نور: یه چیزی بیییییییییینِ موج و ذره :)

سلام،

خُب این اولین پُست من در اینجا است. در واقع اولین پُست اینترنتی من به این شکل. کمی در گوپس (g+) می‌نویسم، اما به طور کلی اهل نوشتن در دنیای مجازی نیستم. این بار هم عباس به من گفت که بنویسم. قرار شد کمی درباره‌ی آزمایشی که کمی پیش‌تر انجام شد بنویسم. در واقع باید خیلی زودتر می‌نوشتم اما نشد.

خُب قضیه چیه؟ در یک خط بخوایم بگیم داستان این است که برای اولین بار به طور هم‌زمان ویژگی ذره‌ای و موجی نور دیده شده!

بگذارید برگردیم عقب. در زمان جناب نیوتون و فرما نور، به عنوان یک سری ذره دیده می‌شد، اینکه میگم دیده می‌شد یعنی منظر عمومی و علمی و نه «دیدن با چشم». این طور فکر می‌شد که نور از یک سری ذره تشکیل شده که در جهت مستقیم حرکت می‌کنند و با برخورد با سطحی یا عبور می‌کنند و یا بازتاب می‌شوند. قانون اسنل-دکارت هم به ما می‌گه که اگر ذرات بخواهند بازتاب پیدا کنند، با همون زاویه‌ای که نسب به خط عمود به سطح تابیده شدند، بازتاب می‌شوند و اگر هم عبور کنند بسته به سرعت نور در دو محیط زاویه در محیط دوم تعیین میشه(همون قانونی که توش سینوس و زاویه و اینا داره:) ). اگر اصل جناب فِرما رو هم بپذیرید هر دو قانون به‌دست می‌آیند. اصل این است که نور مسیری رو طی می‌کنه که کمترین زمان رو سپری کنه. یعنی می‌خواد زود به مقصد برسه. با کمی ریاضیات و هندسه هر دو قانون با این اصل اثبات می‌شوند. خُب، همه چیز خوب بود و عدسی‌ها، تلسکوپ‌ها و میکروسکوپ‌ها هم ساخته شدند. بخش 26 نوشته‌های فاینمن را می‌تونید بخونید.

اما این نوع نگاه به نور همه چیز رو توضیح نمی‌داد! برای نمونه پراش رو توضیح نمی‌داد. در آزمایش پراش شما یک روزنه‌ی باریک دارید که نور به علت عبور از این روزنه‌ی کوچک طرحی روشن-تاریک روی صفحه‌ی نمایش درست می‌کنه. اگر یک لیزر داشته باشید(فکر می‌کنم همین لیزرهای کوچک دستی هم کار را راه بیاندازد) و آن را به یک تار مو بتابانید روی دیوار یک طرح روشن و خاموش می‌بینید. اینجا تار جای روزنه است و هوای بیرون جای فضایی که روزنه روی آن تشکیل شده بوده! درست است برعکس است! اینجا نور از همه جا جز تار مو به دیوار می‌رسد، اما در حالتی که روزنه داریم، فقط از روزنه نور می‌رسد. اما نتیجه در کُل یکسان است. بخش 30 نوشته‌های فاینمن را می‌تونید بخونید.

این آزمایش و به نظر کارهای دیگر فیزیک‌دانان رو وادار کرده بود تا تئوری موجی رو آماده کنند. در این بین آزمایش دوشکافی یانگ هم خیلی تاثیر

گذاشت. در این آزمایش روی یک دیواره‌ی مات دو شکاف ایجاد می‌کنند. از یک منبع، نور به سمت این دو شکاف تابیده می‌شود و پس از عبور از دو شکاف نور به پرده می‌رسد. برای اینکه آزمایش رو بفهمیم اول بیاید حالت تک شکاف رو در نظر بگیریم. فرض هم می‌کنیم پراش نداریم. یعنی لبه‌ی روزنه‌ای که درست کردیم دست به نور نمی‌زنه. انتظار داریم که روبروی روزنه بر روی پرده نور یک بخش روشن داشته باشیم و همین طور آرام آرام با دور شدن از آن، شدت نور کم بشه. حالا اگر دو تا از این روزنه‌ها داشته باشیم چی؟ خُب انتظار می‌ره که دو تا از این روشنی‌ها داشته باشیم. یعنی یکی روبروی روزنه‌ی اول و یکی دیگه روبری روزنه‌ی دوم. بقیه‌ی جاها هم به تناسب فاصله‌شون کمتر  و کمتر روشن باشند. اما در کمال تعجب یک سری موجود روشن و خاموش می‌بینیم! اینکه یک جاهایی کاملن تیره باشند، یعنی اصلن انگار نه انگار که نور تابیده شده عجیبه واقعن!!! بخش 29 از نوشته‌های فاینمن را می‌تونید بخونید.

اینجا است که تئوری موجی نور خیلی خودنمایی می‌کنه. اگر شما در نظر بگیرید که دو جبهه‌ی موج دارید، یکی از روزنه‌ی اول و یکی از دوم، این دو جبهه می‌تونن به صورت هم‌فاز یا ناهم‌فاز به هم برسند، پس می‌تونند بر شدت هم بیافزایند یا کم کنند، می‌تونند برای هم مفید باشند یا مخرب. پس یه جاهایی روشنایی زیاد میشه و یک جاهایی تاریک!

