آیا ۹۹.۹۹ درصد از بدن ما را فضای خالی تشکیل داده؟

اگر قرار بود به این نگاه کنید که بدن‌تان از چه چیزی ساخته شده، در سطوح بسیار کوچک و ابتدایی، یک ساختار مینیاتوری از تمام جهان را درون خودتان خواهید یافت. بدن شما از اعضای مختلف تشکیل شده، که خود آن‌ها متشکل از سلول‌ها هستند. سلول‌ها نیز متشکل از اندامک‌هایی هستند که از مولکول ساخته شده‌اند و درون مولکول هم زنجیره‌ای از اتم‌های متصل به یکدیگر وجود دارد. اتم‌ها در ابعادی بسیار بسیار کوچک یافت می‌شوند -معادل تنها ۱ واحد آنگستروم- اما عناصری سازنده به نام پروتون، نوترون و الکترون دارند که حتی از این هم ریزتر به حساب می‌آیند.

اندازه دقیق این پروتون‌ها و نوترون‌هایی که هسته هرکدام از اتم‌های داخل بدن ما را تشکیل می‌دهند برای بشر مشخص شده: هرکدام تنها ۱ فمتومتر اندازه دارند که ۱۰۰ هزار برابر کوچک‌تر از آنگستروم به حساب می‌آید. شرایط اما برای الکترون‌ها متفاوت است و اندازه‌ آن‌ها چیزی بیشتر از یک ده هزارم اندازه پروتون‌ها و نوترون‌ها نیست. همه این‌ها ما را می‌رساند به این سوال جالب که آیا اتم‌ها -و در ابعاد وسیع‌تر، هرچیزی که از اتم ساخته شده- عمدتا فضای خالی هستند؟ به هیچ وجه. دلیلش را در این مقاله تشریح می‌کنیم.

در تجربه رایجی که همه ما داریم، وقتی می‌خواهید بدانید یک چیز چقدر بزرگ است، خیلی ساده آن را اندازه‌گیری می‌کنید. برای مواد غیر کوانتومی هیچ مشکلی در این زمینه وجود ندارد و متدهای مختلف اندازه‌گیری همگی شما را به پاسخی واحد خواهند رساند. چه از یک چوب اندازه‌گیری (مثل خط‌کش) استفاده کنید و چه تصویربرداری با کیفیت بالا و چه تکنیکی متکی بر فیزیک مانند ثقل‌سنجی، در نهایت به پاسخی خواهید رسید که بقیه متدها هم به همان رسیده‌اند.

اما برای کوچک‌ترین اجسام شناخته شده برای نوع بشر، مانند یک اتم، این تکنیک‌ها دیگر آنقدرها موثر تلقی نمی‌شوند. نخستین تلاش برای کاوش قسمت داخلی اتم‌ها با فاصله کوتاهی بعد از کشف پرتو زایی صورت گرفت و واقعا هم تلاشی نبوغ آمیز بود. با شلیک ذرات به دست آمده از تشعشعات مواد پرتو زا به سمت یک صفحه باریک از اتم‌ها، انرست رادرفورد می‌خواست بداند وقتی بخش داخلی اتم‌ها را بررسی می‌کنیم به چه چیزی خواهیم رسید. آنچه او یافت، جهان را شوکه کرد.

این ذرات با سرعت بسیار بالایی به سمت یک لایه بسیار باریک از فویلی از جنسی طلا شلیک می‌شدند، این فویل آنقدر چکش‌کاری و باریک شده بود که تنها لمس آن با دست برهنه می‌توانست به فروپاشی‌اش منجر شود. درحالی که اکثر ذرات از میان فویل رد شدند، تعداد اندک اما جالب توجهی از ذرات منحرف شدند و تعدادی دیگر حتی دقیقا روند عکس مسیر ابتدایی را در پیش گرفتند. بگذارید به موضوع همانطور که خود رادرفورد ۱۵ سال بعد تشریح کرد نگاه کنیم:

این معرکه‌ترین اتفاقی بود که در تمام زندگی‌ام افتاد. آنقدر باورنکردنی بود که انگار یک گلوله ۱۵ اینچی به سمت یک کاغذ توالت شلیک کنید و ناگهان منحرف شده و به شما برخورد کند.

این نوع از تکنیک اندازه‌گیری ابعاد ذرات تحت عنوان «پراکندگی ناکشسان ژرف» شناخته می‌شود و امروز از آن برای اندازه‌گیری ذرات بنیادین درون پروتون‌ها و نوترون‌ها استفاده می‌کنیم. برای بیش از ۱۰۰ سال، از رادرفورد گرفته تا برخورد‌ دهنده هادرونی بزرگ، این روشی مهم برای اندازه‌گیری ابعاد ذرات بنیادین بوده است.

