فیزیک کوانتوم

آموزش فیزیک کوانتوم به زبان ساده

نظریه کوانتومی دنیای مدرن امروزی را یک بار دیگر متحول کرده است. تحولی عظیم که بر فعالیت‌های علمی بسیاری تأثیر می‌گذارد. با ورود به دنیای کوانتوم و نظریه چالش برانگیز آن می‌توانیم از کوچک‌ترین ذرات موجود در این کره خاکی تا کل گستره جهان هستی را مورد مطالعه و بررسی قرار داد.  با اینکه فیزیک کوانتوم عمری نزدیک به ۱۲۰ سال دارد اما در مقایسه با علوم همتای خود مانند فیزیک کلاسیک، ریاضی و علوم زیستی نوپا بوده و در سنین خردسالی خود به سر می‌برد. از این رو بهترین زمان برای شروع یادگیری و آموزش آن قبل از گسترش بیشتر است؛ چرا که فرصتی بزرگ برای پیشرفت و عرض اندام در این جهان مدرن و رو به رشد به شمار می‌آید.

فیزیک کوانتوم چیست؟

جهت آموزش فیزیک کوانتوم به ساده‌ترین شکل ممکن ابتدا از معنای لغوی کلمه کوانتوم «Quantum» شروع می‌کنیم. کوانتوم در زبان انگلیسی به معنی ذره است. بنا به برخی تعابیر این کلمه را کمیت و کم اندازه نیز ترجمه می‌شود که این نوع ترجمه می‌تواند به دلیل ماهیت کلی این علم باشد. فیزیک کوانتوم در حقیقت به امکان مطالعه کوچک‌ترین ذرات کمیت‌های فیزیکی اشاره دارد که وجودی مستقل دارند. به زبان ساده‌تر ذراتی غیر قابل مشاهده که دارای حیاتی مستقل هستند.

بر خلاف انتظار ما انسان‌ها این ذرات در حیات و سرنوشت کل بشریت و حتی جهان هستی تأثیر می‌گذارند. تا جایی که امروزه معتقدیم سرچشمه اولیه و اصلی حیات همین ذرات هستند. تا قبل از تولد این علم محققان انرژی را پیوسته می‌انگاشتند. آن‌ها بر این باور بودند که انرژی اجزای کوچک‌تری به نام ذره ندارد و کاملاً پیوسته است. اما فیزیک کوانتوم ثابت می‌کند که حتی انرژی‌ هم ذرات کوچکی دارد که دارای کمیت و حیاتی مستقل هستند. درواقع این علم نظریه‌های پیوستگی و گسستگی را به هم پیوند می‌زند؛ بنابراین می‌توانیم بگوییم انرژی از ذرات گسسته‌ای شکل می‌گیرد که ظاهری پیوسته دارند. در نتیجه بر خلاف باور‌های گذشته اجزای بنیادین تشکیل دهنده جهان هستی «ماده و انرژی» هر دو از موجودیت‌های مستقلی تشکیل شده‌اند. این موجودیت‌های مستقل ذراتی هستند که در دنیای کوانتومی زندگی می‌کنند.

مکانیک کوانتوم چیست؟

آموزش فیزیک کوانتوم با رشد علم و تحقیقات انجام شده موجب پیدایش مکانیک کوانتوم گردید. همان‌طور که گفتیم با توجه به اکتشافات امروزی ماده و انرژی هر دو عناصری فیزیکی به شمار می‌روند. هر عنصر فیزیکی دارای مکانیک متفاوت و منحصر به فردی است؛ بنابراین دنیای کوانتوم باید از نظر مکانیکی نیز مورد بررسی قرار بگیرید. برای این منظور نیاز به شکل گیری یک شاخه علمی برای مطالعه مکانیک کوانتوم داریم.

اما مکانیک کلاسیک چه تفاوتی با مکانیک کوانتومی دارد؟ برای مقایسه این دو مبحث بسیار مهم باید بگوییم که مکانیک کلاسیک در قلمرو میکروسکوپی فیزیک فعالیت می‌کند. قلمرو میکروسکوپی ابعادی حداکثر به اندازه هسته را در بر می‌گیرد و سرعتی نزدیک به سرعت نور برای این شاخه از علم مکانیک قابل اندازه گیری نیست. با این تفاسیر می‌توان متوجه شد که مکانیک کوانتوم برای مطالعه ذرات در اندازه اتم و زیر اتم بوده و سرعت بالایی مانند سرعت نور را نیز پوشش می‌دهد. در سال‌های اخیر آموزش مکانیک کوانتوم تا جایی پیشرفت کرده که می‌توان گفت دریچه اصلی ورود به دنیای فیزیک کوانتوم است؛ بنابراین در دانشگاه‌های ایران نیز کتاب فیزیک کوانتوم و کتاب مکانیک کوانتوم پیشرفته به عنوان  دروس پایه فیزیک کوانتوم تدریس می‌شوند.

