کوانتوم چیست ؟ آیا می دانید کوانتوم چه می گوید؟

معنی لفظی کوانتوم (quantum) بسته یا دانه می باشد. در واقع این واژه، یک واژه لاتین است که برای مقدار استفاده می شود. اصطلاح کوانتوم در فیزیک، برای مقادیر گسسته از هر کمیت فیزیکی (به عنوان مثال بار الکتریکی، تکانه، انرژی و …) استفاده می شود.

بنابراین به کمترین مقدار و کوچک ترین واحد مجزای ممکن آن کمیت، مقدار پایه و یا یک کوانتوم می گویند. در این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک، توضیحات بیشتری در رابطه با کوانتوم ارائه شده است. لطفا با ما همراه باشید.

کوانتوم و نظریه کوانتومی چه می گوید 

نظریه کوانتومی برای اولین بار از ایده های ماکس پلانک (Max Planck) در سال ۱۹۰۰ شروع شد. از دیدگاه پلانک اتم ها انرژی را تنها در کمیت های معینی به نام کوانتم می توانند ساطع کنند. نظریه کوانتومی مشخص کرد که انرژی همزمان هم به صورت موج و هم به صورت ذره رفتار می کند. بنابراین کلمه کوانتوم هم معنی با ذرات موج مانند است. در واقع این کلمه در مورد مواردی کاربرد دارد که همزمان هم دارای خاصیت موجی و هم دارای خاصیت ذره ای باشند.

لازم به ذکر است که مسئله ای که باعث شد تا فیزیکدانان به مفهوم کوانتوم پی ببرند، طیف نشری خطی اتم هیدروژن بود که با قوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نبود. دانشمندان و محققان با کمک نظریه کوانتومی خواص اتم ها، مولکول ها و مواد را به طور دقیق محاسبه می کنند. این نظریه برای طراحی قطعات الکترونیکی جدید مورد استفاده قرار می گیرد. بدون نظریه کوانتومی هیچ رایانه، تبلت، تلفن همراه، وسایل هوشمند و سایر اختراعات جدید ساخته نمی شد.

 

کمیت های کوانتیده در کوانتوم

تعداد کمیت ‌های کوانتیده شناخته شده در فیزیک محدود می باشند. از جمله این کمیت ها می توان به بار الکتریکی، انرژی و رسانایی الکتریکی اشاره کرد. مثلا در فیزیک کلاسیک فرض می ‌شد که بار الکتریکی مقادیری پیوسته است، پس هر مقدار دلخواه از آن را می ‌توان جدا کرد. از طرفی همانطور که می دانید انرژی یک الکترون کمیتی کوانتیده است. به عنوان مثال به کوانتوم انرژی برای امواج الکترومغناطیسی همانند نور، فوتون می گویند.

همچنین اگر رسانایی در فیزیک کوانتوم را در نظر بگیرید، مشخص می شود که جریان الکتریکی با تغییر ولتاژ الکتریکی به صورت پله ‌ای افزایش پیدا می کند نه به ‌طور پیوسته. در واقع رسانایی می‌ تواند فقط مضرب صحیحی از یک کوانتوم رسانایی را داشته باشد.

مفهوم کوانتیده، مقادیر مشخصی دارد، بنابراین به سادگی قابل تعریف و فهمیدن می باشد. اما توجه داشته باشید که یک کمیت کوانتیده می تواند فقط مضرب صحیحی از کوانتوم را داشته باشد. مثلا مقدار بار الکتریکی یک مداد که در اثر مالش باردار شده، هیچگاه ۱۰/۵ برابر بار الکتریکی یک الکترون نخواهد بود (e 10/5)، بلکه همواره مضرب درست و صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون می باشد (مثلا e 10 یا e 100). در حقیقت همانطور که بیان شد بار الکتریکی یک جسم کمیتی کوانتیده است.

برای آنکه مفهوم کوانتوم را بهتر متوجه شوید تعداد گوسفند های یک مزرعه را در نظر بگیرید. به عنوان مثال در مزرعه تعداد گوسفند ها همواره مضرب صحیحی از اعداد می باشد، مثلا ۵۸ گوسفند. ما هیچگاه تعداد ۵۸/۷ گوسفند در مزرعه نداریم.

