فیزیک کوانتومی که با نام مکانیک کوانتومی نیز شناخته می‌شود، یک نظریه اساسی در فیزیک است که توصیفی از خواص فیزیکی طبیعت در مقیاس اتم‌ها و ذرات زیراتمی ارائه می‌دهد. این پایه و اساس تمام فیزیک کوانتومی از جمله شیمی کوانتومی، نظریه میدان کوانتومی، فناوری کوانتومی و علم اطلاعات کوانتومی است.
کلمه “کوانتوم” خود به کوچکترین واحد گسسته ممکن از هر ویژگی فیزیکی، معمولا انرژی یا تکانه زاویه ای اشاره دارد. بنابراین، فیزیک کوانتومی واقعیتی را در مقیاس هایی بسیار کوچکتر از آنچه حواس ما می توانند درک کنند، توصیف می کند. این دنیایی است که ذرات می توانند در آن واحد در دو مکان وجود داشته باشند و تغییرات را فوراً با هم ارتباط برقرار کنند
داستان فیزیک کوانتومی از اوایل قرن بیستم شروع می شود. اصطلاح کوانتوم برای اولین بار در سال 1900 توسط ماکس پلانک، فیزیکدان آلمانی استفاده شد. او کشف کرد که انرژی پیوسته نیست، بلکه در واحدهای گسسته ای به وجود می آید که آنها را «کوانتا» نامید. این کشف که به عنوان نظریه کوانتومی پلانک شناخته می شود، انحراف قابل توجهی از فیزیک کلاسیک بود که انرژی را به عنوان یک موج پیوسته می دید.
در سال 1905، آلبرت انیشتین کار پلانک را با پیشنهاد اینکه نه تنها انرژی در بسته‌های مجزا می‌آید، بلکه خود نور نیز از این بسته‌ها تشکیل می‌شود که آنها را «فوتون» نامید، گسترش داد. این به توضیح اثر فوتوالکتریک کمک کرد، جایی که نور تابیده شده به سطح فلز می تواند باعث انتشار الکترون از آن شود. کار انیشتین بر روی اثر فوتوالکتریک، جایزه نوبل فیزیک را در سال 1921 برای او به ارمغان آورد.
پیشرفت بزرگ بعدی در سال 1913 زمانی رخ داد که فیزیکدان دانمارکی نیلز بور مدلی از اتم را پیشنهاد کرد که نظریه کوانتومی را در خود جای داده بود. بور پیشنهاد کرد که الکترون‌ها در سطوح انرژی خاص به دور هسته می‌چرخند و زمانی که از یک سطح انرژی به سطح انرژی دیگر می‌پرند، فقط می‌توانند انرژی را در مقادیر گسسته جذب یا منتشر کنند. این توضیح داد که چرا اتم ها در طول موج های خاص نور ساطع می کنند.
در اواسط دهه 1920، مکانیک کوانتومی توسط تعدادی از فیزیکدانان از جمله ورنر هایزنبرگ، اروین شرودینگر و پل دیراک توسعه یافت. هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را فرموله کرد، که بیان می کند موقعیت و تکانه یک ذره را نمی توان به طور همزمان اندازه گیری کرد. شرودینگر مکانیک موجی را توسعه داد که رفتار ذرات کوانتومی را بر حسب توابع موج توصیف می کند. دیراک مکانیک کوانتومی را با نسبیت خاص ترکیب کرد تا رفتار الکترون ها را توصیف کند و وجود پادماده را پیش بینی کند.
در دهه های 1930 و 1940، مکانیک کوانتومی بیشتر اصلاح و گسترش یافت. مفهوم درهم تنیدگی کوانتومی معرفی شد که پدیده‌ای را توصیف می‌کند که در آن ذرات به هم متصل می‌شوند و حالت یکی می‌تواند فوراً بر وضعیت دیگری تأثیر بگذارد، بدون توجه به فاصله بین آنها. انیشتین آن را به عنوان “اقدام شبح آور از راه دور” توصیف کرد.
در نیمه دوم قرن بیستم، فیزیک کوانتومی برای توسعه تعدادی از فناوری‌هایی که جامعه را متحول کرده‌اند، مانند لیزرها، نیمه‌رساناها و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) به کار گرفته شد. امروزه فیزیک کوانتومی یک زمینه مطالعاتی کاملاً تثبیت شده است و تحقیقات در زمینه هایی مانند محاسبات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و تله پورت کوانتومی ادامه دارد.
