مکانیک کوانتوم

مکانیک کوانتومی شاخه‌ای بنیادی از فیزیک نظری است که در مقیاس اتمی و زیراتمی به جای مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس کلاسیک به کار می‌رود. 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.

مکانیک کوانتومی که به عنوان نظریه کوانتومی نیز شناخته شده است، شامل نظریه ای درباره ماده، تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است


آشنایی

واژهٔ
کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا می‌آید که این نظریه
به بعضی از کمیت‌های فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون) مقدارهای گسسته‌ای نسبت می‌دهد.
بسیاری از شاخه‌های دیگر فیزیک و شیمی از مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود
استفاده می‌کنند؛ مانند فیزیک ماده چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی کوانتومی، فیزیک
ذرات بنیادی
، و فیزیک هسته‌ای. پایه‌های
مکانیک کوانتومی در نیمهٔ
اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، لویی دوبروی، نیلس بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ پاولی و
دیگران ساخته شد. بعضی از جنبه‌های بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.

توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانه‌های فیزیکی
اهمیت زیادی دارد، زیرا در مقیاس اتمی نظریه‌های کلاسیک نمی‌توانند توصیف درستی
ارائه دهند. مثلاً، اگر قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر
رفتار یک اتم حاکم باشند، الکترون‌ها به سرعت به سمت هسته اتم حرکت می‌کردند و
به آن برمی‌خوردند. ولی در دنیای واقعی الکترون‌ها در نواحی خاصی دور اتم‌ها باقی
می‌مانند.

در ساختار مکانیک کوانتومی، حالت هر سیستم در هر
لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج مختلط توصیف می‌شود (که در
مورد الکترون‌های یک اتم گاهی به آن اُربیتال می‌گویند). با این
ابزار ریاضی می‌توان احتمال نتایج مختلف در آزمایش‌ها
را پیش‌بینی کرد. مثلاً با آن می‌توان احتمال یافتن الکترون را در ناحیهٔ خاصی در
اطراف هسته در یک زمان مشخص محاسبه کرد. بر خلاف مکانیک کلاسیک، نمی‌توان هم‌زمان
کمیت‌های مزدوج را، مانند مکان و تکانه، با هر دقتی پیش‌بینی کرد. مثلاً می‌توان
گفت که الکترون در ناحیهٔ
مشخصی از فضا است، ولی مکان دقیق آن را نمی‌توان معلوم کرد. البته معنی این حرف این
نیست که الکترون در تمام این ناحیه پخش شده‌است. الکترون در یک ناحیه از فضا یا
هست و یا نیست. این ناتوانی در تعیین مکان الکترون را اصل عدم قطعیت
هایزنبرگ به طور ریاضی بیان می‌کند.

پدیدهٔ
دیگری که منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد، امواج الکترومغناطیسی
مانند نور بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر
روی تابش جسم سیاه کشف کرد
که انرژی این امواج را می‌توان به شکل بسته‌های کوچکی در نظر گرفت. آلبرت اینشتین از این
فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را می‌توان با ذره‌ای به نام فوتون که انرژی‌اش به بسامدش بستگی دارد توصیف کرد. این نظریه‌ها به
دیدگاهی به نام دوگانگی
موج-ذره
بین ذرات زیراتمی و امواج الکترومغناطیسی منجر شد که در آن
ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلکه ویژگی‌های هر دو را از خود بروز می‌دادند.
مکانیک کوانتومی علاوه بر این که دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف می‌کند، برای
توضیح برخی از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد دارد، مانند ابررسانایی و ابرشارگی.

مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک

نمایش دوگانگی موج-ذره با یک بسته موج فوتونی

اثرات و پدیده‌هایی که در مکانیک کوانتومی و نسبیت
پیش‌بینی می‌شوند، فقط برای اجسام بسیار ریز یا در سرعت‌های بسیار بالا آشکار می‌شوند.
تقربیاً همهٔ پدیده‌هایی
که انسان در زندگی روزمره با آن‌ها سروکار دارد به طور کاملاً دقیقی توسط فیزیک نیوتنی
قابل پیش‌ بینی است.

