آموزش، فیزیک و آموزش فیزیک با دکترسلیمان رسولی

Forwarded from عکس نگار

‍ ‍ ‍ 🔹فیزیک کوانتوم چیست، چرا به وجود آمد و چه تأثیری بر زندگی انسان دارد؟ (بخش اول)

🖌 پوریا ناظمی

ویلیام تامسون که در تاریخ بیشتر با لقب لرد کلوین مشهور است، در آغازین ماه‌های قرن بیستم میلادی پایان فیزیک را اعلام کرد. او که بانی سیستم جهانی دمای مبتنی بر سفر مطلق بود، در آن سال‌ها با اطمینان می‌گفت: «دیگر موضوع تازه‌ای در فیزیک برای کشف کردن باقی نمانده و تنها کار پیش رو دقیق کردن محاسبات است.»
اما از زمان درگذشت لرد کلوین در سال ۱۹۰۷ تا کنون حداقل دو انقلاب عظیم در دنیای فیزیک و باورهای ما از سازوکار جهان رخ داده است و هر بار فهمیده‌ایم که چقدر عالم را کم می‌شناسیم.
ابتدا انیشتین با معرفی نسبیت، مدل‌های رایج و استاندارد مکانیک کلاسیک نیوتونی را زیر و رو کرد و سپس گروهی از چهره‌های برجستهٔ فیزیک دست‌به‌دست هم و قدم‌به‌قدم مکانیک کوانتومی را معرفی کردند؛ سازوکاری که درک عالم و روش شناخت آن را چنان تغییر داد که هیچ‌کسی دیگر نتواند با شجاعت لرد کلوین پایان فیزیک را اعلام کند.
امروز همه‌جا صحبت از فیزیک کوانتوم و حتی انقلاب فیزیک کوانتومی می‌شود، از تحولات ژرف در فیزیک ذرات گرفته تا تلاش برای ساخت رایانه‌های کوانتومی تا جایی که برخی دانشمندان می‌گویند دانشمندان این دانش ظرفیت بالقوهٔ گسترش درک ما از جهان و حل مشکلات پیچیده را با سرعتی رعدآسا دارد.
در سوی دیگر، این نام از دنیای علم هم قدم بیرون گذاشته و گاهی توسط شیادان در عباراتی مانند شفای کوانتومی یا عرفان کوانتومی مورداستفاده قرار می‌گیرد. اما فیزیک کوانتومی به زبان ساده چیست و اصولاً چرا به وجود آمد؟

