مقدمه

باوجود اینکه نور ما رو در برگرفته اما معمای بزرگی در خود نهفته دارد که دانشمندان را برای سالیان متمادی درگیر کرده است و آن معما این است که نور هم به صورت موج ممتد و هم ذرات گسسته رفتار می کند. این دوگانگی موج و ذره ممکن است در ذهن غیر ممکن به نظر برسد با اینحال یکی از جالب ترین موضوعات فیزیک مدرن و اپتیک است. در این نوشته این رفتار موجی و ذره ای را بررسی مکنیم وچگونه آزمایش ها این رفتار را نمایش دادند و چطور از این رفتار در تکنولوژی امروز استفاده میشه. قبل از خواندن این نوشته، توصیه میکنم نوشته “نور چیست؟ فیزیک دیدن و روشنایی” را برای آشنایی بیشتر با نور بخوانید.

بحث های اولیه، نور موج است یا ذره؟

این ماجرا از یک بحث علمی در قرن هیفده و هیجده میلادی شروع شد نیوتن معتقد بود که نور از ذراتی به اسم Corpuscles تشکیل شده که در خط صاف حرکت می کنند. این واژه ای که نیوتن برای توصیف رفتار ذره ای نور به کار برد  از ریشه لاتین corpus به معنی “جسم “ساخته شده که در قرن 15 به معنای “جسم کوچک” وارد زبان انگلیسی شد و نیوتن از این واژه برای توصیف ذرات نور استفاده کرد و تا اوایل قرن بیستم به جای فوتون از این واژه برای توصیف رفتار ذره ای نور استفاده می شد.

معاصرین نیوتن مثل کریستیان هویگنس با نیوتن مخالفت کردند.هویگنس معتقد بود که نور به صورت یک موج حرکت می کنه پخش میشه و در برخورد با اجسام مثل موج آب خم میشه.. کریستیان هویگنس نور را موجی در فضای « اتر» میدانست و بنا بر نوشته هایش در کتاب Traité de la Lumière استدلال کرد که هر نقطه از جبهه موج نور مثل منبع موج های ثانوی عمل می کند این به این معناست که مثلا شما اگر خط جولیی یک موج ایجاد شده روی آب را نگاه کنی هر ذره روی آن خط تبدیل میشه به منبع موج جدید که موج های ریز تر را ایجاد میکنه که با این توضیح هویگنس توانست پدیده پراش و تداخل را توضیح بده.

هویگنس از پیشگامان موج گرایی بود البته تاثیر علمی وی نه فقط در تئوری نور، بلکه در نجوم و مکانیک هم بود و اولین کسی بود که شکل حلقه زحل و قمر تایتان را کشف کرد.

برای مدت زمان طولانی ایده نیوتن بر جهان علمی بخاطر شهرت و اعتبار وی مسلط بود نیوتن در سال 1704 کتاب نورشناخت خود را چاپ کرد که در آن نشان داد چرا نور خط مستقیم را طی  و از آینه بازتاب پیدا میکنه.با این حال همه هنور متقاعد نشده بودن چرا که بعضی از رفتار های نور مثل رنگ های دیده شده در حباب های صابون یا هاله ایجاد شده حول منبع نور را فقط با رفتار موجی میشد شرح داد.

در اوایل قرن نوزدهم، شواهد برای نظریه موجی بسیار قوی شد. نقطه عطف  توسط دانشمندی به اسم توماس یانگ در سال 1801 کشف شد. در سال 1801 یانگ نور را از میان دو شکاف خیلی باریک تاباند و آن را بر روی یک صفحه انداخت و مشاهده کرد به جای دو لکه نور، با نوار هایی از نور روبروست که با هم تداخل پیدا کردند. این آزمایش یک دلیل غیر قابل رد بر موجی بودن رفتار نور بود چرا که تداخل امواج دو شکاف نواحی تاریک و روشن بر روی دیوار درست کرده بود. بعضی جاها نوار ها روشنتر بودن به علت تقویت کردن همدیگه و بعضی جاها تاریکتر.