 

ناتوانی های فیزیک کلاسیک

در سال های پایانی قرن نوزدهم، محققان پديده هايي را مشاهده كردند كه ديگر با فيزيك كلاسيك قابل توجيه نبودند. در این زمان محدودیت های فیزیک کلاسیک مشخص شد و این امر سبب گشت تا قوانین و نظریه هایی (فيزيك جديد یا فیزیک نوین) حاصل شود تا پدیده ها و آزمایش‌ های غیر قابل توصیف در مکانیک کلاسیک را توجیه کند. پایه و اساس فيزيك جديد را دو نظريه کوانتوم و نسبیت تشكيل مي دهند. در ادامه به چند مورد از محدودیت های فیزیک کلاسیک می پردازیم.

 

تابش جسم سیاه

هر جسم جامدی، کسری معین از تابش فرودی بر سطح خود را جذب کرده و بقیه این تابش را بازتاب می کند. جسم سیاه ایده آل، جسمی است که تمام تابش فرودی را بدون هیچ بازتابی جذب کند. فیزیک کلاسیک در توجیه منحنی ‌های مشاهده شده تجربی در مورد تابش جسم سیاه با شکست مواجه شد.

 

اثر فوتو الکتریک

اگر نور به سطح فلز در خلا بتابد، باعث خارج شدن الکترون از سطح فلز می شود. فیزیکدانان متوجه شدند که شدت نور تابشی تاثیری بر انرژی الکترون های خارج شده ندارد اما طول موج نور تابشی موثر می باشد. فیزیک کلاسیک در توجیه این پدیده نیز ناتوان بود.

 

اثر کامپتون یا پراکندگی کامپتون

آرتور کامپتون (Arthur Compton) در طی تحقیقات خود کشف کرد که وقتی تابشی با طول موج معین (پرتو ایکس یا پرتو گاما) از یک ورقه فلزی عبور کند، این تابش به گونه ای پراکنده می‌شود که با نظریه کلاسیک درباره تابش مغایرت دارد. در واقع طول موج پرتو‌های منحرف شده متفاوت با طول موج ورودی بود. با اثر کامپتون می توان رفتار دوگانه نور (رفتار موجی ـ ذره‌ای) را توجیه کرد.

 

مکانیک کوانتوم چیست؟

مکانیک کوانتومی (Quantum mechanics) شاخه‌ ای از علم فیزیک نظری است که پدیده ‌های فیزیکی را در مقیاس میکروسکوپی بررسی می کند. همانطور که گفته شد، در ابتدای قرن بیستم مشخص شده بود که نظریه ‌های فیزیک کلاسیک نمی ‌توانند توصیف کاملی از پدیده‌ ها در مقیاس های مولکولی، اتمی، زیر اتمی و الکترونی ارائه دهند. مکانیک کوانتومی در واقع علمی است که به صورت اصولی و با کمک ریاضی به بررسی و مطالعه ذرات بسیار ریز و نیز پدیده هایی با سرعت زیاد می پردازد.

لازم به ذکر است که در فيزيك كوانتومي وضعيت ذرات، با تابع موج مشخص مي شود. اما در واقع اين تابع موج در فيزيك كلاسيك محل و سرعت دقيق هر ذره را مشخص می سازد، اما در فیزیک کوانتوم تنها احتمال وقوع ذره در محل هاي خاص و یا با سرعت هاي خاص را تعيين مي كند.

این علم با کوچک‌ ترین ذرات انرژی به نام کوانتا (quanta) کار می کند. بر خلاف فیزیک کلاسیک، فیزیک کوانتوم را نمی ‌توان به دانشمندی خاص نسبت داد، زیرا در توسعه و پیشبرد آن، فیزیکدانان بسیاری از جمله هايزنبرگ، پلانك، دوبروی، شرودينگر، ديراك و دیگر دانشمندان در رشد و تكامل اين نظريه تلاش نموده و نقش به سزايي داشته اند. مفاهیم فیزیک کوانتوم می تواند کمی گیج کننده باشد، نیلز بور (Niels Bohr)، از بنیان گذاران فیزیک کوانتوم می گوید:

اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است.

