کوانتوم ۱ – فاجعه فرابنفش

۸ام, مهر ۱۴۰۲

در این ویدیو کمی از کاربرد معادلات در شبیه سازی های کامپیوتری توضیح میدم و سپس به جزئیات جذب و نشر نور توسط ذرات میپردازم . درک این مطالب ، به شما کمک میکنند تا بفهمید چطور دانشمندان از فاصله ی چندین میلیارد سال نوری ، جزئیاتی مثل دما و ترکیب ستاره رو مشخص میکنند . امروز در جامعه افراد زیادی رو می بینم که تحقیقات دانشمندان رو زیر سوال میبرند و یا حتی گرد بودن زمین رو ، هر چند که دانشمندان گاهی در جهت اهداف رسانه ای دروغ هایی هم میگن . اما این دلیل بر این نمیشه که تمام اطلاعات رو زیر سوال ببریم و اصولا بر سر هر مطلب باید جداگانه بحث بشه . که این سری کلیپ های آموزشی به شما کمک میکنن استقلال فکری بیشتری پیدا کنید و بتونید بهتر حق رو از باطل تشخیص بدید. قبل اینکه این ویدیو رو مشاهده کنید لازمه ذکر کنم که این ویدیو و چند ویدیویی که به امید خدا بعد این قراره منتشر بشه ، از نظر علمی در سطح بالایی قرار دارن – با این حال این ویدیو ها در جوامع پیشرفته ی امروز به عنوان مطالب عمومی آموزش داده میشن ، در نتیجه ویدیو ها رو با هدف آموزش عمومی تهیه کردم ، و اگر ویدیو های قبلی رو به همراه پیوست های آموزشی که در سایت ارائه دادم دیده باشید ، درک ویدیو های بعدی برای شما چندان دشوار نخواهد بود – ضمن اینکه تا این لحظه تقریبا فقط از مطالبی صحبت کردیم که در مقطع دبیرستان(سیستم قدیم) آموزش داده میشدن… تمام ویدیو هایی که در کاور اونها دایره قرمز قرار دادم دیدنشون برای درک مفاهیم جهان شناسی و فلسفی بعدی به شدت الزامی هست – امروز در جهانی زندگی میکنم که هرکس در یک لایه ای از خداشناسی و جهان شناسی دچار سردرگمی شده ، و حل این موضوع نیاز به زحمت و گذاشتن زمان داره ، و اگر زمان لازم رو اختصاص ندیم ، نباید انتظار داشته باشیم گره های درون ذهنمون باز بشن و به درک درستی از جهان برسیم.

متن ویدیو

در ویدیوی قبلی یه تصویر کلی از بحث نشر جذب بهتون دادم ، اما دانشمندان به سرعت متوجه شدند که معادلات اون‌ها با دنیای حقیقی مطابقت زیادی نداره و از اینجاست که کم کم پای فیزیک کوانتوم به دنیا باز میشه و فیزیک کلاسیک جامعیت خودش را از دست میده.

اما قبل از آشنایی با بحث پیچیده فیزیک کوانتوم بد نیست کمی با معادلات و موضوع تابش جسم سیاه هم آشنا بشید.

نکته بسیار مهمی که درباره کوانتوم باید بدونید این است که، باید تفکر قبلی خودتون رو درباره جهان، به طور کامل کنار بذارید و ذهنتون رو از نو بازچینی کنید و در حقیقت همین موضوع هست، که باعث میشه کوانتوم خیلی سخت و پیچیده جلوه کنه.

دنیای کوانتوم دنیایی که بهترین دانشمندان رو هم سردرگم کرده، پس اگر با دیدن این ویدیو و ویدیوهای بعدی ،احساس سردرگمی کردین جای تعجبی نداره.

این رو هم اضافه کنم که دو مبحث کوانتوم و نسبیت انیشتین که از پیچیده‌ترین معادلات اخیر هستند باز هم به خوبی نمی‌تونن دنیای ما را توصیف کنند و این دو معادله با همدیگه تضادهای اساسی دارند و به زودی کنار گذاشته می‌شن و معادلات جدیدی جای اون‌ها رو می‌گیره.

اگر دوست دارید با دنیای کوانتومی بیشتر آشنا بشید این ویدیو رو تا انتها دنبال کنید.

مفهوم معادله

معادله از تعادل و برابری میاد و اینجاست که سر و کله علامت مساوی پیدا می‌شه.

