لبرت اینشتین، پل دیراک و دیگر فیزیکدانان در گذشته براى نوشتن جزئیات فرضیه هایشان در مورد نسبیت و مکانیک کوانتومى از مداد استفاده مى کردند. اکنون وارثان مدرن آنها براى اثبات آن تئورى ها از نوک مداد به شیوه اى دیگر استفاده مى کنند، شیوه بالقوه اى که ممکن است راه را به سمت نوع کاملاً جدیدى از الکترونیک نشان دهد.در واقع نوک مداد از جنس گرافیت است: یک کانى کربن دار که وقتى بر روى کاغذ کشیده مى شود نوشته را از خود بر جاى مى گذارد. این نوشته به دلیل آن است که لایه هاى اتمى به سادگى جدا مى شوند. این امر همچنین بدین معنى است که گرافیت هادى بسیار خوبى براى جریان برق است. سال گذشته، «آندره گیم» از دانشگاه منچستر انگلیس با استفاده از نوار چسب به برداشتن لایه هاى گرافیت پرداخت تا آن را به لایه اى که فقط یک اتم ضخامت داشت تبدیل کرد. آنها این لایه بسیار نازک گرافیتى را «گرافین» نامگذارى کردند. این ماده دوبعدى هنوز قابلیت هدایت برق را داشت که دلیل آن هم الکترون هاى شناور در ساختار لانه زنبورى اتم هاى کربن است. اما این الکترون ها برخى خواص غیرمعمول را نشان مى دادند. گروه گیم مشاهده کرد که حرکت این الکترون ها حتى در دماى بسیار پائین کند نمى شد. در اصل، الکترون ها به گونه اى رفتار مى کردند مثل اینکه فاقد جرم و یا به عبارت دقیق تر «جرم سکون» (Rest Mass) بودند. جرم سکون عبارتى است که در نسبیت خاص به کار برده مى شود. این موضوع همچنین بدین معنى است که گرافیت _یا حداقل نوع دوبعدى آن _ عمل هدایت جریان را هیچگاه متوقف نمى کند. محققین این ذرات نسبیت کاذبى (pseudo-relativistic) را «فرمیون هاى بدون جرم دیراک» نامگذارى کردند. آنها ثابت کردند که این ذرات در مقایسه با الکترون هاى موجود در سایر نیمه هادى ها به مراتب سریع تر حرکت مى کنند. بدین ترتیب این ذرات با معادله معروف E=Emc2 مطابقت داشته و از آن پیروى مى کنند (با سرعت واقعى شان یعنى ??? بار کمتر از سرعت نور جایگزین C مى شوند). فیزیکدانان دانشگاه کلمبیا به سرپرستى «فیلیپ کیم» این یافته ها را به طور مستقل تائید کرده و همچنین دریافتند که الکترون هاى بى جرم پیش بینى هاى اثر Hall را تائید مى کنند. (ادوین هال در سال ???? ثابت کرد که اگر یک میدان مغناطیسى در زاویه قائمه به یک ماده هادى اعمال شود، ولتاژى ایجاد مى شود که عمود بر جریان عادى موجود در آن ماده است.) این اثر در سطح کوانتومى نیز قابل اعمال است. بر اساس مطالعات هر دو گروه، این دقیقاً چگونگى عملکرد و رفتار الکترون هاى بى جرم در گرافین است. نهایتاً «کیم» مى نویسد هر چند که تحقیقات بیشترى نیاز است ولى این یافته ها ممکن است به کاربردهاى جدیدى در دستگاه هاى الکترونیک کربنى و الکرونیک-مغناطیسى منتهى شوند. همچنین این بدان معنى است که مى توان از گرافیت بر جاى مانده از یک مداد که به یک لایه به ضخامت یک اتم چسبانده شده براى اثبات فرضیه هایى که فیزیکدانان گذشته با خط بد نوشتند استفاده کرد.

اکتشافى که جایزه نوبل فیزیک امسال را از آن خود کرد اهمیتى اساسى در فهم ما از چگونگى کارکرد یکى از نیرو هاى بنیادین طبیعت داشته است. نیرویى که کوچک ترین ذرات ماده یعنى کوارک ها را به یکدیگر مى چسباند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانک ویلچک توانستند با کار هاى تئوریک خود مدل استاندارد ذرات بنیادى را کامل کنند. مدلى که کوچک ترین ذرات طبیعت و برهمکنش بین آنها را توضیح مى دهد.

