برای مطالعهی نحوهی حرکت ذرات، به یک تفنگ نخودفروشی خوب ذرات نیاز داریم که ذرات زیادی برای بازی تولید کند. معلوم میشود که یک لیزر پوینتر، علاوه بر سرگرم کردن گربه، منبع عالی ذرات است. مقدار زیادی فوتون تولید میکند که همگی تقریباً در یک جهت و با تقریباً انرژی یکسان (که با رنگشان مشخص میشود) حرکت میکنند.
اگر به نور لیزر پوینتر نگاه کنیم، از انتهای لیزر خارج میشود و در خط مستقیم حرکت میکند تا به مانعی برخورد کند و پراکنده شود (یا به آینه برخورد کند و بازتابد). در این نقطه وسوسه میشویم حدس بزنیم که میدانیم ذرات چگونه حرکت میکنند: مثل ساچمههای کوچک از انتهای لیزر خارج میشوند و در خط مستقیم حرکت میکنند تا به چیزی برخورد کنند. اما بهعنوان مشاهدهگران خوب، بیایید مطمئن شویم.
بیایید ذرات را با یک مسیر مانع به چالش بکشیم؛ با بریدن شکافهای نازک در فویل آلومینیومی با تیغ ریشتراش. در فویل آلومینیومی چند برش مختلف زدهام. اولی یک شکاف تکی است، چند میلیمتر طول. برای دومی دو تیغ را روی هم گذاشتهام و با آنها دو شکاف موازی به فاصلهی چند دهم میلیمتر بریدهام.
در اتاقی تاریک، لیزر پوینترم را طوری تنظیم کردم که در عرض اتاق شلیک کند و به دیوار خالی برخورد کند. همانطور که انتظار میرفت یک نقطه میبینم (به شرطی که گربه اطراف نباشد). سپس شکاف تکی فویل را در مسیر لیزر قرار میدهم و به الگو روی دیوار نگاه میکنم. وقتی نور را از شکاف تکی عبور میدهیم، میبینیم که پرتو بهطور چشمگیری در جهت "عمود" بر شکاف گسترش مییابد — نه در امتداد شکاف.
جالب است. اما ادامه دهیم.
حالا شکافهای نزدیک به هم را در پرتو لیزر قرار میدهیم. نور دوباره گسترش مییابد، اما حالا یک الگوی راهراه ظاهر میشود.
تبریک! شما همین الان یک اثر مکانیک کوانتومی را دیدهاید! این همان آزمایش کلاسیک دو شکاف است. الگوی راهراه را تداخل مینامند و نشانهی مشخص مکانیک کوانتومی است. ما راهراههای زیادی مثل این خواهیم دید.
احتمالاً قبلاً چنین تداخلی را دیدهاید، چون امواج آب و صدا دقیقاً همین نوع راهراه را نشان میدهند.
در عکس بالا، هر توپ موجهایی ایجاد میکند که به شکل دایره بیرون میروند. اما یک موج هم قله دارد و هم دره. در برخی جاها قلهی موج یکی از توپها همیشه با درهی دیگری همزمان میشود (و برعکس). در این نواحی موجها همیشه یکدیگر را خنثی میکنند و آب آرام است. در مکانهای دیگر، قلههای موج هر دو توپ همیشه با هم میرسند و با هم جمع میشوند تا موجی خیلی بلندتر بسازند. در این مکانها درهها هم با هم جمع میشوند و خیلی عمیقتر میشوند.
پس آیا این واقعیت که وقتی لیزر پوینتر از دو شکاف عبور میکند راهراه میبینیم به این معناست که ذرات موج هستند؟ برای پاسخ به این سؤال باید دقیقتر نگاه کنیم.
🔴 آشپزخانهی حرفهای
دو شکاف دو کار انجام میدادند: هر شکاف پرتو را پخش میکرد (همانطور که وقتی فقط از یک شکاف عبور میکردیم دیدیم)، در حالی که دو شکاف نزدیک به هم به ذرات انتخاب میدادند که از کدام شکاف عبور کنند. میتوانیم از یک چیدمان آزمایشی متفاوت استفاده کنیم تا عمل پخش کردن پرتو و اجبار به انتخاب را واضحتر از هم جدا کنیم، و این چیدمان بزرگتر به ما اجازه میدهد با جزئیات بیشتری ببینیم چه اتفاقی میافتد. (این لحظهای در برنامهی آشپزی است که ابزار عجیب و غریبی مثل مشعل کرم بروله بیرون میآورند که بعید است در خانه داشته باشید.)
لیزر را نگه میداریم، از یک عدسی برای پخش کردن پرتو استفاده میکنیم، سپس از یک آینهی نیمهنقرهای برای دادن انتخاب یکراه-یا-راه-دیگر به ذرات. سپس با چند آینهی خوب و یک آینهی نیمهنقرهای دیگر پرتوها را دوباره ترکیب میکنیم قبل از اینکه به دیوار یا صفحه برسند. اگر یکی از آینهها کمی نامیزان باشد، دوباره راهراهها را میبینیم (جاهایی که موجها با هم جمع میشوند و یکدیگر را خنثی میکنند).
آنچه برای من جالب است این است که این چیدمان "بزرگ" است. نیازی به میکروسکوپ ندارم تا با آن کار کنم. برای راحتی آن را در اندازهی میز ساختهام، اما میتوانستیم آن را خیلی بزرگ بسازیم. در آزمایش LIGO که برای تشخیص امواج گرانشی استفاده میشود، نور را در بازوهایی به طول ۴ کیلومتر میفرستند، و با نور رادیویی حتی از فضاپیمای کاسینی وقتی به زحل نزدیک میشد بهعنوان آینه استفاده کردهایم. مکانیک کوانتومی به دنیای میکروسکوپی محدود نیست.
اما بیایید با آزمایش اندازهی انسان خودمان بازی کنیم و اثرهای کوانتومی بیشتری ببینیم.
1
1August 16, 2026 261 4