اما این شرایط که انرژی در آن بسیار بالا است -یعنی زمانی که اتم‌ها و هسته‌های اتم با ذراتی با سرعت نزدیک به سرعت نور بمباران می‌شوند- دقیقا آن شرایطی نیست که اتم‌ها در زندگی روزمره و عادی ما تجربه می‌کنند. ما در جهانی با انرژی کم زندگی می‌کنیم و اتم‌های درون بدن ما و همینطور برخوردهایی که میان ذرات مختلف صورت می‌گیرد، کمتر از ۱ میلیاردم آنچه درون برخورد دهنده هادرونی بزرگ می‌گذرد انرژی دارند.

در جهان کوانتومی، ما معمولا درباره دوگانگی موج و ذره صحبت می‌کنیم؛ این ایده که اجرام کوانتومی بنیادینی که جهان ما را تشکیل می‌دهند هم به شکل موج و هم ذره ظاهر می‌شوند و این موضوع بستگی به شرایطی دارد که در آن قرار گرفته‌اند. هرچه به سراغ انرژی‌های بالاتر و بالاتر برویم، ماده کوانتومی مد نظرمان بیشتر شبیه ذرات رفتار می‌کند و هرچه به سراغ انرژی‌های پایین‌تر برویم، بیشتر به امواج شبیه می‌شود.

با بررسی فوتون -کوانتوم انرژی مرتبط با نور- می‌توانیم به چرایی موضوع پی ببریم. نور همراه با سطوح مختلف از انرژی از راه می‌رسد: از پرتوهای شدیدا پر انرژی گاما گرفته تا موج‌های رادیویی بسیار کم انرژی. اما انرژی نور ارتباطی نزدیک با طول موج آن دارد: هرچه انرژی بالاتر باشد، طول موج کوتاه‌تر می‌شود.

کم انرژی‌ترین امواج رادیویی شناخته شده، چندین متر یا حتی چندین کیلومتر طول دارند و نوسان‌ساز و میدان‌های مغناطیسی آن‌ها برای به جنبش در آوردن الکترون‌های موجود در آنتن‌ها کاربردی تلقی می‌شود؛ جنبشی که در نهایت به خلق سیگنالی منجر می‌شود که ما از آن استفاده و استخراجش می‌کنیم. پرتوهای گاما اما می‌توانند آنقدر پر انرژی باشند که نیازمند ده‌ها هزار طول موج خواهیم بود تا درون تنها یک پروتون ‌آن‌ها جای بگیرند. اگر اندازه ذره شما بیشتر از طول موج نور شما باشد، این تنها نور است که می‌تواند آن را اندازه‌گیری کند.

اما اگر ذره شما کوچک‌تر از طول موج نور باشد، نور قادر به تعامل درست با ذره نخواهد بود و رفتاری شبیه به یک موج پیدا می‌کند. به همین خاطر است که فوتون‌های کم انرژی، مانند فوتون‌هایی که نوری قابل مشاهده دارند، هنگام عبور از دو شکاف، نوعی الگوی تداخل ایجاد می‌کنند. بنابراین مادامی که شکاف‌ها آنقدر بزرگ باشند که طول موج نور بتواند از میان‌شان عبور کند، شاهد یک الگوی تداخل در سوی دیگر خواهید بود که همین رفتار شبیه به امواج را به نمایش در می‌آورد.

حتی اگر فوتون‌ها را به نوبت عبور دهید هم این ماجرا حقیقت خواهد داشت و این به ما نشان می‌دهند که ماهیت شبیه به امواج چیزی نیست که میان فوتون‌های متفاوت رخ دهد. بلکه هر فوتون به طرقی در حال تداخل با خودش است.

حتی اگر الکترون‌ها را جایگزین فوتون‌ها کنید هم باز این ماجرا تکرار می‌شود،‌ زیرا حتی ذرات عظیم‌الجثه هم در شرایط کم انرژی مثل امواج عمل می‌کنند. حتی الکترون‌های کم انرژی هم وقتی که به نوبت از میان دو شکاف عبور داده می‌شوند همان الگوی تداخل و رفتار شبیه به امواج را به نمایش می‌گذارند.

وقتی یک اتم را متصور می‌شویم، اکثر ما به شکل غریزی به همان مدلی برمی‌گردیم که در مدرسه آموزش دیده‌ایم: تصویری از یک الکترون شبیه به نقطه که به دور هسته‌ای کوچک و چگال می‌گردد. این «مدل سیاره‌ای» از اتم، نخستین بار توسط رادرفورد ارائه شد و بعد توسط نیلز بور و آرنولد سامرفلد که نیاز به سطوح انرژی مجزا را احساس می‌کردند دستخوش تغییر شد.