نیروى برهمکنش قوى

نیروى برهمکنش قوى که اغلب به آن برهمکنش رنگى نیز مى گویند یکى از چهار نیروى بنیادین طبیعت است. این نیرو بین کوارک ها که ذرات بنیادى سازنده پروتون ها، نوترون ها و نوکلئون ها هستند عمل مى کند. دیوید گراس، دیوید پولیتزر و فرانک ویلچک خاصیتى از نیروى برهمکنش قوى را کشف کردند که به کمک آن مى توان توضیح داد به چه علت رفتار کوارک ها تنها در انرژى هاى بسیار زیاد مانند رفتار ذرات آزاد است. (در حالى که بقیه ذرات بنیادى در انرژى هاى معمول نیز چنین رفتارى را از خود بروز مى دهند. به عبارت دیگر کوارک ها در انرژى هاى پایین همیشه در دل ذرات که از دو یا سه کوارک ساخته شده اند محبوس هستند. آنها در انرژى هاى پایین همیشه به صورت ترکیب شده باکوارک هاى دیگر دیده مى شوند.

این تئورى از بسیارى جهات توسط آزمایش هاى مختلفى به خصوص در سال هاى اخیر در آزمایشگاه سرن (CERN) بررسى شده است. این کشفیات توانسته اند پایه اى براى تئورى برهمکنش رنگ ها (کرومودینامیک کوانتومى (QCD پى ریزى نمایند.

مدل استاندارد و چهار نیروى بنیادى طبیعت

اولین نیرویى که انسان ها با آن آشنا شدند نیروى گرانش است. این نیرو باعث افتادن اجسام بر روى زمین و همچنین گردش سیارات به دور خورشید و حرکت ستاره ها در کهکشان است. به نظر مى رسد که نیروى گرانش نیروى بسیار قوییاى است به عنوان مثال ارسال یک موشک به خارج از جو زمین احتیاج به صرف انرژى و سوخت بسیارى دارد. با این حال در جهان ریز (میکرو سکوپیک) در مقایسه با نیروى بین ذراتى از قبیل الکترون و پروتون نیروى گرانش نیروى بسیار ضعیفى است [شکل (1)]. سه نیروى دیگر طبیعت که اثر آنها اغلب در حوزه جهان هاى ریز (میکروسکوپیک) دیده مى شود عبارتند از نیرو هاى برهمکنش.

الکترو مغناطیسى بر همکنش ضعیف و برهمکنش قوى. چگونگى عملکرد این سه نیرو توسط نظریه مدل استاندارد توضیح داده مى شود. این نظریه، نظریه اى بسیار قوى است براى اینکه مى تواند نظریه نسبیت خاص اینشتین و مکانیک کوانتومى را یکجا دربربگیرد. (البته به خاطر مسائل و مشکلات تکنیکى هنوز نمى توان آن را نظریه اى کامل و سازگار دانست.)

مدل استاندارد مى تواند توضیحى براى کوارک ها، لپتون ها و ذراتى که نیروها را حمل مى کنند ارائه کند. کوارک ها به عنوان نمونه سازنده ذراتى مانند پروتون ها نوترون ها هستند.

الکترون ها که سازنده پوشش بیرونى اتم ها هستند در دسته لپتون ها قرار دارند. تاجایى که مى دانیم الکترون ها خود از ساختار هاى ریزترى تشکیل نشده اند.

7برهمکنش الکترومغناطیسى سازنده نور و چسبندگى مواد

برهمکنش الکترو مغناطیسى مى تواند توصیفى مشترک براى بسیارى از پدیده ها که در جهان ما را دربرگرفته اند ارائه دهد. به عنوان نمونه اصطکاک، مغناطیس و علت اینکه چرا جسمى بر روى میز از درون میز عبور نمى کند، به کمک این نیرو قابل توضیح هستند.نیروىالکترومغناطیسى که در اتم هیدروژن، الکترون و پروتون را به هم پیوند مى دهد به اندازه غیرقابل تصور 1041 بار از نیروى گرانشى بین آ نها قوى تر است. اندازه این دو نیرو متناسب با مربع فاصله کاهش مى یابد با این حال نیروى هاى بلند برد محسوب مى شوند.