یکی از جذاب ترین جنبه های فیزیک کوانتومی مفهوم دوگانگی موج-ذره است. این اصل بیان می کند که هر ذره هم خواص موجی و هم ذره ای را از خود نشان می دهد. فیزیکدان فرانسوی لویی دو بروی اولین بار این مفهوم را در پایان نامه دکترای خود در سال 1924 مطرح کرد. او پیشنهاد کرد که همه مواد، نه فقط نور، ماهیتی موج مانند دارند. این یک ایده انقلابی بود زیرا پیشنهاد می کرد که رفتار ذرات میکروسکوپی را می توان با استفاده از معادلات موج توصیف کرد. این مفهوم برای نظریه مکانیک کوانتومی بنیادی است و یک چارچوب ریاضی ارائه می‌کند که پیش‌بینی‌های فوق‌العاده دقیقی در مورد رفتار ذرات انجام می‌دهد.
برهم نهی کوانتومی یکی دیگر از اصول کلیدی فیزیک کوانتومی است. این به پدیده کوانتومی اشاره دارد که در آن یک ذره می تواند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشد. این اغلب با آزمایش فکری معروف معروف به گربه شرودینگر نشان داده می شود، که در آن یک گربه در یک جعبه می تواند همزمان زنده و مرده باشد تا زمانی که مشاهده شود. توجه به این نکته مهم است که برهم نهی مربوط به قرار گرفتن یک ذره در چندین مکان به طور همزمان نیست، بلکه در مورد احتمال یافتن آن در حالت های مختلف است. این اصل برای فناوری‌هایی مانند محاسبات کوانتومی، که در آن بیت‌ها می‌توانند در حالت‌های برهم نهفته باشند، حیاتی است و امکان محاسبات سریع‌تر و پیچیده‌تر را فراهم می‌کند.
درهم تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای است که در آن دو یا چند ذره به هم متصل می‌شوند و حالت یکی می‌تواند بدون در نظر گرفتن فاصله بین آنها، فوراً بر وضعیت دیگری تأثیر بگذارد. این اصل که آلبرت انیشتین از آن به عنوان «عمل شبح وار از راه دور» یاد می کند، به طور تجربی تأیید شده است و برای توسعه فناوری های جدید در زمینه علم اطلاعات کوانتومی، مانند انتقال از راه دور کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی، استفاده می شود.
اصل عدم قطعیت که توسط ورنر هایزنبرگ فرموله شده است، یک مفهوم اساسی در فیزیک کوانتومی است. بیان می کند که اندازه گیری همزمان موقعیت دقیق و تکانه (یا سرعت) یک ذره غیرممکن است. به عبارت دیگر، هر چه یک ویژگی دقیق‌تر اندازه‌گیری شود، دیگری را با دقت کمتری می‌توان شناخت. این به دلیل هیچ محدودیتی در ابزار اندازه گیری ما نیست، بلکه یک جنبه اساسی از خود طبیعت است.
این اصل توسط ولفگانگ پائولی در سال 1925 پیشنهاد شد، این اصل بیان می کند که هیچ دو فرمیون یکسان (ذره با اسپین نیمه صحیح) نمی توانند یک حالت کوانتومی را به طور همزمان اشغال کنند. در زمینه یک اتم، به این معنی است که هیچ دو الکترونی نمی توانند اعداد کوانتومی یکسانی داشته باشند و به طور موثری تنوع عناصر جدول تناوبی را توضیح می دهد.
این اصول، در حالی که غیر شهودی هستند، توسط آزمایش‌های متعدد تأیید شده‌اند و برای درک ما از دنیای فیزیکی در کوچکترین مقیاس‌ها، اساسی هستند. آنها همچنین منجر به توسعه فناوری‌های جدید شده‌اند و به تحقیقات مداوم در فیزیک و زمینه‌های مرتبط ادامه می‌دهند.
فیزیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک دو شاخه اساسی از فیزیک هستند که جهان را در مقیاس های مختلف توصیف می کنند. مکتب کلاسیک، که شامل مکانیک نیوتنی و نظریه نسبیت انیشتین است، رفتار اجرام ماکروسکوپی را به دقت توصیف می کند، از سقوط سیب از درختان گرفته تا سیاراتی که به دور خورشید می چرخند. این یک نظریه قطعی است، به این معنی که اگر وضعیت اولیه یک سیستم مشخص باشد، می توان وضعیت آینده آن را با قطعیت پیش بینی کرد.
از سوی دیگر، فیزیک کوانتومی، بر قلمرو بسیار کوچک، مانند اتم ها و ذرات زیر اتمی، حکومت می کند. مفاهیمی را معرفی می کند که به طور اساسی با مفاهیم فیزیک کلاسیک متفاوت است. به عنوان مثال، ذرات می توانند در چندین حالت در یک زمان وجود داشته باشند (اصل برهم نهی)، خواص یک ذره اساسا نامشخص است (اصل عدم قطعیت هایزنبرگ)، و ذرات می توانند بدون در نظر گرفتن فاصله فوراً به هم متصل شوند (درهم تنیدگی کوانتومی).
