آیا همه چیز ماهیت موجی دارد؟

در دهه 1920،فرضیه دوگانگی موج-ذره نور گسترش یافت تا فرضیه ماهیت موجی تمام اجسام مادی، از الکترون گرفته تا حتی خود ما را در برگیرد.

به گزارش تکناک آزمایش‌های پیشرفته اکنون بررسی می‌کنند که چگونه ماکرومولکول‌های بیولوژیکی می‌توانند هم به عنوان ذره و هم به عنوان موج رفتار کنند.

در سال 1905، آلبرت انیشتین 26 ساله فرضیه ای کاملاً غیرمتعارف را پیشنهاد کرد: اینکه نور می تواند هم موج باشد هم ذره. این ایده خیلی عجیب به نظر می رسد. چگونه ممکن است چیزی در عین واحد دو چیز باشد که اینقدر با یکدیگر متفاوت هستند؟ یک ذره، کوچک و محدود به یک فضای کوچک است، در حالی که یک موج چیزی است که گسترش می یابد. ذرات به یکدیگر برخورد کرده و پراکنده می شوند درحالی که امواج می شکنند. آنها در برهم نهی های یکدیگر را خنثی یا اضافه می کنند. اینها رفتارهای بسیار متفاوتی هستند.

معنی پنهان

مشکل این فرضیه دوگانگی موج-ذره این است که معنا، یک سری جزئیاتی دارد که هر دو رفتار را از یک شیء تطبیق می دهد. به این معنی که معنا از تجربیات و احساسات ما ساخته شده است، از چیزهایی که می بینیم و احساس می کنیم. ما فوتون ها را مستقیماً نمی بینیم یا احساس نمی کنیم. ما ماهیت آنها را با آزمایش ها، جمع آوری اطلاعات از طریق نمایشگرها، شمارنده ها و موارد مشابه بررسی می کنیم.

رفتار دوگانه فوتون ها به عنوان پاسخی به نحوه تنظیم آزمایش خود ظاهر می شود. اگر ما نوری داشته باشیم که از شکاف های باریک عبور کند، مانند یک موج پراکنده می شود. اگر با الکترون ها برخورد کند مانند یک ذره پراکنده می شود.

بنابراین، به نوعی، این آزمایشی که ما انجام دادیم ، ماهیت فیزیکی نور را تعیین می‌کند. این آزمایش عنصر جدیدی را در فیزیک معرفی می کند: تعامل ناظر با موضوع مورد نظارت. در تفاسیر افراطی تر، تقریباً می توانیم بگوییم که قصد آزمایشگر، ماهیت فیزیکی آنچه مشاهده می شود را تعیین می کند یعنی در حقیقت این ذهن است که واقعیت فیزیکی را تعیین می کند. این واقعاً وجود دارد، اما چیزی که ما می‌توانیم با اطمینان بگوییم این است که نور به سؤالی که برای ما پیش آمده به روش‌های مختلفی پاسخ می‌دهد. نور به یک معنا هم موج است و هم ذره و هم هیچکدام نیست !.

این مسئله ما را به مدل اتم بور می‌رساند. مدل او الکترون‌هایی را که به دور هسته اتم می‌چرخند به مدارهای خاصی متصل می‌کند. الکترون فقط می تواند در یکی از این مدارها قرار گیرد، انگار که در مسیر قطار قرار گرفته است. می تواند بین مدارها بپرد، اما نمی تواند در بین آنها باشد. کارکرد دقیق الکترون چیست؟ برای بور، این یک سوال بی جواب بود. پاسخ یک شاهکار قابل توجه شهودی فیزیکی بود که منجر به جرقه ای انقلابی در درک ما از جهان شد.

