آزمون اشترن - گرلاخ ، شعبده و ترفندهاي كوانتومي

[MRT]

آزمون اشترن - گرلاخ ، شعبده و ترفندهاي كوانتومي






چنين به نظر ميرسد كه تمامي آزمونهاي مربوط به فيزيك كوانتومي چيزي شبيه به شعبده بازي هستند . اگر ما متوجه ترفند شعبده باز نشويم مسلما فريب او را خورده و دچار گمراهي دور و درازي ميشويم ( پديده‌اي كه آن را انحراف ذهن مي‌خوانند ) ، همچنين مقلوب شخصيت تردست خواهيم شد . همانطور كه در مورد زوج الكترون - پوزيترون گفته شد به طور خيلي خلاصه ، فعلا چنين پنداشته ميشود كه فوتون گاما به زوج الكترون - پوزيترون تبديل ميشود و در اين ميان مقداري از تكانه فوتون مفقود و جذب هسته سنگين ميشود بدون اينكه اين تكانه در جايي مشاهده شود و البته بدون حضور هسته‌هاي سنگين وقوع اين پديده غير ممكن ميباشد . مثل اينكه يك توپ گلف با سرعت خيلي زياد وارد يك جعبه خالي شود ، سپس دو توپ فوتبال به بيرون پرتاب شوند . ترفند اين شعبده اينجاست كه زوج الكترون - الكترون مقيد به هم در اربيتال اتم هستند و انرژي تابش گاما را دريافت مي‌كنند و از هم جدا شده و به بيرون پرتاب ميشوند و توسط آشكارساز منحرف و در اطاقك ابر شناسايي ميشوند و در اين ميان تكانه مفقود شده صرف تبديل يك الكترون به پوزيترون و همچنين خنثي كردن انرژي بستگي زوج به تراز ميشود . مبحث وارونگي ميادين الكتريكي ، توجيهي جديد براي توليد زوج ماده - پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده - پاد ماده يكديگر را نابود نمي‌كنند .













شرح حال آزمون اشترن - گرلاخ :



در اينجا صفحات اسكن شده از كتاب مكانيك كوانتومي مدرن تاليف جي جي ساكورايي را ارايه مي‌كنيم :

اينك استنباط جديد ما از اين آزمون مهم ، آنهم با نگرشي كلاسيك ميتواند چنين باشد كه :




در حرارت زياد كوره ، نقره در خلاء بخار ميشود ولي بعدا سرد و به دماي محيط ميرسد ، اينجا اتم‌هاي نقره ساختار كريستال گونه‌اي ندارند بلكه چنين به نظر ميرسد كه آزاد بوده و منفرد ( مجرد ) باشند . ما نبايد فراموش كنيم آنچه كه باعث چرخش الكترونها پيرامون هسته اتم ميشود ، اسپين خود هسته و بدنبال آن دوران ميادين الكتريكي آن است . پس با در نظر گرفتن اسپين الكترون منفرد چهل و هفتم و گشتاور مغناطيسي آن ناشي از اندازه حركت مداري ( زاويه‌اي ) ، اتمهاي نقره دو قطبي مغناطيسي شده و همانند مغناطيسهاي كوچكي رفتار خواهند كرد .

شكل فوق دوران ميدان الكتريكي پيرامون هسته اتم نقره منفرد ناشي از اسپين هسته با بار مثبت را نشان مي‌دهد . جهت ميدان الكتريكي از داخل به طرف بيرون در نظر گرفته ميشود .

در شكل فوق به علت گشتاور مغناطيسي ، در اتم نقره قطبين مغناطيسي را ميتوان تصور كرد . اما اتمهاي نقره از زمان سرد شدن تا ورودشان به انحراف دهنده مغناطيسي يا همان فيلترهاي Z و .... به علت داشتن قطبين مغناطيسي و به علت مجاورت و نزديكي با هم ، تشكيل زوج اتم نقره - نقره مي‌دهند و اين زوجيت با چرخش حول محور اسپين آنها صورت مي‌گيرد ، يعني شكل زير :

دليل اين ادعا رفتار جالب آهنرباهاي ميله‌اي يا مكعب مستطيلي شكل در فضاست . براي ديدن اين رفتار شگفت انگيز آنها ، انيميشن‌هاي زير را ببينيد :





1- چرخش و جذب دو آهنربا در فضا :



http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/1-1.wmv









2- دفع و چرخش سپس جذب و چرخش دو آهنربا در فضا :
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/1-2.wmv

[MRT]

