تکنولوژی

مکانیک کوانتومی توضیح آن و برخی از مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی

مکانیک کوانتومی و برخی از مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی
ما در یک دنیای ماکروسکوپی زندگی می کنیم – تقریباً هر چیزی در اطراف ما که بخشی از زندگی روزمره ما را تشکیل می دهد قابل درک است. بچه‌هایی که فریزبی بازی می‌کنند، شخصی که در پارک می‌دود، هواپیمایی که در آسمان حرکت می‌کند، سیاراتی که در فضا می‌چرخند – هر حرکتی توسط مکانیک کلاسیک کنترل می‌شود و از قوانین حرکت و گرانش نیوتن پیروی می‌کند. اما در مورد دنیایی که از ما پنهان است – دنیای اتمی و زیر اتمی – چطور؟ به قلمرو مکانیک کوانتومی خوش آمدید!
جهان ما و تمام حرکات ماکروسکوپی اطراف ما توسط معادلات نیوتن اداره می شود.

کلمه “کوانتوم” در مکانیک کوانتومی به کمیت گسسته چیزی اشاره دارد. به عنوان مثال، اگر ما تپه های شنی را در یک منطقه بزرگتر که پیوسته به نظر می رسد فکر کنیم، کوانتومی از تپه ها یک دانه مجزا از ماسه است. به طور مشابه، به یک اقیانوس فکر کنید و سپس، یک کوانتوم، در این مورد، به تک مولکول آب در اقیانوس اشاره دارد. کلمه “مکانیک” به حرکت چیزی اشاره دارد.

انجام پروژه در فریلنس پروژه

مکانیک کوانتومی مجموعه‌ای از اصول ریاضی است که رفتار و حرکت اتم‌ها و ذرات زیر اتمی را توضیح می‌دهد. مکانیک کوانتومی همراه با نظریه نسبیت یکی از ارکان فیزیک را تشکیل می دهد و نظریه ریسمان تلاش می کند هر دوی آنها را در یک نظریه واحد ترکیب کند.
چرا مکانیک کوانتومی؟

این یک واقعیت شناخته شده و کاملاً پذیرفته شده است که همه چیز از جمله ما از مولکول هایی تشکیل شده است که از اتم ها تشکیل شده اند که به نوبه خود حاوی هسته و الکترون هستند. از آنجایی که همه حرکات در دنیای ما از قوانین نیوتن پیروی می کنند، زمانی که دانشمندان برای اولین بار الکترون ها و هسته ها و رفتارهای آنها را مطالعه کردند، سعی کردند یافته های تجربی خود را بر اساس قوانین نیوتن تجزیه و تحلیل کنند، اما به طور شگفت انگیزی، همه این تلاش ها با شکست مواجه شدند.

طی چنین آزمایش‌های زیادی، این نتیجه حاصل شد که ذرات کوچک زیر اتمی به گونه‌ای رفتار می‌کنند که اصلاً با معادلات نیوتنی سازگار نیست. در عوض، ساختارها، انرژی‌ها و تمام ویژگی‌های دیگر آنها را فقط می‌توان با چارچوبی توصیف کرد که توسط معادله‌ای به نام معادله شرودینگر اداره می‌شود.

مقاله ای جامع در مورد کامپیوتر کوانتومی(در تب جدید مرورگر باز می شود )

کامپیوترهای امروزی بر روی مکانیک کوانتومی کار می کنند. مادربرد در یک کامپیوتر حاوی ترانزیستورهایی است که از نیمه هادی ها ساخته شده اند و اساس کار نیمه هادی ها توسط مکانیک کوانتومی کنترل می شود. در واقع، تقریباً هر دستگاه دیجیتالی که می‌توان به آن فکر کرد، مثلاً لپ‌تاپ، تلفن همراه، تلویزیون، همگی دارای مکانیک کوانتومی هستند که قوانین خود را در پس‌زمینه اجرا می‌کنند. آیا می توانیم دنیایی را بدون آنها تصور کنیم؟
ترانزیستورها بیت‌هایی از اطلاعات را در نحوه هدایت الکتریسیته نشان می‌دهند و الکترون‌های حامل بار فقط مجاز به اشغال سطوح انرژی گسسته مشخصی هستند که توسط مکانیک کوانتومی تعیین شده است. (تصویر پل سی لی از Pixabay)
تاریخچه مختصر مکانیک کوانتومی

