آزمون اشترن - گرلاخ، شعبده و ترفندهای کوانتومی
چنین به نظر می‌رسد که تمامی آزمون‌های مربوط به فیزیک کوانتومی
چیزی شبیه به شعبده‌بازی هستند. اگر ما متوجه ترفند شعبده‌باز
نشویم مسلماً فریب او را خورده و دچار گمراهی دور و درازی می‌شویم
(پدیده‌ای که آن را انحراف ذهن می‌خوانند)، همچنین مقلوب شخصیت
تردست خواهیم شد. همان‌طور که در مورد زوج الکترون - پوزیترون گفته
شد به طور خیلی خلاصه، فعلاً چنین پنداشته می‌شود که فوتون گاما به
زوج الکترون - پوزیترون تبدیل می‌شود و در این میان مقداری از
تکانه فوتون مفقود و جذب هسته سنگین می‌شود بدون اینکه این تکانه
در جایی مشاهده شود و البته بدون حضور هسته‌های سنگین وقوع این
پدیده غیرممکن است. مثل‌اینکه یک توپ گلف با سرعت خیلی زیاد وارد
یک جعبه خالی شود، سپس دو توپ فوتبال به بیرون پرتاب شوند. ترفند
این شعبده اینجاست که زوج الکترون - الکترون مقید به هم در
اوربیتال اتم هستند و انرژی تابش گاما را دریافت می‌کنند و از هم
جدا شده و به بیرون پرتاب می‌شوند و توسط آشکارساز منحرف و در
اتاقک ابر شناسایی می‌شوند و در این میان یک الکترون به پوزیترون
تبدیل می‌شود. مبحث
وارونگی میادین الکتریکی، توجیهی جدید برای تولید زوج الکترون -
پوزیترون، بر خلاف انتظار ما، ماده - پادماده یکدیگر را نابود نمی‌کنند
شرح‌حال آزمون اشترن - گرلاخ:
در اینجا صفحات اسکن شده از کتاب مکانیک کوانتومی مدرن تألیف جی جی
ساکورایی را ارائه می‌کنیم:
اینک استنباط جدید ما از این آزمون
مهم، آن هم با نگرشی کلاسیک می‌تواند چنین باشد که:
در حرارت زیاد کوره، نقره در خلأ بخار می‌شود؛ ولی بعداً سرد و به دمای
محیط می‌رسد، اینجا اتم‌های نقره ساختار کریستال گونه‌ای ندارند؛ بلکه
چنین به نظر می‌رسد که آزاد بوده و منفرد (مجرد) باشند [حرارت دادن و
بخارکردن سریع نقره در کوره دو دلیل کلی دارد. اول جداشدن اتم‌های نقره
از همدیگر، دوم شتاب گرفتن اتم‌های نقره (چیزی مثل انفجار و پراکنده
شدن ذرات) در یک مسیر یا مجرا و سردشدن آنها در مراحل بعدی زیاد مهم به
نظر نمی‌رسد؛ چون محیط آزمون سرد است]. ما نباید فراموش کنیم آنچه که
باعث چرخش الکترون‌ها پیرامون هسته اتم می‌شود، اسپین خود هسته و به
دنبال آن دوران میادین الکتریکی آن است. پس با درنظرگرفتن اسپین
الکترون منفرد چهل و هفتم و گشتاور مغناطیسی آن ناشی از اندازه حرکت
مداری (زاویه‌ای)، اتم‌های نقره دوقطبی مغناطیسی شده و همانند
مغناطیس‌های کوچکی رفتار خواهند کرد.
شکل
فوق دوران میدان الکتریکی پیرامون هسته اتم نقره منفرد ناشی از اسپین
هسته با بار مثبت را نشان می‌دهد. جهت میدان الکتریکی از داخل به‌طرف
بیرون در نظر گرفته می‌شود.
