صفحه اصلی
آشنايي با مكانيك كوانتوم
مکانیک کوانتومی بنیادی‌تر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است، زیرا در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی که این نظریه‌ها با شکست مواجه می‌شوند، می‌تواند با دقت زیادی بسیاری از پدیده‌ها را توصیف کند. مکانیک کوانتومی به همراه نسبیت عام پایه‌های فیزیک جدید را تشکیل می‌دهند.
مكانيك كوانتومي شاخه‌اي بنيادي از فيزيك نظري است كه در مقياس اتمي و زيراتمي به جاي مكانيك كلاسيك و الكترومغناطيس كلاسيك به كار مي‌رود. مكانيك كوانتومي بنيادي‌تر از مكانيك نيوتني و الكترومغناطيس كلاسيك است، زيرا در مقياس‌هاي اتمي و زيراتمي كه اين نظريه‌ها با شكست مواجه مي‌شوند، مي‌تواند با دقت زيادي بسياري از پديده‌ها را توصيف كند. مكانيك كوانتومي به همراه نسبيت عام پايه‌هاي فيزيك جديد را تشكيل مي‌دهند.
آشنايي
واژهٔ كوانتوم (به معني «بسته» يا «دانه») در مكانيك كوانتومي از اينجا مي‌آيد كه اين نظريه به بعضي از كميت‌هاي فيزيكي (مانند انرژي يك اتم در حال سكون) مقدارهاي گسسته‌اي نسبت مي‌دهد. بسياري از شاخه‌هاي ديگر فيزيك و شيمي از مكانيك كوانتومي به عنوان چهارچوب خود استفاده مي‌كنند؛ مانند فيزيك ماده چگال، فيزيك حالت جامد، فيزيك اتمي، فيزيك مولكولي، شيمي محاسباتي، شيمي كوانتومي، فيزيك ذرات بنيادي، و فيزيك هسته‌اي. پايه‌هاي مكانيك كوانتومي در نيمهٔ اول قرن بيستم به وسيلهٔ ورنر هايزنبرگ، ماكس پلانك، لويي دوبروي، نيلس بور، اروين شرودينگر، ماكس بورن، جان فون نويمان، پاول ديراك، ولفگانگ پاولي و ديگران ساخته شد. بعضي از جنبه‌هاي بنيادي اين نظريه هنوز هم در حال پيشرفت است.
توصيف مكانيك كوانتومي از رفتار سامانه‌هاي فيزيكي اهميت زيادي دارد، زيرا در مقياس اتمي نظريه‌هاي كلاسيك نمي‌توانند توصيف درستي ارائه دهند. مثلاً، اگر قرار بود مكانيك نيوتني و الكترومغناطيس كلاسيك بر رفتار يك اتم حاكم باشند، الكترون‌ها به سرعت به سمت هسته اتم حركت مي‌كردند و به آن برمي‌خوردند. ولي در دنياي واقعي الكترون‌ها در نواحي خاصي دور اتم‌ها باقي مي‌مانند.
در ساختار مكانيك كوانتومي، حالت هر سيستم در هر لحظه به وسيلهٔ يك تابع موج مختلط توصيف مي‌شود (كه در مورد الكترون‌هاي يك اتم گاهي به آن اُربيتال مي‌گويند). با اين ابزار رياضي مي‌توان احتمال نتايج مختلف در آزمايش‌ها را پيش‌بيني كرد. مثلاً با آن مي‌توان احتمال يافتن الكترون را در ناحيهٔ خاصي در اطراف هسته در يك زمان مشخص محاسبه كرد. بر خلاف مكانيك كلاسيك، نمي‌توان هم‌زمان كميت‌هاي مزدوج را، مانند مكان و تكانه، با هر دقتي پيش‌بيني كرد. مثلاً مي‌توان گفت كه الكترون در ناحيهٔ مشخصي از فضا است، ولي مكان دقيق آن را نمي‌توان معلوم كرد. البته معني اين حرف اين نيست كه الكترون در تمام اين ناحيه پخش شده‌است. الكترون در يك ناحيه از فضا يا هست و يا نيست. اين ناتواني در تعيين مكان الكترون را اصل عدم قطعيت هايزنبرگ به طور رياضي بيان مي‌كند.
