۶٫۱ اثرِ فوتوالکتریک و پراکندگیِ کامپتون

خانه ／ ۶. حوزهٔ کوانتومی (V5.05)

در نظریهٔ رشته‌های انرژی، نور حبابی از آشفتگیِ کشش در دریای انرژی است. غلافی پایدار تنها وقتی شکل می‌گیرد که سامانه از آستانهٔ کششِ محلی بگذرد؛ گیرنده نیز حباب را وقتی «می‌بلعد» که از آستانهٔ بستن خود عبور کند. پس دانه‌دانه بودن به معنای توپک‌های نور نیست؛ بلکه بسته‌سازی و جذب بر پایهٔ آستانه‌های گسسته انجام می‌شود. «سهم» را آستانه‌ها تعیین می‌کنند و گسترش و تداخل از سرشتِ موجی در دریا می‌آید.

نخست یک سازوکار، سه آستانه، سه گسسته‌سازی
یک «رفت‌وبرگشتِ نور» را به سه گام می‌شکنیم تا روشن شود چرا تبادل سهم‌به‌سهم رخ می‌دهد:

• آستانهٔ منبع — ساخته‌شدنِ بسته: کشش و فاز در گسیلنده می‌انبارد. به درِ رهایی که برسد، اندوخته به شکل غلافِ همدوس یک‌باره بیرون می‌پرد. زیرِ آستانه چکه ندارد؛ بر آستانه یک بستهٔ کامل بیرون می‌آید.
• آستانهٔ مسیر — گذرپذیری: دریا هر آشفتگی را «راه» نمی‌دهد. فقط آشفتگی‌های به‌قدرِ کافی همدوس، در پنجرهٔ شفاف، و هم‌راستا با کانال‌های موجود دور می‌روند؛ بقیه نزدیکِ منبع گرم می‌شوند یا می‌پاشند.
• آستانهٔ گیرنده — بستن: آشکارساز یا الکترونِ بندآمده باید از درِ مادی بگذرد تا رویداد به عنوان جذب/گسیل شمرده شود. در، بخش‌بردار نیست: یا هیچ، یا کامل.
  خلاصه اینکه منبع گسیل را گسسته می‌کند، مسیر برد را برمی‌گزیند و گیرنده جذب را گسسته می‌کند؛ این رشتهٔ آستانه‌ها راهِ موج و «سهمِ» مبادله را در یک نگارهٔ واحد می‌نشاند.

دوم خوانش دو آزمایشِ کلاسیک با «زنجیرهٔ آستانه»

۱) اثرِ فوتوالکتریک: آستانهٔ رنگ، بی‌درنگی، شدت تعداد را عوض می‌کند
چکیدهٔ تاریخی: هرتس (۱۸۸۷) جرقهٔ زیرِ فرابنفش را دید؛ لینارد (۱۹۰۲) سه قانون گفت — آستانهٔ رنگ، خروجِ فوری، شدت تعداد را عوض می‌کند نه انرژیِ هر الکترون؛ اینشتین (۱۹۰۵) «سهم‌های انرژی» را پیش نهاد؛ میلیکن (۱۹۱۴–۱۹۱۶) با دقت تأیید کرد.

• آستانهٔ رنگ: الکترونِ بندآمده باید از درِ ماده بگذرد. «مشتِ» یک بسته را آهنگِ منبع — یعنی رنگ — تعیین می‌کند؛ اگر بیش از حد سرخ باشد یک بسته کم می‌آورد و افزایشِ روشنایی زیرِ آستانه ثمری ندارد.
• بی‌درنگی: جمع‌زدنِ آهسته نیست؛ اگر بسته به آستانه برسد، بستن بی‌درنگ رخ می‌دهد.
• شدت «چند تا» را عوض می‌کند، نه «هر کدام چقدر» را: شدت، تعدادِ بسته در زمان — و بنابراین جریان — را تعیین می‌کند؛ انرژیِ یک بسته به رنگ بسته است، نه به شدت.
• چرا «تک‌به‌تک»: گسسته‌سازی در هر دو سر کار می‌کند: منبع بستهٔ کامل می‌دهد و گیرنده بستهٔ کامل می‌گیرد. در راه، قوانینِ موج کار می‌کند؛ اما در نقطهٔ معامله سهم‌ها بخش‌پذیر نیستند.