منشا مکانیک کوانتومی به طور جدایی ناپذیری با ماهیت موجی-ذره ای نور مرتبط است. تا قرن نوزدهم، نظریه غالب این بود که نور از ذرات ساخته شده است (یا همان طور که نیوتن پیشنهاد کرده است، “جسمی”).
دو راهی. (اعتبار: کالج علوم چارلز ای. اشمیت)

آزمایش دو شکاف یانگ در سال 1801 منظره را تغییر داد و ثابت کرد که نور نیز ماهیت موج مانندی دارد. مشابه امواج یا امواج در دریاچه یا حوض، هنگامی که دو پرتو نور خارج از فاز به هم می رسند، تداخل مخربی ایجاد می کنند و در مورد پرتوهای نوری درون فاز، باعث تداخل سازنده می شوند.
آزمایش دو شکاف یانگ یک الگوی تداخلی ایجاد کرد که نتیجه گرفت نور ماهیت موج مانندی دارد.

تقریباً یک قرن بعد در سال 1905، اینشتین نیز به داخل پرید (او همه جا هست!!) و پیشنهاد کرد که یک پرتو نور از بسته های کوچک انرژی تشکیل شده است و به طول موج نور مربوط می شود. او آنها را به عنوان “das Lichtquant” یا کوانتای نور نامید. بعدها، این بسته های انرژی به عنوان فوتون شناخته شدند.

نیلز بور، یکی از مبتکران مکانیک کوانتومی، در سال 1913 با اثبات اینکه انرژی یک الکترون در مقادیر گسسته، به‌جای مقیاس پیوسته، در مقادیر گسسته وجود دارد، انقلابی در مدل اتمی ایجاد کرد.
نور هم ماهیت ذره ای و هم موجی دارد و انرژی را در مقادیر گسسته حمل می کند. (تصویر: آبیناو سینگ)

مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی
چند سال بعد در سال 1924، لویی دو بروگلی متوجه شد که ذرات با جرم محدود مانند الکترون ها خواص موج مانندی با طول موج مرتبط با جرم و سرعت خود از خود نشان می دهند. این فرضیه را تکمیل کرد که اگر امواج را می توان به عنوان ذره در نظر گرفت، پس ذرات را نیز می توان به عنوان امواج در نظر گرفت.

لویی دو بروگلی این امواج را “امواج ماده” نامید، معادله ای که توسط اروین شرودینگر در سال 1926 فرض شد و به عنوان معادله شرودینگر شناخته شد – یکی از مهمترین دستاوردهای قرن بیستم.
برخی از مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی

1. اصل مکمل – در قلمرو مکانیک کوانتومی، اجسام می توانند ویژگی هایی داشته باشند که می توانند با شهود مخالفت کنند، مانند ذره مانند و ماهیت موج مانند یک الکترون. یک الکترون می تواند گاهی اوقات به عنوان یک ذره رفتار کند و

گاهی اوقات به عنوان یک ذره، اما هرگز نمی تواند مانند هر دو در یک زمان رفتار کند.

این شبیه سکه ای است که هر دو طرف دارد، اما وقتی آن را پرتاب می کنید، یا روی سر یا دم می افتد، نه روی هر دو. ماهیت موجی و ذره ای اشیاء را می توان به عنوان وجه مکمل یک واقعیت واحد در نظر گرفت.

2. تابع موج – تابع موج یک تابع ریاضی است که آنچه را که با ذره زیر اتمی می گذرد توصیف می کند. برای سادگی، می‌توانیم آن را شبیه یک تابع سینوسی در نظر بگیریم – ترکیبی از تاج‌ها و فرورفتگی‌ها.
   هر ذره در مکانیک کوانتومی با یک “تابع موج” مرتبط است.