اما در بخش اعظمی از سده گذشته به این درک رسیده‌ایم که این مدل‌ها بیش از اندازه شبه ذره بوده و نمی‌توانند آنچه حقیقتا اتفاق می‌افتد را تشریح کنند. الکترون‌ها سطوح مجزایی از انرژی دارند اما نمی‌توان آن‌ها را به مدارهای سیاره‌ای تشبیه کرد. در عوض، الکترون‌های داخل یک اتم بیشتر شبیه یک ابر رفتار می‌کنند: یک‌جور مه که در حجم مشخصی از فضا پخش می‌شود. بنابراین وقتی به تصاویر مدارهای اتمی نگاه می‌کنیم، در واقع این تصاویر دارند نشان‌مان می‌دهند که شکل موجی هر الکترون چگونه است.

اگر قرار باشد یک فوتون یا ذره پر انرژی را به داخل اتم بفرستیم تا با الکترون تعامل کند، بله، امکان تعیین محل دقیق آن وجود خواهند داشت. اما عمل فرستادن این ذره پر انرژی به آن‌جا اساسا هرآنچه درون خود اتم می‌گذرد را تغییر خواهد داد. این کار منجر به به این می‌شود که الکترون به جای اینکه به یک موج شبیه شود، حداقل برای یک لحظه کوتاه و هنگام آن تعامل، رفتاری شبیه به یک ذره پیدا کند.

اما قبل از اینکه این تعامل صورت بگیرد، الکترون همواره رفتاری شبیه به یک موج داشته است. وقتی یک اتم ایزوله شده با دمای اتاق، یا زنجیره‌ای از اتم‌ها که درون یک مولکول به یکدیگر متصل شده‌اند داشته باشیم، رفتار آن‌ها مانند مثل این ذرات یگانه‌ای که در ذهن‌مان شبیه به نقطه هستند نخواهد بود. در عوض آن‌ها مثل امواج رفتار می‌کنند و الکترون در واقع در سراسر این حجم ۱ آنگسترومی یافت می‌شود. بنابراین این‌طور نیست که الکترون تنها یک نقطه مشخص از این فضا را اشغال کرده باشد.

بهترین راه برای فکر کردن راجع به یک الکترون اینست که آن را به «مه» یا «ابری» تشبیه کنیم که در تمام فضای میان هسته‌های اتمی پخش شده است. وقتی دو اتم یا بیشتر درون یک مولکول به یکدیگر متصل می‌شوند، ابرهای الکترونی آن‌ها با یکدیگر هم‌پوشانی داشته و الکترون حتی از قبل هم بیشتر اشاعه می‌یابد. وقتی شما دست‌تان را به یک سطح فشار می‌دهید، نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از الکترون‌های روی آن سطح، به الکترون‌های دست شما فشار می‌آورند و در نتیجه ابرهای الکترونی دچار اعوجاج شده و شکل خود را از دست می‌دهند.

این توصیف اندکی دور از عقل و غیر شهودی به نظر می‌رسد چون ما عادت کرده‌ایم که به عناصر بنیادین یک ماده، به چشم ذره نگاه کنیم. اما بهتر است به آن‌ها به چشم مواد کوانتومی نگاه کنیم: موادی که در شرایط پر انرژی مثل ذرات رفتار می‌کنند و در شرایط کم انرژی مثل امواج. وقتی مشعول سر و کله زدن با اتم‌ها در شرایط عادی و دنیوی باشیم، شبیه به امواج هستند و مواد کوانتومی بخشی عظیم از فضا را به تنهایی اشغال خواهند کرد.

وقتی برای سر در آوردن از جهان پیرامون‌مان از شهود استفاده می‌کنیم، با مشکلی بزرگ روبه‌رو می‌شویم: شهود از تجربه به دست می‌آید و تجربه شخصی ما از این جهان کاملا کلاسیک است. جهان ما در پدیده‌های بنیادین از ذرات تشکیل شده و مجموعه‌ای از ذرات می‌توانند فشرده، تصفیه و دچار نوسان شوند که همچون ساز و کار امواج به نظر می‌رسد.

اما در قلمروی کوانتومی اتم‌ها، فوتون‌ها و الکترون‌ها، رفتار شبیه به امواج دقیقا به اندازه رفتار شبیه به ذرات، بنیادین تلقی می‌شود و این شرایط آزمایش، اندازه‌گیری یا تعاملات است که آنچه می‌بینیم را تعیین می‌کند. در شرایطی که انرژی بسیار بالاست، آزمایش‌ها رفتاری شبیه به ذرات را نشان می‌دهند که به آن‌ها حسابی عادت داریم. اما در شرایط نرمال، مانند آنچه به صورت مداوم با بدن‌هایمان تجربه می‌کنیم، حتی یک الکترون واحد می‌تواند تمام فضای داخل یک اتم یا مولکول را در بر بگیرد.

بنابراین بدن شما عمدتا از فضای خالی تشکیل نشده. شما عمدتا متشکل از مجموعه‌ای از ابرهای الکترونی هستید و همگی با همان قوانین کوانتومی به یکدیگر متصل شده‌اند که بر تمام جهان حکمرانی می‌کنند.