مکانیک کوانتومی یا فیزیک کوانتومی، مجموعهای از قوانین علمی است که رفتار عجیب فوتونها، الکترونها و دیگر ذرات زیراتمی سازنده جهان را توصیف میکند.
در کوچکترین مقیاسها، جهان هستی رفتاری بسیار متفاوت از دنیای روزمرهای که در اطراف خود مشاهده میکنیم، دارد. مکانیک کوانتومی زیرشاخهای از فیزیک است که این رفتار عجیب ذرات میکروسکوپی – اتمها ، الکترونها، فوتونها و تقریباً هر چیز دیگری در قلمرو مولکولی و زیرمولکولی – را توصیف میکند.
نتایج مکانیک کوانتومی که در نیمه اول قرن بیستم توسعه یافت، اغلب بسیار عجیب و خلاف شهود است. با این حال، مطالعه آنها به فیزیکدانان این امکان را داده است که به درک بیشتری از ماهیت جهان برسند و روزی میتواند نحوه پردازش اطلاعات توسط ما انسانها را تغییر دهد.
مکانیک کوانتومی چه تفاوتی با فیزیک کلاسیک دارد؟
در مقیاس اتمها و الکترونها،بسیاری از معادلات مکانیک کلاسیک که حرکت و برهمکنشهای اشیاء را در اندازهها و سرعتهای روزمره توصیف میکنند،دیگر کاربردی ندارند.در مکانیک کلاسیک، اشیاء در یک مکان خاص و در یک زمان خاص وجود دارند . در مکانیک کوانتومی، اشیاء در هالهای از احتمال وجود دارند؛ آنها شانس مشخصی برای بودن در نقطه A، شانس دیگری برای بودن در نقطه B و غیره دارند.
چه کسی مکانیک کوانتومی را توسعه داد؟
برخلاف نظریه نسبیت معروف آلبرت انیشتین که تقریباً همزمان با آن توسعه یافت، ریشههای مکانیک کوانتومی را نمیتوان به یک دانشمند واحد نسبت داد. ،دانشمندان متعددی در پایهگذاری این نظریه که به تدریج بین اواخر دهه آخر ۱۸۰۰ و ۱۹۳۰ مورد پذیرش و تأیید تجربی قرار گرفت، مشارکت داشتند. در سال ۱۹۰۰، فیزیکدان آلمانی، ماکس پلانک، در تلاش بود تا توضیح دهد که چرا اشیاء در دماهای خاص، مانند رشته لامپ با دمای ۱۴۷۰ درجه فارنهایت (۸۰۰ درجه سانتیگراد)، رنگ خاصی را میدرخشند – در این مورد، پلانک متوجه شد که معادلات مورد استفاده فیزیکدان لودویگ بولتزمن برای توصیف رفتار گازها را میتوان به توضیحی برای این رابطه بین دما و رنگ تبدیل کرد. مشکل این بود که کار بولتزمن بر این واقعیت متکی بود که هر گاز معینی از ذرات ریز ساخته شده است، پلانک به این نتیجه رسید که نور نیز از مقادیر گسسته ساخته شده است.
این ایده در تضاد با ایدههای مربوط به نور در آن زمان بود، زمانی که اکثر فیزیکدانان معتقد بودند که نور یک موج پیوسته است و نه یک بسته کوچک. خود پلانک به اتمها یا ذرات گسسته نور اعتقادی نداشت، اما مفهوم او در سال ۱۹۰۵، زمانی که انیشتین مقالهای با عنوان « درباره یک دیدگاه اکتشافی نسبت به انتشار و تبدیل نور » منتشر کرد، تقویت شد.
انیشتین تصور میکرد که نور نه به صورت موج، بلکه به صورت نوعی «کوانتومهای انرژی» حرکت میکند. انیشتین در مقاله خود پیشنهاد داد که این بسته انرژی میتواند «فقط به صورت یک مقدار از مضربی صحیح جذب یا تولید شود»، به ویژه هنگامی که یک اتم بین نرخهای ارتعاش کوانتیزه «جهش» میکند. بخش نام«کوانتومی» مکانیک کوانتومی از همین جا ناشی میشود.
با این روش جدید برای درک نور، انیشتین در مقاله خود بینشهایی را در مورد رفتار ۹ پدیده ارائه داد، از جمله رنگهای خاصی که پلانک از رشته لامپ ساطع میکرد. همچنین توضیح داد که چگونه رنگهای خاصی از نور میتوانند الکترونها را از سطوح فلزی تحت پدیدهای به نام اثر فوتوالکتریک جدا کنند.
در مکانیک کوانتومی، ذرات میتوانند گاهی به صورت موج و گاهی به صورت ذره وجود داشته باشند. این موضوع را میتوان به طور مشهور در آزمایش دو شکاف مشاهده کرد، جایی که ذراتی مانند الکترونها به سمت تختهای با دو شکاف بریده شده شلیک میشوند، که پشت آن صفحهای قرار دارد که هنگام برخورد الکترون روشن میشود اگر الکترونها ذره بودند، پس از عبور از یک یا دو شکاف، دو خط روشن در محل برخوردشان با صفحه ایجاد میکردند.