هر دوى این نیرو ها یعنى الکترو مغناطیس و گرانش توسط ذرات حامل که به ترتیب فوتون (ذرات نور) و گراویتون هستند حمل مى شوند. برخلاف فوتون ذره گراویتون هنوز به صورت آزمایشگاهى کشف نشده است. دلیل بلندبرد بودن این دو نیرو را مى توان به کمک این واقعیت که ذرات حامل این نیرو ها بدون جرم هستند توضیح داد.فیزیکدانان توانسته اند به کمک تئورى الکترودینامیک کوانتومى QED توصیف مناسبى براى برهمکنش الکترو مغناطیسى ارائه نمایند. این تئورى یکى از موفقیت آمیزترین تئورى هاى فیزیکى است که با دقت یک در ده میلیون با نتایج آزمایشگاهى توافق دارد. توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن جایزه نوبل فیزیک در سال 1965 را براى این نظریه از آن خود کردند. یکى از دلایل موفقیت این نظریه وجود یک ثابت کوچک به اسم ثابت کوپلاژ با مقدار 137/1 در معادلات است. وجود این ثابت کوچک تر از یک این امکان را فراهم مى سازد که براى محاسبه اثر نیروى الکترو مغناطیس از بسط سرى ها در معادلات استفاده شود. این روش ریاضى که به آن روش حل اختلالى مى گویند توسط فاینمن بسط و گسترش یافت.

یکى از خواص مهم نظریه الکترو دینامیک کوانتومى (QED) این است که ثابت کوپلاژ در انرژى هاى مختلف مقادیر مختلفى دارد. این مقدار با افزایش انرژى افزایش مى یابد. به عنوان نمونه در شتاب دهنده CERN مقدار آن به جاى 137/1 ، 128/1 در انرژى حدود 100 بیلیون الکترون ولت اندازه گیرى شده است. اگر نمودار اندازه ثابت کوپلاژ نسبت به انرژى رسم شود، آن گاه این منحنى داراى یک شیب آرام به سمت بالا خواهد بود که
فیزیکدانان اصطلاحاً مى گویند شیب منحنى یا تابع بتا مثبت است.

7برهمکنش ضعیف و واپاشى رادیواکتیویته

نیروى برهمکنش ضعیف توسط ذرات بوزونى +- Wو Z0 حمل مى شود که برخلاف فوتون و گراویتون داراى جرم هستند (حدود 100 برابر جرم پروتون!) و این توضیحى است براى اینکه چرا این نیرو یک نیروى کوتاه برد است. این نیرو هم بر روى کوارک ها و هم برروى لپتون ها اثر مى کند و علت واپاشى رادیواکتیویته است. این نیرو نسبت بسیار نزدیکى با نیروى الکترو مغناطیس دارد به طورى که فیزیکدانان توانستند هر دوى آنها را به صورت نیروى واحدى به نام برهمکنش الکترو ضعیف وحدت ببخشند (1970). جرارد هوفت و مارتینز ولتمن به خاطر فرمول بندى این دو نیرو در یک نظریه واحد جایزه نوبل سال 1999 را از آن خود کردند.

برهمکنش قوى _ بار و رنگ

از دهه 1960 مشخص شده بود که پروتون و نوترون از ذرات بنیادى ترى به اسم کوارک ساخته شده اند. اما نکته عجیب این بود که امکان ساخت ذره کوارک به صورت آزاد وجود نداشت. آنها همیشه محبوس هستند و این خاصیتى بنیادى براى این ذرات است.

تنها جمع کوارک ها به صورت دوتایى و سه تایى مى تواند وجود داشته باشد. بار الکتریکى کوارک ها کسرى از بار الکتریکى پروتون است به صورت یک سوم یا دو سوم بار پروتون و این خاصیتى است عجیب که هنوز توضیحى براى آن یافت نشده است. هر کوارک علاوه برداشتن بار الکتریکى خاصیت ویژه دیگرى نیز دارد که مانند بار الکتریکى کمیتى کوانتنیزه است و تنها مى تواند مقادیر ویژه اى داشته باشد. به این خاصیت بار رنگى
گفته مى شود. کوارک ها مى توانند بار رنگى قرمز، آبى و سبز داشته باشند. براى هر کوارک یک پادکوارک نیز وجود دارد مانند پوزیترون که پاد ذره الکترون است. پادکوارک ها داراى بار رنگى پاد قرمز، پاد آبى یا پاد سبز هستند. جمع کوارک هایى که در طبیعت مى توانند وجود داشته باشند باید داراى بار رنگى خنثى باشند همانطور که تشکیل مولکول هاى خنثى (از نظر الکتریکى) به خاطر جاذبه الکتریکى بین اجزاى مثبت و منفى آن است. نیروى بین پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم ها به خاطر نیروى بین بار هاى رنگى کوارک هاى تشکیل دهنده آنها به وجود مى آید.نیروى بین کوارک ها توسط ذرات حاملى به اسم گلوئون ها حمل مى شود. این ذرات مانند فوتون بدون جرم هستند ولى برخلاف فوتون ها داراى بار رنگى هستند. همین خصوصیت باعث پیچیدگى توضیح این نیرو و تفاوت آن با نیروى الکترو مغناطیس است.