نكته مهم و قابل توجه اين است كه همه اتمهاي نقره به صورت زوج وارد ميدان مغناطيسي غير يكنواخت دستگاه SG ميشوند . براي اينكه طبق تعاريف شيمي دو اتم نقره ميتوانند اتم منفرد چهل و هفتم خود را در يك اربيتال به اشتراك گذاشته و پيوندي شبيه به پيوند كووالانسي ايجاد كنند كه زياد قوي نخواهد بود . اگر به شكل بالا دقت كنيم در طرف بالا و پايين هر دو قطب و جهت مغناطيسي وجود دارد و هيچ ارجحيت و اولويتي براي انحراف مجموعه زوجها و يا هر اتم نقره وجود نخواهد داشت . براي اينكه اگر خطوط ميدان مغناطيسي را از هر طرف در نظر بگيريم در نهايت برآيند نيروها در مركز زوج صفر خواهد شد . اما اگر ميدان الكتريكي و جهت آنها را پيرامون زوج اتمهاي نقره - نقره و همچنين فيلترهاي z و ... در نظر بگيريم موضوع خيلي فرق خواهد كرد . ابتدا ميدان الكتريكي را در دستگاه آزمون SG ( اشترن - گرلاخ ) برسي مي‌كنيم .

اگر مسير ميدان الكتريكي طبق شكل فوق در فضا دوران و پيچش داشته باشد ( مارپيچ زرد رنگ ) مسلما خطوط ميدان مغناطيسي در فضا پديدار خواهد شد ( منحني هاي بنفش رنگ ) كه هر دو جهت ميدان الكتريكي و مغناطيسي با فلش قرمز و زرد رنگ مشخص شده است . اينك ميتوانيم خطوط ميدان الكترومغناطيسي را در فيلترها مشخص و تعيين كنيم .

شكل فوق تصوير يك ميدان مارپيچ الكتريكي ( مارپيچ زرد ) و قطبين مغناطيسي دو آهنرباي رو در رو را نشان مي‌دهد . هر چند كه يكي از قطبين مغناطيسي با لبه تيز ( زاويه دار و مثلثي شكل ) است و در نتيجه ميدان مغناطيسي غير يكنواختي ايجاد ميشود ولي ميدان الكتريكي همان ساختار مارپيچي و حلقوي خود را حفظ خواهد كرد .

دو پيكان قرمز رنگ سمت چپ تصوير ، مسير ميدان الكتريكي در دو سيم هادي جريان الكتريسيته را نشان ميدهد كه جهت جريان به طور قراردادي از قطب مثبت به منفي در نظر گرفته ميشود و دواير سبز رنگ تو در تو ، خطوط ميادين مغناطيسي تشكيل شده را نشان ميدهند كه جهت ميدان مغناطيسي به طور قراردادي طبق قانون دست راست از قطب N به S مي‌باشد ، يعني جهت مخروطهاي آبي رنگ . در سمت راست تصوير فوق به خاطر درك بهتر موضوع ، خطوط ميدان مغناطيسي را از كمان به پاره خط تغيير داده‌ايم براي اينكه همواره در ميادين مغناطيسي جهت ميدان مشخص است ولي تجسم قطبين مغناطيسي كمي دشوار است ، لازم است مقداري از ميدان برش داده شود ، و اصولا در تمامي ميادين ، سمت و جهت گيري ميدان مهم است و قطبين صرفا جهت درك ابتدا و انتهاي ميدان مطرح ميشوند كه در ميادين بسته مسئله قطبين نيز منتفي ميشود ، به هر حال چون جهت اين خطوط مغناطيسي مخالف يكديگر است در نتيجه قطبين مغناطيسي مخالف در جوار يكديگر قرار گرفته و آنها يكديگر را جذب و در نتيجه سيم‌ها همديگر را مي‌ربايند هرچند كه امتداد خطوط مغناطيسي رو در روي يكديگر قرار گرفته است و چنين پديده‌اي دور از انتظار مي‌باشد ولي آزمون آن را ثابت كرده است .

همانطور كه گفته شد اتمهاي نقره در زمان خروج از كوره و سرد شدن و عبور از موازي كننده در فضا چرخش كرده و تشكيل زوج اتم نقره - نقره را مي‌دهند كه در اين صورت ميادين الكتريكي پيرامون آنها مشابه شكل فوق خواهد بود . اگر از بالا بنگريم جهت ميدان الكتريكي در اتم 1 ساعت گرد ولي در اتم دوم پاد ساعت گرد است و دو اتم همديگر را همواره جذب خواهند كرد . اينك اگر اين زوج تحت هر زاويه‌اي وارد دستگاه SG شوند چنان دوران مي‌كنند كه همه خطوط ميدان الكتريكي اعم از زوج و دستگاه تقريبا روي يك صفحه قرار گيرند يعني شكل زير :

همواره ميبايست به ياد داشته باشيم كه ذرات و همچنين اتمهاي منفرد قبل از زوجيت و همچنين خود زوجها در فضا آزاد هستند كه چرخش و دوران داشته باشند و آنها با احساس كوچكترين ميدان الكتريكي و مغناطيسي در محيط پيرامون از خود واكنش و تغيير جهت نشان داده و خود را با امتداد آنها تطبيق مي‌دهند .