در ادامه‌ی قرن نوزدهم با توسعه‌ی الکترومغناطیس و نوشته شدن معادلات ماکسول، مشخص شد که برای نور میشه یک توصیف موجی پیدا کرد. ماکسول نشون داد که نور در معادله‌ی موجی صدق می‌کنه که در مکانیک و صوت می‌شناختند. پس نور موج است! از طرفی همون معادلات تمامی آنچه در دنیای ذره‌ای هم بود رو توصیف کردند. یعنی قانون بازتاب با زاویه‌ی یکسان با تابش و قانون اسنل-دکارت از دل توصیف موجی و معادلات ماکسول بیرون اومد. پس دیگه همه چیز به نظر خوب می‌رسید، تمامی آزمایش‌ها با توصیف جدید می‌خوند و همه خوشحال. پس نور موج بود.

اما کمی که گذشت ورق برگشت. آزمایشی انجام شد به نام فوتوالکتریک .

در این آزمایش نور به یک ورقه‌ی رسانا تابیده می‌شود. اگر شرایطی مهیّا باشد، الکترون‌ها از ورقه کنده می‌شوند. اگر این برگه به پتانسیل صفر بسته شده باشد، و در جایی دیگر پتانسیل مثبت باشد، الکترون‌ها به سمت پتانسیل مثبت می‌روند و به این ترتیب آشکار می‌شوند. بر اساس تئوری الکترومغناطیس اگر شدت نور به اندازه‌ی کافی زیاد باشد، باید الکترون‌ها از ورقه کَنده شوند. طبق این پیش‌بینی فرکانس نور تابیده اهمیت ندارد. در این صورت در هر فرکانسی اگر شدت نور به اندازه‌ی کافی زیاد شود باید بتوان الکترون را کَند. اما در آزمایش خلاف این دیده شد. شدت به هیچ وجه مهم نیست! فرکانس مهم است! فرکانس نور تابیده باید از حدی بیشتر باشد تا الکترون‌ها کَنده شوند و به سمت پتانسیل مثبت حرکت کنند. انیشتین پدیده را با توصیف ذره‌ای از نور توجیه کرد. این یکی از مقالات مهم 1905 انیشتین است. خودش فکر می‌کرد که دیگه هیچ وقت کسی به این آزمایش و مقاله برنمی‌گرده اما خُب هم به خاطرش نوبل گرفت و هم بی‌شک در چارچوب فکری فیزیک‌دانان تاثیر شگرفی گذاشت. اما توجیه چی بود؟ توجیه این است که نور از بسته‌های انرژی تشکیل شده. هر بسته انرژی مشخصی داره که رابطه‌ی خطی با فرکانس داره. به این ترتیب انرژی نور کوانتیده است و ضریب صحیحی از انرژی بسته‌ها است. به این ترتیب این شدت نیست که اهمیت داره، بلکه فرکانس نور است. جالب اینجا است که پس از توسعه‌ی تئوری کوانتوم این بسته‌های نور بهتر شناخته شدند و مشخص شد هر کدام انرژی و تکانه‌ی مشخصی دارند و این بسیاری از پدیده‌های بعدی در دنیای کوچک مقیاس رو توصیف کرد. این بسته‌های کوچک، این ذرات نور رو فوتون می‌نامند. بخش‌های 37 و 38 از فاینمن را ببینید.

خیلِ خُب… تا اینجا دیدیم که هرجایی یک نوع نگاه به نور به ما کمک می‌کنه تا پدیده رو توصیف کنیم. اما آیا می‌تونیم آزمایشی انجام بدیم که هم‌زمان هر دو جنبه رو نشون بده؟

الآن جواب این سوال بلی است. در دانشگاه پلی‌تکنیک لوزان اومدند و یک پرتو نور رو به یک نوار نازک رسانا تاباندند. به این ترتیب یک موج ایستا از نور در داخل این سیم نازک درست کردند. خُب پس موج داریم، اما یادمون باشه که این نور جنبه‌ی ذره‌ای هم داره. اما سوال مهم‌تر اینکه اصلن چه طور نور رو ببینیم؟ ما همیشه با نور همه چیز رو می‌بینیم. چه‌طوری نور رو ببینیم؟ خُب با الکترون. میکروسکوپی وجود داره که با الکترون کار می‌کنه!

حالا چه کردند؟ این دوستان  اومدند و یک سری الکترون رو تابوندند به این سیم نازک. الکترون‌ها بسته به اینکه به کجای موج ایستاده برخورد کنند سرعت‌شون زیاد یا کم میشه. با یک میکروسکوپ خیلی سریع می‌تونند جای این اتفاق رو مشخص کنند. به این ترتیب حالت موجی نور رو می‌بینند.

اما حالت ذره‌ای چه‌طور؟ حالا بیاید فرض کنیم که جای موج اونجا یک سری فوتون هستند. وقتی الکترون به سیم برخورد کنه با این فوتون‌ها برخورد می‌کنه.  اما انرژی و تکانه در این برخوردها کوانتیده است! یعنی ضریبی صحیح از فرکانس موج ایستاده است که توی سیم است. پس به این ترتیب با توجه به این کوانتیده بودن بعد از برخورد هم الکترون هر انرژی‌ای نمی‌تونه داشته باشه. انرژی‌ای که به الکترون از طریق این فوتون‌ها می‌رسه کوانتیده است! یعنی انرژی الکترون‌ها بعد از برخورد رو اگر اندازه‌گیری کنیم، می‌بینیم که تغییراتش ضریبی از همون بسته‌های انرژی فوتون‌ها است. این کاری است که انجام دادند! یعنی انرژی الکترون رو بعد از عبور از سیم اندازه‌گیری کردند و دیدند که اختلافش با مقدار اولیه همون بسته‌ها است. به این ترتیب برای اولین بار تونستند هر دو جنبه‌ی نور رو در یک آزمایش نمایش بدهند.

این ویدئو رو ببینید: