مکانیک کوانتومی: تعاریف، اصول و مفاهیم کلیدی

به گزارش ایتنا و به نقل از لایوساینس، مکانیک کوانتومی در نیمه اول قرن بیستم توسعه یافت و نتایج آن اغلب بسیار عجیب و خلاف انتظار هستند. با این حال، مطالعه آن به فیزیکدانان کمک کرده است تا درک بهتری از ماهیت جهان داشته باشند و ممکن است روزی نحوه پردازش اطلاعات توسط انسان را تغییر دهد.

 

تفاوت مکانیک کوانتومی با فیزیک کلاسیک چیست؟

در مقیاس اتم‌ها و الکترون‌ها، بسیاری از معادلات مکانیک کلاسیک (که حرکت و تعاملات اشیاء در اندازه‌ها و سرعت‌های روزمره را توصیف می‌کند)، کاربرد خود را از دست می‌دهد.

 

در مکانیک کلاسیک، اشیاء در مکان مشخصی در زمان مشخصی قرار دارند. اما در مکانیک کوانتومی، اشیاء به صورت ابری از احتمالات وجود دارند؛ به‌طوری که احتمال دارد در نقطه A، و با احتمال دیگری در نقطه B و غیره باشند.

 

چه کسی مکانیک کوانتومی را توسعه داد؟

بر خلاف نظریه نسبیت انیشتین که به یک دانشمند واحد نسبت داده می‌شود، مکانیک کوانتومی توسط چندین دانشمند توسعه یافت که به تدریج بین اواخر قرن نوزدهم و سال ۱۹۳۰ مورد قبول و تأیید تجربی قرار گرفت.

 

در سال ۱۹۰۰، فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک تلاش می‌کرد توضیح دهد چرا اشیاء در دماهای خاص، مانند فلامان لامپ در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، رنگ خاصی می‌درخشند. پلانک متوجه شد که معادلات فیزیکدان لودویگ بولتزمن که رفتار گازها را توصیف می‌کردند، می‌توانند به عنوان توضیحی برای این رابطه بین دما و رنگ ترجمه شوند. اما این مسئله بر این اساس بود که نور نیز از ذرات کوچک تشکیل شده است.

 

این ایده با نظریات نور در آن زمان مغایرت داشت؛ چرا که بیشتر فیزیکدانان معتقد بودند نور یک موج پیوسته است. پلانک خودش به اتم‌ها یا ذرات نور اعتقاد نداشت، اما مفهوم او در سال ۱۹۰۵ که توسط انیشتین در مقاله‌ای مفهوم «کوانتای انرژی» را مطرح کرد، تقویت شد.

 

دوگانگی موج-ذره چیست؟

در مکانیک کوانتومی، ذرات می‌توانند گاهی به صورت موج و گاهی به صورت ذره وجود داشته باشند. این موضوع در آزمایش دوشکاف معروف دیده می‌شود که در آن ذراتی مانند الکترون‌ها به صفحه‌ای با سوی دو شکاف شلیک می‌شوند و صفحه‌ای در پشت آن قرار دارد که با برخورد الکترون‌ها روشن می‌شود. اگر الکترون‌ها ذره باشند، باید دو خط روشن روی صفحه ایجاد کنند.

 

اما وقتی آزمایش انجام می‌شود، یک الگوی تداخلی روی صفحه ظاهر می‌شود که فقط در صورت وجود الکترون‌ها به صورت موج قابل توضیح است. حتی وقتی یک الکترون به تنهایی از شکاف‌ها عبور می‌کند، الگوی تداخلی ظاهر می‌شود که نشان‌دهنده تداخل الکترون با خودش است.

 

مکانیک کوانتومی چگونه اتم‌ها را توصیف می‌کند؟

در دهه ۱۹۱۰، فیزیکدان دانمارکی نیلز بور تلاش کرد ساختار داخلی اتم‌ها را با استفاده از مکانیک کوانتومی توصیف کند. در این زمان مشخص شده بود که اتم از یک هسته سنگین، متراکم و مثبت و الکترون‌های سبک و منفی تشکیل شده است. بور الکترون‌ها را در مدارهایی به دور هسته قرار داد، مانند سیارات در یک منظومه شمسی زیراتمی؛ اما آنها تنها می‌توانستند در فواصل مداری معینی قرار بگیرند.

 

کمی بعد، دو دانشمند به‌طور مستقل و با استفاده از خطوط فکری متفاوت، تصویری کامل‌تر از اتم ایجاد کردند. در آلمان، فیزیکدان ورنر هایزنبرگ با توسعه «مکانیک ماتریسی» و در ایرلند، فیزیکدان اروین شرودینگر با توسعه نظریه «مکانیک موجی» به این دستاورد رسیدند. در مدل هایزنبرگ-شرودینگر، هر الکترون به عنوان موجی در اطراف هسته عمل می‌کند و در «اوربیتال‌ها» قرار می‌گیرد.

 

پارادوکس گربه شرودینگر چیست؟

گربه شرودینگر یک آزمایش فکری است که مسائل مربوط به نتایج مکانیک کوانتومی را به تصویر می‌کشد. در سال ۱۹۳۵، شرودینگر آزمایشی پیشنهاد کرد که زندگی یا مرگ یک گربه به چرخش تصادفی یک ذره کوانتومی بستگی داشت که تا باز شدن جعبه مشخص نمی‌شد. طبق تفسیر بور، تا زمانی که جعبه باز نشود، گربه در حالت دوگانه زنده و مرده قرار دارد.

 

انیشتین و شرودینگر معتقد بودند که این پارادوکس نشان‌دهنده وجود یک نقص در مکانیک کوانتومی است. حتی امروز هم، فیزیکدانان برای توضیح چگونگی وجود ذرات زیراتمی در حالت‌های مختلف (اما عدم وقوع این حالت‌ها در ساختارهای بزرگتر)، با مشکل روبه‌رو هستند.