فوتون مست

Campus

عضو جدید
کاربر ممتاز



مسئله بسيار جالبي از فيزيك وجود دارد به نام گردش يك مست كه با توجه به سادگي‌اش از اهميت بسيار بالايي نيز برخوردار است. فرض كنيد مراقب رفتار مستي باشيم كه از وسط ميدان شهري به پايه چراغي تكيه كرده است. (نمي‌دانيم به چه نحو به اين نقطه رسيده است) ناگهان تصميم مي‌گيرد كه حركت كند اما به هيچ نقطة معيني نرود، پس به راه افتاده و پس از برداشتن چند قدم تغيير جهت مي‌دهد و باز مي‌ايستد و به همين ترتيب به وضعي كه مطلقاً قابل پيش‌بيني نيست پس از هر قدم خط مسير خود را عوض مي‌كند (شكل1) مي خواهيم ببينيم بعد از صد تغيير جهت درمسير پرپيچ و خم خود در چه فاصله‌اي از پاية چراغ خواهد بود؟


شكل (1)
شايد در بدو امر به نظر برسد چون اين حركت هيچ نظمي نداشته و هيچ پيچ و خمي با پيش‌بيني انجام نشده راهي براي حل اين مسئله نيست اما اگر مسئله را با دقت بيشتري مطالعه كنيم خواهيد ديد كه هر چند ممكن نيست دقيقاً گفت كه مست در انتهاي مسير مستانه خود در كدام نقطه است اما بعد از عده زيادي پيچ و خم محتمل‌ترين فاصله از پاية چراغ را تخمين زد.
محورهاي متعامد x و y با مبدأ پايه چراغ را در نظر مي‌گيريم فاصلة مرد مست را بعد از طي n پيچ و خم (در شكل(1) n مساوي 14 است) R مي‌ناميم طبق قضية فيثاغورث داريم:



در اين دسته x و y برحسب امتدادي كه مست در پيچ و خم در پيش داشته است ممكن است مثبت يا منفي باشند به اين نكته توجه كنيد كه چون حركت او كاملاً بي‌نظم بوده است در مسير او ممكن است همان اندازه كه x و y مثبت وجود دارد x و y منفي هم باشد هر گاه عبارت‌هاي داخل پرانتز را به توان برسانيم خواهيم داشت:



به صورت خلاصه شده مي‌توانيم بنويسيم:


بنابر اين:



چون مرد مست كاملاً بي تصميم حركت مي‌كرده ، احتمال مي‌توان داد كه در مقابل هر يك قدم كه برطرف ستون چراغ برداشته يك قدم هم از آن دور شده باشد. براي نصف مقدار X ها احتمال مثبت بودن و براي نصف ديگر احتمال منفي بودن مي‌رود پس وقتي به حاصل‌ضربهاي شامل انديس متفاوت
توجه كنيم. مي‌بينيم كه در عبارت حاصل جمع ممكن است به جمله‌هايي از
برخورد كنيم كه با هم مساوي و مختلف‌العلامه باشند و دو به دو يكديگر را خنثي كنند و از ميان بروند پس آنچه باقي مي‌ماند جمله‌هايي از نوع
است كه چون به توان 2 رسيده است مثبت است بنابر اين حاصل جمع به صورت
در مي‌آيد كه در آن x و y ميانگين طول تصوير هر خم برروي مسير برروي محور X و Y ها است پس محتمل‌ترين فاصل مرد مست از پاي ستون چراغ به وسيله رابطه:
مشخص مي‌شود.
مساوي طول متوسط پيچهاي مسير است و اگر ميانگين طول پيچهاي مسير را L بناميم، خواهيم داشت:



يا به عبارت ساده: «محتمل‌ترين فاصله مرد مست از پايه چراغ پس از طي عده زيادي معيني پيچ و خم بي‌نظم مساوي است با ميانگين طول خمهاي مستقيمي كه طي كرده است ضرت در جذر عدة پيچ و خمها»
پس اگر مرد مست در هر پيچي يك متر طي كرده باشد فاصله‌اش پس از طي صد متر از پاي ستون چراغ ده متر بيشتر نخواهد بود در صورتي كه اگر تغيير جهت نداده بود و راست رفته بود صد متر دورشده بود اين حكايت به ما مي‌فهماند كه در موقع گردش اگر هوشيار باشيم بهتر است.