اگر جهت دوران ميدان الكتريكي همسو با جهت دوران ميدان الكتريكي دستگاه SG باشد ، اتم نقره جذب و اگر مخالف باشد مسلما اتم نقره دفع خواهد شد . در اين شرايط زوج اتم نقره - نقره از هم جدا شده و در ميدان الكتريكي دستگاه منحرف ميشوند و چنين خواهيم پنداشت كه براي اسپين الكترون دو اسپين بالا و پايين وجود دارد كه در واقع اسپين اتم نقره و جهت دوران الكترون در روي مدار اتم در ديد ما و در دستگاه SG ساعت گرد و يا پاد ساعت گرد خواهد بود . براي روشن شدن موضوع انيميشن‌هاي زير را ببينيد :




1- خروج اتمهاي نقره از كوره و همچنين موازي كننده و سپس زوجيت آنها با يكديگر :
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/1.wmv






2- ورود زوج اتمهاي نقره - نقره به دستگاه SG :
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/2.wmv






3- انحراف زوج اتم نقره - نقره در ميدان الكتريكي دستگاه SG و گسستن پيوند و زوجيت آنها :
http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/3.wmv








نتيجه گيري كلي از آزمون فوق اين است كه اگر دوران ميادين الكتريكي هم جهت با يكديگر باشد ، ميدانها همديگر را جذب ولي اگر مخالف يكديگر باشد همديگر را دفع مي‌كنند . به انيميشنهاي زير دقت كنيد :



1- http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/5.wmv
2- http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/6.wmv




و موضوع مهم اينكه بخار سرد شده نقره ، چيزي همانند ملكولهاي O2 و H2 و به صورت Ag2 ميباشد ، يعني يك زوج اتم كوانتومي .












آزمونهاي اشترن - گرلاخ متوالي :

در مرحله اول يا دستگاه اول SG ما توانستيم با بهره گيري از ميدانهاي الكتريكي ، زوج اتم نقره - نقره را از هم جدا كنيم . اينك اگر يك دسته از اين اتمهاي جدا شده را وارد دستگاه دوم با ميدان الكتريكي همسو با دستگاه قبلي كنيم ، طبيعي است كه اتمهاي نقره امكان و مجال تشكيل زوج جديد را نخواهند داشت و در همان مسير و جهت قبلي منحرف خواهند شد ، براي اينكه هيچ ميداني مابين دو دستگاه وجود ندارد تا اسپين‌ها را بچرخاند . يعني شكل زير :

انيميشن مربوط به آزمون فوق : http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/4.wmv








همانطور كه مشخص است اسپين‌هاي -z از آزمون حذف و اسپين خروجي فقط +z ميباشد . اينك محور دستگاه دوم را 90 درجه چرخانده تا به موازات و راستاي محور x شود ، يعني شكل زير :

واضح و روشن است كه اتمهاي نقره با توجه به جهت گيري ميدان دستگاه دوم ميبايست چرخش انجام دهند و اين چرخش ميبايست 90 درجه انجام شود تا ميدانهاي الكتريكي دستگاه دوم و اتمهاي نقره در يك صفحه و در راستاي محور x منطبق شوند . چرخش اتمها در اين حالت ، هم ميتواند ساعت گرد باشد و هم پاد ساعت گرد و اتمهاي نقره اين بار خيلي سريع جذب هم شده و تشكيل زوج مي‌دهند و در همين وضعيت وارد دستگاه دوم ميشوند . يعني انيميشن زير :

http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/7.wmv









در واقع اتم نقره اول با رسيدن به ميدان الكتريكي دستگاه دوم SG مقدار 90 درجه چرخش انجام مي‌دهد تا جهت ميدان الكتريكي آن هم جهت با ميدان الكتريكي دستگاه دوم شود ولي اتم نقره دوم تحت تاثير اتم اول ، مقدار 90 درجه در جهت عكس چرخش اتم اول ، دوران كرده تا دو اتم با هم تشكيل يك زوج دهند و در نهايت هر دو وارد دستگاه دوم شده و منحرف ميشوند . يعني انيميشن زير :

http://ki2100.com/AVI/stern_gerlach/8.wmv







اينك اگر اين آزمون را براي سومين بار و در دستگاه سوم و در امتداد محور z ادامه دهيم ، بسيار طبيعي و توجيه پذير خواهد بود كه به اسپينهاي -z و +z دست پيدا كنيم . براي اينكه ميدان الكتريكي دستگاه‌هاي SG همواره باعث چرخش اسپينها و تشكيل زوجهاي جديد ميشود . يكي از شگفتي هاي خواص كوانتومي ذرات زوج اين است كه آنها رابطه زوجيت خود را حفظ مي‌كنند اگرچه فاصله آنها بينهايت شود و هر اثري روي يك زوج ، مسلما به زوج ديگر منتقل خواهد شد .







