کوانتوم را می توان به عنوان کمترین مقدار ممکن انرژی تعریف کرد. در طول قرن گذشته، دانشمندان نظریات جالبی در مورد نحوه عملکرد مواد سازنده اتم ها ارائه کرده اند. این رشته تحصیلی به عنوان فیزیک کوانتومی شناخته می شود (گاهی اوقات به عنوان مکانیک کوانتومی نیز شناخته می شود) و اغلب بیشتر شبیه داستان های علمی تخیلی به نظر می رسد تا علم معمولی.

همانطور که می توانید تصور کنید، مطالعه ماده در سطح زیراتمی آسان نیست و نیاز به مقدار زیادی آزمایش، مشاهده دقیق با ابزار دقیق و معادلات ریاضی پیشرفته دارد.

تئوری هایی که فیزیکدانان کوانتومی در طول سال ها ایجاد کرده اند، حتی برای درخشان ترین دانشمندان نیز دشوار است. به همین دلیل، ما نگاهی به چند مورد از اساسی ترین جنبه های فیزیک کوانتوم خواهیم داشت لطفا همراه ما باشید.

نظریه کوانتومی

فیزیک کوانتوم با فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک شروع شد. در سال ۱۹۰۰، او نظریه کوانتومی خود را ارائه کرد که برای اولین بار فرض می ‌کرد که انرژی به‌ عنوان واحدهای منفرد، مشابه ماده، به جای یک موج الکترومغناطیسی ثابت وجود دارد.

پلانک این واحدهای منفرد را کوانتا نامید. به گفته پلانک، کوانتوم کمترین مقدار ممکن انرژی است. به عنوان مثال، یک کوانتوم نور به عنوان فوتون شناخته می شود.

پلانک در سال ۱۹۱۸ برنده جایزه نوبل فیزیک برای نظریه خود شد. دانشمندان برجسته دیگری از جمله آلبرت انیشتین، نیلز بور و ورنر هایزنبرگ به کارهای پلانک برای توسعه فیزیک کوانتومی در دهه های بعدی اضافه کردند.

چندین نظریه جالب در فیزیک کوانتوم ایجاد شده است که برخی از آنها ذهن را درگیر می کند. برای مثال، لویی دو بروگلی اصل دوگانگی موج- ذره را در سال ۱۹۲۴ پیشنهاد کرد. طبق نظریه او هیچ تفاوت اساسی در رفتار و ترکیب ماده و انرژی وجود ندارد. در سطح اتمی و زیر اتمی، هم ماده و هم انرژی می توانند طوری رفتار کنند که گویی از ذرات یا امواج ساخته شده اند.

در سال ۱۹۲۷، ورنر هایزنبرگ نظریه ای را ارائه کرد که به عنوان اصل عدم قطعیت شناخته شد. به گفته هایزنبرگ، اندازه گیری دقیق موقعیت و تکانه یک ذره زیر اتمی غیرممکن است، زیرا خود فرآیند مشاهده بر ذرات زیراتمی تأثیر می گذارد.

به عبارت ساده، هرچه بیشتر در مورد مکان یک ذره بدانید، کمتر می توانید در مورد نحوه حرکت آن بدانید و بالعکس. نتیجه این نظریه این است که فیزیکدانان کوانتوم فقط می توانند احتمالات را اندازه گیری کنند، نه قطعیت ها را.

نیلز بور با تکیه بر کار هایزنبرگ نظریه ای را ارائه کرد که به عنوان تفسیر کپنهاگ از نظریه کوانتومی شناخته می شود. طبق نظریه بور، ذره هر چیزی است که اندازه گیری شود (یا موج یا ذره). با این حال، تا زمانی که اندازه گیری نشود، در تمام حالت های ممکن به طور همزمان وجود دارد.

کوانتوم چیست و نظریه کوانتومی چه می گوید؟

فیزیک کوانتوم چیست؟

فیزیک کوانتومی یک عرصه اساسی در علم است اما عده کمی آن را درک می کنند. این نام که به عنوان مکانیک کوانتومی یا نظریه کوانتومی نیز شناخته می شود، شاخه ای اساسی از فیزیک را توصیف می کند که ماهیت و رفتار ماده و انرژی را در سطح اتمی و زیر اتمی توضیح می دهد. با این حال، علیرغم این واقعیت که به طور گسترده به عنوان مبنای نظری فیزیک مدرن شناخته شده است، مفهوم جدیدی نیست.