یکی از تفاوت های کلیدی بین فیزیک کلاسیک و کوانتوم ماهیت واقعیتی است که آنها توصیف می کنند. در فیزیک کلاسیک، اجسام دارای خصوصیات و رفتارهای کاملاً مشخصی هستند، مستقل از اینکه ما آنها را مشاهده کنیم یا نه. با این حال، در فیزیک کوانتوم، عمل اندازه‌گیری بر سیستم مشاهده‌شده تأثیر می‌گذارد، و تا زمانی که اندازه‌گیری انجام نشود، ذرات در حالت برهم‌نهی وجود دارند.
تفاوت دیگر در چارچوب های ریاضی آنها نهفته است. فیزیک کلاسیک از معادلات قطعی حرکت استفاده می کند، به این معنی که رفتار آینده یک سیستم را می توان با دقت از وضعیت فعلی آن پیش بینی کرد. با این حال، فیزیک کوانتومی از توابع موج برای محاسبه احتمالات پیامدهای مختلف استفاده می‌کند که منعکس کننده عدم قطعیت ذاتی در رفتار سیستم‌های کوانتومی است.
با وجود این تفاوت ها، فیزیک کلاسیک اشتباه نیست – فقط ناقص است. این یک تقریب عالی برای اجسام بزرگ یا انرژی های بالا است. فیزیک کوانتومی تحت شرایط خاصی به فیزیک کلاسیک تقلیل می‌یابد، این اصل به نام تطابق شناخته می‌شود.
فیزیک کوانتومی، علیرغم شهرتی که به‌عنوان تئوری دارد، طیف وسیعی از کاربردهای عملی دارد که زندگی روزمره ما را متحول کرده است.
فیزیک کوانتومی برای عملکرد بسیاری از دستگاه هایی که روزانه استفاده می کنیم، اساسی است. اصول مکانیک کوانتومی برای طراحی و درک رفتار دستگاه های ساخته شده از نیمه هادی ها، از جمله دیودها و ترانزیستورها، که بلوک های سازنده دستگاه های الکترونیکی هستند، استفاده می شود.
مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation، دستگاهی است که نور را از طریق فرآیند تقویت نوری بر اساس انتشار تحریک شده تابش الکترومغناطیسی – یک اثر مکانیکی کوانتومی – ساطع می کند.
MRI یک تکنیک تصویربرداری پزشکی است که در رادیولوژی برای ایجاد تصاویری از آناتومی و فرآیندهای فیزیولوژیکی بدن استفاده می‌شود. اسکنرهای MRI از میدان های مغناطیسی قوی و امواج رادیویی برای تولید تصاویر بدن استفاده می کنند. اصول مکانیک کوانتومی برای درک رفتار هسته های اتم در این میدان های مغناطیسی قوی استفاده می شود.
کامپیوترهای کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند. یک کامپیوتر کوانتومی به جای استفاده از ارقام باینری (0 و 1) از بیت‌های کوانتومی یا «کیوبیت» استفاده می‌کند. کیوبیت ها می توانند در حالت برهم نهی وجود داشته باشند و به رایانه های کوانتومی اجازه می دهند که روی یک میلیون محاسبات همزمان کار کنند، در حالی که رایانه رومیزی شما روی یکی کار می کند.
رمزنگاری کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای رمزگذاری پیام ها به گونه ای استفاده می کند که هیچ کس خارج از گیرنده مورد نظر خوانده نشود. از اصل برهم نهی و درهم تنیدگی کوانتومی برای تشخیص استراق سمع و انتقال ایمن اطلاعات استفاده می کند.
تله‌پورت کوانتومی فرآیندی است که در آن اطلاعات کوانتومی می‌تواند از یک مکان به مکان دیگر، با کمک ارتباطات کلاسیک و درهم‌تنیدگی کوانتومی مشترک قبلی بین محل ارسال و دریافت‌کننده، منتقل شود.
اینها تنها چند نمونه از نحوه کاربرد فیزیک کوانتومی در دنیای واقعی هستند. همانطور که درک ما از فیزیک کوانتوم عمیق تر می شود، می توانیم انتظار داشته باشیم که در آینده شاهد کاربردهای انقلابی بیشتری باشیم.
در پایان، فیزیک کوانتومی یک رشته جذاب و پیچیده است که درک ما از جهان را متحول کرده است. این مفهوم شهودی ما از واقعیت را با اصول منحصر به فرد خود مانند دوگانگی موج-ذره، برهم نهی و درهم تنیدگی به چالش کشیده است. علیرغم ماهیت انتزاعی آن، کاربردهای عملی دارد که زندگی روزمره ما را متحول کرده است، از فناوری موجود در گوشی های هوشمند ما گرفته تا تکنیک های تصویربرداری پزشکی مورد استفاده در بیمارستان ها.