پديدهٔ ديگري كه منجر به پيدايش مكانيك كوانتومي شد، امواج الكترومغناطيسي مانند نور بودند. ماكس پلانك در سال ۱۹۰۰هنگام مطالعه بر روي تابش جسم سياه كشف كرد كه انرژي اين امواج را مي‌توان به شكل بسته‌هاي كوچكي در نظر گرفت. آلبرت اينشتين از اين فكر بهره برد و نشان داد كه امواجي مثل نور را مي‌توان با ذره‌اي به نام فوتون كه انرژي‌اش به بسامدش بستگي دارد توصيف كرد. اين نظريه‌ها به ديدگاهي به نام دوگانگي موج-ذره بين ذرات زيراتمي و امواج الكترومغناطيسي منجر شد كه در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلكه ويژگي‌هاي هر دو را از خود بروز مي‌دادند. مكانيك كوانتومي علاوه بر اين كه دنياي ذرات بسيار ريز را توصيف مي‌كند، براي توضيح برخي از پديده‌هاي بزرگ‌مقياس (ماكروسكوپيك) هم كاربرد دارد، مانند ابررسانايي و ابرشارگي.
مكانيك كوانتومي و فيزيك كلاسيك
اثرات و پديده‌هايي كه در مكانيك كوانتومي و نسبيت پيش‌بيني مي‌شوند، فقط براي اجسام بسيار ريز يا در سرعت‌هاي بسيار بالا آشكار مي‌شوند. تقربياً همهٔ پديده‌هايي كه انسان در زندگي روزمره با آن‌ها سروكار دارد به طور كاملاً دقيقي توسط فيزيك نيوتني قابل پيش بيني است.
در مقادير بسيار كم ماده، يا در انرژي‌هاي بسيار پايين، مكانيك كوانتومي اثرهايي را پيش‌بيني مي‌كند كه فيزيك كلاسيك از پيش‌بيني آن ناتوان است. ولي اگر مقدار ماده يا سطح انرژي را افزايش دهيم، به حدي مي‌رسيم كه مي‌توانيم قوانين فيزيك كلاسيك را بدون اين كه خطاي قابل ملاحظه‌اي مرتكب شده باشيم، براي توصيف پديده‌ها به كار ببريم. به اين «حد» كه در آن قوانين فيزيك كلاسيك (كه معمولاً ساده‌تر هستند) مي‌توانند به جاي مكانيك كوانتومي پديده‌ها را به درستي توصيف كنند، حد كلاسيك گفته مي‌شود.
كوشش براي نظريهٔ وحدت‌يافته
وقتي مي‌خواهيم مكانيك كوانتومي را با نظريهٔ نسبيت عام (كه توصيف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) تركيب كنيم، به ناسازگاري‌هايي برمي‌خوريم كه اين كار را ناممكن مي‌كند. حل اين ناسازگاري‌ها هدف بزرگ فيزيكدانان قرن بيستم و بيست‌ويكم است. فيزيكدانان بزرگي همچون استيون هاوكينگ در راه رسيدن به نظريهٔ وحدت‌يافتهٔ نهايي تلاش مي‌كنند؛ نظريه‌اي كه نه تنها مدل‌هاي مختلف فيزيك زيراتمي را يكي كند، بلكه چهار نيروي بنيادي طبيعت -نيروي قوي، نيروي ضعيف، الكترومغناطيس و گرانش- را نيز به شكل جلوه‌هاي مختلفي از يك نيرو يا پديده نشان دهد.
مكانيك كوانتومي و زيست‌شناسي
تحقيقات چند موسسه در آمريكا و هلند نشان داده است كه بسياري از فرايندهاي زيستي از مكانيك كوانتومي بهره مي‌برند. قبلا تصور مي‌شد فتوسنتز گياهان فرايندي بر پايه بيوشيمي است اما تحقيقات پروفسور فلمينگ و همكارانش در دانشگاه بركلي و دانشگاه واشنگتن در سنت لوييس به كشف يك مرحله كليدي از فرآيند فوتوسنتز منجر شده كه بر مكانيك كوانتومي استوار است. همچنين پژوهشهاي كريستوفر آلتمن، پژوهشگري از موسسه دانش نانوي كاولي در هلند، حاكي از آن است كه نحوه كاركرد سلولهاي عصبي خصوصا در مغز كه تا مدتها فرايندي بر پايه فعاليتهاي الكتريكي و بيوشيمي پنداشته مي‌شد و محل بحث ساختارگرايان و ماترياليستها و زيستشناسها بود، شامل سيستمهاي كوانتومي بسياري است. اين پژوهشها نشان مي‌دهد كه سلول عصبي يك حلزون دريايي مي‌تواند از نيروهاي كوانتومي براي پردازش اطلاعات استفاده كند. در انسان نيز، فيزيك كوانتومي احتمالا در فرآيند تفكر دخيل است.
