فیزیک کوانتوم
فیزیک کوانتوم -به بیان ساده، این فیزیک است که توضیح می دهد که همه چیز چگونه کار می کند: بهترین توصیفی که ما از ماهیت ذرات تشکیل دهنده ماده و نیروهایی که با آنها برهم کنش دارند داریم.
فیزیک کوانتومی زیربنای چگونگی کار اتم‌ها است، و بنابراین چرا شیمی و زیست‌شناسی مانند آنها کار می‌کنند.
شما، من و دروازه – حداقل در سطحی، همه ما با آهنگ کوانتومی می رقصیم.
اگر می خواهید توضیح دهید که چگونه الکترون ها از طریق یک تراشه کامپیوتری حرکت می کنند، چگونه فوتون های نور در یک صفحه خورشیدی به جریان الکتریکی تبدیل می شوند یا خودشان را در لیزر تقویت می کنند یا حتی اینکه چگونه خورشید همچنان می سوزد، باید از فیزیک کوانتومی استفاده کنید.
دشواری – و برای فیزیکدانان، سرگرمی – از اینجا شروع می شود. برای شروع، هیچ نظریه کوانتومی واحدی وجود ندارد.
مکانیک کوانتومی وجود دارد ، چارچوب ریاضی پایه ای که همه آن را پایه ریزی می کند، که اولین بار در دهه 1920 توسط نیلز بور، ورنر هایزنبرگ ، اروین شرودینگر و دیگران توسعه یافت.
چیزهای ساده ای را مشخص می کند، مانند اینکه چگونه موقعیت یا تکانه یک ذره یا گروهی متشکل از چند ذره در طول زمان تغییر می کند.
اما برای درک نحوه کار اشیا در دنیای واقعی، مکانیک کوانتومی باید با سایر عناصر فیزیک ترکیب شود – به طور کلی، نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین ، که توضیح می‌دهد چه اتفاقی می‌افتد وقتی چیزها خیلی سریع حرکت می‌کنند – تا آنچه را که به عنوان نظریه میدان کوانتومی شناخته می‌شود، ایجاد کند.
سه نظریه میدان کوانتومی مختلف با سه نیروی اساسی از چهار نیروی اساسی که ماده توسط آنها برهمکنش می‌کند سر و کار دارد: الکترومغناطیس، که توضیح می‌دهد چگونه اتم‌ها کنار هم قرار می‌گیرند.
نیروی هسته ای قوی، که پایداری هسته در قلب اتم را توضیح می دهد.
و نیروی هسته ای ضعیف، که توضیح می دهد که چرا برخی اتم ها دچار واپاشی رادیواکتیو می شوند.
در طول پنج دهه گذشته یا بیشتر، این سه نظریه در یک ائتلاف درهم و برهم به نام ” مدل استاندارد ” فیزیک ذرات گرد هم آمده اند .
با وجود این تصور که این مدل کمی با چسب چسبنده به هم چسبیده است، دقیق ترین تصویر آزمایش شده از عملکرد اصلی ماده است که تا به حال ابداع شده است.
شکوه آن در سال 2012 با کشف بوزون هیگز ، ذره ای که به تمام ذرات بنیادی دیگر جرم می دهد، که وجود آن بر اساس نظریه های میدان کوانتومی در سال 1964 پیش بینی شده بود، به دست آمد.
تئوری‌های میدان کوانتومی مرسوم در توصیف نتایج آزمایش‌ها در خردکننده‌های ذرات پرانرژی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون سرن ، جایی که هیگز کشف شد، که ماده را در کوچک‌ترین مقیاس‌هایش کاوش می‌کند، به خوبی کار می‌کند.
اما اگر می‌خواهید بفهمید که چگونه چیزها در بسیاری از موقعیت‌های نه چندان باطنی کار می‌کنند – اینکه چگونه الکترون‌ها در یک ماده جامد حرکت می‌کنند یا حرکت نمی‌کنند و مثلاً یک ماده را به فلز، عایق یا نیمه‌رسانا تبدیل می‌کنند – همه چیز پیچیده‌تر می‌شود.