براى سال ها فیزیکدانان اعتقاد داشتند که نمى توان روشى براى محاسبه برهمکنش قوى میان کوارک ها یافت که شبیه روش محاسبات برهمکنش هاى الکترو مغناطیسى و ضعیف باشد. به این دلیل که ثابت کوپلاژ براى برهمکنش قوى بزرگ تر از یک است و نمى توان روش اختلالى فاینمن (که در بالا توضیح داده شد) را براى محاسبات این نظریه به کار برد. متاسفانه تا به امروز نیز روش رضایت بخشى براى محاسبه برهمکنش قوى یافت نشده است.به نظر مى رسد که شرایط در انرژى هاى بالا بدتر هم باشد البته به شرط آنکه تابع بتا براى این تئورى مثبت باشد که در نتیجه ثابت کوپلاژ با بالا رفتن انرژى افزایش مى یابد و محاسبات را دشوارتر مى سازد.کورت زیمانسکى فیزیکدان آلمانى دریافت که تنها راه رسیدن به یک نظریه معقول پیدا کردن یک تابع بتا منفى براى این نظریه است. این رهیافت همچنین مى تواند علت آنکه گاهى اوقات کوارک ها در داخل پروتون به صورت ذره هاى آزاد خود را آشکار مى سازند توضیح دهد. اثرى که در آزمایش برخورد میان الکترون و پروتون دیده مى شود.

متاسفانه زیمانسکى خود نتوانست به این نظریه دست یابد حتى جرارد هوفت در تابستان 1972 به این کشف نزدیک شده بود ولى فیزیکدانان دیگر ناامید شده بودند زیرا شواهد نشان مى داد که یک نظریه واقعى باید داراى تابع بتاى مثبت باشد. اما امروزه دیگرمشخص شده است که این موضوعى نادرست است زیرا در ژانویه 1973 دو مقاله پى در پى در مجله فیزیکال ریویولترز توسط گراس و ویلچک و دیگرى توسط پولیتزر به چاپ رسیدند که در کمال تعجب نشان مى دادند تابع بتا مى تواند مقادیر منفى داشته باشد. آنها زمانى این کشف را انجام دادند که کاملاً جوان بودند در این حد که حتى گراس و ویلچک هنوز دانشجویان تحصیلات تکمیلى بودند.مطابق نظریه آنها حامل هاى نیروى برهمکنش قوى یعنى گلوئون ها داراى خاصیتى غیرمنتظره و ویژه هستند به این صورت که آنها نه تنها با کوارک ها بلکه خودشان نیز برهمکنش مى کنند.طبق این خاصیت هنگامى که کوارک ها به یکدیگر نزدیک مى شوند برهمکنش بار رنگى میان آنها کاهش مى یابد. کوارک ها موقعى به یکدیگر نزدیک مى شوند که انرژى آنها افزایش یافته باشد و طبق این نظریه اندازه برهمکنش در این هنگام کاهش مى یابد. این خاصیت که به آن «آزادى مجانبى» مى گویند به معنى منفى بودن تابع بتا است. به عبارت دیگر برهمکنش با افزایش فاصله افزایش مى یابد که این مى تواند توضیحى براى این باشد که چرا کوارک ها همیشه در نوکلئون ها محبوس هستند. آزادى مجانبى این امکان را فراهم مى سازد که بتوان فاصله اى را که در آن کوارک ها و گلوئو ن ها به صورت ذرات آزاد رفتار مى کنند، محاسبه کرد. با برخورد دادن ذرات در انرژى هاى بسیار زیاد با یکدیگر مى توان آنها را به اندازه کافى به یکدیگر نزدیک کرد. هنگامى که آزادى مجانبى کشف شد و نظریه QCD فرمول بندى شد محاسبات توانستند توافق بسیار خوبى با نتایج آزمایشگاهى از خود نشان دهند.   یکى از مهم ترین اثبات هاى نظریه QCD توسط آزمایش برخورد الکترون و پاد ذره آن یعنى پوزیترون در انرژى هاى بالا صورت مى گیرد. در این آزمایش الکترون و پوزیترون یکدیگر را نابود مى کنند و مطابق معادله اینشتین E=mc2 انرژى این ذرات مى تواند به صورت ذرات جدیدى ظاهر شود، به عنوان مثال ذرات کوارک. در این فرآیند ذرات کوارک در فواصل بسیار نزدیک به هم آفریده مى شوند و با سرعت بسیار زیادى از یکدیگر دور مى شوند.
امروزه مى توان این فرآیند را به کمک مفهوم آزادى مجانبى به دقت محاسبه کرد.در حقیقت وقتى کوارک ها مى خواهند از یکدیگر دور شوند تحت تاثیر نیروى افزایش یابنده برهمکنش قوى قرار مى گیرند (در بخش قبل توضیح داده شد) که این نیرو باعث تولید زوج ذرات جدید کوارک مى شود و بدین ترتیب آبشارى (رگبارى) از ذرات در جهت کوارک و پادکوارک اولیه تولید مى شود. با این حال این فرآیند خاطره اى از آزادى مجانبى ذرات اولیه را در خود نگه مى دارد که مى توان تاثیر آن را بر احتمالات وقایعى که در آبشار ذرات اتفاق مى افتد محاسبه کرد. نتایج این محاسبات با آزمایش ها توافق زیادى دارد.واقعه بسیار قانع کننده دیگرى که در شتاب دهنده DESY در هامبورگ آلمان در اواخر 1970 یافت شد وجود سه آبشار در آ زمایشات بود که این فرآیند را مى توان در نظر گرفتن تابش گلوئون از کوارک _ پادکوارک اولیه به خوبى توضیح داد.آزادى مجانبى حتى توانست پدیده اى را که قبلاً در شتاب دهنده استانفورد دیده شده بود توجیه نماید. (فریدمن_ کندال و تیلور- جایزه نوبل 1990) اجزاى سازنده پروتون ها که
داراى بار الکتریکى هستند (کوارک ها) در انرژى هاى بالا به صورت ذرات آزاد عمل مى کنند در این حالت اندازه حرکت کوارک ها تنها نصف اندازه حرکت پروتون ساخته شده از آنها است و بقیه اندازه حرکت پروتون ناشى از اندازه حرکت گلوئون ها است.

