نظریه کوانتوم چیست؟!

نظریه کوانتوم مرا یاد خاطره معلم فیزیک دوران دبیرستانم می اندازد:”یک بالاپوش سفید رنگ می پوشید و عینک نیمه ته استکانی می زد. قد متوسطی داشت و شکمش به قول بچه ها توی آفساید بود. به محض ورود به کلاس کیف چرمی قهوه ای رنگش را روی میز می گذاشت و شروع می کرد به نوشتن فرمول های عجیب و قریب!”

عادت داشت قبل از هرچیز کتابهایش را از کیف بیاورد و روی میز بگذارد؛ یکی از کتاب های قطوری که همیشه با خود حمل می کرد “فیزیک کوانتوم” نام داشت.

به نظر می رسید در این کتاب نظریه کوانتوم مطرح شده بود چون هروقت در نوشتن فرمول ها به مشکلی می خورد این کتاب را باز می کرد.

آن زمان که در رشته ریاضی فیزیک دبیرستان درس می خواندم و هفته ای سه بار معلم فیزیکی که در بالا ذکرش رفت را می دیدم نیز مانند الان از نظریه کوانتوم چیز خاصی نمی دانستم.

نظریه کوانتوم چیست؟

ماده و انرژی از مباحث اصلی فیزیک کوانتوم به شمار می رود، در نظریه کوانتوم که مکانیک کوانتومی نیز خوانده می شود رفتار و اثر متقابل ماده و انرژی در مقیاس بسیار ریزی به نام اتم و در دمای پایین مورد بررسی قرار می گیرد.

“دوگانگی موج و ذره، عدم قطعیت، فوتون و ثابت پلانک” از مفاهیم اولیه نظریه کوانتوم به شمار می رود.

دانشمندی به نام پلانک واحدی برای اندازه گیری مرتبه و مقدار بزرگی ذرات ریزی که اثر متقابل بر یکدیگر دارند، ارائه نمود، این واحد به نام همین دانشمند به ثابت پلانک نامگذاری شد.

کوانتوم همان کوچکترین بخش یک ماده می باشد. براساس نظریه کوانتوم ماده و انرژی در بسته های جداگانه و در اندازه بسیار کوچک در جهان به وجود می آیند. در این نظریه که نوعی مدل ریاضی محسوب می گردد واکنش ذرات در اندازه های ریز اتم یا ریزتر از آن بررسی می شود.

فوتون چیست؟  

براساس نظریه کوانتوم، ذرات بسیار کوچک نور که با چشم غیر مسلح امکان دیدن آنها وجود ندارد فوتون نامیده می شود. براساس برخی احتمالات، اولین فوتون شاید پانزده میلیارد سال پیش و طی فرایند انفجار بزرگ یا همان بیگ بنگ به وجود آمده باشد. به عبارت دیگر، فوتون همان یک ذره بسیار کوچک از تابش الکترومغناطیس است.

ثابت پلانک

موضوع بعدی در نظریه کوانتوم، آشنا شدن با ثابت بلانک می باشد. ثابت پلانک انرژی فوتون را به فرکانس تابش آن ربط می دهد. ثابت پلانگ در فیزیک کوانتومی باh  نشان داده می شود. در دستگاه SI  مقدار این ثابت به طور تقریبی۶٫۶۲۶۱۷۶ x 10^-34   ژول ضرب در ثانیه می باشد.

در فرمول E=hv  که در آن  Vبسامد تابش موج و h ثابت پلانک است انرژی یک فوتون در یک موج الکترومغناطیس به طور مستقیم به فرکانس تابش این موج مربوط می گردد.

دو گانگی موج و ذره

موضوع دیگری که در نظریه کوانتوم مطرح می شود دوگانگی موج و ذره می باشد: براین اساس  تمام مواد هم خاصیت موجی و هم خاصیت ذره ای از خود نشان می دهند. برای اثبات اینکه نور هم این دو خاصیت را دارد آزمایشات زیادی انجام شده است. در سال ۱۹۰۱ دانشمندی به نام ماکس پلانگ موفق شد طیف نور مرئی از یک جسم نورانی را مشاهده کند و در ادامه انشتین ثابت کرد که ذرات بسیار ریزی به نام فوتون سبب تابش الکترومغناطیس می گردد.

عدم قطعیت

عدم قطعیت که از مفاهیم اولیه نظریه کوانتوم می باشد می گوید نمی توان به طور  همزمان و با دقت زیاد دو ویژگی فیزیکی اندازه حرکت و مکان یک جسم را اندازه گیری کرد. به عبارت دیگر امکان تعیین مکان دقیق ذره امکان پذیر نیست حتی اگر اندازه حرکت آن جسم را با دقت اندازه بگیریم. اصل عدم قطعیت بیان می کند که در صورت اندازه گیری دقیق موقعیت یک جسم، اندازه گیری حرکت آن ذره با دقت کم تری صورت می گیرد، برعکس این گفته نیز صادق است.

اگر فیزیک کوانتوم را فهمیده اید، پس هیچی نفهمیده اید!

موضوع بعدی در نظریه کوانتوم خواندن جمله ای از نیلز بور، بنیانگذار فیزیک کوانتومی (۱۸۵۵-۱۹۶۲) میلادی می باشد که می گوید ” اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده ، پس چیزی نفهمیده است. ”

با استناد به این گفته بنیانگذار فیریک کوانتوم به نظر می رسد در فهم نظریه کوانتوم با مشکل مواجه شویم. اما نگران نباشید تلاش ما این است که فیزیک کوانتوم را به زبان ساده تر برای شما بازگو کنیم؛

نظریه کوانتوم به زبان ساده

برای درک نظریه کوانتوم اجازه دهید با یک مثال ساده شروع کنیم؛ یک رشته ماکارونی پخته را بردارید و آن را نصف کنید. بعد نصف آن را هم نصف کنید، بعد نصف نصف آن را هم نصف کنید و این کار را آنقدر ادامه دهید تا سرانجام به چیزی که ملکول ماکارونی نام دارد برسید: ملکول ماکارونی در حقیقت کوچکترین جزء ماکارونی است که هنوز خاصیت ماکارونی را دارد. حال اگر تقسیم کردن را ادامه دهیم به چیزی می رسیم که دیگر خاصت ماکارونی را ندارد و به چیزی مثل ملکول های کربن و هیدروژن ممکن است برسید. پس می توان گفت تقسیم کردن یک ماده به اجزای ریز و ریزتر حرف اصلی نظریه کوانتوم می باشد. باید دانست که با مطرح شدن نظریه کوانتوم فرمول های فیزیک کلاسیک از اعتبار افتاد. رفتار ماده و ارتباط آن با انرژی در مقیاس ریزی مانند اتم مبحث اصلی نظریه کوانتوم را تشکیل می دهد.

اینک که با ما در نظریه کوانتومی همراه شدید و مفاهیم فیزیک کوانتومی را شناختید مطمئن هستم که به قول بنیانگذار فیزیک کوانتومی نادان تر از قبل شده اید. به هر صورت نگران نباشید همه ما به طور روزانه از نظریه کوانتوم استفاده می کنیم، درست مانند نظریه نسبیت انشتین! منتهی اصول ریاضی فیزیک کوانتوم کمی پیچیده و به دور از فهم  انسان های عادی است.