میلیاردها میلیارد تعامل در این محیط‌های شلوغ مستلزم توسعه «نظریه‌های میدانی مؤثر» است که برخی از جزئیات وحشتناک را پنهان می‌کند.
مشکل در ساخت چنین نظریه هایی این است که چرا بسیاری از سؤالات مهم در فیزیک حالت جامد حل نشده باقی می مانند – به عنوان مثال چرا در دماهای پایین برخی از مواد ابررسانا هستند که جریان بدون مقاومت الکتریکی را اجازه می دهند، و چرا ما نمی توانیم این ترفند را در دمای اتاق کار کنیم. .
اما در زیر همه این مشکلات عملی یک راز بزرگ کوانتومی نهفته است.
در سطح پایه، فیزیک کوانتومی چیزهای بسیار عجیبی را در مورد نحوه عملکرد ماده پیش‌بینی می‌کند که کاملاً با نحوه کارکرد چیزها در دنیای واقعی در تضاد است.
ذرات کوانتومی می توانند مانند ذراتی که در یک مکان قرار دارند رفتار کنند.
یا می توانند مانند امواج عمل کنند که همزمان در سراسر فضا یا در چندین مکان پخش می شوند .
به نظر می رسد که چگونه به نظر می رسند به نحوه انتخاب ما برای اندازه گیری آنها بستگی دارد، و قبل از اندازه گیری به نظر می رسد که آنها اصلاً خاصیت مشخصی ندارند – ما را به یک معمای اساسی در مورد ماهیت واقعیت اساسی سوق می دهد .
این ابهام منجر به پارادوکس‌های ظاهری مانند گربه شرودینگر می‌شود که در آن به لطف یک فرآیند کوانتومی نامشخص، یک گربه در همان زمان مرده و زنده رها می‌شود .
اما این همه ماجرا نیست. به نظر می رسد که ذرات کوانتومی حتی زمانی که از یکدیگر دور هستند می توانند فوراً بر یکدیگر تأثیر بگذارند.
این پدیده واقعاً حیرت‌انگیز به‌عنوان درهم‌تنیدگی یا به عبارتی ابداع شده توسط انیشتین (منتقد بزرگ نظریه کوانتوم)، « عمل شبح‌آمیز در فاصله » شناخته می‌شود.
چنین قدرت‌های کوانتومی برای ما کاملاً بیگانه هستند، اما اساس فناوری‌های نوظهور مانند رمزنگاری کوانتومی فوق‌ایمن و محاسبات کوانتومی فوق‌العاده قدرتمند هستند .
اما اینکه همه اینها به چه معناست، هیچ کس نمی داند.
برخی از مردم فکر می‌کنند که ما فقط باید بپذیریم که فیزیک کوانتومی جهان مادی را با شرایطی توضیح می‌دهد که تطبیق آن با تجربه‌مان در دنیای بزرگ‌تر و «کلاسیک» غیرممکن است.
دیگران فکر می کنند باید نظریه بهتر و شهودی تری وجود داشته باشد که ما هنوز آن را کشف نکرده ایم.
در تمام این موارد، چندین فیل در اتاق وجود دارد. برای شروع، چهارمین نیروی بنیادی طبیعت وجود دارد که تاکنون نظریه کوانتومی قادر به توضیح آن نبوده است.
گرانش همچنان قلمرو نظریه نسبیت عام انیشتین است ، یک نظریه کاملا غیر کوانتومی که حتی ذرات را نیز در بر نمی گیرد.
تلاش‌های فشرده در طول دهه‌ها برای قرار دادن گرانش زیر چتر کوانتومی و توضیح همه فیزیک بنیادی در یک « نظریه همه چیز » به نتیجه نرسیده است.
در همین حال، اندازه‌گیری‌های کیهان‌شناسی نشان می‌دهد که بیش از 95 درصد جهان از ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده است ، موادی که در حال حاضر هیچ توضیحی برای آنها در مدل استاندارد نداریم ، و معماهایی مانند میزان نقش فیزیک کوانتومی در عملکرد آشفته زندگی بدون توضیح باقی می ماند جهان در سطحی کوانتومی است – اما اینکه آیا فیزیک کوانتومی آخرین کلمه در مورد جهان است یا نه، یک سوال باز باقی می ماند.