۲) پراکندگیِ کامپتون: یک بسته یک‌بار با یک الکترون معامله می‌کند
کامپتون (۱۹۲۳) پرتوهای تک‌رنگِ ایکس را از الکترون‌های تقریباً آزاد پراکند؛ هرچه زاویه بزرگ‌تر بود، نورِ پراکنده سرخ‌تر می‌شد؛ این را تبادلِ واحد با یک الکترون تعبیر کرد؛ نوبل (۱۹۲۷).

• تبادلِ یک‌به‌یک: غلافِ کشش با زیربنای الکترونیِ مجاز بسته می‌شود و بخشی از انرژی و جهت را وا می‌گذارد؛ بنابراین نورِ بازگشتی به سرخ می‌گراید و هرچه زاویه بیش‌تر، امتیازدهی بیش‌تر.
• رویدادهای گسسته: آستانهٔ گیرنده هر برخورد را بستنِ کامل می‌کند — «نیم‌سهم» میان دو الکترون نداریم.
• و موج همچنان شکل می‌دهد: پیش و پس، غلاف از قوانینِ موج پیروی می‌کند؛ جهش فقط در لحظهٔ معامله پدیدار است.

سوم پیامد: هر آشفتگی به «نورِ دوربرد» بدل نمی‌شود
بسیاری از «نورها» در منبع خاموش می‌شوند یا از میدانِ نزدیک فراتر نمی‌روند؛ دلیل، آستانهٔ مسیر است:

• همدوسی ناکافی: غلاف به محض زایش فرو می‌پاشد و بسته نمی‌شود.
• پنجرهٔ نامناسب: بسامد در نوارهای جذبِ شدید می‌افتد و زود بلعیده می‌شود.
• ناهمترازیِ کانال: بیِ راهروی کم‌امپدانس یا با هم‌راستاییِ بد، انرژی تند پخش می‌شود.
  برای رسیدن به دوردست، بسته باید پاک ساخته شود، در پنجرهٔ شفاف بنشیند و با یک کانال سازگار شود.

چهارم سازگاری با نظریه‌های جاافتاده
۱) همسو با کمّیت: انرژیِ فوتون به فرکانس وابسته است. در نظریهٔ رشته‌ها، گسسته‌سازی از آستانهٔ ساخت در منبع و آستانهٔ بستن در گیرنده می‌آید؛ بی‌آنکه هویّت افزوده‌ای لازم باشد.
۲) ناسازگاری‌ای با الکترودینامیکِ کوانتومی که فوتون را کوانتومِ میدان می‌داند، نیست؛ نظریهٔ رشته‌ها نقشهٔ مادی می‌دهد: دریا انتشار و فاز را تعیین می‌کند و رشته‌ها و ماده درها و بستن را.
۳) تداخل و پراش کلاسیک به تمامی حفظ می‌شود: راه‌سازی و شکل‌دهی کارِ موج است و حسابداری کارِ آستانه‌ها.

پنجم نکته‌های فشرده

• نور بستهٔ موجی است که در دریا چون موج می‌گسترد و تداخل می‌کند.
• سهم‌ها از آستانه‌ها می‌آیند: ساخت در منبع و بستن در گیرنده.
• اثرِ فوتوالکتریک سخت‌گیریِ درِ گیرنده را نشان می‌دهد: رنگ گذر از آستانه را تعیین می‌کند و شدت دبیِ بسته‌ها را.
• پراکندگیِ کامپتون هندسهٔ «یک بسته—یک الکترون» را نمایش می‌دهد: زاویهٔ بیش‌تر یعنی واگذاریِ انرژی بیش‌تر و سرخ‌تر شدن.
• هر آشفتگی «نور» نمی‌شود: تنها بسته‌های خوب‌ساخته، در پنجرهٔ شفاف و همساز با کانال تا دور می‌روند.

در این زنجیرهٔ آستانه، موج و «ذره» رودررو نیستند: موج راه می‌سازد و آستانه سهم را تعیین می‌کند. در مسیر موج را می‌بینیم و در نقطهٔ معامله صدای تِق را.