 

قوانين مهم فيزيك كوانتوم

در اين بخش تعدادی از قوانين و اصول حاكم بر ذرات بسیار ریز در فيزيك كوانتومي مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد.

 

دوگانگي موجی – ذره ای

از جمله مفاهيم بسیار اساسی در نظريه كوانتوم، دوگانگی موج – ذره ای می باشد، در واقع این نظریه می گوید كه هر زمان ذرات مشاهده شوند، در حالت ذره قرار دارند و اگر مشاهده نشوند در حالت موجي خود می باشند. بر طبق دوگانگي موج – ذره ای، ماده مي تواند هم موج باشد و هم مانند ذره رفتار كند، بنابراین بستگي به اين دارد كه در چه وضعيتي قرار گيرد.

 

مسئله اندازه گيری

بر طبق نظریه کوانتوم، اندازه گيري یک خاصيت از يك سيستم، اطلاعات ما را درباره ديگر خواص آن سيستم از بين مي برد. به عنوان مثال اندازه گيري دقيق و همزمان مكان و سرعت يك الكترون غیر ممکن می باشد. در واقع اندازه گيري يكي از اين دو كميت، الزاما اندازه گيري دقيق كميت ديگر را غیر ممکن می سازد.

اصل کوانتوم چیست

نظریه کوانتومی کاربردهای گسترده ای در زمینه های مختلف از جمله محاسبات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی، علم مواد و اپتیک کوانتومی پیدا کرده است. پیشرفت‌ های فناوری را فعال کرده و زمینه ‌های جدیدی از تحقیقات را ایجاد کرده است و نوید محاسبات سریع‌ تر، امنیت افزایش یافته و مواد جدید با ویژگی ‌های منحصر به فرد را می ‌دهد. در اینجا اصول کلیدی نظریه کوانتومی شرح داده شده است:

تابع موج و تابع چگالی احتمال

در تئوری کوانتومی، ذرات با توابع موجی توصیف می‌شوند که نمایش‌های ریاضی هستند که اطلاعاتی درباره وضعیت و رفتار ذره ارائه می ‌دهند. تابع موج حاوی اطلاعات ارزشمندی مانند موقعیت، تکانه و انرژی ذره است.

مکانیک ماتریس و معادله شرودینگر

مکانیک ماتریسی که در دهه ۱۹۲۰ توسعه یافت، یکی از دو فرمول ریاضی مکانیک کوانتومی است. از ماتریس‌ها برای نمایش موارد مشاهده‌ پذیر مانند موقعیت، تکانه و انرژی استفاده می ‌کند. مکانیک ماتریس چارچوبی برای پیش ‌بینی نتایج اندازه‌گیری در سیستم ‌های کوانتومی فراهم می ‌کند.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

یکی از اصول بنیادی مکانیک کوانتومی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که توسط ورنر هایزنبرگ در سال ۱۹۲۷ فرموله شد. اصل عدم قطعیت بیان می کند که جفت خاصی از خواص مکمل، مانند موقعیت و تکانه، نمی توانند به طور همزمان با دقت دلخواه شناخته شوند.

برهم نهی

نظریه کوانتومی امکان برهم نهی حالت ها را فراهم می کند، به این معنی که یک سیستم کوانتومی می تواند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشد. این اصل مفهوم موازی کوانتومی را قادر می سازد و پایه و اساس محاسبات کوانتومی و پردازش اطلاعات کوانتومی را تشکیل می دهد. برهم نهی امکان دستکاری و در نظر گرفتن همزمان چندین احتمال را می دهد.

در هم تنیدگی

درهم تنیدگی یک مفهوم اساسی در مکانیک کوانتومی است که در آن ذرات به گونه ای همبسته می شوند که بدون توجه به فاصله، خواص آنها فوراً به هم متصل می شوند. این پدیده اسرارآمیز مفاهیم کلاسیک علت و معلول را به چالش می کشد، زیرا تغییرات ایجاد شده در یک ذره درهم تنیده بلافاصله روی ذرات دیگر تأثیر می گذارد، حتی اگر آنها از هم دور باشند.