Quantum physics のテレグラム投稿

فرض کنیم مثلاً چراغ قوه‌ی مخصوصی داریم که این چراغ قوه می‌تواند با فشار یک تکمه که روی آن هست فقط یک فوتون از خودش بتاباند. چراغ قوه را می‌گیریم دستمان و آن را طوری جلو خود نگه می‌داریم که نسبت به کف اتاق حالت افقی داشته باشد. به طوری که وقتی فوتون از آن خارج شد و به دیوار روبرو خورد، به طور کاملاً عمودی به وسط دیوار بخورد. آن محور X و Y که گفتم، در واقع روی یک همچون صفحه‌ای باید رسم شود. یعنی موقعیت فضایی آن صفحه باید طوری باشد که فوتون‌ها از روبرو و کاملاً عمودی به وسط آن بخورند.
Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

دانشمندان می‌آیند فیلترهایی می‌سازند که این فیلترها می‌توانند بعضی از آن فوتون‌ها را که در جهت خاصی نوسان می‌کنند از خودشان عبور دهند و بقیه را نگذارند عبور کند. مثلاً بعضی فیلترها هست که فقط فوتون‌هایی را که در جهت عمودی نوسان می کنند از خودشان عبور می‌دهند. این‌ها بقیه‌ی فوتون‌هایی را که در جهت های دیگر نوسان می‌کنند از خودشان عبور نمی‌دهند. یا فیلترهایی هست که فقط فوتون‌هایی را که در جهت افقی نوسان می‌کنند از خودشان عبور می‌دهند. بنابراین اگر یک دسته اشعه‌ی نوری به یک فیلتر عمودی بتابد، مقدار زیادی از آن‌ها نمی‌توانند از فیلتر رد شوند. فقط فوتون‌هایی از این فیلتر می‌گذرند که در جهت عمودی نوسان می‌کنند. بدیهی است که شدت نور وقتی از فیلتر گذشت خیلی کم می‌شود. برای این که بسیاری از فوتون‌هایش نمی‌توانند از آن بگذرند. اما عوضش نوری خواهد بود که همه‌ی فوتون‌هایش فقط در یک جهت نوسان می‌کنند. این را می‌گویند نور پُلاریزه.
.
در یادداشت‌های قبلی دیدیم فوتون‌ها، یا ذراتی که نور از آن‌ها تشکیل شده است، هم خاصیت ذره‌ای دارند، هم خاصیت موجی. یعنی، در آنِ واحد، هم به صورت ذره هستند هم به صورت موج. موج هم می‌دانیم چیزی است که یک «نوسان» در خود دارد که یکریز تکرار می‌شود. بعد گفتیم، فوتون‌هایی که از یک منبع نوری می‌تابند، همه در یک جهت نوسان نمی‌کنند، بلکه در جهت‌های گوناگون و بیشماری می‌توانند «نوسان» کنند. گفتیم فیزیکدان‌ها برای این که «جهت»ِ نوسان‌های فوتو‌ن‌ها را کمی ساده‌تر و ملموس‌تر بیان کنند، می‌آیند روی یک صفحه دو تا خط عمود برهم رسم می‌کنند. یکی از آن‌ها افقی و دیگری عمود بر آن. اسم خط افقی را می‌گذارند محورY، و اسم آن یکی را محورX. آن وقت می‌توانند جهت نوسان‌های فوتون‌ها را روی این صفحه نشان دهند که ملموس‌تر باشد. اینجا توضیح بیشتری لازم است.

Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

فیزیکدان‌ها برای این که جهت نوسان‌های فوتون‌ها را کمی ساده‌تر و ملموس‌تر بیان کنند، می‌آیند روی یک صفحه دو تا خط عمود برهم رسم می‌کنند. یکی از آن‌ها افقی و دیگری عمود بر آن. اسم خط افقی را می‌گذارند محور Y، و اسم آن یکی را محور X. حالا فرض کنیم در محل تقاطع این دو تا محور، یک منبع نور باشد. مثلاً یک چراغ قوه. فوتون‌هایی که از این منبع در فضا راه می‌افتند، جهت نوسان‌هاشان می‌تواند روی محور X باشد، روی محور Yباشد، و در هر خطی بین این‌ها هم باشد. اما از میان همه‌ی این جهت‌ها سه تا در مطالعات فیزیکی خیلی مهم‌تر است. یکی جهت افقی، دیگری جهت عمودی، سومی هم جهتی که درست وسط این دوتا قرار می‌گیرد و زاویه‌ی نود درجه‌ی بین آن دو محور را نصف می‌کند. فیزیکدان‌ها این سه تا جهت مخصوص را فقط طبق قرارداد انتخاب می‌کنند تا راحت‌تر بتوانند آزمایش مربوط به پلاریزاسیون را انجام دهند. اهمیت این سه تا جهت فقط به همین خاطر است.

Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

مساله دوگانگی موج-ذره یکی از بنیان‌های فیزیک کوانتوم است. نیوتن معتقد بود که نور از ذراتی تشکیل یافته که وقتی به جسم برخورد می‌کنند از آن منعکس می‌شوند. اما هویگنس، مدعی بود که نور خاصیت موجی دارد.

در اواخر قرن نوزدهم، اداره استاندارد آلمان از مکس پلانک پرسید که چطور می‌توان لامپ‌هایی با توان مصرفی کمتر و نور بیشتر تولید کرد؟ پلانک برای پاسخ به این پرسش، به مسأله تابش جسم سیاه و گسسته بودن نور رسید. او دریافت که نور از بسته‌های انرژی ساخته شده. این کشف، دلالت بر خاصیت ذره‌ای نور داشت.
انیشتین تفسیر ذره‌ای نور، پدیده فوتوالکتریک را توضیح داد و کامپتون خاصیت تکانه را برای فوتون بدست آورد. قرن بیستم، دوبروی نشان داد که نه‌ تنها نور بلکه ذرات ماده نظیر الکترون‌ها رفتار دوگانه موج-ذره‌ دارند.
.
در این ویدیو، دکتر کتی مک به زبان ساده درباره دوگانگی موج-ذره توضیح می‌دهد. کپشن: مجله علم روز
.
Channel: @physic_fact
Bot: @physics_sedighi_bot