قوانین فیزیک کوانتوم

در ادامه آموزش فیزیک کوانتوم با برخی از قوانین و خواص مهم فیزیک کوانتوم آشنا می‌شویم.

اندازه گیری

طبق نظریه کوانتوم اندازه گیری یک کمیت از یک عنصر یا سیستم باعث می‌شود اطلاعات ما در مورد دیگر کمیت‌ها مختل شود. به عنوان مثال ۲ کمیت مکان و سرعت را برای یک الکترون در نظر بگیرید. اگر مقدار یکی از این خواص را اندازه گیری کنیم، اندازه گیری خاصیت دیگر عملاً غیر ممکن خواهد بود. این موضوع باعث می‌شود اندازه گیری هر دو خاصیت به صورت هم زمان نیز ممکن نباشد.

دوگانگی رفتار موج و ذره

این قانون به نظریه پیوستگی و گسستگی اشاره دارد. اگر حالت موجی را پیوستگی و حالت ذره را گسستگی در نظر بگیریم نظریه دوگانگی موجی – ذره‌ای می‌گوید:

• اگر ذره قابل مشاهده باشد حالت موجی قابل مشاهده نخواهد بود. یعنی ماده یا انرژی در حالت ذره یا گسسته قرار دارد.
• اگر حالت موجی مشاهده شود ذرات غیر قابل مشاهد خواهند بود. یعنی ماده یا انرزی در حالت موجی یا پیوسته قرار دارد.
• بنابراین یک ماده یا انرژی در یک لحظه یکی از حالات پیوستگی و گسستگی را می‌تواند داشته باشد.

کاربرد‌ های آموزش فیزیک کوانتوم

همان‌طور که گفتیم فیزیک کوانتوم در بسیاری از مطالعات علمی کاربرد دارد. اما برخی از پژوهش‌های کوانتومی در سطح مطالعه باقی نمانده‌ و به ساخت ابزار‌های دقیق اندازه گیری، ذخیره سازی و تحقیقاتی منجر شده‌اند. 

ساخت GPS

دستگاه‌های ردیابی GPS برای انجام محاسبات هندسی و اندازه گیری زمانی از ساعت اتمی استفاده می‌کنند. ساعت اتمی نیز به کمک علم فیزیک کوانتوم ساخته می‌شود. در یک ساعت اتمی ۱ ثانیه برابر است با ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان موجی. نواسانات موجی در این دستگاه زمان‌سنج باعث برانگیخته شدن الکترون‌های اتم سزیم شده و در نتیجه زمان دقیق برای ردیاب محاسبه می‌شود.

ساخت فلش مموری

آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید که فرایند فرمت یک فلش مموری چگونه انجام می‌شود؟ بله درست حدس زدید. فیزیک کوانتوم با کمک پدیده‌ای به نام تونل زنی کوانتومی این کار را انجام می‌دهد. تونل زنی یکی از مفاهیم مکانیک کوانتوم است که به پدیده عبور یک الکترون از میان یک لایه نارسانا اطلاق می‌شود.

ساخت CPU

همان‌طور که می‌دانید تکنولوژی ساخت پردازنده‌ها هر سال پیشرفت‌های چشم گیری می‌کند. اگر ۱۵ سال پیش کسی در مورد پردازنده‌های چند هسته‌ای صحبت می‌کرد مورد تمسخر قرار می‌گرفت. اما فیزیک کوانتوم چنان سرعتی به رشد و پیشرفت تکنولوژی بخشید که این روز‌ها همه چیز باور پذیر شده است. انتظار داریم آینده این روند تکامل به ساخت کامپیوتر‌های کوانتومی فوق مدرن بینجامد.

ساخت میکروسکوپ و تلسکوپ

زمانی که از ساخت تلسکوپ‌هایی با قدرت دید تا فاصله چند میلیارد سال نوری و میکروسکوپ‌هایی با قدرت دید زیر اتمی صحبت می‌شود، اهمیت آموزش فیزیک کوانتومی بیشتر جلوه می‌کند. شرکت IBM در دهه ۷۰ میلادی موفق به طراحی و ساخت میکروسکوپی شد که توانایی مشاهده اتم‌ها را به صورت مجزا فراهم می‌کرد. این روند تا امروز ادامه داشته و منجر به ساخت تلسکوپ فضایی جیمز وب شد. تلسکوپ جیمز وب به کمک فیزیک و مکانیک کوانتوم بسیاری از دانسته‌های بشر از جهان هستی را به چالش کشیده است.