مكانيك كوانتومي شاخه‌اي بنيادي از فيزيك نظري است كه در مقياس اتمي و زيراتمي به جاي مكانيك كلاسيك و الكترومغناطيس كلاسيك به كار مي‌رود. مكانيك كوانتومي بنيادي‌تر از مكانيك نيوتني و الكترومغناطيس كلاسيك است، زيرا در مقياس‌هاي اتمي و زيراتمي كه اين نظريه‌ها با شكست مواجه مي‌شوند، مي‌تواند با دقت زيادي بسياري از پديده‌ها را توصيف كند. مكانيك كوانتومي به همراه نسبيت عام پايه‌هاي فيزيك جديد را تشكيل مي‌دهند.
آشنايي
واژهٔ كوانتوم (به معني «بسته» يا «دانه») در مكانيك كوانتومي از اينجا مي‌آيد كه اين نظريه به بعضي از كميت‌هاي فيزيكي (مانند انرژي يك اتم در حال سكون) مقدارهاي گسسته‌اي نسبت مي‌دهد. بسياري از شاخه‌هاي ديگر فيزيك و شيمي از مكانيك كوانتومي به عنوان چهارچوب خود استفاده مي‌كنند؛ مانند فيزيك ماده چگال، فيزيك حالت جامد، فيزيك اتمي، فيزيك مولكولي، شيمي محاسباتي، شيمي كوانتومي، فيزيك ذرات بنيادي، و فيزيك هسته‌اي. پايه‌هاي مكانيك كوانتومي در نيمهٔ اول قرن بيستم به وسيلهٔ ورنر هايزنبرگ، ماكس پلانك، لويي دوبروي، نيلس بور، اروين شرودينگر، ماكس بورن، جان فون نويمان، پاول ديراك، ولفگانگ پاولي و ديگران ساخته شد. بعضي از جنبه‌هاي بنيادي اين نظريه هنوز هم در حال پيشرفت است.
توصيف مكانيك كوانتومي از رفتار سامانه‌هاي فيزيكي اهميت زيادي دارد، زيرا در مقياس اتمي نظريه‌هاي كلاسيك نمي‌توانند توصيف درستي ارائه دهند. مثلاً، اگر قرار بود مكانيك نيوتني و الكترومغناطيس كلاسيك بر رفتار يك اتم حاكم باشند، الكترون‌ها به سرعت به سمت هسته اتم حركت مي‌كردند و به آن برمي‌خوردند. ولي در دنياي واقعي الكترون‌ها در نواحي خاصي دور اتم‌ها باقي مي‌مانند.
در ساختار مكانيك كوانتومي، حالت هر سيستم در هر لحظه به وسيلهٔ يك تابع موج مختلط توصيف مي‌شود (كه در مورد الكترون‌هاي يك اتم گاهي به آن اُربيتال مي‌گويند). با اين ابزار رياضي مي‌توان احتمال نتايج مختلف در آزمايش‌ها را پيش‌بيني كرد. مثلاً با آن مي‌توان احتمال يافتن الكترون را در ناحيهٔ خاصي در اطراف هسته در يك زمان مشخص محاسبه كرد. بر خلاف مكانيك كلاسيك، نمي‌توان هم‌زمان كميت‌هاي مزدوج را، مانند مكان و تكانه، با هر دقتي پيش‌بيني كرد. مثلاً مي‌توان گفت كه الكترون در ناحيهٔ مشخصي از فضا است، ولي مكان دقيق آن را نمي‌توان معلوم كرد. البته معني اين حرف اين نيست كه الكترون در تمام اين ناحيه پخش شده‌است. الكترون در يك ناحيه از فضا يا هست و يا نيست. اين ناتواني در تعيين مكان الكترون را اصل عدم قطعيت هايزنبرگ به طور رياضي بيان مي‌كند.