" سرعت نور شكسته شد


محققان دانشگاهي در سوئيس سيگنالي را رديابي كردند كه سرعتي بالاتر از سرعت نور دارد . به گزارش خبرگزاري مهر ، محققان دانشگاه ژنو در سوئيس موفق به كشف سيگنالي شدند كه سرعت حركت آن از سرعت نور بيشتر است . در دنياي خارق‌العاده كوانتوم و مكانيك كوانتومي ، پديده‌اي به نام درگيري ذرات با يكديگر وجود دارد به اين معني كه اگر دو ذره كه به شدت با هم در ارتباطند را از يكديگر جدا كرده و در فاصله طولاني از هم نگه داريم ، علي رغم فاصله‌اي كه بين آنها وجود دارد ، در صورت بروز تغيير در يكي از ذره‌ها ديگري نيز دچار تغيير خواهد شد . اين پديده توسط دكتر دانيل سالارت و همكارانش در دانشگاه ژنو مورد بررسي قرار گرفت . وي دو فوتون نور مرتبط و درگير به هم را در آزمايشگاه به فاصله 18 كيلومتر از يكديگر دور كرد و با بررسي خصوصيات هر يك از آنها دريافت كه با تغيير در هر كدام ديگري نيز متحول مي شود . وي اين آزمايش را بر روي جفتهاي زيادي از فوتونها انجام داد كه نتايج به دست آمده مشابه نتيجه اوليه بود . با مشاهده اين نتايج محققان به اين نتيجه رسيدند كه بين اين دو ذره سيگنالي در حال حركت است كه خصوصيات يكي را به ديگري منتقل مي كند . بر اساس گزارش NewScientist، محققان بر اين باورند كه اين سيگنال بايد سرعتي 10000 بار بيشتر از سرعت نور داشته باشد تا بتواند خصوصيت يك فوتون را به ديگري منتقل كند .
نظريه ديگري كه اين تيم ارائه داد مبني بر اين است كه سنجش خصوصيات يك فوتون به سرعت بر روي فوتونهاي ديگر نيز تاثير مي گذارد .
http://www.mehrnews.ir/NewsPrint.aspx?NewsID=732981 "
و اين ممكن نخواهد بود مگر وجود رابطه زوجيت مابين ذرات زير اتمي و حتي خود اتمها .









اينك براي اسپين ميتوان سه حالت كلي و بنيادي را در نظر گرفت :




1- O اسپين باز : Open

تمامي ذراتي كه دوران داشته و باردار به نظر ميرسند ، اسپين باز دارند . به طور مثال يك الكترون :

همانطور كه مشخص است با دوران الكترون ، ميدان الكتريكي آن نيز دوران پيدا كرده و طبق قرار داد جهت ميدان از خارج به طرف داخل است .











2- C اسپين بسته : Close



در اين حالت ميدان الكتريكي به مقداري دوران پيدا مي‌كند كه امتداد خطوط ميدان از مركز ذره باردار يا ميدان الكتريكي ، خارج و حول مركز به صورت دوايري تو در تو و پيوسته در مي‌آيد كه ميتوانيم آن را يك ميدان الكتريكي بسته و تا بينهايت در نظر بگيريم ، براي اينكه اين ميدان دايره‌اي شكل هيچ آغاز و پاياني ندارد . در اين حالت ذره خنثي و بدون بار الكتريكي به نظر خواهد رسيد .

3- R اسپين وارونه : Reverse

وارونگي ميدان الكتريكي در يك الكترون زماني روي ميدهد كه يك شوك قوي الكترومغناطيسي توسط پرتو پر انرژي گاما به الكترون وارد شود ، در اين حالت بخصوص ، الكتروني كه تحت تاثير تابش اشعه گاما قرار ميگيرد به علت شارژ ناگهاني الكترومغناطيسي قوي از جانب گاما ، ميدان الكتريكي پيرامونش وارونه شده و به پوزيترون تبديل ميشود . همانطور كه از شكل زير بر مي‌آيد امتداد خطوط الكتريكي در پوزيترون همانند پروتون از داخل به خارج است يعني عكس جهت ميدان در الكترون :

در واقع با وارونه شدن اسپين هر ذره‌اي ، ذره به پاد ذره ( ضد خودش ) تبديل ميشود .




محمدرضا طباطبايي 12/2/88

http://www.ki2100.com/physics/stern_gerlach.htm