این آزمایش نظریه نیوتن را با مشکل جدی روبرو کرد چرا که این رفتار را به هیچوجه نمیشد با ذره ای بودن نور توجیه کرد. جالبه بدونید یانگ اولین کسی بود که نشان داد هیروگلیف ها فقط تصویر نیستند بلکه ارزش آوایی دارند و همچنین کار های وی تاثیر زیادی بر علم ما بر نوع عملکرد چشم داشت و چرا که توضیح داد چشم با چه مکانیسمی می تواند بر فاصله های مختلف تمرکز کند. در نوشته توضیحاتی درباره بینایی درباره این مسئله مطلبی نوشته ام.

بعد از آزمایش یانگ، نظریه موجی به شدت طرفدار پیدا کرد خیلی از پدیده های نور مثل پراش که موجب خم شدن نور در اجسام میشه و قطبی شدن، خیلی راحتتر با این نظریه قابل توضیح بود تا با نظریه ذره ای نیوتن.

در میانه قرن نوزدهم فیزیکدانی به اسم جیمز کلرک مکسول الکتریسیته، مغناطیس و نور با نظریه موج الکترومغناطیس خود متحد کرد. معادله های مکسول نشان داد که نور یک موج الکترومغناطیسیست که در فضا پخش می شود و این دیدگاه تبدیل به دیدگاه قالب علمی شد. نظریه ذره ای نیوتن توسط سیلی از آزمایشاتی که رفتار موجی نور را ثابت می کرد مدفون شده بود چرا که در این آزمایش ها نور می توانست  مثل هر موج دیگری پخش ، تداخل و پراش کند.

نور به عنوان موج، تداخل و شگفتی

رفتار موجی نور یک ایده تئوریک نیست و به شکل های مختلفی خود را نشان داده است. اگر شما نور های رنگین کمان را بر روی حباب صابون یا نور های متغیر را بر پشت یک dvd یا Cd  دیده باشید شاهد پدیده تداخل در نور ها شده اید. وقتی دو موج نور روی هم میفتند یا همدیگه را تقویت می کنند که به آن تداخل سازنده می گویند یا همدیگه رو خنثی می کنند که به آن تداخل مخرب می گویند. آزمایش یانگ دقیقا همین مسئله را نشان داد که امواج نور میتوانند روی هم بیفتند این آزمایش به قدری مهم بود که ریچارد فاینمن آن را «قلب مکانیک کوانتومی» نامید.

یکی دیگر از رفتارهای موجی نور، پراش است که گرایش نور به خم شدن در گوشه ها یا پخش شدن بعد از عبور از منفذ های کوچک است. در سال 1665 فرانچسکو گریمالدی اولین کسی بود که کشف کرد نور دقیقا خط صاف را طی نمی کند و وقتی نور از یک منفذ کوچک گذر داده می شود در منطقه پشت جسم پخش می شود. در قرن نوزدهم آزمایشات آگوستین فرنل و دیگران مکررا ثابت کرد که تداخل و پراش با دقت زیادی رفتار ذره ای موج را نشان می دهند.

در پایان قرن نوزدهم، رمز ماهیت نور به نظر حل شده بود و درست در موقعی که همه چیز تمام شده به نظر می رسید آزمایشات جدید نتایجی نشان دادند که رفتار موجی نمیتوانست آن ها را توضیح دهد.

پیشنهاد برای مطالعه: صدا چیست؟ فیزیک امواج و شنوایی

نور به عنوان ذره، فوتون وارد می شود

اثر فوتوالکتریک، ماهیت ذره ای نور را دوباره شعله ور ساخت.در سال 1887، هاینریش هرتز دریافت که تاباندن نور فرابنفش به سطح فلز می تواند باعث جداسازی الکترون از سطح آن بشود. نظریه موجی نور نمی توانست این پدیده را توضیح بدهد اگر نور فقط یک موج انرژی بود افزایش شدت آن  میتونست باعث افزایش انرژی در الکترون ها بشود.اما اگر رنگ نور از امواج قرمز باشه حتی اگر خیلی پر نورش کنیم هیچ الکترونی بیرون نمیپره ولی اگر رنگ نور مثل فرابنفش باشه حتی در صورت ضعیف بود باعث خروج الکترون میشه که به این معناست شدت نور در این اتفاق مهم نیست.

