Rez@ee
12th July 2012, 11:01 AM
فیزیکدانان در فرانسه برای شبیه سازی اثر زیمان[1] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn1) از جفت قطره های جهنده روی سطح سیال استفاده کرده اند – پدیده ای که نقشی مهم در توسعه اولیه مکانیک کوانتومی بازی کرد. توانایی شبیه سازی اثرات کاملا کوانتومی با استفاده از چنین سامانه های کلاسیکی، می تواند درک ما را از تعبیر ریاضی مکانیک کوانتومی ارتقا دهد.
معنای معادله شرودینگر چیست؟ نزدیک به 90 سال پیش و از زمان معرفی پایه های اصلی مکانیک کوانتومی، فیزیکدانان در این باره مناقشه کرده اند. با این که توان پیش بینی این معادله بارها در آزمایشگاه های سراسر جهان آزموده شده است، هنوز تعبیر دقیق جواب های معادله شرودینگر(توابع موج) واضح نیست.
http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/16/7/9/PWdrop_090712.jpg (http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/16/7/9/PWdrop_090712.jpg)
دو قطره چرخان
محبوب ترین مکتب فکری یعنی «تعبیر کپنهاگی[2] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn2)» توسط نیلز بوهر[3] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn3) و ورنر هایزنبرگ[4] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn4) در دهه 1920 فرمول بندی شد. این تعبیر احتمالی از مکانیک کوانتومی می گوید ویژگی های مشاهده پذیر یک ذره تا اندازه گیری مقادیر معینی ندارد. هرچند این دیدگاه به شکل عمومی پذیرفته شده نیست و برخی دیگر از فیزیکدانان تعبیر دیگری را از مکانیک کوانتومی ترجیح می دهند؛ تعبیری که «موج راهبر[5] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn5)» نامیده و توسط لوییس دوبروی[6] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn6)(1927) و بعدا توسط دیوید بوهم[7] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn7) ساخته شد. در این تعبیر، ویژگی های مشاهده پذیر ذرات کوانتومی در همه زمان ها تعریف شده فرض می شوند اما این ویژگی ها توسط موج راهبری می شوند که کاملا دوگانگی موج-ذره را شرح می دهد. این تعبیر در واقع مثالی از نظریه متغیر پنهان است زیرا ویژگی های قابل اندازه گیری مکانیک کوانتومی را نتیجه ای از یک واقعیت فیزیکی و در عین حال از دید تجربی غیرقابل دسترس یعنی موج می داند.
ساختگی یا محسوس؟
این دو نظریه از دید ریاضی تمیزناپذیرند، بنابراین برخی از فیزیکدانان «تعبیر بوهمی[8] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn8)» را تلاشی ساختگی برای تشریح نتایج آزمایش مکانیک کوانتومی بدون پنا بردن به تعابیر عجیب مکتب کپنهاگ می دانند. در 1980 مایکل بری[9] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn9) و همکارانشان در دانشگاه بریستول انگلستان از شباهت موج های سطحی در یک سیال کلاسیک استفاده کردند تا توضیح محسوسی از اثر آهارانوف-بوهم[10] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn10) فراهم آورند.
اکنون، ایو کودر[11] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn11) از دانشگاه پاریس ددروت و همکارانش، این شباهت را با مطالعه قطره های جهنده کوچک در سطح یک حمام لرزان از روغن سیلیکون آزموده اند. قطره ها موج هایی را روی سطح سیال ایجاد می کنند و مرتبا از سوی این امواج تاثیر می گیرند. به نظر کودر، این موقعیت هم ارز «موج راهبر» مکانیک کوانتومی است.
وی می گوید:«بین قطره ها و موج همزیستی وجود دارد، زیرا اگر قطره ای وجود نداشته باشد موجی هم نیست و اگر هیچ موجی وجود نداشته باشد هیچ قطری حرکت نمی کند.» کودر و همکارانشان باور دارند که این برهمکنش بین قطره و موج مثالی از دوگانگی موج-ذره در یک سامانه کلاسیکی است زیرا در حالی که قطره در فضا همانند یک ذره جایگزیده شده اند، حرکت تحت تاثیر موج راهبر قرار می گیرد.
حالت های مقید
کودر مصر است که سامانه گروه وی شباهت دقیقی با مکانیک کوانتومی ندارد زیرا مثلا به ورود پیوسته انرژی با لرزش حمام نیاز داد. در پژوهش قبلی گروه نیز، آن ها از قطرات برای مشابه های پراش تک ذره و تونل زنی استفاده کرده اند. آن ها نشان دادند که دو قطره می توانند دور هم بچرخند تا مشابه حالت های مقید گسسته در یک اتم، حالت های مقید شکل بگیرد.
