تد

گربه شرودینگر: یک آزمایش فکری درباره مکانیک کوانتوم – چاد اورزل

فیزیکدان اتریشی اروین شرودینگر، یکی از پایه‌گذاران مکانیک کوانتوم، این سوال معروف را مطرح کرد: اگر گربه‌ای را به همراه دستگاهی که ۵۰٪ درصد ممکن است آن را در یک ساعت آینده بکشد در جعبه‌ای بسته بگذاریم، وقتی زمان گربه تمام شود موقعیت آن چه خواهد بود؟ چاد اورزل این آزمایش فکری را بررسی می‌کند. درس از چاد اورزل، انیمیشن از آگوتا وگسو.

متن سخنرانی – گربه شرودینگر: یک آزمایش فکری درباره مکانیک کوانتوم – چاد اورزل

فیزیکدان اتریشی اروین شرودینگر یکی از پایه‌گذاران مکانیک کوانتوم است، اما بیشتر به خاطر کاری که درواقع هرگز نکرد مشهور است: یک تجربه فکری شامل یک گربه. او تصور کرد یک گربه را بگیریم و در یک جعبه بسته قرار دهیم با دستگاهی که ۵۰٪ ممکن است گربه را در یک ساعت آینده بکشد. در پایان آن ساعت می‌پرسد، “موقعیت گربه چیست؟” احساس عمومی می‌گوید که یا مرده است یا زنده، اما شرودینگر با توجه به فیزیک کوانتوم آن را بررسی کرد، در لحظه‌ای قبل از باز شدن در جعبه، گربه به یک اندازه و همزمان هم زنده است و هم مرده.

تنها زمانی که در جعبه را باز می‌کنیم متوجه موقعیت قطعی می‌شویم. تا آن زمان، گربه هاله‌ای از احتمال است، نیم یک چیز و نیمی چیز دیگر. مبهم به نظر می‌رسد، هدف شرودینگر هم همین است. او فیزیک کوانتوم را آنقدر از نظر فلسفی مشکل ساز دید، که نظریه‌ای که خودش به ساختن آن کمک کرده بود را نادیده گرفت و به نوشتن درباره زیست‌شناسی روی آورد.

هر چند خیلی مبهم به نظر می‌رسد، با این وجود گربه شرودینگر خیلی واقعی است. در واقع، ضروری است. اگر برای چیزهای کوانتومی داشتن دو موقعیت در آن واحد امکان پذیر نبود، کامپیوتری که برای دیدن این ویدیو استفاده می‌کنید نمی‌توانست به وجود بیاید. پدیده کوانتومی برهم‌نهی نتیجه‌ای از ذره دوگانه و ماهیت موجی همه چیز است.

برای آنکه یک چیز طول موج داشته باشد، باید در بخشی از فضا گسترده شود، و این یعنی در آن واحد موقعیت‌های بسیاری را اشغال می‌کند. اما طول موج چیزی که به بخش کوچکی از فضا محدود است را نمی‌توان کاملاً شرح داد. چون در یک زمان در چندین طول موج وجود دارد. ما این خصوصیات موجی را برای اجسام روزمره نمی‌بینیم چون طول موج با افزایش تکانه کاهش می‌یابد.

و یک گربه نسبتاً بزرگ و سنگین است. اگر یک اتم را برداریم و به اندازه منظومه شمسی بزرگ کنیم، طول موج گربه‌ای که از دست یک فیزیکدان فرار می‌کند به کوچکی یک اتم در آن منظومه شمسی خواهد بود. خیلی کوچک‌تر از آن است که تشخیص داده شود، پس ما هیچ وقت رفتار موجی از یک گربه نخواهیم دید. اما ذره‌ای کوچک مثل الکترون می‌تواند شواهد چشمگیری از طبیعت دوگانه خود نشان دهد.

اگر الکترون‌ها را یکی یکی به سمت دو درز باریک که در مانع ایجاد شده پرتاب کنیم، در آن سوی مانع هر الکترون مانند یک ذره در یک مکان واحد و در لحظه واحد یافت می‌شود. اما اگر این آزمایش را بارها تکرار کنید، و تمام شناسایی‌های مجزا را دنبال کنید، خواهید دید الگویی ایجاد می‌کنند که ویژگی رفتار موجی است: دسته‌ای از نوار‌ها – مناطقی با چندیدن الکترون که از مناطقی که هیچ الکترونی ندارند جدا شده‌اند.

اگر یکی از شکاف‌ها را بپوشانید نوارها از بین خواهند رفت. این نشان می‌دهد که الگو نتیجه عبور هر الکترون از هر دو شکاف در یک زمان است. یک الکترون بین چپ و راست انتخاب نمی‌کند بلکه از چپ و راست با هم عبور می‌کند. این برهم‌نهی موقعیت‌ها همچنین منجر به فناوری مدرن شده است. یک الکترون نزدیک هسته اتم در پهنه‌ای با مدار موج مانند وجود دارد.

دو اتم را به هم نزدیک کنید، و الکترون‌ها بین آن دو اتم یکی را انتخاب نخواهند کرد بلکه بین آنها تقسیم خواهند شد. بعضی پیوندهای شیمیایی به این صورت شکل می‌گیرند. یک الکترون در یک مولکول تنها روی اتم A یا اتم B نیست، بلکه روی A+B است. با اضافه شدن اتم‌های بیشتر، الکترون‌ها بیشتر پخش می‌شوند، و در آن واحد میان تعداد زیادی اتم به اشتراک گذاشته می‌شوند.

الکترون‌های جسم جامد به یک اتم خاص نمی‌چسبند بلکه بین همه آنها به اشتراک گذاشته می‌شوند و در فضای وسیعی گسترش می‌یابند. این برهم‌نهی عظیم موقعیت‌ها نحوه حرکت الکترون‌ها در ماده را مشخص می‌کند، چه رسانا، عایق یا نیمه رسانا باشد. درک نحوه اشتراک الکترون‌ها میان اتم‌ها به ما اجازه می‌دهد ویژگی‌های مواد نیمه رسانا مانند سیلیکون را به صورت دقیق کنترل کنیم.

با درست ترکیب کردن نیمه رساناهای مختلف می‌توانیم ترانزیستورهایی در ابعاد خیلی کوچک بسازیم، و میلیون‌ها از آنها را روی یک چیپ کامپیوتری قرار دهیم. آن چیپ‌ها و الکترون‌های پخش‌شده آنها کامپیوتری که برای دیدن این ویدیو استفاده می‌کنید را روشن می‌کنند. یک لطیفه قدیمی می‌گوید اینترنت وجود دارد تا فیلم‌های گربه را به اشتراک بگذاریم.

پس در سطحی بسیار عمیق، اینترنت وجود خود را مدیون فیزیکدان اتریشی و گربه خیالی‌اش است.

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا