد 96٪ زمان و 4٪ زمان متفاوت با یکدیگر بودند.
اصل عدم اطمینان هایزنبرگ یک اصل کلیدی در مکانیک کوانتوم است. به طور تقریبی ، بیان می کند که اگر ما همه چیز را در مورد محل قرارگیری یک ذره بدانیم (عدم قطعیت موقعیت کم است) ، در مورد حرکت آن چیزی نمی دانیم (عدم قطعیت حرکت زیاد است) ، و بالعکس.$ΔxΔp≥ℏ/2$
تصویر

ارسال پست