ديوارهاي هوشمند ، بتن شفاف , ساخت ديوارهاي بتني شفاف با قابليت تغيير رنگ(در تب جدید مرورگر باز می شود )

درست مانند معادله نیوتن، F=ma برای سیستم های نیوتنی، معادله شرودینگر (وابسته به زمان) اعمال می شود.

برای سیستم های کوانتومی کاربرد دارد، جایی که حرف یونانی Ѱ نشان دهنده تابع موج سه بعدی سیستم است.

3. مجذور تابع موج – معادله شرودینگر به خوبی می تواند تابع موج یک سیستم را محاسبه کند، اما مشخص نمی کند که تابع موج به طور خاص چیست و حتی امروز هم کسی از آن اطلاعی ندارد.

مکس بورن، یک فرد ابزاری در توسعه مکانیک کوانتومی، پیشنهاد کرد که تابع موج را می توان به عنوان دامنه احتمال تفسیر کرد، جایی که مربع بزرگی تابع موج، احتمال وجود یک الکترون در یک مکان خاص را توصیف می کند. این همه چیز را تغییر داد و به تابع موج معنی داد.

بنابراین، در جایی که تابع موج بزرگ است، احتمال بیشتری برای یافتن ذره در آنجا داریم، و در جایی که تابع موج صفر است، احتمال ناچیز است.

در مکانیک کوانتومی، یک ذره، مثلا یک الکترون یا یک فوتون، در همه مکان‌هایی که مجذور تابع موج مجاز می‌داند وجود دارد، اما در لحظه تشخیص مکان ذره، تابع موج از تعداد زیادی تغییر می‌کند. مکان‌هایی فقط در مکانی که ذره در آن یافت می‌شود – دانشمندان این لحظه تشخیص را «فروپاشی تابع موج» می‌نامند.
هنگامی که یک جسم مشاهده می شود، برهم نهی منسجم آن فرو می ریزد و در یکی از حالات تابع موج آن موضعی می شود.

مفاهیم بنیادی مکانیک کوانتومی
این فروپاشی بین فیزیکدانان و فیلسوفان بسیار مورد بحث است زیرا به طور غیرمستقیم منجر به این ادعا می شود که یک ناظر نقش مهمی ایفا می کند و هیچ اتفاقی در جهان نمی افتد مگر زمانی که یک ناظر یک مشاهده یا اندازه گیری انجام دهد. یک مثال افراطی نظریه بسیاری از جهان ها است که بر اساس آن جهان به دو شاخه تقسیم می شود – جهان های تقریباً یکسان هر زمان که اندازه گیری انجام شود.
جهان احتمالی قطعی v/s

همانطور که می بینیم، معادله شرودینگر تابع موج را محاسبه می کند که قطعی است، اما آنچه تابع موج توصیف می کند، ماهیت احتمالی دارد، و از آنجایی که هر ذره زیر اتمی با یک تابع موج همراه است، که فروپاشی آن ما را به تعیین مکان آن سوق می دهد. این در مقیاس بزرگ چیزهایی را توصیف می کند که ما در دنیای خود می بینیم و درک می کنیم.
به طور استعاری، موج سوار نشان دهنده الکترونی است که توسط عملکرد موج خود هدایت می شود.

بنابراین این ایده که خود طبیعت در اساسی ترین سطح احتمالاتی است، خلاف شهود است زیرا هر آنچه در اطراف خود می بینیم کاملاً قطعی است و این زیبایی مکانیک کوانتومی است.

مفهوم فیزیک , فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید و کمیت های فیزیکی(در تب جدید مرورگر باز می شود )

“اگر فکر می کنید که مکانیک کوانتومی را درک می کنید، مکانیک کوانتومی را نمی فهمید.”

ریچارد پی فاینمن