ذرات کوانتومی(زیر اتمی) قسمت چهارم
گاهی چیزهایی- که ما به آن، توجه می کنیم و تصور می کنیم که می دانیم- بزرگترین ناشناخته ها است.
الکترون و راه حل همه جانبه(هولوگرافیک)توده و جرم
آمیرا وال بیکر(آمیرا وال بیکر(پژوهشگر در Resonance Science Foundation که Msci در ستاره شناسی را از دانشگاه کالج لندن و پی اچ دی خود را در ستاره شناسی در دانشگاه Open زیر نظر دکترآندرو نورتون دریافت کرده است.)
جالب ترین چیز که لازم است در مورد الکترون بدانی، این است که هیچ کس نمی داند الکترون چیست! و این عجیب است!
من در مورد علمی سخن می گویم که پایه بررسی جهان اطراف ماست و سخن درمورد آن چیزی است که از اطراف خود حس و ادراک می کنیم.
چرا آسمان، آبی است؟
زمان، چیست؟
آیا کسی بیرون از ما وجود دارد؟
و یا یکی از علایق من اینکه واقعا الکترون چیست؟
برای پاسخ به این سوالات ما باید از قالب و منبعی شروع کنیم که اخیرا شناخته شده است و آن چیزی است که می دانیم یا تصور می کنیم که می دانیم. ولی گاهی چیزهایی- که ما به آن، توجه می کنیم و تصور می کنیم که می دانیم- بزرگترین ناشناخته ها است.
پس ما باید از خودمان بپرسیم ما این را چگونه دانسته ایم؟
ما به عنوان انسان، طی قرن ها پژوهش به این دانش رسیده ایم و یکی از روش ها برای پاسخ دادن، دور شدن از دانش بر اساس واقعیت های به ظاهر بدیهی است و حقیقتا رفتن در سفری است که ما را به این درک برساند.
و این چیزی است که من در مورد الکترون انجام داده ام. الکترون چیست؟ شاید جالب ترین چیز که لازم است در مورد الکترون بدانی، این است که هیچ کس نمی داند الکترون چیست! و این عجیب است!
زیرا وقتی تو در مورد الکترون بیندیشی در مورد یک ذره ی بنیادی فکر میکنی و شاید در مورد تلویزیون های قدیمی فکر کنی که تصویر به وسیله ی اشعه های الکترون ایجاد میشد؛ یا ممکن است در مورد انرژی الکتریکی فکر کنی که اساسا الکتریسیته است و همه ی تکنولوژی امروز ما را ساخته است و همه ی اینها تصورات درستی در مود الکترون میتواند باشد ولی هیچ کدام، چیزی در مورد طبیعت و ساختار الکترون به ما نمی گوید.
بله چیزی که در مورد الکترون می دانیم اینکه دارای توده و جرم است؛ می دانیم شارژ یا انرژی دارد و ما می توانیم این انرژی را به دست بیاوریم تا الکتریسیته داشته باشیم. مرسوم اینکه الکترون ذره ای بنیادی است که ساختار ماده را تشکیل میدهد با اینکه این مطلب هم مورد تردید است و این، چیزی است که از طریق پژوهش علمی به آن رسیده ایم.
ما مشاهده می کنیم؛ سوال طرح می کنیم؛ فرضیه می سازیم و آن را می آزماییم و با دیگر آزمایشات آن را تایید می کنیم و نتیجه می گیریم واین چرخه، دائما تکرار میشود تا به یک نتیجه ی محکم و قطعی در مورد آن چیزی برسیم که اطراف ما می گذرد و این همیشه ممکن است به وسیله ی مطالعات جدید و یافته های نو به چالش کشیده شود و ما باید منتظر یافته های جدید باشیم.