در عوض، وقتی آزمایش انجام میشود، یک الگوی تداخلی روی صفحه شکل میگیرد. این الگوی نوارهای تاریک و روشن تنها در صورتی منطقی است که الکترونها موج باشند، با قلهها (نقاط اوج) و درهها (نقاط فرود) که میتوانند با یکدیگر تداخل کنند. حتی وقتی یک الکترون واحد در یک زمان از میان شکافها شلیک میشود، الگوی تداخلی ظاهر میشود – اثری شبیه به تداخل یک الکترون واحد با خودش.
در سال ۱۹۲۴، فیزیکدان فرانسوی، لویی دو بروی، با استفاده از معادلات نظریه نسبیت خاص انیشتین نشان داد که ذرات میتوانند ویژگیهای موجمانند و امواج میتوانند ویژگیهای ذرهمانند از خود نشان دهند – یافتهای که به خاطر آن چند سال بعد جایزه نوبل را از آن خود کرد.
مکانیک کوانتومی چگونه اتمها را توصیف میکند؟
در دهه ۱۹۱۰، نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، سعی کرد ساختار داخلی اتمها را با استفاده از مکانیک کوانتومی توصیف کند. تا آن زمان، مشخص شده بود که اتم از یک هسته سنگین، متراکم و با بار مثبت ساخته شده است که توسط انبوهی از الکترونهای کوچک، سبک و با بار منفی احاطه شده است. بور، الکترونها را مانند سیارات در یک منظومه شمسی زیر اتمی، در مدارهایی به دور هسته قرار داد ، تصور کرد. با این تفاوت که آنها فقط میتوانستند فواصل مداری از پیش تعریف شدهای داشته باشند. با پرش از یک مدار به مدار دیگر، اتم میتوانست تابشهایی را در انرژیهای خاص دریافت یا منتشر کند که منعکس کننده ماهیت کوانتومی آنها بود.
اندکی پس از آن، دو دانشمند که به طور مستقل و با استفاده از خطوط جداگانه تفکر ریاضی کار میکردند، تصویر کوانتومی کاملتری از اتم ایجاد کردند . در آلمان، فیزیکدان ورنر هایزنبرگ با توسعه «مکانیک ماتریسی» این کار را انجام داد. فیزیکدان اتریشی-ایرلندی، اروین شرودینگر، نظریه مشابهی به نام «مکانیک موج» را توسعه داد. شرودینگر در سال ۱۹۲۶ نشان داد که این دو رویکرد معادل هستند.
مدل اتم هایزنبرگ-شرودینگر، که در آن هر الکترون به عنوان موجی در اطراف هسته اتم عمل میکند، جایگزین مدل قبلی بور شد. در مدل اتم هایزنبرگ-شرودینگر، الکترونها از یک “تابع موج” پیروی میکنند و به جای مدار، “اوربیتال” را اشغال میکنند. بر خلاف مدارهای دایرهای مدل بور، اوربیتالهای اتمی اشکال متنوعی دارند، از کره گرفته تا دمبل و گل مروارید.
باطل نما(پارادوکس) گربه شرودینگر چیست؟
گربه شرودینگر یک آزمایش فکری است که اغلب به اشتباه درک میشود و تردیدهایی را که برخی از توسعهدهندگان اولیه مکانیک کوانتومی با نتایج آن داشتند، توصیف میکند. در حالی که بور و بسیاری از شاگردانش معتقد بودند که مکانیک کوانتومی بیان میکند که ذرات تا زمانی که مشاهده نشوند، خواص مشخصی ندارند، شرودینگر و انیشتین قادر به باور چنین احتمالی نبودند زیرا منجر به نتیجهگیریهای مضحکی در مورد ماهیت واقعیت میشد.
در سال ۱۹۳۵، شرودینگر آزمایشی را پیشنهاد کرد که در آن زندگی یا مرگ یک گربه به چرخش تصادفی یک ذره کوانتومی بستگی داشت، که حالت آن تا زمانی که جعبه باز نشود، نامرئی باقی میماند. شرودینگر امیدوار بود که پوچی ایدههای بور را با یک مثال در دنیای واقعی نشان دهد که به ماهیت احتمالاتی یک ذره کوانتومی بستگی داشت اما نتیجهای بیمعنی به همراه داشت.
طبق تفسیر بور از مکانیک کوانتومی، تا زمانی که جعبه باز نشده بود، گربه در موقعیت دوگانه غیرممکنِ زنده و مرده بودن به طور همزمان قرار داشت. (هیچ گربه واقعی تاکنون تحت این آزمایش قرار نگرفته است.) هم شرودینگر و هم انیشتین معتقد بودند که این امر به نشان دادن این نکته کمک میکند که مکانیک کوانتومی یک نظریه ناقص است و در نهایت توسط نظریهای که با تجربیات عادی مطابقت دارد، جایگزین خواهد شد.