به کمک علم ریاضی و معادلات ما می‌تونیم بسیاری از فرایندها رو قبل از اینکه اتفاق بیفتند پیش‌بینی کنیم، و این به معنای برتری پیدا کردن علم بر تجربه است.

با دقیق‌تر شدن تجهیزات اندازه ‌گیری و پیشرفت ریاضیات و اختراع کامپیوترها ،انسان‌ها به این نتیجه رسیدند که می‌تونن به کمک محاسبات و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری روش قدیمی آزمون و خطا را کنار بزارند و به این ترتیب هزینه‌ها رو کاهش.

بدن خوب بزارین مثالی بزنم

در صنعت هوایی ،با توجه به هزینه‌های بالا قبل از شروع به تولید یک طرح ،در ابتدا ایده یا طرح رو با برنامه‌های سه بعدی شبیه‌سازی و تست می‌کنند و بعد از اینکه طرح تونست از این مراحل با موفقیت عبور کنه وارد مرحله ساخت میشن واینجاست که ارزش علم و ریاضیات نمایان می‌شه.

دانشمندان همیشه سعی می‌کنند معادلات جدیدی رو ارائه بدن، تا بتونن بهتر جهان رو پیش‌بینی کنند و دقیقاً این دانشمندان یعنی دانشمندانی که در زمینه فیزیک و ریاضیات نظری کار می‌کنند، پرچمدار اختراع بسیاری از صنایع روز دنیا هستند.

هرچند که گاهی باعث ایجاد دردسرهایی هم میشن، آلبرت انیشتین به کمک معادلات تونست امکان ساخت بمب اتم رو پیش‌بینی کنه ،اما بعد از دیدن فاجعه هیروشیما از کرده خودش پشیمان شد. البته این دانشمند مشهور نظریه‌های دیگه‌ای هم مثل نسبیت عام داره که می‌تونه بهتر از نظریه نیوتون جاذبه و حرکت سیارات رو توصیف کنه که به امید خدا در ویدیوی دیگری بهش می‌پردازیم.

تابش جسم سیاه

در فیزیک، جسم سیاه به جسم ایده آلی گفته می‌شه که تمام تابش‌های الکترومغناطیس رو در هر جهت با هر فرکانسی به طور کامل به خودش جذب می‌کنه و به همین علت هم سیاه دیده می‌شه حال اگر به جسم سیاه انرژی بیشتری بدیم دمای جسم سیاه افزایش پیدا می‌کنه و با افزایش دما جسم سیاه شروع به تابش امواجی با فرکانس بالاتر می‌کنه.
با توجه به توضیحات قبلی دانشمندان فرمولی نوشتند و طبق این فرمول انتظار داشتند با افزایش دما شدت تابش نور از جسم سیاه مانند فرکانس افزایش پیدا کنه و جسم از خودش نور فرابنفش بالایی آزاد کنه اما عملاً این اتفاق نمی‌افتاد و در فرکانس‌های بالاتر شدت نور کاهش پیدا می‌کرد.این عدم تطابق به فاجعه فرابنفش معروف شد اما دانشمندی، تلاش می‌کنه با ارائه فرمول جدید ریاضیات را با واقعیت هماهنگ کنه و متوجه میشه با در نظر گرفتن انرژی به صورت گسسته در فرمول میشه این مشکل رو حل کرد .

برای درک بهتر دانشمندان تصور می‌کردند چرخش الکترون به دور هسته اتم ،مانند چرخش زمین به دور خورشیده و الکترون می‌تونه در هر مداری به دور اتم گردش کنه. این دیدگاه یک حالت پیوسته داره مثل وقتی که شما دارید از فروشگاه آرد می‌خرید و هر مقداری رو می‌تونید سفارش بدید.

اما متوجه شدند الکترون به دور اتم تنها می‌تونه در مدارهای خاصی قرار بگیره که این موضوع یک مفهوم گسسته داره وقتی که بخواین از فروشگاه پرتقال بخرید و مقدار وزن نهایی ضریبی از تعداد پرتقالهاست

اینجاست که واژه کوانتوم پدیدار می‌شه که به معنای گسسته بودن یا بسته‌ای بودن انرژی هست.

به هر کدام از این بسته‌های انرژی به افتخار دانشمندی که نقش بسزایی در حل این مشکل داشت، ثابت پلانک میگن و مقدارش برابر ۶.۶۲ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۳۴ هستش.

در ادامه در سال ۱۹۲۱ هم آلبرت انیشتین موفق میشه این خاصیت بسته‌ای بودن را برای نور با اثر فتوالکتریک ثابت و جایزه نوبل رو از آن خودش کنه.

