 |
|
فیزیک کوانتومی به‌چه درد می‌خورد؟
فهرست مندرجات
.
فیزیک کوانتومی
مکانیک کوانتومی شاخه‌ای بنیادی از فیزیک نظری است که با پدیده‌های فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی سروکار دارد.
بنیادی‌ترین تفاوت مکانیک کوانتومی با مکانیک کلاسیک در این است که مکانیک کوانتومی توصیفی سازگار با آزمایش‌ها از ذرات در اندازه‌های اتمی و زیراتمی در اختیار می‌دهد، در حالی که مکانیک کلاسیک در قلمرو میکروسکوپی به نتایج نادرست می‌انجامد. در حقیقت، مکانیک کوانتومی بنیادی‌تر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است؛ زیرا در مقیاس‌های اتمی و زیراتمی که این نظریه‌ها با شکست مواجه می‌شوند، با دقت زیادی بسیاری از پدیده‌ها را توصیف می‌کند. مکانیک کوانتومی به همراه نسبیت پایه‌های فیزیک جدید را تشکیل می‌دهند.
مکانیک کوانتومی یا نظریه‌ی کوانتومی شامل نظریه‌ای درباره‌ی ماده و تابش الکترومغناطیسی و برهمکنش میان ماده و تابش است.
چندی پیش دوستی از من در مورد ارتباط فیزیک کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی پرسید. قبلاً هم با سوال‌های مشابه برخورد کرده بودم که شاید ناشی از اقبال روزافزون به فیزیک مدرن است یا شاید هم تردید در مورد کاربرد آن. تصمیم گرفتم در آستانه صدوبیست سالگی فیزیک کوانتوم، بررسی کنم که یافته‌های نظری آن چگونه وارد زندگی روزمره ما شده است.
کامپیوتر، تلفن هوشمند، تبلت، همگی از ترازیستور برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کند. سازوکار ترانزیستور در اساس یک پدیده کوانتومی است. ما از فیزیک کوانتومی یاد گرفته‌ایم که الکترون هم خاصیت ذره‌ای هم خاصیت موجی دارد. الکترونی که دور هسته اتم می‌چرخد به‌زبان کوانتومی موجی است که فضای دور هسته را احاطه کرده. سرعت و مسیر این موج، خواص هر عنصری را تعیین می‌کند از جمله این که رسانا هست یا نه؛ مثلاً ما می‌توانیم سرعت و مسیر این موج را دور اتم سیلیسیم (سیلیکون) اندکی دستکاری و با افزودن ناخالصی یا تحریک الکتریکی، سیلیسیوم را از نارسانا به رسانا یا برعکس تبدیل کنیم. این کار همان ساختن صفر و یک است که دنیای دیجیتال را بنا کرده.
ما میلیاردها ترانزیستور در ابعاد نانومتر را کنار هم چیده‌ایم و لایه لایه روی‌هم گذاشته‌ایم تا پردازشگرها را بسازیم. از پرسرعت‌ترین ابرکامپیوترها، پیشرفته‌ترین اتومبیل‌ها و جدیدترین تلفن‌های همراه گرفته تا لامپ‌های کم‌مصرف و کنترل از راه دور تلویزیون و اسباب بازی‌های الکترونیکی همگی از ترازیستور استفاده می‌کنند.
| ▲ | تونل‌زنی کوانتومی |
ما در حافظه فلش از پدیدهای به‌نام تونل‌زنی کوانتومی برای پاک کردن کل اطلاعات استفاده می‌کنیم. نه تنها در فلش بلکه در کلیدهای ساده چراغ برق هم تصادفاً این پدیده به کمک ما آمده است.
در تونل‌زنی کوانتومی، الکترون می‌تواند از خلال یک لایه‌ی نازک نارسانا به اصطلاح «تونل زده» و عبور کند. این پدیده با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست چون نتیجه رفتار کوانتومی ذره است. در کلید چراغ برق، الکترون لایه چند نانومتری اکسید فلز روی دو لبه‌ی رسانای کلید را «نادیده» می‌گیرد و از آن «رد» می‌شود و چراغ روشن می‌شود.
