مکانیک کوانتومی
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) مقدارهای گسستهای نسبت میدهد. بسیاری از شاخههای دیگرفیزیک وشیمی از مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود استفاده میکنند؛ مانند فیزیک ماده چگال" فیزیک حالت جامد"فیزیک اتمی"فیزیک ملوکولی"شیمی محاسباتی" شیمی کوانتومی" فیزیک ذرات بنیادی وفیزیک هسته ای. پایههای مکانیک کوانتومی در نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ" ماکس بلانگ" لویی دوبروی" نیلس بور" اروین شرودینگر"
ماکس بورن" جان فان نویمن" پاول دیراک و ولفگانگ پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبههای بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.
توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانههای فیزیکی اهمیت زیادی دارد، زیرا در مقیاس اتمی نظریههای کلاسیک نمیتوانند توصیف درستی ارائه دهند. مثلاً، اگر قرار بودمکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند،الکترونها به سرعت به سمت هسته اتم حرکت میکردند و به آن برمیخوردند. ولی در دنیای واقعی الکترونها در نواحی خاصی دور اتمها باقی میمانند.
مکانیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک
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 نیونتی قابل پیشبینی 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.
در ساختار مکانیک کوانتومی، حالت هر سیستم در هر لحظه به وسیلهٔ یکتابع موج مختلف توصیف میشود (که در مورد الکترونهای یکاتم گاهی به آن اربیتال میگویند). با این ابزار ریاضی میتوان احتمال نتایج مختلف در آزمایشها را پیشبینی کرد. مثلاً با آن میتوان احتمال یافتن الکترون را در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته در یک زمان مشخص محاسبه کرد. بر خلاف مکانیک کلاسیک، نمیتوان همزمان کمیتهای مزدوج را، مانند مکان و تکانه، با هر دقتی پیشبینی کرد. مثلاً میتوان گفت که الکترون در ناحیهٔ مشخصی از فضا است، ولی مکان دقیق آن را نمیتوان معلوم کرد. البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام این ناحیه پخش شدهاست. الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست. این ناتوانی در تعیین مکان الکترون را اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به طور ریاضی بیان میکند.
پدیدهٔ دیگری که منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد، امواج الکترومغناطیسی مانند نور بودند. ماکس بلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه کشف کرد که انرژی این امواج را میتوان به شکل بستههای کوچکی در نظر گرفت. آلبرت انیشتین از این فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را میتوان با ذرهای به نام فوتون که انرژیاش به بسامدش بستگی دارد توصیف کرد. این نظریهها به دیدگاهی به نام دوگانگی موج و ذره بین ذرات زیراتمی و امواج الکترومغناطیسی منجر شد که در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلکه ویژگیهای هر دو را از خود بروز میدادند. 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 ابر شارگی.
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 فیزیکدانانقرن بیستم و بیست و یکم است. فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در راه رسیدن به نظریه وحدت یافته 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 زیست شناسی
تحقیقات چند موسسه در آمریک 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 ساختار گرایان و ماتریالیستها و زیست شناسها 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.
نظریه میدانهای کوانتومی
در نظریه ی میدان های کوانتومی نیروهای میان ذرات توسط ذرات دیگر برقرار می شوند. برای نمونه، نیروی الکترومغناطیسی میان دو الکترون با رد و بدل فوتون ها امکان می یابد. با این حال نظریه فوق بر تمام نیروهای بنیادی به کار برده می شود. بردارهای بوزونی متوسط نیروی ضعیف را، گلوئون ها نیروی قوی، و گراویتون ها نیروی گرانشی را برقرار می سازند. این ذرات حامل نیرو، ذراتی مجازی اند و طبق تعریف، زمانیکه حامل نیرو هستند امکان آشکارشدن شان وجود ندارد، زیرا عملیات آشکارسازی گواه بر عدم حمل نیرو خواهد بود.
در نظریه میدان های کوانتومی، فوتون ها به صورت کوانتاهای میدان پنداشته می شوند و نه توپ های کوچک بیلیارد!امواج پکیده ای که در میدان به صورت ذرات به نظر می رسند. همچنین فرمیون ها -مانند الکترون- را نیز می توان به صورت امواج در میدان توصیف کرد، و این در حالیست که هرنوع فرمیون میدان خاص به خودش را دارد. به طور خلاصه، تصویر کلاسیکی از" همه چیز به شکل ذرات و میدان هاست"، در نظریه میدان های کوانتومی به صورت" همه چیز ذره است" و یا در نهایت "همه چیز میدان است" در می آید.
در این نظریه با ذرات نیز به صورت حالت های برانگیخته ی میدان برخورد می شود (کوانتای میدان).این میدان خاص را می توان نوعی خوش شانسی دانست زیرا که در این صورت لازم نیست نگران پیامد های اصل طرد پاولی بین فرمیون های مختلف مثلا بین الکترون ها و نوترون ها باشیم.در این حال می توان با آسودگی خیال حالت های انرژی مربوط به هر فرمیون را جداگانه بررسی کرد