در مرحله ی اول بررسی الکترون، ما باید آن را مشاهده کنیم ولی ما نمی توانیم الکترون را مشاهده کنیم زیرا بسیار کوچک است و کوچکترین چیزی که ما می توانیم مشاهده کنیم اتم است و آن هم نه با میکروسکوپ های عادی بلکه با میکروسکوپ الکترونی که اشیا را یک میلیون بار ریزتر از قطر موی انسان میتواند مشاهده کند. نکته ی دیگر اینکه وقتی می گویم اتم را مشاهده می کنم منظور مشاهده به صورت آنی و واقعی نیست پس با این روش هم شما تصویر آنی و در ساعت، به دست نمی آورید بلکه فقط یک تصویر غیرزنده از خواهید داشت و در صورت مشاهده ی خود الکترون، باز تصویری زنده از خود الکترون نیست.
(موضوع مهم مشاهده ی کیهان مادی، با تنگناهای خاص خود، همراه است.
در بسیاری موارد اصلا مشاهده ی ذرات ریز مانند الکترون با تجهیزات کنونی مشاهده، ممکن نیست و حتی اگر مشاهده ی چیزی ممکن باشد، این مشاهده، محدود به تصاویری است که نهایتا در کنار هم قرار داده می شود و توالی اشیا را در ذهن ما ایجاد می کند؛ بدون آنکه به عوامل محرک و علّی در ایجاد این تصاویر، توجه کند و یا تحولات بین این تصاویر را در نظر بگیرد.
نگاه ما فقط محدود به موارد درشت اشیا نیست؛ بلکه نگاه ما همچنین از بررسی فاصله های بین تصاویر- که در کسری از ثانیه رخ می دهد- ناتوان است؛ به گونه ای که اگر شما چند تصویر درشت از مراحل پرواز پرنده را در کنار هم قرار دهید و آنها را که گاهی در واقعیت، فاصله ی نسبتا زیادی با هم دارند با سرعت در کنار هم نشان دهید، به صورت پرنده ای در حال پرواز خواهد بود؛ این در حالی است که فاصله میان تصاویر ممکن است بسیار بزرگتر از مراحل بال زدن پرنده در واقعیت باشد.
مغز ما تلاش می کند بسیاری از تصویرهای دشوار را نیندوزد.
آنچه ذهن مادی ما می بنید، نه فقط همه ی واقعیت نیست بلکه تلاشی در جهت کم کردن حاشیه ها و تصاویری است که برای زندگی مادی ما مورد نیاز نمی باشد.)
ولی میتوانی انرژی الکترون را به دست بیاوری و تو میتوانی رفتار الکترون را درک کنی و نه اینکه خود الکترون را مشاهده کنی. و این، اخیرا این با یک ترفند، انجام شده است. این دستگاهی است که در سال 1970 ساخته شد و هدف آن پرداختن به ذراتی برای دوره های طولانی است تا ما بتوانیم اندازه گیری های دقیقی داشته باشیم؛ این با به کار بردن میدان مغناطیسی همدست، برای محدودسازی شعاعی و میدان الکترواستاتیک ضعیف چهارپلی انجام میشود تا محدودسازی شعاعی را فراهم کند.
وقتی ذره در این دام انداخته می شود، حرکت دایره وار خواهد داشت و این عمودی بر میدان مغناطیسی است و این به مقداری متناسب با نسبت شارژ به توده ی ذره، انحراف پیدا خواهد کرد. بنابراین با اندازه گیری این انحراف، ما می توانیم توده ی ذره را اندازه گیری کنیم و این روشی است که با آن، ما توده ی الکترون را اندازه می گیریم ولی چیزی که مهم است اینکه این، همیشه آشکار نیست؛ این هیچگاه مانند آنچه در های لایت ها نوشته میشود نخواهد بودغ بلکه شبیه معنی پنهان است یعنی وقتی ما این اندازه گیری را انجام می دهیم ما انرژی را شاهدیم.(مشاهده ای که مستقیم نیست. بسیاری از مشاهدات ما از روی تاثیر به نتیجه میرسد و مشاهده ی عینی و مستقیم نیست.)