در
شکل فوق به علت گشتاور مغناطیسی، در اتم نقره قطبین مغناطیسی را
می‌توان تصور کرد. اما اتم‌های نقره از زمان سردشدن تا ورودشان به
انحراف دهنده مغناطیسی یا همان صافی‌های Z و.... به علت داشتن قطبین
مغناطیسی و به علت مجاورت و نزدیکی با هم، تشکیل زوج اتم نقره - نقره
می‌دهند و این زوجیت با چرخش حول محور اسپین آنها صورت می‌گیرد، یعنی
شکل زیر:
دلیل این ادعا رفتار جالب آهنرباهای
میله‌ای یا مکعب‌مستطیلی شکل در فضاست. برای دیدن این رفتار شگفت‌انگیز
آنها، انیمیشن‌های زیر را ببینید:
۱- چرخش و جذب دو آهنربا در فضا:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/1-1.wmv
۲-
دفع و چرخش سپس جذب و چرخش دو آهنربا در فضا:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/1-2.wmv
نکته
مهم و قابل‌توجه این است که همه اتم‌های نقره به‌صورت زوج وارد میدان
مغناطیسی غیریکنواخت دستگاه SG می‌شوند. برای اینکه طبق تعاریف شیمی دو
اتم نقره می‌توانند اتم منفرد چهل و هفتم خود را در یک اوربیتال به
اشتراک گذاشته و پیوندی شبیه به پیوند کووالانسی ایجاد کنند که زیاد
قوی نخواهد بود. اگر به شکل بالا دقت کنیم در طرف بالا و پایین هر دو
قطب و جهت مغناطیسی وجود دارد و هیچ ارجحیت و اولویتی برای انحراف
مجموعه زوج‌ها و یا هر اتم نقره وجود نخواهد داشت. برای اینکه اگر خطوط
میدان مغناطیسی را از هر طرف در نظر بگیریم در نهایت برآیند نیروها در
مرکز زوج صفر خواهد شد. اما اگر میدان الکتریکی و جهت آنها را پیرامون
زوج اتم‌های نقره - نقره و همچنین فیلترهای z و... در نظر بگیریم موضوع
خیلی فرق خواهد کرد. ابتدا میدان الکتریکی را در دستگاه آزمون SG
(اشترن - گرلاخ) برسی می‌کنیم.
اگر
مسیر میدان الکتریکی طبق شکل فوق در فضا دوران و پیچش داشته باشد
(مارپیچ زردرنگ) مسلماً خطوط میدان مغناطیسی در فضا پدیدار خواهد شد
(منحنی‌های بنفش‌رنگ) که هر دو جهت میدان الکتریکی و مغناطیسی با فلش
قرمز و زردرنگ مشخص شده است. اینک می‌توانیم خطوط میدان الکترومغناطیسی
را در فیلترها مشخص و تعیین کنیم.
شکل
فوق تصویر یک میدان مارپیچ الکتریکی (مارپیچ زرد) و قطبین مغناطیسی دو
آهنربای رودررو را نشان می‌دهد. هر چند که یکی از قطبین مغناطیسی با
لبه تیز (زاویه‌دار و مثلثی شکل) است و در نتیجه میدان مغناطیسی غیر
یکنواختی ایجاد می‌شود؛ ولی میدان الکتریکی همان ساختار مارپیچی و
حلقوی خود را حفظ خواهد کرد.
دو
پیکان قرمزرنگ سمت چپ تصویر، مسیر میدان الکتریکی در دو سیم هادی جریان
الکتریسیته را نشان می‌دهد که جهت جریان به طور قراردادی از قطب مثبت
به منفی در نظر گرفته می‌شود و دوایر سبزرنگ تودرتو، خطوط میادین
مغناطیسی تشکیل شده را نشان می‌دهند که جهت میدان مغناطیسی به طور
قراردادی طبق قانون دست راست از قطب N به S است، یعنی جهت مخروط‌های
آبی‌رنگ. در سمت راست تصویر فوق به‌خاطر درک بهتر موضوع، خطوط میدان
مغناطیسی را از کمان به پاره‌خط تغییر داده‌ایم برای اینکه همواره در
میادین مغناطیسی جهت میدان مشخص است؛ ولی تجسم قطبین مغناطیسی کمی
دشوار است، لازم است مقداری از میدان برش داده شود، و اصولاً در تمامی
میادین، سمت و جهت‌گیری میدان مهم است و قطبین صرفاً جهت درک ابتدا و
انتهای میدان مطرح می‌شوند که در میادین بسته مسئله قطبین نیز منتفی
می‌شود، به‌هرحال چون جهت این خطوط مغناطیسی مخالف یکدیگر است در نتیجه
قطبین مغناطیسی مخالف در جوار یکدیگر قرار گرفته و آنها یکدیگر را جذب
و در نتیجه سیم‌ها همدیگر را می‌ربایند هرچند که امتداد خطوط مغناطیسی
رودرروی یکدیگر قرار گرفته است و چنین پدیده‌ای دور از انتظار است؛ ولی
آزمون آن را ثابت کرده است.