راه حل این معما در دستان آلبرت اینشتین بود و بنا بر نظریه وی انرژی نور به صورت جعبه های ریز حمل میشه که ولی این جعبه ها را «quanta»  نامید که بعدها فوتون نامگذاری شدند.هر فوتون میزانی از انرژی متناسب با فرکانس نور خود حمل می کند.در نظریه اینشتین، یک نور فرابنفش کم میتوانست اثر فوتوالکتریک ایجاد کند چرا که هر فوتون آن قدر انرژی دارد که باعث جدایی الکترون از فلز بشود در حالی که نور قرمز روشن این توانایی را ندارد چرا هر فوتون آن انرژی مورد نیاز را نمی توانند به الکترون فلز وارد کنند. این توضیح اینشتین به طور بنیادی فیزیک را متحول کرد چرا که نوری را که به عنوان موج میشناختیم مثل ارتشی از ذرات ریز عمل میکند.

در نهایت این کشف اینشتین برای وی جایزه نوبل فیزیک را در سال 1921 برای کشف قانون فوتوالکتریک، به ارمغان آورد و آزمایش های بعدی نیز درستی نظریه اینشتین را نشان داد برای مثال آرتور کامپتون در سال 1923، فوتون های با انرژی زیاد حاصل از پرتو X را به یک ماده سبک تاباند و متوجه شد طول موج فوتون بازگشتی تغییر کرده است که به معنای این بود فوتون های آن ها انرژی از دست داده است که این به معنای تصادم دو ذره بود نه مثل تداخل دو موج. کامپتون برای این آزمایش نیز جایزه نوبل دریافت کرد. در دهه سوم قرن بیستم شیمی دان آمریکایی گیلبرت لوئیس اسم فوتون را بر روی این ذرات نور گذاشت.

ماهیت نور در دوگانگی موج و ذره

دانشمندان با معمای بزرگی روبرو بودن در آزمایشات متعددی نور رفتار موجی داشت و برعکس، بخاطر همین در دهه 1920 مکانیک کوانتومی را برای حل این مشکل بنانهادند. مطابق این نظریه نه فقط نور، بلکه همه ذرات بنیادی رفتاری دوگانه دارند و دوگانگی موج و ذره را برای این انتخاب کردند که نشان بدهند نور به طور خاص نه یک موج است و نه یک ذره بلکه ویژگی هر دو را دارد.در تئوری کوانتوم چیزی که ما در فیزیک کلاسیک موج و ذره می خوانیم در حقیقت دو روی یک سکه هستند و فوتون به عنوان یک ساختار کوانتومی بعضی اوقات مانند موج و بعضی اوقات مانند ذرات متمرکز وابسته به نوع دید شما عمل می کند.

این ایده ممکن است کمی گیج کننده باشد تصویر کنید فوتونی از شکاف آزمایش یانگ در حال عبور است و نتیجه عبور این فوتون ها در طول زمانی کوتاه همان تداخلی را نشان می دهد که موج می تواند ایجاد کند به این معنا که انگار هر فوتون به طور همزمان از هر دو شکاف عبور کرده و سپس با خود تداخل موجی داشته است و این به این معناست که فوتون در هنگام انتقال یک خصلت موجی و در هنگام کشف شدن خصلت ذره ای خود نشان می دهد به عبارت فیزیک تر،  با تابع موج می توان پیش بینی کرد که فوتون کجاست و فقط هنگام اندازه گیری، نتیجه به صورت ذره ظاهر می شود.

در مکانیک کوانتومی این دوگانی موج و ذره به طور دقیق بررسی شده، و در تابع موج فوتون احتمال کشف آن در هر نقطه بررسی می شود و به محض کشف شدن انرژی خود را در یک نقطه نشان می دهد. خلاصه این است که شما اگر آزمایشی ایجاد کنید که خاصیت موج بود نور را بررسی کنه نور به شما تداخل نشان میده و وقتی در آزمایشی خاصیت ذره بودن آن را بررسی کنید تداخل و پراش حذف شده و فقط ذراتی میبینید که در حال انتقال انرژی هستند در نتیجه جواب دوگانگی موج و ذره نور به نوع آزمایش شما بسته دارد.

