علم کوانتوم چیست؟

علم کوانتوم چیست؟ شهر دانش ایوان کسری
فهرست مطالب

ما در این مقاله به این موضوع می پردازیم که علم کوانتوم چیست یا در واقع فیزیک کوانتوم چیست؟ فیزیک کوانتومی مطالعه ماده و انرژی در اساسی ترین سطح است. هدف آن کشف ویژگی ها و رفتارهای اجزای سازنده طبیعت است.

در حالی که بسیاری از آزمایش‌های کوانتومی اجسام بسیار کوچک را بررسی می‌کنند، مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها، پدیده‌های کوانتومی در اطراف ما هستند و در هر مقیاسی عمل می‌کنند. با این حال، ممکن است نتوانیم آنها را به راحتی در اجسام بزرگتر تشخیص دهیم. این ممکن است تصور اشتباهی را ایجاد کند که پدیده های کوانتومی عجیب و غریب یا ماورایی هستند. در واقع، علم کوانتوم شکاف‌های دانش ما را از فیزیک را می‌بندد تا تصویر کامل‌تری از زندگی روزمره‌مان به ما بدهد.

اکتشافات کوانتومی در درک اساسی ما از مواد، شیمی، زیست شناسی و نجوم گنجانده شده است. این اکتشافات منبع ارزشمندی برای نوآوری هستند که باعث پیدایش دستگاه‌هایی مانند لیزر و ترانزیستور می‌شوند و پیشرفت واقعی را در فناوری‌هایی که زمانی صرفاً یک تخیل و رویا تلقی می‌شدند همچون رایانه‌های کوانتومی، امکان‌پذیر می‌سازند. فیزیکدانان در حال بررسی پتانسیل علم کوانتوم برای تغییر دیدگاه ما از گرانش و ارتباط آن با فضا و زمان هستند. علم کوانتومی حتی ممکن است نشان دهد که چگونه همه چیز در جهان (یا در جهان های متعدد) از طریق ابعاد بالاتری که حواس ما قادر به درک آن نیستند به هر چیز دیگری مرتبط است.

ریشه های علم کوانتوم چیست؟

حوزه فیزیک کوانتومی در اواخر دهه 1800 و اوایل دهه 1900 از یک سری مشاهدات تجربی از اتم ها که در زمینه فیزیک کلاسیک معنی شهودی نداشتند، بوجود آمد. در میان اکتشافات اساسی این درک بود که ماده و انرژی را می توان به عنوان بسته های مجزا یا کوانتوم هایی در نظر گرفت که دارای حداقل مقدار مرتبط با آنها هستند. برای مثال، نور با فرکانس ثابت انرژی را به صورت کوانتایی به نام “فوتون” ارائه می کند. هر فوتون در این فرکانس دارای همان مقدار انرژی خواهد بود و این انرژی را نمی توان به واحدهای کوچکتر تجزیه کرد. در واقع کلمه “کوانتوم” ریشه لاتین دارد و به معنای “چقدر” است.

دانش اصول کوانتومی تصور ما را از اتم، که از یک هسته احاطه شده توسط الکترون ها تشکیل شده است، تغییر داد. مدل‌های اولیه، الکترون‌ها را به‌عنوان ذراتی نشان می‌دادند که به دور هسته می‌چرخند، دقیقاً مانند روشی که ماهواره‌ها به دور زمین می‌چرخند. در عوض، فیزیک کوانتومی مدرن، الکترون‌ها را به‌عنوان توزیع شده در اوربیتال‌ها درک می‌کند، توصیف‌های ریاضی که احتمال وجود الکترون‌ها را در بیش از یک مکان در یک محدوده معین در هر زمان معین نشان می‌دهد. الکترون‌ها می‌توانند با افزایش یا از دست دادن انرژی از یک مدار به مدار دیگر بپرند، اما نمی‌توان آنها را بین اوربیتال‌ها یافت.

سایر مفاهیم اصلی علم کوانتوم چیست؟

  • دوگانگی موج-ذره

    • این اصل به اولین روزهای علم کوانتوم برمی گردد. نتایج آزمایش‌هایی را توصیف می‌کند که نشان می‌دهد نور و ماده، بسته به نحوه اندازه‌گیری، دارای خواص ذرات یا امواج هستند. امروزه می‌دانیم که این اشکال مختلف انرژی در واقع نه ذره هستند و نه موج. آنها اجسام کوانتومی متمایز هستند که ما نمی توانیم به راحتی آنها را مفهوم سازی کنیم.
  • برهم نهی

    • این اصطلاحی است که برای توصیف یک شیء به عنوان ترکیبی از چندین حالت ممکن به طور همزمان استفاده می شود. یک جسم روی هم مشابه موجی است که روی سطح حوضچه ای ترکیبی از دو موج روی هم قرار گرفته است. در یک مفهوم ریاضی، یک جسم در برهم نهی را می توان با معادله ای نشان داد که بیش از یک جواب یا نتیجه دارد.
  • اصل عدم قطعیت

    • این یک مفهوم ریاضی است که مبادله ای بین دیدگاه های مکمل را نشان می دهد. در فیزیک، این بدان معناست که دو ویژگی یک جسم، مانند موقعیت و سرعت آن، را نمی توان همزمان به طور دقیق شناخت. برای مثال، اگر موقعیت یک الکترون را دقیقاً اندازه گیری کنیم، در اندازه گیری سرعت آن دقیق نخواهیم بود.
  • درهم تنیدگی

    • این پدیده ای است که زمانی رخ می دهد که دو یا چند جسم به گونه ای به هم متصل می شوند که می توان آنها را به عنوان یک سیستم واحد تصور کرد، حتی اگر از هم دور باشند. وضعیت یک شیء در آن سیستم را نمی توان به طور کامل بدون اطلاعات در مورد وضعیت شیء دیگر توصیف کرد. به همین ترتیب، یادگیری اطلاعات در مورد یک شیء به طور خودکار چیزی در مورد دیگری به شما می گوید و بالعکس.