همان‌طور که گفته شد اتم‌های نقره در زمان خروج از کوره و سردشدن و
عبور از موازی‌کننده در فضا چرخش کرده و تشکیل زوج اتم نقره - نقره را
می‌دهند که در این صورت میادین الکتریکی پیرامون آنها مشابه شکل فوق
خواهد بود. اگر از بالا بنگریم جهت میدان الکتریکی در اتم ۱ ساعت‌گرد
ولی در اتم دوم پادساعت‌گرد است و دو اتم همدیگر را همواره جذب خواهند
کرد. اینک اگر این زوج تحت هر زاویه‌ای وارد دستگاه SG شوند چنان دوران
می‌کنند که همه خطوط میدان الکتریکی اعم از زوج و دستگاه تقریباً روی
یک صفحه قرار گیرند؛ یعنی شکل زیر:
همواره می‌بایست به یاد داشته باشیم که ذرات و همچنین اتم‌های منفرد
قبل از زوجیت و همچنین خود زوج‌ها در فضا آزاد هستند که چرخش و دوران
داشته باشند و آنها با احساس کوچک‌ترین میدان الکتریکی و مغناطیسی در
محیط پیرامون از خود واکنش و تغییر جهت نشان داده و خود را با امتداد
آنها تطبیق می‌دهند.
اگر
جهت دوران میدان الکتریکی همسو با جهت دوران میدان الکتریکی دستگاه SG
باشد، اتم نقره جذب و اگر مخالف باشد مسلماً اتم نقره دفع خواهد شد. در
این شرایط زوج اتم نقره - نقره از هم جدا شده و در میدان الکتریکی
دستگاه منحرف می‌شوند و چنین خواهیم پنداشت که برای اسپین الکترون دو
اسپین بالا و پایین وجود دارد که در واقع اسپین اتم نقره و جهت دوران
الکترون در روی مداراتم در دید ما و در دستگاه SG ساعت‌گرد و یا
پادساعت‌گرد خواهد بود. برای روشن‌شدن موضوع انیمیشن‌های زیر را
ببینید:
۱- خروج اتم‌های نقره از کوره و همچنین
موازی‌کننده و سپس زوجیت آنها با یکدیگر:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/1.wmv
۲- ورود زوج اتم‌های نقره - نقره به دستگاه
SG :
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/2.wmv
۳- انحراف زوج اتم نقره - نقره در میدان
الکتریکی دستگاه SG و گسستن پیوند و زوجیت آنها:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/3.wmv
نتیجه‌گیری کلی از آزمون فوق این است که اگر دوران میادین الکتریکی هم
جهت با یکدیگر باشد، میدان‌ها همدیگر را جذب ولی اگر مخالف یکدیگر باشد
همدیگر را دفع می‌کنند. به انیمیشن‌های زیر دقت کنید:
1-
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/5.wmv
2-
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/6.wmv
و
موضوع مهم اینکه بخار سرد شده نقره، چیزی همانند مولکول‌های O۲ و H۲ و
به‌صورت Ag2 است، یعنی یک زوج اتم کوانتومی.