آزمایش دوشکاف با نور پلاریزه - ١
.
«برای مطالعه بیشتر از نور پلاریزه¹، اینجا کلیک کنید»
.
در آزمایش دو شکاف، جلوی شکافِ راست یک فیلتر افقی می‌گذاریم، و جلوی شکافِ چپ یک فیلتر عمودی. به طوری که وقتی فوتون می‌ خواهد از این شکاف یا آن شکاف بگذرد، قبلش باید از فیلتری که جلوی آن است بگذرد. حالا، اگر یک فوتون را که نوسان موجش روی محور X است، یعنی فوتون عمودی را به سمت صفحه مات بفرستیم، این فوتون فقط می‌تواند از شکاف چپ بگذرد. یعنی فقط از شکافی می‌تواند بگذرد که فیلترش عمودی است. اگر به سمت شکاف راست برود، نمی‌تواند وارد آن شکاف شود. چون فیلتری که جلو شکاف راست است فیلتری افقی است. چرا که فیلتر افقی فقط فوتون‌هایی را از خودش عبور می‌دهد که افقی باشند، و فوتونی که ما فرستاده‌ایم عمودی است، نه افقی. البته این هم باید یادمان باشد که در دنیای کوانتوم همه چیز بر مبنای احتمالات است. بنابراین وقتی می‌گوییم فوتون عمودی همیشه از شکافی می‌گذرد که جلویش فیلتر عمودی گذاشته شده است، این به آن معنی نیست که هر بار که یک فوتون عمودی را به سوی صفحه مات می‌فرستیم این فوتون حتماً از آن شکاف خواهد گذشت. نه، گاهی هم ممکن است اصلاً نگذرد. اما هر بار که بگذرد، فقط از شکافی خواهد گذشت که جلویش فیلتر عمودی هست. اما اگر یک فوتون افقی را به سمت صفحه مات بفرستیم، این فوتون فقط می‌تواند از شکاف راست بگذرد، که جلویش فیلتر افقی هست. این فوتون از شکاف چپ نمی‌تواند بگذرد. چرا که فیلتری که جلوی شکاف چپ است، فیلتری عمودی است، و فوتون افقی نمی‌تواند از آن رد شود.
.
راحت هم می‌شود نشان داد فوتونی که عمودی است فقط از شکافی می‌تواند بگذرد که جلویش فیلتر عمودی هست، و فوتونی که افقی است فقط از شکافی می‌تواند بگذرد که جلویش فیلتر افقی هست. برای این کار می‌توانیم جلو صفحه حساس، که به آن می‌گویند دتکتور، مثلاً یک فیلتر عمودی بگذاریم. هر فوتونی که به صفحه حساس بخورد، از شکاف چپ آمده است، که جلویش فیلتر عمودی هست. یا اگر جلو صفحه حساس یک فیلتر افقی بگذاریم، هر فوتونی که به صفحه حساس بخورد، از شکاف راست آمده است، که جلویش فیلتر افقی هست.
.
و حالا آزمایش‌مان را با فوتونی تکرار می‌کنیم که نوسان موجش نه روی محور X است نه روی محور Y، بلکه روی محوری است که بین این دوتاست. آن گاه چه می‌شود؟ منظور این است که دوباره یک فیلتر عمودی گذاشته‌ایم جلوی شکاف چپ، و یک فیلتر افقی گذاشته‌ایم جلوی شکاف راست، اما این بار داریم فوتون‌هایی را به سمت صفحه مات می‌فرستیم که نه عمودی هستند نه افقی، بلکه موج همه اینها روی محوری بین محور X و Y نوسان می‌کند. مثلاً روی محوری که با X زاویه ٢٠ درجه می‌سازد و با Y زاویه ٧٠ درجه. آنگاه چه می‌شود؟ آزمایش نشان می‌دهد که این فوتون گاهی از شکاف بالایی می‌گذرد گاهی از شکاف پایینی. یعنی گاهی از شکافی می‌گذرد که جلویش فیلتر عمودی هست و گاهی از شکافی می‌گذرد که جلویش فیلتر افقی هست! مثلاً اگر ده بار یک چنین فوتونی را به سمت صفحه مات بفرستیم، چند بار ممکن است اصلاً از صفحه نتواند رد شود، چند بار هم ممکن است از شکاف بالایی بگذرد، چند بار هم ممکن است از شکاف پایینی بگذرد. البته بستگی به محور نوسان هم دارد. اگر محور نوسان به X نزدیک‌تر باشد، بیشتر از شکافی می‌گذرد که جلویش فیلتر عمودی هست، و اگر محور نوسان به Y نزدیک‌تر باشد، بیشتر از شکافی می‌گذرد که جلویش فیلتر افقی هست.
.
Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

قسمت دوم و سوم این آزمایش نشان می‌داد فوتون‌ها به شکل ذره از آن یک شکاف که باز بود عبور کرده‌اند. اما تصویری که در قسمت اول آزمایش روی صفحه ظاهر می‌شد، حکایت از آن داشت که فوتون‌ها به صورت تداخل امواج به آن صفحه رسیده‌اند، و آن تصویر از مجموع این تداخل‌ها ایجاد شده است. اینجا اولین توضیحی که به ذهن خیلی‌ها ممکن است برسد این خواهد بود که چون در هر شعاع نوری تعداد زیادی فوتون هست، بعضی فوتون‌ها از شکاف راست می‌گذرند، بعضی‌ها هم از شکاف چپ، و این فوتون‌های متعدد و مستقل از هم هستند که با یکدیگر تداخل می‌کنند. اما حقیقتاً این طور نیست. چرا؟ برای این که اگر این آزمایش را به جای شلیک هر بار چند فوتون، با شلیک هر بار فقط یک فوتون انجام دهیم، باز هم آخر سر همان تصویر ایجاد می‌شود. یعنی تصویری که حکایت از آن دارد که آن فوتون هر بار که به آن صفحه می‌رسد، به صورت تداخل دوتا موج می‌رسد! خوب، فوتون که تقسیم پذیر نیست. بنابراین نمی‌تواند نصفش از این شکاف بگذرد و نصفش از آن شکاف. پس فقط می‌شود گفت هر بار که خود را به آن صفحه حساس می‌رساند، هم از این شکاف گذشته است هم از آن شکاف، و خودش با خودش پشت صفحه مات تداخل کرده است! چیز بسیار عجیبی است! اما حقیقتی است که هست! این حقیقت حتی می‌تواند خود را به صورت آشکارتری هم نشان دهد. و آن هنگامی است که آزمایش دو شکاف را به جای فوتون معمولی، با فوتون پلاریزه انجام دهیم. یعنی با فوتونی که هر بار که آن را به سوی صفحه مات می‌فرستیم، می‌دانیم موجش درچه جهتی نوسان می‌کند. مثلاً در جهت افقی یا عمودی یا روی محوری دیگر.

Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

بازگشت به آزمایش دو شکاف
.
«برای مطالعه بیشتر آزمایش دو شکاف اینجا کلیک کنید»
.
قبلاً گفتیم که می‌خواهیم آزمایش دو شکاف را دوباره انجام دهیم. منتهی این بار می‌خواهیم با نور پُلاریزه انجام دهیم. این بود که ابتدا نور پُلاریزه را شناختیم. و حالا که نورِ پلاریزه را شناخته‌ایم، بر می‌گردیم به آزمایش دو شکاف. اگرنه که دوباره مطالعه کنید. آزمایش دو شکاف با الکترون یا فوتون معمولی به این صورت بود:
.
یک مقوا داشتیم که این مقوا نور را از خودش عبور نمی‌داد. مثلاً اگر اشعه‌ای از نور را به آن می‌تابانیدیم، هیچ چیزی از این اشعه نمی‌توانست از آن عبور کند. آن وقت می‌آمدیم دو تا شکاف در وسط این مقوا ایجاد می‌کردیم. شکاف‌ها بسیار نزدیک به هم و موازی هم بودند. یک صفحه حساس هم پشت این صفحه و با فاصله‌ای از آن طوری می‌گذاشتیم که دوتا صفحه موازی هم باشند. این صفحه دوم این خاصیت را داشت که هر فوتونی که به آن می خورد، عکسش روی آن می‌افتاد. ما این آزمایش دو شکاف را در سه قسمت انجام می‌دادیم.
.
در قسمت اول، یک دسته شعاع نوری را که از چند فوتون تشکیل می‌شود از روبروی صفحه اول به سوی آن می‌فرستادیم. بعضی فوتون‌ها از شکاف‌ها رد می‌شدند و تصویرشان روی صفحه دوم می‌افتاد. مشخص هم نبود هر بار چند تا از فوتون‌ها از شکاف‌ها می‌گذرند. همچنین نمی‌توانستیم پیش‌بینی کنیم عکسشان در کجای صفحه دوم می‌افتد. یعنی همه چیز از روی تصادف اتفاق می‌افتاد. آزمایش را که ادامه می‌دادیم، کم کم تصویری روی صفحه حساس ظاهر می‌شد که تصویر فوتون‌هایی بود که به صفحه دوم رسیده بودند. این تصویر ابتدا به شکل نقطه‌هایی بود که روی صفحه پراکنده شده بودند. اما با افزایش تعداد آنها، مثلا بعد از صدمین شلیک فوتون کم کم شکل خاصی پیدا می‌کرد. تصویری که از نوارهای باریک و موازی هم تشکیل شده بود که در کنار هم قرار گرفته بودند و یک در میان روشن و تاریک بودند.
.
در قسمت دوم آزمایش، شکاف چپ را می‌بستیم تا فقط شکاف راست باز باشد. دوباره یک دسته شعاع نور را از روبروی صفحا اول به سوی آن می‌فرستادیم. بعضی فوتون ها از شکافی که باز بود رد می‌شدند و تصویرشان روی صفحه دوم می‌افتاد. مشخص هم نبود هر بار چند تا از فوتون‌ها از شکاف می‌گذرند. همچنین مشخص نبود عکسشان در کجای صفحه دوم می‌افتد. همه چیز از روی تصادف اتفاق می‌افتاد. با ادامه این آزمایش هم کم کم نقطه‌هایی روی صفحه دوم ظاهر می‌شد که به شکل کاملاً تصادفی روی آن پراکنده شده بودند. اما تصویر اینها دیگر شکل خاصی پیدا نمی‌کرد. فقط تصویری بود که می‌شد گفت از تجمع تعداد زیادی نقطه ایجاد شده‌.
.
در قسمت سوم آزمایش، شکاف راست را می‌بستیم تا فقط شکاف چپ باز باشد. آزمایش را عیناً مثل دفعه‌های قبل تکرار می‌کردیم. اینجا هم باز تصویری که ایجاد می‌شد، مثل تصویری بود که در قسمت دوم ایجاد شده بود. یعنی تصویری بود که می‌شد گفت از تجمع تعداد زیادی نقطه ایجاد شده است. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