ریاضیات و ماهیت احتمالی اجسام کوانتومی

از آنجایی که تجسم بسیاری از مفاهیم فیزیک کوانتومی برای ما دشوار است، اگر نگوییم غیرممکن است، ریاضیات برای این رشته ضروری است. معادلات برای توصیف یا کمک به پیش‌بینی اشیاء و پدیده‌های کوانتومی به روش‌هایی که دقیق‌تر از آنچه ما می توانیک تصور کنیم، استفاده می‌شود.

همچنین ریاضیات برای نمایش ماهیت احتمالی پدیده های کوانتومی ضروری است. برای مثال، موقعیت یک الکترون ممکن است دقیقاً مشخص نباشد. در عوض، ممکن است بتوان آن را به واسطه قرار گرفتن در محدوده‌ای از مکان‌های ممکن (مانند داخل یک اوربیتال) توصیف کرد که هر مکان با احتمال یافتن الکترون در آنجا مرتبط است.

مشاهده فرصت های شغلی : شهر کار

با توجه به ماهیت احتمالی آنها، اجسام کوانتومی اغلب با استفاده از “توابع موج” ریاضی توصیف می شوند، که راه حل هایی برای معادله شرودینگر هستند. امواج در آب را می توان با تغییر ارتفاع آب در حین عبور موج از نقطه تنظیم مشخص کرد. به طور مشابه، امواج صوتی را می توان با تغییر فشردگی یا انبساط مولکول های هوا در حین عبور از یک نقطه مشخص کرد.

توابع موج به این شکل با خاصیت فیزیکی ردیابی نمی شوند. راه‌حل‌های توابع موج این احتمال را فراهم می‌کنند که در آن ناظر ممکن است یک شیء خاص را در طیف وسیعی از گزینه‌های بالقوه پیدا کند. با این حال، همانطور که یک موج در یک حوض یا یک نت نواخته شده بر روی یک شیپور پخش می شود و محدود به یک مکان نیست، اجسام کوانتومی نیز می توانند در چندین مکان باشند – و حالت های مختلف، مانند مورد برهم نهی – را در یک زمان به خود بگیرند.

رصد اجسام کوانتومی

عمل مشاهده موضوع قابل توجهی در فیزیک کوانتومی است. اوایل که دانشمندان متوجه شدند مشاهده ساده یک آزمایش بر نتیجه آن تأثیر می گذارد، گیج شده بودند. به عنوان مثال، یک الکترون زمانی که مشاهده نمی شود مانند یک موج عمل می کند، اما عمل مشاهده آن باعث می شود که موج فرو بریزد (یا به طور دقیق تر، “دکوهره”) و الکترون به جای آن مانند یک ذره رفتار کند. دانشمندان اکنون درک می کنند که اصطلاح “مشاهده” در این زمینه گمراه کننده است و نشان می دهد که هوشیاری درگیر است.

در عوض، «اندازه‌گیری» این اثر را بهتر توصیف می‌کند، که در آن تغییر در نتیجه ممکن است ناشی از تعامل بین پدیده کوانتومی و محیط خارجی، از جمله دستگاه مورد استفاده برای اندازه‌گیری پدیده باشد. با این حال، حتی این ارتباط دارای اخطارهایی است و درک کامل رابطه بین اندازه گیری و نتیجه هنوز مورد نیاز است.

آزمایش دو شکاف

شاید قطعی ترین آزمایش در زمینه فیزیک کوانتومی آزمایش دو شکاف باشد. در ابتدا در سال 1801، این آزمایش که شامل پرتاب ذراتی مانند فوتون یا الکترون از طریق یک مانع با دو شکاف است، برای نشان دادن اینکه نور از امواج تشکیل شده است استفاده شد. از آن زمان، تجسم های متعددی از این آزمایش برای نشان دادن اینکه ماده نیز می تواند مانند یک موج رفتار کند و برای نشان دادن اصول برهم نهی، درهم تنیدگی و اثر مشاهده گر استفاده شده است.

حوزه علوم کوانتومی ممکن است مرموز یا غیرمنطقی به نظر برسد، اما همه چیز اطراف ما را توصیف می کند، خواه متوجه شویم یا نه. استفاده از قدرت فیزیک کوانتومی باعث پیدایش فناوری‌های جدیدی می‌شود، هم برای برنامه‌هایی که امروزه استفاده می‌کنیم و هم برای برنامه‌هایی که ممکن است در آینده در دسترس باشند.

آیا شما در زمینه علم کوانتوم تخصصی دارید؟ می توانید به عنوان مدرس به شهر دانش بپیوندید.

مطالب مرتبط
کسری نخعی
کسری نخعی
کارشناس ارشد مهندسی مکانیک از دانشگاه خواجه نصیر الدین طوسی | برنامه نویس پایتون و علاقه‌مند به پژوهش‌های علمی
اشتراک گذاری

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

fa Persian
X