آزمون‌های اشترن - گرلاخ
متوالی:
در مرحله اول یا دستگاه اول SG ما توانستیم با بهره‌گیری از
میدان‌های الکتریکی، زوج اتم نقره - نقره را از هم جدا کنیم. اینک اگر
یک دسته از این اتم‌های جدا شده را وارد دستگاه دوم با میدان الکتریکی
همسو با دستگاه قبلی کنیم، طبیعی است که اتم‌های نقره امکان و مجال
تشکیل زوج جدید را نخواهند داشت و در همان مسیر و جهت قبلی منحرف
خواهند شد، برای اینکه هیچ میدانی مابین دو دستگاه وجود ندارد تا
اسپین‌ها را بچرخاند. یعنی شکل زیر:
انیمیشن مربوط به آزمون فوق:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/4.wmv
همان‌طور که مشخص است اسپین‌های -z از آزمون حذف و اسپین خروجی فقط +z
است. اینک محور دستگاه دوم را ۹۰ درجه چرخانده تا به‌موازات و راستای
محور x شود، یعنی شکل زیر:
واضح
و روشن است که اتم‌های نقره باتوجه‌به جهت‌گیری میدان دستگاه دوم
می‌بایست چرخش انجام دهند و این چرخش می‌بایست ۹۰ درجه انجام شود تا
میدان‌های الکتریکی دستگاه دوم و اتم‌های نقره در یک صفحه و در راستای
محور x منطبق شوند. چرخش اتم‌ها در این حالت، هم می‌تواند ساعت‌گرد
باشد و هم پادساعت‌گرد و اتم‌های نقره این بار خیلی سریع جذب هم شده و
تشکیل زوج می‌دهند و در همین وضعیت وارد دستگاه دوم می‌شوند. یعنی
انیمیشن زیر:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/7.wmv
در
واقع اتم نقره اول با رسیدن به میدان الکتریکی دستگاه دوم SG مقدار ۹۰
درجه چرخش انجام می‌دهد تا جهت میدان الکتریکی آن هم جهت با میدان
الکتریکی دستگاه دوم شود؛ ولی اتم نقره دوم تحت‌تأثیر اتم اول، مقدار
۹۰ درجه در جهت عکس چرخش اتم اول، دوران کرده تا دو اتم با هم تشکیل یک
زوج دهند و در نهایت هر دو وارد دستگاه دوم شده و منحرف می‌شوند. یعنی
انیمیشن زیر:
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/8.wmv
اینک
اگر این آزمون را برای سومین بار و در دستگاه سوم و در امتداد محور z
ادامه دهیم، بسیار طبیعی و توجیه‌پذیر خواهد بود که به اسپین‌هایی -z و
+z دست پیدا کنیم. برای اینکه میدان الکتریکی دستگاه‌های SG همواره
باعث چرخش اسپین‌ها و تشکیل زوج‌های جدید می‌شود. یکی از شگفتی‌های
خواص کوانتومی ذرات زوج این است که آنها رابطه زوجیت خود را حفظ
می‌کنند اگرچه فاصله آنها بین‌هایت شود و هر اثری روی یک زوج، مسلماً
به زوج دیگر منتقل خواهد شد.
" سرعت نور شکسته شد:
محققان دانشگاهی در سوئیس سیگنالی
را ردیابی کردند که سرعتی بالاتر از سرعت نور دارد. به گزارش خبرگزاری
مهر، محققان دانشگاه ژنو در سوئیس موفق به کشف سیگنالی شدند که سرعت
حرکت آن از سرعت نور بیشتر است. در دنیای خارق‌العاده کوانتوم و مکانیک
کوانتومی، پدیده‌ای به نام درگیری ذرات با یکدیگر وجود دارد به این
معنی که اگر دو ذره که به‌شدت با هم در ارتباط‌اند را از یکدیگر جدا
کرده و در فاصله طولانی از هم نگه داریم، علی‌رغم فاصله‌ای که بین آنها
وجود دارد، در صورت بروز تغییر در یکی از ذره‌ها دیگری نیز دچار تغییر
خواهد شد. این پدیده توسط دکتر دانیل سالارت و همکارانش در دانشگاه ژنو
مورد بررسی قرار گرفت . وی دو فوتون نور مرتبط و درگیر به هم را در
آزمایشگاه به فاصله ۱۸ کیلومتر از یکدیگر دور کرد و با بررسی خصوصیات
هر یک از آنها دریافت که با تغییر در هر کدام دیگری نیز متحول می‌شود .
وی این آزمایش را بر روی جفت‌های زیادی از فوتون‌ها انجام داد که نتایج
به‌دست‌آمده مشابه نتیجه اولیه بود. با مشاهده این نتایج محققان به این
نتیجه رسیدند که بین این دو ذره سیگنالی در حال حرکت است که خصوصیات
یکی را به دیگری منتقل می‌کند. بر اساس گزارش NewScientist، محققان بر
این باورند که این سیگنال باید سرعتی ۱۰۰۰۰ بار بیشتر از سرعت نور
داشته باشد تا بتواند خصوصیت یک فوتون را به دیگری منتقل کند. نظریه
دیگری که این تیم ارائه داد مبنی بر این است که سنجش خصوصیات یک فوتون
به‌سرعت بر روی فوتون‌های دیگر نیز تأثیر می‌گذارد.
http://www.mehrnews.ir/NewsPrint.aspx?NewsID=732981 "
و
این ممکن نخواهد بود مگر وجود رابطه زوجیت مابین ذرات زیر اتمی و حتی
خود اتم‌ها.