مطالعه بیشتر: همه چیز درباره شکست نور توسط عدسی ها

این مفهوم تغییرات بنیادی در ادراک ما ایجاد کرد و فقط به نور ختم نشد، در سال 1924 لویی دوبروی نشان داد که ذرات اجسام مثل الکترون نیز طول موج دارند و دوگانگی نه فقط برای نور بلکه برای همه چیز است.در سال 1927 نشان داده شده است که الکترون ها نیز الگوی تداخل را هنگام عبور از دو شکاف نشان می دهند. دوگانگی جهانیست و نور اولین ذره ای بود که توانستیم دو گانگی آن را نشان دهیم.

نتایج دوگانگی

دوگانگی موج و ذره شاید ایده انتزاعی به نظر برسد اما در تکنولوژی امروز از اهمیت بسزایی برخوردار است چرا که خیلی از اختراعات مبتنی برای یکی از جنبه ها یا دوجنبه نور بدست آمده است که در زیر به بعضی از آن ها اشاره می کنم

لیزر

لیزر پرتوی باریک نور شدیدی از یک رنگ است که از یک دستگاه تولید می شود.در این وسیله از خاصیت ذره ای نور استفاده شده است درون لیزر، اتم ها به حالت انرژی بالاتر برانگیخته میشند و وقتی یک فوتون در طول موج مناسب از اتم برانگیخته ساطع می شود باعث تحریک خروج فوتون دوم می شود که تابش القایی را اولین بار اینشتین در سال 1917 کشف کرد. نتیجه تابش های فوتون یک جریان از فوتون های متمرکز مشابه است که در عمل چشم، صنایع نظامی، اسکن بارکد و برش استیل استفاده می شود.

ارتباطات فیبر نوری

فیبر نوری یک پالس لیزر درون یک لوله مویی در فواصل طولانی حتی بین قاره هاست.نور درون این فیبر توسط انعکاس منتقل می شود به طور ساده تکنولوژی فیبر نوری نور را با بازده بسیار زیاد در فواصل طولانی میفرستد.نور درون لوله باید پیوستگی موجی خود را حفظ کرده و پراکنده نشود در حالی که در گیرنده ها  به صورت گسسته ثبت و ضبظ شده و اطلاعات را منتقل می کند.

کامپیوترهای کوانتومی و رمزنگاری

در بعضی از کامپیوترهای کوانتومی، فوتون ها به عنوان کیوبیت به کار میروند فوتون می تواند همزمان در چند حالت مختلف باشد و چند فوتون می توانند در مدار های نوری با هم تداخل کرده و محاسباتی انجام دهند که از توان کامپیوترهای معمولی خارج است. خاصیت موجی نور اجازه می دهد که کیوبیت ها( واحد اطلاعات کوانتومی) در چند حالت همزمان باشد و خاصیت ذره ای دوباره یک نتیجه گسسته تحویل می دهد.در رمزنگاری کوانتومی هم از فوتون های تکی برای انتقال امن کلید استفاده می شود اگر کسی بخواهد شنوند کند تابع موج کوانتومی فروریخته و دستکاری فورا لو می رود.

پیشنهاد برای دیدن: برترین فیلم های جنگ جهانی اول

دوربین های دیجیتال و پنل های خورشیدی

از گوشی ها و دوربین ها تا پنل های خورشیدی وابسته به دوگانگی موج و ذره هستند. یک سنسور دوربین دیجیتال از میلیون ها فوتودیود تشکیل شده است که نور ورودی را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و هنگامی که نور به سنسور برخورد می کند فوتون ها باعث ایجاد جریان در سنسور شده که اطلاعات را به کامپیوتر دوربین منتقل می کند.

در پنل های خورشیدی نیز از روکش های ضد انعکاسی استفاده می شود که با استفاده از رفتار موجی نور، باعث جذب بیشترین میزان نور می شود.

نتیجه گیری

با وجود همه پیشرفت ها، همچان درک ما از دوگانگی نور کامل نیست مکانیک کوانتومی توانست این دوگانگی را توصیف کند اما پرسش های جدیدی مطرح کرد .آزمایشات جدید نشان داده است که رفتار نور حتی از تصور ما عجیب تر است و هنوز رازهای پنهانی دارد. شاید در آینده دانشمندان بتوانند لایه های دیگری از این پدیده کشف کنند اما فعلا مسلم است که نور با رفتار دوگانه موجی و ذره ای خود یکی از شگفت انگیزترین پدیده های طبیعت باقی می ماند