در مقادیر بسیار کم ماده، یا در انرژی‌های بسیار
پایین، مکانیک کوانتومی اثرهایی را پیش‌بینی می‌کند که فیزیک کلاسیک از پیش‌بینی
آن ناتوان است. ولی اگر مقدار ماده یا سطح انرژی را افزایش دهیم، به حدی می‌رسیم
که می‌توانیم قوانین فیزیک کلاسیک را بدون این که خطای قابل ملاحظه‌ای مرتکب شده
باشیم، برای توصیف پدیده‌ها به کار ببریم. به این «حد» که در آن قوانین فیزیک
کلاسیک (که معمولاً ساده‌تر هستند) می‌توانند به جای مکانیک کوانتومی پدیده‌ها را
به درستی توصیف کنند، حد کلاسیک
گفته می‌شود.

کوشش برای نظریهٔ وحدت‌یافته

وقتی می‌خواهیم مکانیک کوانتومی را با نظریهٔ نسبیت عام
(که توصیف‌گر فضا-زمان در حضور گرانش است) ترکیب کنیم، به ناسازگاری‌هایی برمی‌خوریم
که این کار را ناممکن می‌کند. حل این ناسازگاری‌ها هدف بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم و بیست‌ویکم است.
فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در
راه رسیدن به نظریهٔ وحدت‌یافتهٔ نهایی تلاش می‌کنند؛
نظریه‌ای که نه تنها مدل‌های مختلف فیزیک زیراتمی را یکی کند، بلکه چهار نیروی
بنیادی طبیعت -نیروی قوی، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش- را نیز به شکل جلوه‌های مختلفی از یک نیرو
یا پدیده نشان دهد.

مکانیک کوانتومی و زیست‌شناسی

تحقیقات چند موسسه در آمریکا و هلند نشان داده است که بسیاری از فرایندهای زیستی
از مکانیک کوانتومی بهره می‌برند. قبلا تصور می‌شد فتوسنتز گیاهان فرایندی بر
پایه بیوشیمی است اما تحقیقات
پروفسور فلمینگ و همکارانش در دانشگاه برکلی و دانشگاه واشنگتن
در سنت لوییس
به کشف یک مرحله کلیدی از فرآیند فوتوسنتز منجر شده که بر
مکانیک کوانتومی استوار است. همچنین پژوهشهای کریستوفر آلتمن، پژوهشگری از موسسه
دانش نانوی کاولی
در هلند، حاکی از آن است که نحوه کارکرد سلولهای عصبی
خصوصا در مغز که تا مدتها فرایندی بر پایه فعالیتهای الکتریکی و بیوشیمی پنداشته می‌شد و محل
بحث ساختارگرایان
و ماتریالیستها و زیستشناسها
بود، شامل سیستمهای کوانتومی بسیاری است. این پژوهشها نشان می‌دهد که سلول عصبی یک
حلزون دریایی می‌تواند از نیروهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده کند. در
انسان نیز، فیزیک کوانتومی احتمالا در فرآیند تفکر دخیل است.[۲]

منابع


  • David J. Griffiths, Introduction to
    Quantum Mechanics,
    Prentice Hall, 1995. ISBN 0-13-124405-1

  • Shankar, R., Principles of Quantum
    Mechanics
    , 2nd edition (Plenum, 1994)

  • Sakurai, J. J. (1967). Advanced Quantum
    Mechanics
    . Addison Wesley. ISBN 0-201-06710-2.

  1. هالیدی،
    دیوید. رزنیک، رابرت . واکر، جرل . -مبانی فیزیک . تهران، انتشارات مبتکران، 1386
    .

 

رضاشیرزاد ; ۱:۳۳ ‎ب.ظ ; دوشنبه ۱٤ شهریور ۱۳٩٠