به وجود آمدن امکان توصیف واحد براى نیروهاى طبیعت

QCD یکى از جالب ترین آثار آزادى مجانبى در نظریه است. هنگامى که نمودار مقدار ثابت کوپلاژ بر حسب انرژى را براى برهمکنش هاى الکترومغناطیسى، ضعیف و قوى بررسى مى کنیم، این موضوع آشکار مى شود که این سه نمودار یکدیگر را در یک نقطه اى با انرژىبالا (به طور تقریبى نه به صورت دقیق) قطع مى کنند و در این نقطه مقدار یکسانى دارند. بدین ترتیب مى توان دید که این سه نیرو با همدیگر یکى شده اند و این یکى از رویاهاى قدیمى فیزیکدانان است که دوست دارند قوانین طبیعت را به ساده ترین زبان ممکن توضیح دهند.با این حال براى آنکه رویاى وحدت نیروها به واقعیت بپیوندد باید اصلاحاتى در مدل استاندارد به وجود آورد. یک راه ممکن در نظر گرفتن ذرات جدیدى به اسم ذرات ابرتقارن است که اگر جرمشان به اندازه کافى کم باشد مى توان وجود آنها را در شتاب دهنده در حال ساخت LHC در CERN بررسى کرد.اگر ابرتقارن کشف شود مى تواند پشتوانه قویى براى نظریه ابرریسمان ها باشد که آن نیز شاید بتواند نیروى گرانش را با بقیه نیروها وحدت ببخشد. صرف نظر از این پیشرفت ها کشف آزادى مجانبى در QCD تغییرات عمیقى را در فهم ما از نیروهاى بنیادین طبیعت به وجود آورده است