در پژوهش جدید، گروه اثر زیمان را بررسی کرد – اثری کوانتومی که در آن سطوح انرژی در یک اتم در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی می شکنند. اتم در حالت مقید یک هسته و یک/تعداد بیشتری الکترون است و این موقعیت با یک حالت مقید از دو قطره شبیه شازی می شود.
برای ساخت مشابه میدان مغناطیسی اعمال شده، پژوهشگران حمام را چرخاندند. حالت مقید دو قطره ای می توانست در جهت یا خلاف جهت چرخش حمام بچرخد که شبیه سازی از حالت های تکانه زاویه ای مداری یک اتم است. در غیاب میدان مغناطیسی شبیه سازی شده، هر دو این حالت های دورانی انرژی یکسان دارند. وقتی حمام چرخانده می شود، انرژی حالت های دورانی جدا شده و یکی افزایش و دیگری کاهش می یابد – همانند حالت های تکانه زاویه ای یک اتم در یک میدان مغناطیسی. گروه گذارهای ناگهانی را بین سطوح انرژی مشاهده کرد.
فرناندو لوند[12] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn12) از دانشگاه شیلی در سانتیاگو که گروهی پژوهشی مشابهی را رهبری می کند اما در پژوهش کنونی حضور نداشته، می گوید: «مهمترین ویژگی این مقاله و دیگر مقاله های این گروه استفاده هنرمندانه از فناوری روز برای یافتن مشابهت بین فیزیک کلاسیکی و کوانتومی است؛ به ویژه شباهت هایی که بتوان به سادگی آن ها را به تصویر کشید» تلاش برای نمونه سازی پدیده های کوانتومی با وسایل کلاسیکی می تواند جذاب باشد. او ادامه می دهد:«پیشنهاد محبوب من، اسپین نیم صحیح بعضی از ذرات همانند الکترون است. هرچند برای چنین سوالی هیچ جوابی ندارم!»
منبع:
Bouncing droplets simulate Zeeman effect, Physicsworld.com, Jul 9, 2012, link (http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jul/09/bouncing-droplets-simulate-zeeman-effect)
مرجع:
Unpredictable Tunneling of a Classical Wave-Particle Association, Phys. Rev. Lett. 102, 240401, link (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i26/e264503)
[1] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref1) Zeeman effect
[2] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref2) Copenhagen interpretation
[3] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref3) Niels Bohr
[4] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref4) Werner Heisenberg
[5] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref5) pilot wave
[6] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref6) Louis de Broglie
[7] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref7) David Bohm
[8] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref8) Bohm interpretation
[9] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref9) Michael Berry
[10] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref10) Aharonov–Bohm effect
[11] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref11) Yves Couder
[12] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref12)
انجمن فیزیک ایران
معنای معادله شرودینگر چیست؟ نزدیک به 90 سال پیش و از زمان معرفی پایه های اصلی مکانیک کوانتومی، فیزیکدانان در این باره مناقشه کرده اند. با این که توان پیش بینی این معادله بارها در آزمایشگاه های سراسر جهان آزموده شده است، هنوز تعبیر دقیق جواب های معادله شرودینگر(توابع موج) واضح نیست.
http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/16/7/9/PWdrop_090712.jpg (http://images.iop.org/objects/phw/news/thumb/16/7/9/PWdrop_090712.jpg)
دو قطره چرخان
محبوب ترین مکتب فکری یعنی «تعبیر کپنهاگی[2] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn2)» توسط نیلز بوهر[3] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn3) و ورنر هایزنبرگ[4] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn4) در دهه 1920 فرمول بندی شد. این تعبیر احتمالی از مکانیک کوانتومی می گوید ویژگی های مشاهده پذیر یک ذره تا اندازه گیری مقادیر معینی ندارد. هرچند این دیدگاه به شکل عمومی پذیرفته شده نیست و برخی دیگر از فیزیکدانان تعبیر دیگری را از مکانیک کوانتومی ترجیح می دهند؛ تعبیری که «موج راهبر[5] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn5)» نامیده و توسط لوییس دوبروی[6] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn6)(1927) و بعدا توسط دیوید بوهم[7] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn7) ساخته شد. در این تعبیر، ویژگی های مشاهده پذیر ذرات کوانتومی در همه زمان ها تعریف شده فرض می شوند اما این ویژگی ها توسط موج راهبری می شوند که کاملا دوگانگی موج-ذره را شرح می دهد. این تعبیر در واقع مثالی از نظریه متغیر پنهان است زیرا ویژگی های قابل اندازه گیری مکانیک کوانتومی را نتیجه ای از یک واقعیت فیزیکی و در عین حال از دید تجربی غیرقابل دسترس یعنی موج می داند.