پديدهٔ ديگري كه منجر به پيدايش مكانيك كوانتومي شد، امواج الكترومغناطيسي مانند نور بودند. ماكس پلانك در سال ۱۹۰۰هنگام مطالعه بر روي تابش جسم سياه كشف كرد كه انرژي اين امواج را مي‌توان به شكل بسته‌هاي كوچكي در نظر گرفت. آلبرت اينشتين از اين فكر بهره برد و نشان داد كه امواجي مثل نور را مي‌توان با ذره‌اي به نام فوتون كه انرژي‌اش به بسامدش بستگي دارد توصيف كرد. اين نظريه‌ها به ديدگاهي به نام دوگانگي موج-ذره بين ذرات زيراتمي و امواج الكترومغناطيسي منجر شد كه در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلكه ويژگي‌هاي هر دو را از خود بروز مي‌دادند. مكانيك كوانتومي علاوه بر اين كه دنياي ذرات بسيار ريز را توصيف مي‌كند، براي توضيح برخي از پديده‌هاي بزرگ‌مقياس (ماكروسكوپيك) هم كاربرد دارد، مانند ابررسانايي و ابرشارگي.
مكانيك كوانتومي و فيزيك كلاسيك
اثرات و پديده‌هايي كه در مكانيك كوانتومي و نسبيت پيش‌بيني مي‌شوند، فقط براي اجسام بسيار ريز يا در سرعت‌هاي بسيار بالا آشكار مي‌شوند. تقربياً همهٔ پديده‌هايي كه انسان در زندگي روزمره با آن‌ها سروكار دارد به طور كاملاً دقيقي توسط فيزيك نيوتني قابل پيش بيني است.
در مقادير بسيار كم ماده، يا در انرژي‌هاي بسيار پايين، مكانيك كوانتومي اثرهايي را پيش‌بيني مي‌كند كه فيزيك كلاسيك از پيش‌بيني آن ناتوان است. ولي اگر مقدار ماده يا سطح انرژي را افزايش دهيم، به حدي مي‌رسيم كه مي‌توانيم قوانين فيزيك كلاسيك را بدون اين كه خطاي قابل ملاحظه‌اي مرتكب شده باشيم، براي توصيف پديده‌ها به كار ببريم. به اين «حد» كه در آن قوانين فيزيك كلاسيك (كه معمولاً ساده‌تر هستند) مي‌توانند به جاي مكانيك كوانتومي پديده‌ها را به درستي توصيف كنند، حد كلاسيك گفته مي‌شود.
كوشش براي نظريهٔ وحدت‌يافته
وقتي مي‌خواهيم مكانيك كوانتومي را با نظريهٔ نسبيت عام (كه توصيف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) تركيب كنيم، به ناسازگاري‌هايي برمي‌خوريم كه اين كار را ناممكن مي‌كند. حل اين ناسازگاري‌ها هدف بزرگ فيزيكدانان قرن بيستم و بيست‌ويكم است. فيزيكدانان بزرگي همچون استيون هاوكينگ در راه رسيدن به نظريهٔ وحدت‌يافتهٔ نهايي تلاش مي‌كنند؛ نظريه‌اي كه نه تنها مدل‌هاي مختلف فيزيك زيراتمي را يكي كند، بلكه چهار نيروي بنيادي طبيعت -نيروي قوي، نيروي ضعيف، الكترومغناطيس و گرانش- را نيز به شكل جلوه‌هاي مختلفي از يك نيرو يا پديده نشان دهد.
مكانيك كوانتومي و زيست‌شناسي
تحقيقات چند موسسه در آمريكا و هلند نشان داده است كه بسياري از فرايندهاي زيستي از مكانيك كوانتومي بهره مي‌برند. قبلا تصور مي‌شد فتوسنتز گياهان فرايندي بر پايه بيوشيمي است اما تحقيقات پروفسور فلمينگ و همكارانش در دانشگاه بركلي و دانشگاه واشنگتن در سنت لوييس به كشف يك مرحله كليدي از فرآيند فوتوسنتز منجر شده كه بر مكانيك كوانتومي استوار است. همچنين پژوهشهاي كريستوفر آلتمن، پژوهشگري از موسسه دانش نانوي كاولي در هلند، حاكي از آن است كه نحوه كاركرد سلولهاي عصبي خصوصا در مغز كه تا مدتها فرايندي بر پايه فعاليتهاي الكتريكي و بيوشيمي پنداشته مي‌شد و محل بحث ساختارگرايان و ماترياليستها و زيستشناسها بود، شامل سيستمهاي كوانتومي بسياري است. اين پژوهشها نشان مي‌دهد كه سلول عصبي يك حلزون دريايي مي‌تواند از نيروهاي كوانتومي براي پردازش اطلاعات استفاده كند. در انسان نيز، فيزيك كوانتومي احتمالا در فرآيند تفكر دخيل است.