تاریخ مختصر مکانیک کوانتومی
در همان سالی که لرد کلوین پایان فیزیک را اعلام کرد، دانشمندی به نام ماکس پلانک کار بر روی نظریهٔ بنیادی خود را آغاز کرده بود. پلانک در تلاش برای توضیح برخی پدیده‌ها که در فیزیک کلاسیک پاسخی نداشتند، این تلاش را آغاز کرد.
مکانیک نیوتونی با توان خوبی عمدهٔ رویدادهای دنیای اطراف ما را توضیح می‌داد، اما زمانی که به برخی موضوعات مانند تابش جسم سیاه یا رفتار نور می‌رسید، توان پاسخگویی خود را از دست می‌داد. تلاش پلانک با تمرکز بر روی حل مشکلی آغاز شد که دربارهٔ مفهوم تابش جسم سیاه وجود داشت و فیزیک کلاسیک توان پاسخگویی به آن را نداشت.
این مسئله به شکل ساده به این شکل قابل‌بیان است که مطابق نظریات فیزیک کلاسیک، تابش یک جسم سیاه (جسمی فرضی که توان جذب – و نشر – کامل همهٔ پرتوهای الکترومغناطیس را دارد) با افزایش فرکانس موج و نزدیک‌تر شدن به امواج فرابنفش به‌طور نامحدودی افزایش خواهد یافت. اما این توضیح نه ممکن بود و نه با آزمایش‌ها همخوانی داشت.
پلانک برای حل این مسئله این فرض را مطرح کرد که انرژی ساختاری پیوسته ندارد و در بسته‌هایی مجزا از هم به نام کوانتای انرژی توزیع می‌شود.
در سال ۱۹۰۵ و زمانی که اینشتین اثر فوتوالکتریک را مطرح کرد، گفت که نور را می‌توان بسته‌های مجزا و گسسته‌ای از انرژی به نام فوتون در نظر گرفت. بدین ترتیب تغییر و تبدیل انرژی به‌جای این‌که روند پیوسته داشته باشد، شکلی پلکانی دارد و بدین ترتیب تأییدی برای نظریه پلانک مطرح کرد.
دههٔ ۱۹۲۰ اما زمانی بود که مکانیک کوانتومی سروشکل گرفت و توسعه‌ای عظیم پیدا کرد. فیزیکدانان برجسته‌ای چون ورنر هایزنبرگ، نیلز بور، مکس بورن و اروین شرودینگر این نظر را پیش بردند. پس‌ از این فرمول‌سازی‌ها بود که هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را مطرح کرد؛ اصلی که می‌گوید فارغ از دقت اندازه‌گیری، هیچ‌گاه نمی‌توان دو مشخصهٔ بنیادی یک ‌ذره (مانند مکان و اندازهٔ حرکت) را با دقت بالا پیش‌بینی کرد و دقت در اندازه‌گیریِ یکی به معنای از دست دادن دقت اندازه‌گیریِ دیگری است.
در سال ۱۹۲۷ هایزنبرگ و نیلز بور تفسیر کپنهاگی از ساختارهای کوانتومی را مطرح کردند که یکی از رایج‌ترین تفسیرهای این نظریه در بین فیزیکدانان است.
در دهه ۱۹۴۰ میلادی این نظریه در قالب نظریهٔ میدان کوانتومی توسعه پیدا کرد و از دل آن بود که ساختاری مانند مدل استاندارد فیزیک برای تفسیر رفتار جهان در بنیادی‌ترین سازه‌های خود مطرح شد.

منبع: رادیو فردا
اعتبار تصویر : یک رایانهٔ کوانتومی در آزمایشگاهی در کالیفرنیا، ۲۰۱۹
🆔 @dr_s_rasouli

www.tg-me.com/us/آموزش، فیزیک و آموزش فیزیک با دکترسلیمان رسولی/com.dr_s_rasouli/2219

109 viewsMay 11 at 22:30

‍ ‍ ‍ 🔹فیزیک کوانتوم چیست، چرا به وجود آمد و چه تأثیری بر زندگی انسان دارد؟ (بخش اول)

🖌 پوریا ناظمی

ویلیام تامسون که در تاریخ بیشتر با لقب لرد کلوین مشهور است، در آغازین ماه‌های قرن بیستم میلادی پایان فیزیک را اعلام کرد. او که بانی سیستم جهانی دمای مبتنی بر سفر مطلق بود، در آن سال‌ها با اطمینان می‌گفت: «دیگر موضوع تازه‌ای در فیزیک برای کشف کردن باقی نمانده و تنها کار پیش رو دقیق کردن محاسبات است.»
اما از زمان درگذشت لرد کلوین در سال ۱۹۰۷ تا کنون حداقل دو انقلاب عظیم در دنیای فیزیک و باورهای ما از سازوکار جهان رخ داده است و هر بار فهمیده‌ایم که چقدر عالم را کم می‌شناسیم.
ابتدا انیشتین با معرفی نسبیت، مدل‌های رایج و استاندارد مکانیک کلاسیک نیوتونی را زیر و رو کرد و سپس گروهی از چهره‌های برجستهٔ فیزیک دست‌به‌دست هم و قدم‌به‌قدم مکانیک کوانتومی را معرفی کردند؛ سازوکاری که درک عالم و روش شناخت آن را چنان تغییر داد که هیچ‌کسی دیگر نتواند با شجاعت لرد کلوین پایان فیزیک را اعلام کند.
امروز همه‌جا صحبت از فیزیک کوانتوم و حتی انقلاب فیزیک کوانتومی می‌شود، از تحولات ژرف در فیزیک ذرات گرفته تا تلاش برای ساخت رایانه‌های کوانتومی تا جایی که برخی دانشمندان می‌گویند دانشمندان این دانش ظرفیت بالقوهٔ گسترش درک ما از جهان و حل مشکلات پیچیده را با سرعتی رعدآسا دارد.
در سوی دیگر، این نام از دنیای علم هم قدم بیرون گذاشته و گاهی توسط شیادان در عباراتی مانند شفای کوانتومی یا عرفان کوانتومی مورداستفاده قرار می‌گیرد. اما فیزیک کوانتومی به زبان ساده چیست و اصولاً چرا به وجود آمد؟