با اثر فتو الکتریک میشه نشان داد، نور از بسته‌های کوچک انرژی شکل گرفته، که در علم فیزیک بهش فوتون میگن.

طیف نشری و جذبی

تا اینجا متوجه شدیم ،الکترون تنها در مدارهای خاصی می‌تونه به دور اتم حرکت کنه، در نتیجه احتمال حضور الکترون در این مدارهای خاص ،از دیگر نواحی بیشتره .

حالا با توجه به این موضوع می‌خوام به چند نکته توجه کنید.

نکته اول:

به این نواحی اوربیتال گفته می‌شه و اون رو به شکل یک ابر به دور الکترون نمایش میدن

نکته دوم:

هرچه الکترون از هسته اتم فاصله بیشتری داشته باشه یا در اوربیتال یا مدار دورتری از هسته اتم باشه انرژی بیشتری داره. درست مثل جسمی که هرچه در ارتفاع بالاتری از زمین قرار داشته، باشه انرژی پتانسیل بالاتری داره

نکته سوم:

هرچی الکترون در مدار بالاتر یا تراز انرژی بالاتری قرار داشته باشه و از اون تراز به تراز پایین‌تری سقوط کنه انرژی بالاتری از خودش آزاد می‌کنه، این انرژی به شکل یک فوتون نور از الکترون آزاد می‌شه و انرژی بیشتر به معنای فوتونی با فرکانس بالاتر یا طول موج کوتاه‌تره

نکته چهارم:

برای فرستادن الکترون به مدار بالاتر نیاز به فوتون‌هایی با انرژی مشخص دارید. درست مثل کارگری که برای استاد کار آجر می‌اندازه و اگر انرژی که به آجر میده، کمی بیشتر یا کمتر باشه آجر به دست استادکار نمی‌رسه

حالا با توجه به این چهار نکته اگر نور سفید رو، که شامل همه رنگ‌ها می‌شه به گاز یک عنصر مثل هیدروژن بتابونیم، الکترون هیدروژن تنها رنگ‌ها یا فرکانس‌هایی رو جذب خودش می‌کنه که برای رفتن به مدارهای بالایی به اون‌ها نیاز داره و به بقیه فرکانس‌های نور کاری نداره و اون‌ها رو جذب خودش نمی‌کنه. در اثر این اتفاق وقتی پس از عبور نور طیف نور باقیمانده را بررسی کنیم چند خط رو مشاهده می‌کنیم که فرکانس‌های اون‌ها جذب گاز هیدروژن شدند – به این طیف طیف جذبی گفته می‌شه

اما اگر به گاز هیدروژن انرژی بدیم تا الکترون‌ها به مدار بالاتر بروند و سپس نور منتشر شده از هیدروژن رو بررسی کنیم خطوطی رو مشاهده می‌کنیم ،که معادل فرکانسی هستند که الکترون‌ها در سقوط به مدار پایین‌تر، آزاد می‌کنند. به این طیف طیف نشری گفته می‌شه و در رشته نجوم شناسی به کمک این اطلاعات، دانشمندان می‌تونن ترکیبات یک ستاره را مشخص کنند .همچنین این داده‌ها در بعضی از صنایع مثل تولید لیزرها اهمیت بالایی داره و در ساخت لیزر عدسی و آینه‌ها نباید در طیف نور لیزر جذبی داشته باشن.

اینگونه رفتار جذب در طیف هم فرکانس برای صوت هم اتفاق می‌افته که وسیله‌ای به نام دیاپازون مثال خوبی از این رفتار است. شاید بشه گفت این موضوعات باعث شده پای بحث‌های متافیزیکی مثل ازدواج، دوستی، یا تفاهم با اشخاص هم‌فرکانس به دنیای فیزیک باز بشه .

تا اینجا متوجه شدیم نور از بسته‌های انرژی به نام فوتون تشکیل شده اما آزمایشی هم هست به نام آزمایش دوشکاف که خلاف این رو نشون میده و ثابت می‌کنه نور حالت موجی داره و حالت ذره‌ای نداره و از اینجاست که سردرگمی دانشمندان در دنیای فیزیک آغاز می‌شه. واین سردرگمی رو که به طور خلاصه بهش اثر موجی ذره ای میگن، تنها به نور ختم نمیشه و معادلات فعلی به ما نشون میده این رفتار باید برای هر آنچه که در اطرافمون می‌بینیم صادق باشه، که به امید خدا در ویدیوی دیگری به بررسی مبحث می‌پردازیم