بهترین کاری که می توانیم انجام دهیم ترفند به دام انداختن یک آهن و نه یک الکترون منفرد است بنابراین ما وقتی در حال مشاهده ی یک الکترون در اطراف یک هسته ی مرکزی هستیم، در حال مشاهده ی یک الکترون منفرد نیستیم یا در حال اندازه گیری انرژی آن نیستیم و حتی هنوز در حال مشاهده ی آن نیستیم. پس فقط برای روشن کردن ما نمیتوانیم یک الکترون را مشاهده کنیم؛ ما می توانیم انرژی آن را معین کنیم و این روش کشف آن است و این به وسیله ی جیجی تامپسون در سال 1879 انجام شد. او در حال ارزیابی درخشش نوری بود که روی یک صفحه ی فسفری مشاهده می شود. او ولتاژ بالایی را بین دو الکترود در لوله به کار برد و او نتیجه گیری کرد این شعاع ها یا اشعه های ذره ای به صورت منفی، باردار شده اند و این ذرات، همه ی ماده را تشکیل می دهد؛ بنابراین این ایده ای را به پایان می برد که اتم، ریزترین ذره است زیرا اتم ها از این ذرات زیر اتم ساخته شده اند که او آنها را ریز جسم نامید و ما آن را الکترون میخوانیم.
بنابراین، مدل جدید برای اتم مورد نیاز بوده است و تامپسون نخستین کسی بوده است که پیشنهاد داد- همانطور که نیاز به اتم خنثی داریم و آن، پر از الکترون های منفی است- همچنین نیاز دارد با شارژ فوق مثبت احاطه شده باشد که او آن را مدل پودینگ گوجه نامید؛ مانند اینکه گوچه های دارای بار منفی با پودیگ دارای بار مثبت احاطه شده باشد.
بعدا مدل او- همانطور که در داستان علم مرسوم است- به وسیله ی آزمون مشهور ارنست رادرفورد آزمون برگه ی طلا، نادرست تصور شد. او در این آزمون یک ورقه ی نازک طلا را با ذرات آلفا بمباران میکند. این ذرات، بار مثبت دارند و دیدند که فقط درصد کمی از آنها انحراف پیدا کردند. او از این نتیجه گرفت که بیشتر شارژ باید در قسمت میانی، تغلیظ شده باشد که با ذرات دارای بار منفی احاطه شده است.
این بعدا به وسیله ینیلز بور هم کشف شد ولی او پیشنهاد داد که این الکترون ها به صورت نامنظم پراکنده نشده اند؛ برعکس آنها در اوربیتال های پراکنده قرار داشته اند و این، مشابه سیاراتی است که به دور یک ستاره یا چیزی شبیه این، میچرخند. و در این تصویر، الکترون ها منابع توسعه یافته ای هستند و آنها در این اوربیتال های گسسته، وجود دارند.
برای هر مدل، ما باید بتوانیم چیزی را که مشاهده می کنیم توضیح دهیم.
روش دیگر برای مشاهده یک اتم، تحلیل و آنالیز طیفی است و این با گذراندن نور از یک گاز مانند هیدروژن از درون یک منشور است. منشور، این نور را می شکند و نشانه و امضای اتم را نشان می دهد و این به شکل خطوط تابش و انتشار است؛ بنابراین مدل توپی می توانست خصوصیت هیدروژن یا هر اتم مانند هلیویم یونیزه را- که به صورت منفرد یونیزه شده است- توضیح دهد ولی نمی توانست خصوصیتی را توضیح دهد که در اتم های چند الکترونی و پیچیده تر مشخص شده است.
بنابراین این جایی است که مدل کوانتومی وارد عمل می شود. مدل کوانتومی پیشنهاد داده است که به جای این الکترون ها که منابع توسعه یافته، هستند و در اوربیتال های مشخص و مجزا وجود دارند، ذرات نقطه ای وجود دارد که ساختار درونی ندارند و همه ی آنچه میتوان درمورد آن شناخت، توزیع احتمالی آن در اطراف اتم است و این به ابر الکترونی ارجاع داده میشود. اکنون این توزیع احتمالی یا ابر الکترونی می تواند با یک موج احتمال تعریف شود که به عنوان معادله شرودینگر شناخته میشود و اوربیتال هایی- که الکترون میتواند اشغال کند- مشابه موج ایستاده هستند و همانگونه است که با اعداد کوانتومی توضیح داده میشود.(عدم قطعیت، در مکانیک کوانتوم بیان میکند هیچگاه نمیتواند مکان و تکانه ی یک ذره را یه طور دقیق مشخص کرد و این حالت بر پیچیدگی و دشواری درک دقیق عملکرد الکترون و دیگر ذرات بنیادی می افزاید.)