انشمندانى که امیدوارند از نقاط کوانتومى به عنوان واحدهاى ساختمانى نسل جدید رایانه ها استفاده کنند، روشى براى ایجاد ارتباط بین آنها پیدا کرده اند.دانشجوى دکتراى دانشگاه «اوهایو» که به همراه پروفسور «سرجیو اولوآ» یافته هاى مربوط به این تحقیق را در مجله Applied Physics Letters به چاپ رسانده است، مى گوید: «اساساً نقاط کوانتومى با همدیگر صحبت مى کنند.» این نقاط بلورهاى کروى مهندسى شده اى با قطر حدود ? نانومتر هستند. اگر بخواهیم مقایسه اى انجام دهیم، مى توانیم بگوییم که قطر متوسط یک سلول حدود ???? نانومتر است.
محققان بر این باورند که نقاط کوانتومى مى توانند در توسعه فناورى نانو بسیار سودمند باشند، زیرا این نقاط تطبیق پذیر و یک شکل هستند و این امر باعث مى شود تا تغییرات و معایب احتمالى مواد حذف شوند. محققان در تحقیق اخیر براى اولین بار از یک مدل تئورى استفاده کرده و نشان دادند تابش انرژى نورى بر روى نقاط کوانتومى باعث مى شود آنها بلافاصله به صورت منسجم انرژى را منتقل کنند. آنها دریافتند اگر نقاط کوانتومى را در یک فاصله مشخص نسبت به همدیگر (بزرگ تر از شعاع نقاط) قرار دهیم، امواج نور میان این نانوبلورها با یک الگوى ثابت حرکت مى کنند.
در تحقیق قبلى هنگام انتقال امواج میان این ذرات، طول موج آنها تغییر کرده و یا مبادله انرژى به صورت نامنظم صورت مى گرفت و این امر موجب ایجاد اختلال در ارتباط میان نقاط کوانتومى مى شد. نتایج این تحقیق نشان مى دهد که مى توان راهى براى انتقال داده ها از طریق امواج نورى پیدا کرد که این امر زمینه را براى تولید رایانه کوانتومى نورى فراهم مى کند. در رایانه هاى معمولى موجود، انتقال اطلاعات توسط بار الکتریکى صورت مى گیرد ولى در رایانه هاى کوانتومى نورى این کار با استفاده از نور انجام خواهد شد.این فناورى جدید مبتنى بر نقاط کوانتومى مى تواند در تصویربردارى پزشکى نیز مورد استفاده قرار گیرد. نقاط کوانتومى را مى توان به بیمار تزریق کرد و سپس از ابزارى که داراى نقاط کوانتومى بیشترى است، براى تشخیص موقعیت آنها در زیر پوست بهره برد.بنا بر اظهار «اولوآ» در تحقیقات زیستى که بر روى موش ها صورت گرفته است، موفقیت زیادى با این روش تصویربردارى حاصل شده است. این نقاط کوانتومى، نسبت به مواد شیمیایى موجود که براى افزایش وضوح تصویربردارى استفاده مى شوند، اثرات جانبى کمترى داشته و در نهایت مى توانند جایگزین این مواد شوند.

مطالعه در اسرار جهان کوآنتومى کار نسبتاً ساده اى است. کافى است یک تکه کوچک نیمه هادى در مقیاس نانومتر را در یک حفره کوچک که در آن یک موج نور به تله افتاده قرار دهید و بعد شاهد نحوه تعامل و میان کنش این ذره کوچک با موج نور باشید. اشکال کوچکى که در این سناریوى به ظاهر سرراست وجود دارد آن است که جا دادن یک ذره کوچک نیمه هادى در درون یک حفره کوچک و نیز طراحى حفره اى که بتواند یک موج نور را به دام اندازد، کار مهندسى ساده اى نیست. یک گروه از محققان از دانشگاه کالیفرنیاى «سانتا باربارا» با همکارى پژوهشگران موسسه فدرال تحقیقات درباره فناورى در زوریخ در کشور سوئیس راه تازه اى را براى غلبه بر این مشکل مهندسى پیدا کرده اند. به نظر مى رسد سابقه و سنت ساعت سازى دقیق در سوئیس راهنماى عمل این محققان بوده است چرا که این پژوهشگران توانسته اند یک نقطه کوآنتومى را در درون مجموعه اى از لایه هاى نیمه هادى هاى مختلف که بر روى یکدیگر به شکل تکه هاى مختلف یک ساندویچ سوار شده بودند، به وجود آورند و سپس سوراخ و منافذ کوچکى را با مته هاى ظریف در اطراف این ساندویچ حاوى نقطه الکترونى ایجاد کنند و به این ترتیب یک «بلور نورى» تولید کردند که به منزله دیواره هاى حفره عمل مى کند. تنها کار باقیمانده براى مشاهده نمایش میان کنش نور و نقطه آن بود که طول موج امواجى که به درون حفره هدایت مى شود با توجه به ابعاد حفره تنظیم شود.

همیشه وقتى سخن از اینشتین به میان مى آید، ذهن ها متوجه نظریه نسبیت و پیامدهاى انقلابى آن در فیزیک مى شود. اما کمتر کسى این نکته را به خاطر مى آورد که اینشتین همانطور که در اولین انقلاب علمى قرن بیستم یعنى نظریه نسبیت سهیم بود، در انقلاب دیگر یعنى فیزیک کوانتومى نیز نقش بسزایى داشت. حتى جایزه نوبل هم به خاطر مقاله «اثر فوتوالکتریک» که تاییدى بر کوانتومى بودن نور بود، به او اهدا شد. اما بازى سرنوشت آنگونه شکل گرفت که یکى از بزرگترین حامیان مکانیک کوانتومى، منتقد تراز اول آن نیز باشد. این مقاله نگاهى است به واکنش اینشتین نسبت به مکانیک کوانتومى و مباحثات او با فیزیکدانان بانى نظریه کوانتوم به ویژه نیلز بور. هدف توصیف اتفاقاتى است که در تاریخ کوانتوم افتاده است و تنها در موارد ضرورى مسائل علمى ذکر شده است.