جنبه احتمالي و آماري مثالي كه گفتيم از اين امر واضح مي‌شود كه در آن از محتمل‌ترين فاصله صحبت كرديم نه از فاصلة حقيقي يك شخص معين وقتي كه صحبت از يك مست تنها باشد ممكن است (اگر چه احتمال نمي‌رود) كه اصلاً از راه خود منحرف نشود و تغيير جهت ندهد و به خط مستقيم سير كند. اين هم ممكن است كه در هر بار كه تغيير جهت مي‌دهد و به اندازه 180 درجه پيچيد و بعد از هر دو تغيير جهت به پاي ستون چراغ برسد. اما اگر چندين مست همه از پاي ستون چراغ به راه بيفتند و بي‌آنكه به كار يكديگر كاري داشته باشند به حركت پرپيچ خم خود بپردازد پس از مدتي بالنسبه طولاني در ناحيه‌اي گرداگرد پاية چراغ پراكنده خواهند بود و فاصلة متوسط آنان را از پاي ستون مي‌توان با قاعده‌اي كه گفتيم حساب كرد.
نمونه‌اي از اين گونه پراكندگي درشكل زير نشان داده شده است كه در آن وضع شش مست را مشخص كرده است هر چه تعداد مستان و عدة پيچ خمهايي كه هر يك پيموده بيشتر باشد محاسبه دقيق‌تر خواهد بود.


حالا اگر به جاي مستها برخي موجود است مكروسكوپي مانند هاگهاي گياهي يا باكتري‌هاي كه در مايعي به حال تعليق هستند در نظر بگيرند ، درست همان چيزي را خواهيد ديد كه «براون » گياه شناس در ميكروسكوپ خود ديد ( حركت براوني ) كه براثر تصادم مولكولها در اثر حركت گرمايشان مي‌باشد ايجاد مي‌شود.

چقدر طول مي‌كشد تا يك فوتون از مركز خورشيد به سطح آن برسد؟
حال مي‌رويم سراغ فوتون مست . مي‌دانيم كه انرژي خورشيد ما در اعماق آن به وسيله تبديلات هسته‌اي عناصر حاصل مي‌شود حاصل اين تبديلات انرژي كه بصورت كوانتوم‌هاي نورسفر خود را از اعماق خورشيد به طرف سطح آن آغاز مي‌كنند. چون سرعت نور ثانيه‌اي 300000 كيلومتر و شعاع خورشيد فقط 700000 كيلومتر است اگر كوانتوم نور بدون انحراف و به راه مستقيم مسير كند كمي بيش از دو ثانيه طول مي‌كشد تا به سطح خورشيد برسد اما در حقيقت چنين نيست و كوانتوم‌هاي نور در مسير به طرف خارج به دفعات بيرون از شمار با اتمهاي الكترونهاي موجود در خورشيد تصادم مي‌كنند. فضاي آزادي كه يك كوانتوم نور مي‌تواند بين هر دو برخورد در طول خط سير خود در داخل خورشيد طي كند در حدود يك سانتي‌متر است و چون شعاع خورشيد 70000000000 سانتيمتر است كوانتوم نور بايد طبق فرمول بدست آمده
يا
قدم مستانه بردارد تا به سطح خورشيد برسد چون براي هر قدم
يا
ثانيه وقت لازم است. براي اينكه فوتون به سطح خورشيد برسد
ثانيه يا تقريباً 5000 سال يا 50 قرن وقت لازم است كه از مركز خورشيد به سطح آن برسد در صورتي كه فاصله بين خورشيد تا زمين فقط در هشت دقيقه طي مي‌كند.[1]
محمد سياري زاده
[1]. با تغييراتي از كتاب يك، دو، سه ...بينهايت ؛ جورج گاموف ؛ ترجمه احمد بيرشك

 
بالا