مقدمه ای بر کوانتوم، گذر از فیزیک کلاسیک و کاربردها

کوانتوم به چه معنا است و چرا امروز جزء داغ ترین تحقیقات علمی و فناوری دنیا قرار گرفته است؟ کوانتوم از جمله مباحث علمی چالش برانگیز صده اخیر است که در بین دانشمندان علوم مختلف نظریات متفاوت و گاه متناقضی در مورد آن وجود دارد. در این مطلب به زبان ساده در مورد کوانتوم، سیر تاریخی پیدایش، کاربردها و واقعیت هایی جذاب در مورد این تئوری توضیح می دهیم.

معنای کوانتوم

واژه کوانتوم (Quantum) به معنای کمترین مقدار ممکن از یک کمیت است و در فیزیک به واحدهای گسسته انرژی گفته می شود. اصطلاح کوانتیزه کردن نیز در واقع به معنای گسسته کردن به کار می رود.

علت پیدایش مفهوم کوانتوم

اگر به لحاظ تاریخی به مسئله پیدایش کوانتوم نگاهی بیندازیم، شاید یکی از دلایل پیدایش مفهوم کوانتوم، چالش های ریاضیاتی و فیزیکی موجود در فیزیک کلاسیک بوده است.

به عنوان یکی از معروف ترین مثال های آن میتوان بی نهایت بودن انرژی یک جسم سیاه در معادلات فیزیک کلاسیک را نام برد. واضح است که به لحاظ فیزیکی این مسئله عجیب به نظر می رسد که یک جسم کوچک بی نهایت انرژی از خود ساطع کند اما در گذشته بر مبنای معادلات ریاضی فیزیک کلاسیک (که صحت آن نیز در به وجود آمدن معادلاتی مانند معادلات معروف ماکسول که پایه تئوری های الکترومغناطیسی است به اثبات رسیده بود) چنین نتیجه ای به دست می آمد.

در ادامه سیر تاریخی، پلانک با ساختار شکنی مفهوم پیوسته و موجی بودن انرژی و با فرض این که انرژی گسسته و به صورت قطعه قطعه است، معادلات ریاضیاتی جدید بنا کرد و در ادامه دانشمندان دیگری همچون انیشتین، بور، هایزنبرگ، دو بروی و… این تئوری را به وسیله تجربیات و معادلات دیگری بسط دادند.

کاربردهای تئوری کوانتوم

• توجیح بسیاری از چالش های علمی و پدیده های ناشناخته
• پیشرفت شگرف در علوم و تکنولوژی
• مخابرات کوانتومی
• محاسبات کوانتومی

کاربرد تئوری کوانتوم در مخابرات

یکی از کاربردهای فوق العاده جذاب کوانتوم در سیستم های مخابراتی است. به طور معمول در یک سیستم مخابراتی علاوه بر فرستنده و گیرنده، ناظر سومی نیز میتواند از اطلاعات رد و بدل شده بین فرستنده و گیرنده مطلع شده و از آن کپی تهیه کند که این مسئله باعث کاهش امنیت اطلاعات شده است. یکی از دلایل کدگذاری در مخابرات افزایش امنیت اطلاعات در سیستم های مخابراتی است.

در مخابرات کوانتومی به دلیل ساختار و ویژگی های ذرات کوانتومی، امکان کپی برداری از اطلاعات به شکل محرمانه وجود نداشته و باعث تخریب ساختار داده می شود که این ویژگی میتواند انقلابی در مباحث امنیتی در شبکه های مخابراتی ایجاد کند.

چند حقیقت جذاب در مورد کوانتوم :

• برخلاف فیزیک کلاسیک که یک جسم یا به طور دقیق تر یک الکترون تنها در هر لحظه از زمان میتواند در یک مکان فیزیکی حضور داشته باشد، در مکانیک کوانتوم یک الکترون می تواند در همه ی نقاط طبق معادلات آمار و احتمال مشخصی حضور داشته باشد. نکته ی بسیار مهم در اینجا نهفته است که آمار و احتمال بحث شده در مفهوم کوانتوم ذاتا با آمار و احتمال مطرح در ریاضیات متفاوت است و بحث از آمار و احتمال در حوزه کوانتوم ناشی از سرشت ذاتی و آفرینش حاکم بر طبعیت است و این مسئله ناشی از عدم آگاهی و اطلاع از وضعیت موجود نیست. در واقع الکترون موجود در اطراف یک هسته اتم که در فیزیک کلاسیک آن را به شکل چرخشی به دور اتم تصور می کردیم، در دنیای کوانتوم در یک ابری آماری قرار گرفته است و احتمال حضور آن در همه ی نقاط در این ابر وجود دارد.
• در تجربه فیزیکی کلاسیک، مشاهده کننده یا ناظر تاثیری بر عمل یا فرایند مورد مشاهده ندارد (مثلا دیدن صفحه فوتبال بر نیتجه ی فوتبال تاثیری نمی گذارد!) ولی در دنیای کوانتوم شرایط مکانی و زمانی مشاهده گر بر فرایند یا جسمی که در دنیای کوانتوم مشاهده می کنیم تاثیر مستقیمی دارد!
• بور یکی از دانشمندان تاثیرگذار در کوانتوم : هرکسی فکر کند کوانتوم را متوجه شده است، معلوم می شود که از کوانتوم هیچ چیز نمیداند!

منابع :

ویکیپدیا

برنامه چرخ، دکتر جواد صالحی

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.