ماهیت موجی توپ بیسبال

در سال 1924، لویی دو بروگلی، مورخ فیزیکدان، به طور کاملاً شگفت انگیزی نشان داد که مدارهای پله مانند الکترون در مدل اتمی بور اگر الکترون متشکل از امواج ایستاده اطراف هسته باشد، به راحتی قابل درک است. این امواج بسیار شبیه امواجی هستند که هنگام تکان دادن طنابی که در انتهای دیگر وصل شده است می بینیم. در مورد طناب، الگوی موج ایستاده به دلیل تداخل سازنده و مخرب بین رفت و آمد امواج در طول طناب ظاهر می شود. برای الکترون هم امواج ایستاده دقیقا به همین دلیل ظاهر می شوند، اما این موج الکترونی مانند اوروبوروس که مار افسانه ای است که دم خود را می بلعد، روی خود بسته می شود. وقتی طناب خود را با شدت بیشتری تکان می دهیم، الگوی امواج ایستاده، پستی بلندی های بیشتری را نشان می دهد. یک الکترون در مدارهای بالاتر مربوط به یک موج ایستاده با پستی بلندی های بیشتر است.

با حمایت مشتاقانه انیشتین، دو بروگل با شهامت فرضیه دوگانگی موج-ذره را از نور به الکترون ها و در نتیجه به هر جسم متحرک مادی گسترش داد. طبق  این فرضیه، نه تنها نور، بلکه هر نوع ماده ای با امواج همراه بود.

دو بروگل فرمولی به نام طول موج دو بروگلی را برای محاسبه طول موج هر ماده با جرم m در سرعت v ارائه کرد. او طول موج λ را به m و v مرتبط کرد و بنابراین به تکانه p = mv – طبق رابطه λ = h/p، جایی که h ثابت پلانک است.این فرمول را می توان برای اجسامی که نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، اصلاح کرد.

به عنوان مثال، توپ بیسبالی که با سرعت 70 کیلومتر در ساعت حرکت می کند دارای طول موج دو بروگلی در حدود 22 میلیاردم تریلیونم سانتی متر (یا 2.2×10-32 سانتی متر) است. واضح است که چیز زیادی در آنجا تکان نمی‌خورد و ما می‌توانیم بیسبال را به عنوان یک جسم جامد تصور کنیم. در مقابل، الکترونی که با یک دهم سرعت نور حرکت می کند، طول موجی در حدود نصف اندازه اتم هیدروژن دارد (به طور دقیق تر، نصف اندازه محتمل ترین فاصله بین هسته اتم و الکترون در پایین ترین حالت انرژی آن).

در حالی که ماهیت موجی یک توپ بیسبال متحرک برای درک رفتار آن بی ربط است، اما ماهیت موجی الکترون برای درک رفتار آن در اتم ها ضروری است. با این حال، نکته مهم این است که همه چیز موج دارد. یک الکترون، یک توپ بیسبال، و حتی شما !

زیست شناسی کوانتومی

فرضیه قابل توجه دو بروگلی در آزمایش های بی شماری تأیید شده است. در کلاس‌های فیزیک دانشگاه نشان می‌دهیم که چگونه الکترون‌هایی که از یک کریستال عبور می‌کنند، مانند امواج پراکنده می‌شوند و با برهم‌نهی‌هایی که به دلیل تداخل های مخرب و سازنده درست می شود، نقاط تاریک و روشن را ایجاد می‌کنند. آنتون زایلینگر، که جایزه نوبل فیزیک امسال را گرفت، از پراش اشیای بزرگتر، از مولکول C60 به شکل توپ فوتبال (با 60 اتم کربن) گرفته تا ماکرومولکول های بیولوژیکی دفاع کرده است.

پراش به معنای هرگونه تغییر در توزیع شدت موج ناشی از حضور مانع در مسیر انتشار است.

زیست شناسی کوانتومی مرز جدیدی است که در آن دوگانگی موج-ذره نقش کلیدی در رفتار موجودات زنده دارد. آیا موجودات می توانند از برهم نهی کوانتومی جان سالم به در ببرد؟ آیا فیزیک کوانتومی می تواند چیزی در مورد ماهیت حیات به ما بگوید؟