من هرگز نمیخواهم تو را با اعداد کوانتومی اصلی خسته کنم و این اعداد کوانتومی شکل های مختلف ابرهای الکترونی را که تو پیدا میکنی توضیح میدهد. برای نمونه تو میتوانی موارد کروی را که اندکی کوبیده و له شده است در نظر بگیری. موارد کروی و این اعداد کوانتومی متفاوت، خطوط تابش را توضیح میدهد که ما در همه ی اتم های چند الکترونی مشاهده می کنیم؛ پس این مدل میتواند چیزی را توضیح دهد که مدل های قبلی نتوانست بیان کند همچنین می تواند خطوط تابشی را توضیح دهد که به دلیل یک میدان مغناطیسی خارجی آشکار میشود و حتی بیشتر میتواند خطو ط تابشی را توضیح دهد که به دلیل واکنش اتم با خلا کوانتومی رخ میدهد؛ پس یک مدل بسیار موفق در نظر گرفته میشود ولی هنوز توضیح نمیدهد الکترون از کجا آمده است یا ساختار آن و ساختاردرونی آن را توضیح نمی دهد توضیح نمی دهد این ساختار از کجا آمده است.
پس هنوز قطعی نیست و در حقیقت هر دوی این مدل ها- مدل بور و مدل کوانتوم- قادر نیست توده و جرم را از اصول اولیه که از طریق تجربی شناخته شده است به دست بیاورد و به همین علت، هیچ چیزی را در مورد طبیعت یا ساختار آن نشان نمی دهد.
ما هنوز مدل موفقی داریم ولی نمی دانیم جرم و توده ی آن از کجا آمده است پس برای تصویر واضح تر ما نیاز داریم به مدل بیشتر کوانتیزه شده بنگریم که خیلی ریز را به خیلی بزرگ مرتبط کند چیزی شبیه مدل همه جانبه ی تعمیم داده شده- که نسیم هرمیان پیشنهاد داد و این، مرحله ی بعدی است و مانند بسیاری از شماها ممکن است کمی در مورد اپروچ همه جانبه تعمیم داده شده بدانیم. این بر اساس اصول هولوگرافیک(همه جانبه)است که منشا آن، کوشش های دیوید بوهم بوده است و به همین ترتیب شباهت بین فیزیک سیاهچاله ها و ترمودینامیک که به وسیله جاکوب بکنشتین، استیفن هاوکینگ و بعدا به وسیله ی جارد هوفت و لئونارد سوسکانید مطرح شد و آن بر اساس اصول همه جانبه(هولوگرافیک) است، از آن میگذرد.
این تئوری، با تعریف بخش پایه ای انرژی به عنوان واحد کروی نوسان کننده با قطر طول پلانک شروع می شود که ما واحد کروی پلانک(PSU) می نامیم که داده ی سطحی یا انتروپی سطحی را تعریف میکند و ما آن را اصطلاحا PSU هایی می نامیم- که بر افق سطح کروی هر وجود کروی یا هر سیستم کروی در دسترس است- و این، انتروپی حجم یا داده ی حجم را تعریف می کند.
اگر ما بخواهیم آن را انتروپی اطلاعات در اصطلاح تعداد PSU در هر حجم کروی می نامیم و آن در ارتباط بین هر دو به نظر میرسد.
چیزی که در مورد این مدل، جالب است اینکه اصل قبلی هولوگرافیک، به انتروپی حجمی توجه نمی کرد و فقط به انتروپی سطحی توجه میکرد و میگفت انتروپی سطحی، معادل انتروپی حجمی است؛ زیرا در بررسی به حجم نگاه نمیکرد ولی این مدل بر هر دو توجه میکند و ارتباط بین هر دو را اندازه می گیرد پس برای توضیح در این مدل، میگوییم ما اکنون مدلی داریم و در آن انرژی یا اطلاعات هر سیستم را می بینیم که در اصطلاح، تعداد PSU خارجی است که در ارتباط با تعداد PSU در حجم در دسترس میباشد.(نگاه یکجانبه بر الکترون یا هر چیز دیگر، سبب محدودیت در تفسیر رفتارها و واقعیت شیء میشود، ولی نگاه بر ابعاد دیگر ذره، ما را با حقایق بیشتری از آن، مواجه میکند. بی دلیل نیست که هنوز کسی نمیداند الکترون چیست!
بله نگاه عادتی ما بر اشیا سبب میشود به یک دید، عادت کنیم و غافل شویم از اینکه شاید بیننده ی دیگری از بعدی دیگر از آن جسم، حقایق پنهان بیشتری از آن را دریابد.)
و از اینجا ما می توانیم به توده و جرم سیاهچاله و توده ی پروتون بپردازیم و همانطور که دیوید بونآن را توصیف میکند توده ی باز شده ی سیستم و توده ی باز نشده ی سیستم!
پس ما این مدل را داریم که به خوبی عمل میکند. ما می توانیم توده و جرم سیاهچاله ها را پیشبینی کنیم؛ ما می توانیم توده و جرم پروتون را پیشبینی کنیم؛ ما می توانیم شعاع پروتون را پیشگویی کنیم.
سوال بعدی اینکه آیا این اپروچ می تواند به الکترون، توسعه پیدا کند؟
پس مرحله ی اول، کوشش برای پاسخ به این سوال است ببینیم حد فضایی یک الکترون چیست. مدل توپی آن را به عنوان شعاع کلاسیک تعریف میکند ولی آن، به نظر نمی رسد شعاع باشد و بعدا کوانتوم، آن را به عنوان ذره ی نقطه ای تعریف می کند.
ذره ی نقطه ای چیست؟ آن، شعاع ندارد.
پس اجماع و توافقی بر اینکه شعاع الکترون چیست، وجود ندارد. اگر ما در مورد آن با اصطلاحات اپروج هولوگرافیک تعمیم داده شده فکر کنیم که به ما میگوید آن توده از ساختار مقیاس گرانولار پلانک در فضا ایجاد می شود، به جای تفکر درمورد الکترون به عنوان یک سیستم جدا ما می توانیم در مورد آن به عنوان یک ابر انرژی توسعه یافته فکر کنیم که از پروتون به سوی شعاع اتم مثلا هیدروژن توسعه یافته است که نخستین اوربیتال در این اتم است. مهم اینکه وقتی ما این را در اصطلاحات نسبت سطح به حجم هولوگرافیک توضیح دهیم، توده و جرم را می بینیم که دقیقا معادل توده ی اندازه گیری شده به صورت تجربی است ولی این با مدلی انجام شده است که نه فقط توده ی دقیق الکترون را پیشبینی می کند بلکه به ما درکی از طبیعت آن و ساختار آن میدهد سپس ما تصویر واضحی از چیزی داریم که الکترون در آن است واین به اصطلاح PSU است.
الکترون ها در اصطلاح PSU، به طور منسجم با هم کار میکنند.
این اخباری مهم است ولی این پایان داستان نیست. ولی نکته ی من برای صحبت در مورد موضوع امروز این است که بگویم:هر چیز همیشه آنطور که به نظر میرسد نیست و گاهی چیزهایی که ما به عنوان مورد شناخته شده تصور می کنیم حقیقتا بزرگترین موارد ناشاخته هستند.
وقتی ما این را به یاد بیاوریم می توانیم عمیق تر حفاری کنیم و این کاری است که ما در مورد الکترون کردیم.
تشکر از شما. https://www.instagram.com/p/CWvwaFkJZnO/
آدرس مطب : اصفهان ، خیابان آمادگاه ، روبروی داروخانه سپاهان ، مجتمع اطبا ، طبقه اول
تلفن : 32223328 - 031