حتی امروزه، فیزیکدانان در تلاشند تا توضیح دهند که چرا ذرات زیر اتمی میتوانند ظاهراً در برهمنهی از حالتهای مختلف وجود داشته باشند، اما ساختارهای بزرگ – مانند خود جهان – ظاهراً اینطور نیستند. اصلاحات پیشنهادی در معادلات شرودینگر میتواند به حل این تنش کمک کند، اما تاکنون هیچکدام از آنها به طور گسترده توسط جامعه علمی پذیرفته نشدهاند.
درهمتنیدگی کوانتومی چیست؟
شرودینگر و انیشتین به برجسته کردن نتیجه عجیب دیگری از مکانیک کوانتومی کمک کردند که هیچکدام نمیتوانستند آن را به طور کامل درک کنند. در سال ۱۹۳۵، انیشتین به همراه فیزیکدانانی چون بوریس پودولسکی و ناتان روزن، نشان دادند که میتوان دو ذره کوانتومی را طوری تنظیم کرد که حالتهای کوانتومی آنها همیشه با یکدیگر همبسته باشد. ذرات اساساً همیشه از خواص یکدیگر «اطلاع» داشتند. این بدان معناست که اندازهگیری حالت یک ذره، حالت ذره دوقلو را، صرف نظر از فاصله آنها، فوراً به شما میگوید، نتیجهای که انیشتین آن را «کنش شبحوار از راه دور» نامید، اما شرودینگر خیلی زود آن را«درهمتنیدگی » نامید.نشان داده شده است که درهمتنیدگی یکی از اساسیترین جنبههای مکانیک کوانتومی است و همیشه در دنیای واقعی رخ میدهد . محققان مرتباً آزمایشهایی را با استفاده از درهمتنیدگی کوانتومی انجام میدهند و این پدیده بخشی از مبانی حوزه نوظهور محاسبات کوانتومی است.
محاسبات کوانتومی چیست؟
برخلاف رایانههای کلاسیک که دادهها را با استفاده از بیتهای دودویی پردازش میکنند، که میتوانند در یکی از دو حالت ۰ یا ۱ باشند، رایانههای کوانتومی از ذراتی مانند الکترون یا فوتون استفاده میکنند. این بیتهای کوانتومی یا کیوبیتها، نشاندهنده برهمنهی از ۰ و ۱ هستند – به این معنی که میتوانند همزمان در چندین حالت وجود داشته باشند.
این برهمنهی، کامپیوترهای کوانتومی را قادر میسازد تا با پردازش همزمان تمام حالتهای یک کیوبیت، محاسبات را به صورت موازی انجام دهند. علاوه بر این، درهمتنیدگی کوانتومی به چندین کیوبیت اجازه میدهد تا صرف نظر از فاصله بین ذرات، اطلاعات را به اشتراک بگذارند و به طور همزمان با هم تعامل داشته باشند. اگرچه برهمنهی کوانتومی و درهمتنیدگی کوانتومی، پتانسیل پردازش کامپیوترهای کوانتومی را بسیار بالاتر از کامپیوترهای کلاسیک میکند، اما این حوزه راه درازی در پیش دارد. در حال حاضر، کامپیوترهای کوانتومی بسیار کوچک، بسیار دشوار برای نگهداری و بسیار مستعد خطا هستند و نمیتوانند با بهترین کامپیوترهای کلاسیک رقابت کنند. با این حال، بسیاری از کارشناسان انتظار دارند که این وضعیت روزی با پیشرفت این حوزه تغییر کند.
آیا مکانیک کوانتومی و نسبیت عام با هم ناسازگارند؟
در حال حاضر، فیزیکدانان فاقد توضیح کاملی برای تمام ذرات و نیروهای مشاهده شده در جهان هستند، که اغلب به آن نظریه همه چیز میگویند. نسبیت عام انیشتین چیزهای بزرگ و عظیم را توصیف میکند، در حالی که مکانیک کوانتومی چیزهای کوچک و غیرمادی را توصیف میکند. این دو نظریه دقیقاً با هم ناسازگار نیستند، اما هیچ کس نمیداند چگونه آنها را با هم تطبیق دهد.
بسیاری از محققان به دنبال نظریهای برای گرانش کوانتومی بودهاند که گرانش را وارد مکانیک کوانتومی کند و همه چیز را از حوزههای زیراتمی تا ابرکهکشانی توضیح دهد. پیشنهادهای زیادی برای چگونگی انجام این کار وجود دارد، مانند اختراع یک ذره کوانتومی فرضی برای گرانش به نام گراویتون، اما تاکنون هیچ نظریه واحدی نتوانسته است همه مشاهدات اشیاء در جهان ما را در بر بگیرد. یکی دیگر از پیشنهادهای محبوب، نظریه ریسمان است که فرض میکند بنیادیترین موجودات، ریسمانهای کوچکی هستند که در ابعاد مختلف ارتعاش میکنند، از آن جایی که شواهد کمی به نفع آن کشف شده است، توسط فیزیکدانان کمتر پذیرفته شده است. محققان دیگری نیز روی نظریههایی شامل گرانش کوانتومی حلقهای کار کردهاند که در آن هم زمان و هم فضا در بخشهای کوچک و گسسته قرار میگیرند، اما تاکنون هیچ ایدهای نتوانسته جایگاه مهمی در جامعه فیزیک به دست آورد