به گفته نیلز بور، پدر ارتدوکس "تفسیر کپنهاگ" از فیزیک کوانتومی، "هرکسی که از تئوری کوانتومی شوکه نشود، آن را درک نکرده است". ریچارد فاینمن، یکی از بنیانگذاران نظریه میدان کوانتومی، اظهار داشت: "من فکر می‌کنم با اطمینان می‌توانم بگویم که هیچ کس نظریه کوانتومی را درک نمی‌کند".
مکانیک کوانتومی به مطالعه ذرات در سطح اتمی و زیر اتمی می‌پردازد. این اصطلاح توسط ماکس بورن در سال 1924 تنظیم شد. گرچه این تئوری برای ارائه پیش بینی‌های دقیق از پدیده‌ها در مقیاس‌های زیر اتمی به کار گرفته می‌شود، اما درکی واقعی از چرایی کار آن وجود ندارد و این که واقعاً به چه معنایی است و چه دلالت‌هایی برای تصویر دنیای ما دارد. بنابراین، بهترین کاری که ما می‌توانیم انجام دهیم این است که شما را تا حدودی با رمز و راز اصلی در قلب مکانیک کوانتومی آشنا کنیم و نحوه عملکرد ساختار نظری آن را برای ارائه پیش بینی‌های دنیای واقعی تلویحاً به شما نشان می دهیم.
آشنایی با مکانیک کوانتومی
همان طور که توسط شخصی از بیرون دیده می‌شود، مکانیک کوانتومی بیشتر شبیه یک پدیده عجیب یا تلنگر فانتزی علمی است، پر از اصطلاحات عجیب و معادلات پیچیده ریاضی. با این وجود، می‌توان ساده تر به اصول مکانیک کوانتومی نگاه کرد، مشروط بر این که شخص از این که هر الکترون هم ذره است و هم موج دچار تعجب نشود. در واقع، حقیقت حتی عجیب‌تر از این است. الکترون نمی‌تواند در یک طرف دوگانگی ذره / موج قرار گیرد. این تنها با یک عملکرد موج یا بردار حالت توصیف شده است، که می‌تواند احتمال وجود یا احتمال یافتن ذره را محاسبه کند. این تئوری محدودیت‌هایی اساسی را در چگونگی اندازه گیری دقیق پارامترهای ذرات تعیین می‌کند و جبرگرایی کلاسیک را با جبرگرایی احتمالی جایگزین می‌کند. این تئوری تقریباً در مورد هر پدیده‌ای در طبیعت توضیح داده شده است، از کبودی آسمان گرفته تا ساختار مولکول‌هایی که زندگی ارگانیک را ممکن می‌سازند.مکانیک کوانتومی به دلیل عدم موفقیت اساسی مکانیک کلاسیک در توصیف چندین پدیده اتمی، به عنوان یک تئوری برتر مطرح شد. با کشف الکترون، توسط J.J. تامسون در سال 1897، تمام ایده‌های فیزیک کلاسیک در سطح اتمی غیرقابل استفاده شد.
از فیزیک کلاسیک، که تحت قوانین حرکت نیوتن و قوانین الکترومغناطیس ماکسول اداره می‌شد، برای تعریف و پیش بینی حرکت ذرات استفاده شد. اما این تئوری قادر به توضیح چند آزمایش مهم و مشهور جهان نبود.