تاریخ مختصر مکانیک کوانتومی
در همان سالی که لرد کلوین پایان فیزیک را اعلام کرد، دانشمندی به نام ماکس پلانک کار بر روی نظریهٔ بنیادی خود را آغاز کرده بود. پلانک در تلاش برای توضیح برخی پدیده‌ها که در فیزیک کلاسیک پاسخی نداشتند، این تلاش را آغاز کرد.
مکانیک نیوتونی با توان خوبی عمدهٔ رویدادهای دنیای اطراف ما را توضیح می‌داد، اما زمانی که به برخی موضوعات مانند تابش جسم سیاه یا رفتار نور می‌رسید، توان پاسخگویی خود را از دست می‌داد. تلاش پلانک با تمرکز بر روی حل مشکلی آغاز شد که دربارهٔ مفهوم تابش جسم سیاه وجود داشت و فیزیک کلاسیک توان پاسخگویی به آن را نداشت.
این مسئله به شکل ساده به این شکل قابل‌بیان است که مطابق نظریات فیزیک کلاسیک، تابش یک جسم سیاه (جسمی فرضی که توان جذب – و نشر – کامل همهٔ پرتوهای الکترومغناطیس را دارد) با افزایش فرکانس موج و نزدیک‌تر شدن به امواج فرابنفش به‌طور نامحدودی افزایش خواهد یافت. اما این توضیح نه ممکن بود و نه با آزمایش‌ها همخوانی داشت.
پلانک برای حل این مسئله این فرض را مطرح کرد که انرژی ساختاری پیوسته ندارد و در بسته‌هایی مجزا از هم به نام کوانتای انرژی توزیع می‌شود.
در سال ۱۹۰۵ و زمانی که اینشتین اثر فوتوالکتریک را مطرح کرد، گفت که نور را می‌توان بسته‌های مجزا و گسسته‌ای از انرژی به نام فوتون در نظر گرفت. بدین ترتیب تغییر و تبدیل انرژی به‌جای این‌که روند پیوسته داشته باشد، شکلی پلکانی دارد و بدین ترتیب تأییدی برای نظریه پلانک مطرح کرد.
دههٔ ۱۹۲۰ اما زمانی بود که مکانیک کوانتومی سروشکل گرفت و توسعه‌ای عظیم پیدا کرد. فیزیکدانان برجسته‌ای چون ورنر هایزنبرگ، نیلز بور، مکس بورن و اروین شرودینگر این نظر را پیش بردند. پس‌ از این فرمول‌سازی‌ها بود که هایزنبرگ اصل عدم قطعیت را مطرح کرد؛ اصلی که می‌گوید فارغ از دقت اندازه‌گیری، هیچ‌گاه نمی‌توان دو مشخصهٔ بنیادی یک ‌ذره (مانند مکان و اندازهٔ حرکت) را با دقت بالا پیش‌بینی کرد و دقت در اندازه‌گیریِ یکی به معنای از دست دادن دقت اندازه‌گیریِ دیگری است.
در سال ۱۹۲۷ هایزنبرگ و نیلز بور تفسیر کپنهاگی از ساختارهای کوانتومی را مطرح کردند که یکی از رایج‌ترین تفسیرهای این نظریه در بین فیزیکدانان است.
در دهه ۱۹۴۰ میلادی این نظریه در قالب نظریهٔ میدان کوانتومی توسعه پیدا کرد و از دل آن بود که ساختاری مانند مدل استاندارد فیزیک برای تفسیر رفتار جهان در بنیادی‌ترین سازه‌های خود مطرح شد.

منبع: رادیو فردا
اعتبار تصویر : یک رایانهٔ کوانتومی در آزمایشگاهی در کالیفرنیا، ۲۰۱۹
🆔 @dr_s_rasouli

BY آموزش، فیزیک و آموزش فیزیک با دکترسلیمان رسولی