منشا آن را می توان به سال ۱۹۰۰ نسبت داد زمانی که فیزیکدان ماکس پلانک نظریه کوانتومی بحث برانگیز خود را به انجمن فیزیک آلمان ارائه کرد. پلانک که مصمم بود دلیل تغییر رنگ تشعشعات ساطع شده از بدن را از قرمز، نارنجی و آبی مشخص کند، این فرض را مطرح کرد که انرژی نیز مانند ماده در واحدهای جداگانه وجود دارد، برخلاف موج الکترومغناطیسی ثابت. در نتیجه، این امر آن را قابل اندازه گیری می کند که به او اجازه می دهد به سؤال اولیه خود پاسخ دهد. این شناخت پلانک از واحدهای منفرد بود که به عنوان اولین مفروضات نظریه کوانتومی تحقق یافت.

اجزای سازنده فیزیک کوانتوم

آلبرت انیشتین یکی دیگر از تأثیرگذاران اصلی فیزیک کوانتومی بود که در سال ۱۹۰۵ نظریه ‌پردازی کرد که فقط انرژی نیست، بلکه خود تشعشع نیز کوانتیزه می ‌شود. در سال ۱۹۲۴، فیزیکدان فرانسوی، لویی دو بروگلی، این ایده را مطرح کرد که ساختار و رفتار انرژی و ماده با هیچ تفاوت اساسی از هم جدا نمی شوند، و هر دو می توانند در صورت مشاهده در اتمی و زیر اتمی، طوری رفتار کنند که گویی از ذرات یا امواج ساخته شده اند.

سطوح به ظهور نظریه «اصل دوگانگی موج-ذره» اشاره کنید. ورنر هایزنبرگ، فیزیکدان نظری آلمانی، یکی دیگر از پیشگامان ارائه کمک های اساسی بود و پیشنهاد کرد که اندازه گیری دقیق و همزمان دو مقدار مکمل غیرممکن است.

فیزیک کوانتومی چیزهای ساده ای را مشخص می کند، مانند نحوه تغییر موقعیت یا تکانه یک ذره یا گروهی متشکل از چند ذره در طول زمان. در مورد سرعت های بالا، نزدیک به سرعت نور، به پشتیبانی مانند نظریه نسبیت آلبرت انیشتین نیاز است.

نیروی هسته ای قوی، که پایداری هسته را در قلب اتم توضیح می دهد و نیروی هسته ای ضعیف که توضیح می دهد چرا برخی از اتم ها دچار واپاشی رادیواکتیو می شوند. واپاشی رادیواکتیو مجموعه ‌ای از فرآیندهاست که از طریق آن اتم‌ ها پس از مدت زمان معینی حالت خود را تغییر می‌دهند و در نتیجه به انرژی کمتر اما با ثبات بیشتری می ‌رسند و ذرات مختلفی را ساطع می ‌کنند.

این روند ادامه می یابد (به آن زنجیره فروپاشی می گویند) تا زمانی که به شرایط حداکثر پایداری برسد. در سال‌ های اخیر، مطالعات نظری و تجربی برای ترکیب همه این نیروها برای رسیدن به معادله خدا، یک معادله ساده که می‌ تواند طبیعت را آن‌طور که ساخته شده است، توصیف کند، انجام شده است. یک مثال کشف بوزون هیگز است، ذره ای که توضیح می دهد چرا ذرات دیگر جرم دارند.

سخن پایانی

مکانیک کوانتومی بهترین نظریه ای است که ما برای توصیف دنیای ذرات زیر اتمی یعنی کوآنتوم داریم. شاید شناخته شده ترین اسرار آن این واقعیت باشد که نتیجه آزمایش کوانتومی می تواند بسته به اینکه آیا ما ویژگی های خاصی از ذرات درگیر را اندازه گیری کنیم یا نه تغییر کند.