مکانیک کوانتومی شاخهای بنیادی از فیزیک نظری است که در مقیاس اتمی و زیراتمی به جایمکانیک 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 دربارهماده، 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) تحت شرایط خاص، مقدارهای گسستهای نسبت میدهد. 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.
در حوالی ابتدای قرن بیستم، کشفیات و تجربه های زیادی نشان میدادند که در مقیاس اتمی نظریههای کلاسیک نمیتوانند توصیف کاملی از پدیده ها ارائه دهند. وجود همین نارسایی ها موجب نخستین ایده ها و ابداع ها در مسیر ایجاد نظریه کوانتومی شدند. بعنوان یکی از مثال های بسیار مشهور اگر قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند،الکترونها بایستی به سرعت به سمت هسته اتم حرکت کرده و ببر روی آن سقوط می کردند و در نتیجه اتم ها ناپایدار میشدند. ولی در دنیای واقعی الکترونها در نواحی خاصی دور اتمها باقی میمانند و چنین سقوطی مشاهده نمیشود. تلاش اولیه برای حل این تناقض توسط نیلس بور با پیشنهاد فرضیه اش دایر بر وجود مدارهای مانا رخ داد، که موفقیت هایی هم در توصیف طیف اتم هیدروژن داشت.
پدیدهٔ دیگری که در این مسیر جلب توجه میکرد، مطالعه رفتار امواج الکترومغناطیسی مانند نور در برهمکنش با ماده بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاهپیشنهاد کرد که برای توصیف صحیح مساله تابش جسم سیاه، می توان انرژی این امواج را به شکل بستههای کوچکی (کوانتا یا کوانتوم) 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 موج بستگی دارد توصیف کرد. در ادامه، با نظریه دوبروی دایر بر امکان توصیف حرکت ذرات بوسیله امواج، این نظریهها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج-ذره برای ذرات و امواج الکترومغناطیسی منجر شدند که برطبق آن، ذرات هر دوی رفتارهای موجی و ذره ای را از خود نشان می دهند.
تلاش ها برای تبیین تناقضات و ایجاد رهیافت های جدید، منجر به تکوین ساختار جدیدی موسوم به مکانیک کوانتومی شد که توسط دو فرمولبندی جداگانه (که بعدا معلوم شد هم ارزند) موسوم به مکانیک ماتریسی (عمدتا توسط هایزنبرگ) و مکانیک موجی (بیشتر توسط شرودینگر) توصیف می شد. بعنوان مثال، ایده ی توصیف ذرات با امواج، مولد ابداع مفهوم بسته های موجِ همبسته ذرات شد. به نوبۀ خود، تلاش برای یافتن معادلات حاکم بر تحول زمانی این بسته های موج به معادله موج یا معادله شرودینگر منتهی شد.
در تعبیری که توصیف شرودینگر از مکانیک کوانتومی بدست می دهد، حالت هر سیستم فیزیکی در هر لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج مختلط توصیف میشود . چون تابع موج یک کمیت مختلط است، خود مستقیما مبین یک کمیت فیزیکی نیست، اما با استفاده از این تابع میتوان احتمالبدست آمدن مقادیر مختلف حاصل از اندازه گیری یک کمیت فیزیکی را پیشبینی کرد. در حقیقت این احتمال با ضریبی از مربع قدرمطلق تابع موج (که کمیت اخیر حقیقی است) برابر است. بعنوان مثال از کاربرد این تابع احتمال، با آن میتوان احتمال یافتن الکترون در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص؛ یا احتمال بدست آمدن مقدار خاصی برای کمیت تکانه زاویه ای سیستم را محاسبه کرد. یا مثلا به کمک تابع موج و توزیع احتمال بدست آمده از آن، می توان محتملترین مکان (یا مکان های) حضور یک ذره در فضا را یافت (که در مورد الکترونهای یک اتمگاهی به آن اُربیتال میگویند). البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام ناحیه ناحیه پخش شدهاست، و الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست.
در مکانیک کلاسیک پیش بینی تحول زمانی مقادیر کمیت ها و اندازه گیری مقادیر کمیت ها در نظریه با هر دقت دلخواه ممکن است و تنها محدودیت موجود، خطای متعارف آزمایش و آزمایشگر، یا فقدان داده های اولیه کافی است. اما در مکانیک کوانتومی فرآیند اندازه گیری یک محدودیت ذاتی بهمراه خود دارد. در واقع نمیتوان برخی کمیت ها (کمیتهای مزدوج) را همزمان و با هر دقت دلخواه اندازه گیری کرد؛ مانند مکان و تکانه. اندازه گیری دقیقتر هریک از این کمیت ها، منجر به از دست رفتن هرچه بیشتر داده های مربوط به کمیت دیگر می شود. این مفهوم که به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مشهور است، از مفاهیم بسیار مهم در مکانیک کوانتومی بوده و با مفهوم بنیادین "تاثیر فرآیند اندازه گیری بر حالت سیستم" که از ابداعات اختصاصی مکانیک کوانتومی (دربرابر مکانیک کلاسیک است) همبسته است.
توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانههای فیزیکی اهمیت زیادی دارد، و 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. 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. همچین کاربردهای وسیعی در حوزه فناوری های کاربردی ، بر مفاهیم و دستاوردهای مکانیک کوانتومی استوار هستند.
[] 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 حضورگرانش 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 همچوناستیون 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 وزیستشناسها 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.