ساختگی یا محسوس؟
این دو نظریه از دید ریاضی تمیزناپذیرند، بنابراین برخی از فیزیکدانان «تعبیر بوهمی[8] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn8)» را تلاشی ساختگی برای تشریح نتایج آزمایش مکانیک کوانتومی بدون پنا بردن به تعابیر عجیب مکتب کپنهاگ می دانند. در 1980 مایکل بری[9] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn9) و همکارانشان در دانشگاه بریستول انگلستان از شباهت موج های سطحی در یک سیال کلاسیک استفاده کردند تا توضیح محسوسی از اثر آهارانوف-بوهم[10] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn10) فراهم آورند.
اکنون، ایو کودر[11] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn11) از دانشگاه پاریس ددروت و همکارانش، این شباهت را با مطالعه قطره های جهنده کوچک در سطح یک حمام لرزان از روغن سیلیکون آزموده اند. قطره ها موج هایی را روی سطح سیال ایجاد می کنند و مرتبا از سوی این امواج تاثیر می گیرند. به نظر کودر، این موقعیت هم ارز «موج راهبر» مکانیک کوانتومی است.
وی می گوید:«بین قطره ها و موج همزیستی وجود دارد، زیرا اگر قطره ای وجود نداشته باشد موجی هم نیست و اگر هیچ موجی وجود نداشته باشد هیچ قطری حرکت نمی کند.» کودر و همکارانشان باور دارند که این برهمکنش بین قطره و موج مثالی از دوگانگی موج-ذره در یک سامانه کلاسیکی است زیرا در حالی که قطره در فضا همانند یک ذره جایگزیده شده اند، حرکت تحت تاثیر موج راهبر قرار می گیرد.
حالت های مقید
کودر مصر است که سامانه گروه وی شباهت دقیقی با مکانیک کوانتومی ندارد زیرا مثلا به ورود پیوسته انرژی با لرزش حمام نیاز داد. در پژوهش قبلی گروه نیز، آن ها از قطرات برای مشابه های پراش تک ذره و تونل زنی استفاده کرده اند. آن ها نشان دادند که دو قطره می توانند دور هم بچرخند تا مشابه حالت های مقید گسسته در یک اتم، حالت های مقید شکل بگیرد.
در پژوهش جدید، گروه اثر زیمان را بررسی کرد – اثری کوانتومی که در آن سطوح انرژی در یک اتم در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی می شکنند. اتم در حالت مقید یک هسته و یک/تعداد بیشتری الکترون است و این موقعیت با یک حالت مقید از دو قطره شبیه شازی می شود.
برای ساخت مشابه میدان مغناطیسی اعمال شده، پژوهشگران حمام را چرخاندند. حالت مقید دو قطره ای می توانست در جهت یا خلاف جهت چرخش حمام بچرخد که شبیه سازی از حالت های تکانه زاویه ای مداری یک اتم است. در غیاب میدان مغناطیسی شبیه سازی شده، هر دو این حالت های دورانی انرژی یکسان دارند. وقتی حمام چرخانده می شود، انرژی حالت های دورانی جدا شده و یکی افزایش و دیگری کاهش می یابد – همانند حالت های تکانه زاویه ای یک اتم در یک میدان مغناطیسی. گروه گذارهای ناگهانی را بین سطوح انرژی مشاهده کرد.
فرناندو لوند[12] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_edn12) از دانشگاه شیلی در سانتیاگو که گروهی پژوهشی مشابهی را رهبری می کند اما در پژوهش کنونی حضور نداشته، می گوید: «مهمترین ویژگی این مقاله و دیگر مقاله های این گروه استفاده هنرمندانه از فناوری روز برای یافتن مشابهت بین فیزیک کلاسیکی و کوانتومی است؛ به ویژه شباهت هایی که بتوان به سادگی آن ها را به تصویر کشید» تلاش برای نمونه سازی پدیده های کوانتومی با وسایل کلاسیکی می تواند جذاب باشد. او ادامه می دهد:«پیشنهاد محبوب من، اسپین نیم صحیح بعضی از ذرات همانند الکترون است. هرچند برای چنین سوالی هیچ جوابی ندارم!»
منبع:
Bouncing droplets simulate Zeeman effect, Physicsworld.com, Jul 9, 2012, link (http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jul/09/bouncing-droplets-simulate-zeeman-effect)
مرجع:
Unpredictable Tunneling of a Classical Wave-Particle Association, Phys. Rev. Lett. 102, 240401, link (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i26/e264503)
[1] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref1) Zeeman effect
[2] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref2) Copenhagen interpretation
[3] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref3) Niels Bohr
[4] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref4) Werner Heisenberg
[5] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref5) pilot wave
[6] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref6) Louis de Broglie
[7] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref7) David Bohm
[8] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref8) Bohm interpretation
[9] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref9) Michael Berry
[10] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref10) Aharonov–Bohm effect
[11] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref11) Yves Couder
[12] (http://psi.ir/html/news/news/news2_f.asp?id=518#_ednref12)
انجمن فیزیک ایران