تابش جسم سیاه
طبق تئوری کلاسیک، جسم سیاه (هر جسمِ قادر به جذب اشعه در همه فرکانس‌ها و بازتابش آنها) مقدار نامحدودی انرژی ساطع می‌کند. فهمیده شد که این مطلب از لحاظ آزمایشی درست نیست. به نظر می‌رسید که انرژی ساطع شده توسط جسم سیاه تابعی از فرکانس آن است که یک منحنی معمولی به شکل ناقوس را نشان می‌دهد. در سال 1901، ماکس پلانک با معرفی ثابت پلانک (h = 6.626068 x 10-34 m2 kg / s) به طور دقیق انرژی خروجی از جسم سیاه را توصیف کرد.رابطه پلانک (E = hν که در آن E انرژی است، h ثابت پلانک است وν بسامد تابش است)، دلالت بر این دارد که انرژی فقط می‌تواند در "بسته‌ها" یا "کوانتاها" مبادله شود. این تفکیک که توسط کوانتاهای انرژی به وجود آمد تغییری اساسی در تفکر بود، که مغایر بود با نهادهای کلاسیک فیزیکدانان در آن زمان. به همین دلیل این تئوری به عنوان فیزیک کوانتومی شناخته شد.
اثر فوتوالکتریک
هنگامی که نور ماوراء بنفش بر برخی از سطوح فلزی بتابد، از آنها الکترون منتشر می‌شود. این پدیده، که به واسطهآن الکترون‌های موجود در اتم‌ها با جذب انرژی از نور فرودی آزاد می‌شوند، اثر فوتوالکتریک نامیده می‌شود.
شرح تصویر: اثر فوتوالکتریک
نظریه الکترومغناطیسی کلاسیک پیش بینی می‌کرد که تعداد الکترون‌های ساطع شده و انرژی جنبشی آنها بستگی به شدت نور منعکس شده از سطح دارد. با این حال، آزمایش‌ها نشان می‌داد که انرژی و تعداد الکترون‌ها تابعی از فرکانس است. با استفاده از قاعده کوانتیده بودن انرژی پلانک (E = hν) ، آلبرت انیشتین نور را به عنوان جریانی از فوتون‌ها مفهوم سازی کرد، و با موفقیت در مورد اثر فوتوالکتریک از نظر فرکانس نور توضیح داد. بنابراین نور، که تا آن زمان به عنوان موج شناخته شده بود، اکنون دارای شخصیتی دوگانه بود - یک موج و یک ذره.
طیف خط نوری
نظریه الکترومغناطیسی کلاسیک نمی‌توانست طیف انتشار یا جذب خطی نور، ناشی از گازها و مایعات را توضیح دهد. هرکسی که از تئوری کوانتومی شوکه نشود، آن را درک نکرده است مدل اتمی بور، بر اساس کوانتیده بودن اندازه حرکت زاویه‌ای و ترازهای کوانتیده انرژی، مقادیر تجربی دقیق طیف‌های نوری برای هیدروژن را ارائه داد، بنابراین اعتبار بیشتری برای روش کوانتومی فراهم شد.تمام این تحولات پدیدارشناختی و تئوری اکتشافی، نظریه کوانتوم قدیمی را پایه گذاری کردند. این نظریه بعداً توسط دانشمندانی مانند هایزنبرگ و شرودینگراصلاح شد تا تئوری کوانتومی جدید را براساس اصل اساسی ماهیت موج / ذره‌ای ماده شکل دهند.
مبانی فیزیک کوانتومی برای مبتدیان
برای درک قلمرو کوانتومی، باید خود را از شهود کلاسیکی - که به خوبی در دنیای ماکروسکوپی به ما کمک می‌کند اما در اینجا کاملاً بی فایده است - جدا کنید.امواج ماده دوبروی
آزمایشاتی مانند اثر فوتوالکتریک دوگانگی موج / ذره‌ای نور را نشان داده است. اگر امواج نور مانند ذرات رفتار می‌کنند، آیا ذرات ماده نیز می‌توانند مانند امواج رفتار کنند؟ در سال 1924 لوئیز دو بروی، یک فیزیکدان فرانسوی، فرضیه وجود امواج ماده وابسته به هر ذره را که طول موج آن به طور معکوس متناسب با اندازه حرکت ذره است مطرح کرد.λmatter = h / p
که در آن h ثابت پلانک است و p اندازه حرکت ذره است. آزمایشاتی که متعاقباً به عمل آمد صحت این معادله را اثبات کرد.
منبع: Swapnil Srivastava