کنگره سولوى

همه چیز از کنگره سولوى شروع شد. بانى این سرى کنگره ها، یک صنعتگر آلمانى به نام ارنست سولوى بود. او اولین کنگره بین المللى سولوى را کمى قبل از شروع جنگ جهانى اول، در شهر بروکسل برگزار کرد. قرار بر این بود که در این کنفرانس ها حدود 30 نفر از فیزیکدانان برجسته دعوت شوند و بر روى موضوع از قبل تعیین شده اى، بحث و بررسى کنند. از سال 1911 تا 1927 پنج کنگره با این روش برگزار شد و هر کدام به یکى از پیشرفت هاى فیزیک در آن سال ها اختصاص داشت. معروف ترین کنگره سولوى در سال 1927 و با موضوع فیزیک کوانتومى برگزار شد. در بین شرکت کنندگان در این کنفرانس 9 فیزیکدان نظرى حضور داشتند که بعد ها همه آنها به خاطر سهم مهمى که در شکل گیرى نظریه کوانتوم داشتند، برنده جایزه نوبل شدند. ماکس پلانک، نیلز بور، ورنر هایزنبرگ، اروین شرودینگر و... آلبرت اینشتین از جمله آن فیزیکدان ها بودند. اما اینشتین هنگام شرکت در کنگره به خاطر نظریه نسبیت و همین طور دریافت جایزه نوبل به قدر کافى مشهور بود. به همین دلیل نظر او براى دیگر فیزیکدان ها اهمیت زیادى داشت. هنگام برگزارى پنجمین کنگره سولوى یکى، دو سال بود که از ارائه فرمول بندى شسته رفته اى از مکانیک کوانتومى مى گذشت. ماکس بورن یک فرمول بندى آمارى از مکانیک کوانتومى منتشر کرده بود و هایزنبرگ هم اصل عدم قطعیت (uncertainty principle) خود را مطرح کرده بود. نیلز بور نیز براساس این دستاوردها تعبیر معرفت شناختى خود را از مکانیک کوانتومى پیشنهاد کرده بود که در ضمن آن ایده مکملیت (complementarity) را نیز معرفى مى کرد. همه این موارد دلایلى کافى بودند که اینشتین در تمام طول کنفرانس با بور و هایزنبرگ به بحث بنشیند.

تعبیر کپنهاگى

نکته مهم در اصل عدم قطعیت هایزنبرگ این بود که، نمى توان مکان و تکانه (یا سرعت) یک ذره را به طور همزمان و به طور دقیق اندازه گیرى کرد. با اندازه گیرى مکان عدم قطعیتى در اندازه گیرى سرعت به وجود مى آید و بالعکس. با مطرح شدن این اصل جنجال برانگیز خیلى ها عدم قطعیت را ذاتى طبیعت دانستند و گفتند که این مشکل دستگاه اندازه گیرى یا ناظر نیست. به این ترتیب اصل علیت را زیر سئوال بردند، به این معنى
که وقتى نمى توانیم زمان حال یک سیستم را به طور دقیق بدانیم پس از آینده آن نیز چیزى نمى دانیم و از آنجا که این جهل به ذات طبیعت و نه به دستگاه اندازه گیرى مربوط است، روابط على مخدوش مى شود. این نتیجه گیرى از یک اصل کاملاً فیزیکى یکى از جنبه هاى تعبیرى بود که بعدها به «تعبیر کپنهاگى» از مکانیک کوانتومى معروف شد. از دیگر مولفه هاى تعبیر کپنهاگى ویژگى آمارى و احتمالاتى پدیده هاى زیراتمى بود. براى مثال اگر ناظرى سرعت ذره اى را در راستاى معینى اندازه گیرى کند، به احتمال X یک مقدار خاص و به احتمال Y مقدار دیگرى را به دست مى آورد. روى دادن هر کدام از این احتمالات هم کاملاً تصادفى است و هیچ مکانیسمى براى چگونگى اتفاق آنها بیان نمى شود. نکته دیگر تعبیر کپنهاگى انکار واقعیت فیزیکى بود، به این معنا که فرمول بندى مکانیک کوانتومى تنها واقعیت موجود است. پیش بینى نتایج و کارآمد بودن فرمول بندى کافى است و لازم نیست که این فرمول بندى حتماً با یک واقعیت عینى فیزیکى متناظر باشد.