به
بیان ساده در شکل فوق سمت چپ یک میدان مغناطیسی یکنواخت با قدرت قطبین
مساوی تصور می‌شود که یک زوج اتم نقره در وسط آن قرار گرفته که مسلماً
نیروی جاذبه و یا دافعه در هر جهت مساوی بوده و زوج اتم به مسیر مستقیم
خود ادامه داده و هیچ انحرافی مشهود نیست؛ ولی در سمت راست یک میدان
مغناطیسی غیریکنواخت با قدرت قطبین نامساوی تصور می‌شود که یک زوج اتم
نقره در آن، علی‌رغم داشتن نیروی پیوند و زوجیت دور را دور با همدیگر،
از هم فاصله گرفته و دو مسیر مجزا را پدیدار می‌کنند که در ابتدا چنین
تصور می‌شود الکترون‌ها دو نوع بوده و دو نوع اسپین ذاتی برای خود
دارند که در واقع چنین نیست! بلکه تمامی الکترون‌ها همگی مشابه هم
هستند و این شکل استقرار زوج اتم نقره و انحراف آنها در دستگاه SG چنین
ذهنیتی را برای ما ایجاد می‌کند و ممکن است برای سایر زوج ذرات نیز این
اتفاق روی دهد.
اینک برای اسپین می‌توان سه حالت کلی و
بنیادی را در نظر گرفت:
1- O اسپین باز: Open
تمامی ذراتی که دوران
داشته و باردار به نظر می‌رسند، اسپین باز دارند. به طور مثال یک
الکترون:
همان‌طور که مشخص است با دوران
الکترون، میدان الکتریکی آن نیز دوران پیدا کرده و طبق قرارداد جهت
میدان از خارج به‌طرف داخل است.
2- C اسپین بسته: Close
در این حالت میدان الکتریکی به مقداری دوران پیدا می‌کند که امتداد
خطوط میدان از مرکز ذره باردار یا میدان الکتریکی، خارج و حول مرکز
به‌صورت دوایری تودرتو و پیوسته در می‌آید که می‌توانیم آن را یک میدان
الکتریکی بسته و تا بین‌هایت در نظر بگیریم، برای اینکه این میدان
دایره‌ای‌شکل هیچ آغاز و پایانی ندارد. در این حالت ذره خنثی و بدون
بار الکتریکی به نظر خواهد رسید.
3- R اسپین وارونه: Reverse
وارونگی میدان الکتریکی در یک الکترون زمانی روی می‌دهد که یک شوک قوی
الکترومغناطیسی توسط پرتو پر انرژی گاما به الکترون وارد شود، در این
حالت بخصوص، الکترونی که تحت‌تأثیر تابش اشعه گاما قرار می‌گیرد به علت
شارژ ناگهانی الکترومغناطیسی قوی از جانب گاما، میدان الکتریکی
پیرامونش وارونه شده و به پوزیترون تبدیل می‌شود. همان‌طور که از شکل
زیر بر می‌آید امتداد خطوط الکتریکی در پوزیترون همانند پروتون از داخل
به خارج است؛ یعنی عکس جهت میدان در الکترون:
در واقع با
وارونه شدن اسپین هر ذره‌ای، ذره به پادذره (ضد خودش) تبدیل می‌شود.
خلاصه مطلب اینکه ما برای تشخیص اسپین از میادین الکترومغناطیسی
استفاده می‌کنیم و خود این میادین در اسپین تأثیر گذاشته و حتی در آنها
تغییر ایجاد می‌کنند و ما در مورد تشخیص خود اسپین هم با یک عدم‌قطعیت
خیلی بزرگی روبرو هستیم که در نتیجه اسپین جزو خصوصیات ذاتی ذرات نیست؛
بلکه در دید ناظر تغییر پیدا می‌کند.
خلاصه گفته باشیم مقدار عددی عدم‌قطعیت در تشخیص اسپین در یک میدان
الکترومغناطیسی برای زوج ذرات دوقطبی تقریبا ۵۰ درصد است.
محمدرضا طباطبايي 12/2/88
http://www.ki2100.com