نور پلاریزه (Polarized light) ۵
.
«برای مطالعه بیشتر از نور پلاریزه⁴ اینجا کلیک کنید»
.
اکنون دیگر می‌توانیم نور پُلاریزه یا نورِ قطبی شده را خوب بشناسیم. نور پُلاریزه نوری است که همه فوتون‌هایش در یک جهت نوسان کنند. مثلاً همۀ فوتون‌هایش فقط در جهت عمودی، یعنی روی محور X نوسان می‌کنند. یا مثلاً همه فوتون‌هایش در جهت افقی یا روی محور Y نوسان می‌کنند. یا همین طور مثلاً در جهتی نوسان می‌کنند که محورش زاویه بین محور X و Y را نصف می‌کند. یعنی هم با محور X زاویه ۴۵ درجه می‌سازد هم با محور Y.

تهیه نور پُلاریزه هم بسیار ساده است. کافی است لامپی را روشن کنیم، و آنگاه شیشه یک عینک آفتابی را بگیریم جلوی این لامپ. نوری که ازش عبور می‌کند نور پُلاریزه‌ای خواهد بود که همه فوتون‌هایش در جهت عمودی نوسان می‌کنند.
حالا که دیگر نورِ پلاریزه را شناختیم، بر می‌گردیم به آزمایش دو شکاف. اما این بار آن را با استفاده از فوتون یا فوتون های پلاریزه انجام خواهیم داد. از سه نوع فوتونِ پلاریزه هم استفاده خواهیم کرد. فوتون‌هایی که در جهت عمودی یا روی محور X نوسان می‌کنند، فوتون‌هایی که در جهت افقی یا روی محور Y نوسان می‌کنند، و فوتون‌هایی که روی محور ۴۵ درجه نوسان می‌کنند. یعنی روی محوری که زاویه بین محور X و Y را نصف می‌کند. هم با محور X زاویه ۴۵ درجه می‌سازد هم با محور Y.
Channel: @quantum_by_sedighi
Bot: @physics_sedighi_bot

لازم است که اینجا صحبتی داشته باشم با اعضای محترم کانال کوانتوم؛ هر از چندگاهی چند نفر در پیوی من ظاهر می‌شوند و اینطور ادعا میکنن که اگر من با پست و یادداشت شما مخالفتی داشته باشم، باتوجه به بسته بودن اکشن دیسلایک چطور می‌تونم مخالفتم رو اعلام کنم؟
یکبار برای همیشه دوستان: همان کاری را انجام دهید که وقتی در اکسپلور اینستاگرام یک پستی از نظرتان جالب نمی‌آید را انجام می‌دهید، اگر مخالفتی دارید لازم نیست اکشنی بزارید. می‌تونید مخالفتتون رو در پیوی من اعلام کنید، یا که کانال را ایگنور و رد کنید. به همین سادگی! هیمنطور اگر یادداشت‌هایم از نظرتون آموزنده و مفید بود، با اکشن گذاشتن بر روی یادداشت‌ها اشتیاق مابقی همراهان را برای مطالعه این یادداشت علمی بیشتر کنید.