اینشتین بر ضد بور

اینشتین به هیچ وجه نمى توانست زیر بار یک چنین تعبیرى برود. او فیزیکدانى بود که همواره به دنبال کشف طبیعت بود و یک چنین نظریه اى با این نتایج عجیب و غیرشهودى او را راضى نمى کرد. اینشتین به رئالیسم اعتقاد داشت و نمى توانست بپذیرد که مشاهده کننده واقعیت یک پدیده فیزیکى را تعیین مى کند. او معتقد بود که فیزیکدان ها به ایده آلیسمى از نوع بارکلى روى آورده اند که آنها را سرمست کرده است و از هدف اصلى علم و همچنین فیزیک دور شده اند. به همین دلیل بود که در کنگره سولوى به شدت در مقابل نظریات بور و هایزنبرگ موضع گیرى کرد. هایزنبرگ در خاطرات خود مى نویسد: «همه بحث ها در سر میز غذا شکل مى گرفت و نه در تالار کنفرانس و بور و اینشتین کانون همه بحث ها بودند. بحث معمولاً از سر میز صبحانه شروع مى شد و اینشتین آزمایش فکرى جدیدى که گمان مى کرد اصل عدم قطعیت را رد مى کند، مطرح مى کرد. پس از بحث هاى بسیار در طول روز، بور سر میز شام به اینشتین ثابت مى کرد که آن آزمایش هم نمى تواند اصل عدم قطعیت را خدشه دار کند. اینشتین کمى ناراحت مى شد، اما صبح روز بعد با یک آزمایش فکرى دیگر که پیچیده تر از آزمایش قبلى بود، از راه مى رسید. پس از چند روز پاول اهرنفست فیزیکدان هلندى که دوست اینشتین بود گفت: من به جاى تو خجالت مى کشم، استدلال هاى تو در برابر مکانیک کوانتومى شبیه استدلال هایى است که مخالفانت در برابر نظریه نسبیت مى آورند.» اینشتین با این آزمایش هاى فکرى مى خواست وجود ناسازگارى در مکانیک کوانتومى را نشان دهد تا بتواند آن را رد کند، اما موفق نشد. او همیشه مى گفت نمى تواند قبول کند که خدا شیر یا خط بازى مى کند. او معتقد بود اگر خدا مى خواست تاس بازى کند این کار را به طور کامل انجام مى داد و در آن صورت ما دیگر مجبور نبودیم به دنبال قوانین طبیعت بگردیم، چرا که دیگر قانونى نمى توانست وجود داشته باشد. جواب بور به تمامى این جملات نغز این بود که: ما هم وظیفه نداریم براى خدا در اداره کردن جهان تعیین تکلیف کنیم. به این ترتیب بور در پنجمین کنگره سولوى توانست از سازگارى منطقى تعبیر کپنهاگى دفاع کند. اما بحث هاى اینشتین و بور به ششمین کنگره سولوى در سال 1930 نیز کشیده شد و باز هم اینشتین نتوانست نتیجه اى بگیرد. پس از آن تلاش کرد که ناقص بودن مکانیک کوانتومى را نشان دهد.

اینشتین، پودلسکى و روزن

اینشتین در ادامه تلاش هایش براى اثبات ناقص بودن تعبیر استاندارد مکانیک کوانتومى، مقاله اى را در سال 1935 با همکارى پودلسکى و روزن منتشر کرد. این مقاله با عنوان «آیا توصیف مکانیک کوانتومى از واقعیت فیزیکى مى تواند کامل باشد؟» بعدها با نام اختصارى EPR معروف شد. آنها در مقاله شان سعى کردند که با یک آزمایش فکرى نشان دهند عناصرى از واقعیت وجود دارند که در توصیف کوانتومى وارد نشده اند و بنابراین مکانیک کوانتومى ناقص است. طبق نظر اینشتین نظریه اى کامل است که هر عنصرى از واقعیت فیزیکى مابه ازایى در آن داشته باشد. چهار ماه بعد، بور در مقاله اى با همان عنوان آزمایش EPR را رد کرد و نشان داد که استدلال آنها مغالطه آمیز است.اما این پایان ماجرا نبود. نه اینشتین و نه بور، هیچکدام راضى نشده بودند. اینشتین تا پایان عمرش در سال 1955 همچنان مشکلات مکانیک کوانتومى را یادآورى مى کرد. در مورد بور هم معروف است عکسى که از تخته سیاه او درست یک روز قبل از مرگ او گرفته شده، شامل طرح آزمایشى است که در سال 1930 مورد بحث او و اینشتین بوده است. اینشتین هیچ گاه مکانیک کوانتومى را نپذیرفت و در بهترین حالت قبول کرد که این نظریه، فقط یک نظریه
موقتى است که کامل نیست و فیزیکدانان باید به دنبال نظریه اى دیگر باشند. نظریه اى که هم به علیت و هم به رئالیسم مقید باشد و در عین حال زیبا و ساده نیز باشد.