برای پاک کردن حافظه فلش، اگر میدان الکتریکی کافی به تمام ترانزیستورهای داخلش بدهیم، در واقع با تونل‌زنی کوانتومی همه‌ی آن‌ها را به اجبار به‌حالت «یک» درآورده‌ایم؛ یعنی همه‌ی اطلاعات پاک شده است. تونل‌زنی کوانتومی در کنار کاربرد مفید، اثر مخرب هم دارد. این پدیده در ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سرعت بالا باعث اتصال کوتاه می‌شود در نتیجه تمام یا بخشی از دستگاه الکترونیکی از کار می‌افتد یا داغ می‌شود.
| ▲ | جی.پی.اس |
سیستم موقعیت یاب جهانی (جی.پی.اس) هم به فیزیک کوانتومی محتاج است. ابزارهای مسیریابی این روزها در هر تلفن هوشمندی هست و ما روزانه برای یافتن آدرس از آن استفاده می‌کنیم. پشت پرده این ابزارها مجموعه‌ای از ماهواره‌ها و ساعت‌های اتمی قرار دارند که امکان موقعیت‌یابی را فراهم می‌آورند. برای این کار لازم است که مسیریاب ما از چند ماهواره موقعیت‌یاب، سیگنال دریافت کند. این سیگنال حاوی این اطلاعات است: موقعیت دقیق ماهواره در لحظه مخابره و زمان دقیق آن. با دانستن مدت زمان سفر سیگنال و سرعت آن که مساوی با سرعت نور است، فاصله ما از ماهواره معلوم می‌شود. ابزار موقعیت‌یاب، محاسبات هندسی را برای مجموعه ماهواره‌ها انجام می‌دهد و نقطه اشتراک آن‌ها را که موقعیت ماست اعلام می‌کند البته به‌شرطی که همه‌ی این ساعت‌ها باهم کار کنند که البته همین‌طور هم هست، ساعت‌های داخل ماهواره‌ها با هم و با یک ساعت روی زمین همزمان شده‌اند. این ساعت‌ها باید بتوانند پیوسته و دقیق کار کنند؛ امکانی که ساعت اتمی فراهم کرده است. نحوه‌ی کار ساعت اتمی هم برگرفته از فیزیک کوانتومی است. یک ثانیه برابر ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان موج مایکروویوی است که بتواند الکترون را در اتم سزیوم برانگیخته کند و از یک تراز انرژی کوانتومی به تراز دیگر ببرد. پس اگر جایی برای یافتن آدرس سردرگم بودید و مسیریاب تلفن هوشمند به کمکتان آمد، کار، کار فیزیک کوانتوم بوده است.
| ▲ | لیزر |
در ایران هر روز بیش از ۲۱ میلیون نفر از تلگرام برای فرستادن پیام به دوستان خود استفاده می‌کنند. زمانی که لازم است تا یک پیام متنی از گوشی شما به گوشی مخاطب‌تان برسد بسیار ناچیز است در حالی که مسیر دور و درازی طی می‌کند حتی اگر فرستنده و گیرنده در یک اتاق باشند: گوشی شما، مرکز مخابرات، مراکز اینترنتی واسطه در کشورهای همسایه، یکی از سرورهای تلگرام در جاهای مختلف دنیا، برگشت به مسیر اینترنتی منتهی به مخاطب، مرکز مخابرات مخاطب و گوشی مخاطب.
تمام این اطلاعات از راه شبکه‌های فیبر نوری رد و بدل می‌شود. فیبر نوری مثل کابل برق ولی برای انتقال سیگنال نور است. اما نور معمولی برای این کار مناسب نیست. نور معمولی یا نور سفید مجموعه‌ای از رنگ‌های (طول موج) گوناگون است؛ مثل نور خورشید که بعد از گذشتن از ذرات ریز باران تجزیه شده و به‌شکل رنگین کمان در می‌آید. طول موج‌های نور معمولی فازهای مختلف دارند بنابراین یکدیگر را تخریب کرده و در فواصل طولانی تضعیف می‌شوند. این‌جا هم فیزیک کوانتومی به‌صورت لیزر به کمک ما آمده است؛ لیزر یعنی نور تک فامی که تنها یک طول موج دارد و می‌تواند سیگنال‌های پر توان تولید کند. اساس کار لیزر «گسیل تحریکی» است؛ پدیدهای کوانتومی که در آن یک فوتون با طول موج مشخص با یک الکترون برانگیخته برخورد می‌کند و بر اثر این برخورد، الکترون از حالت برانگیخته خارج می‌شود که در نتیجه آن یک فوتون دیگر با خواص یکسان تشکیل شده و به فوتون اول ملحق و به این ترتیب سیگنال تقویت می‌شود. اگر نگاهی به لیست کاربردهای لیزر بیاندازید، موارد آشنای دیگری هم پیدا می‌کنید: پرینتر لیزری، دستگاه سی‌دی خوان، بارکد خوان و البته دوربین‌های کنترل سرعت.
| ▲ | پزشکی |
رد پای کاربرد کوانتوم در پزشکی هم کم نیست: عمل جراحی لیزیک، ام آر آی، پرتو درمانی و غیره. لیزر در درمان تومورهای سرطانی کاربرد وسیع دارد. در این روش ذرات باردار (یونیزه) مثل پروتون به سوی توده سرطانی فرستاده می‌شوند. ذره در نقطه هدف انرژی خود را آزاد می‌کند که باعث آسیب به DNA سلول سرطانی می‌شود و نهایتاً آن را از بین می‌برد. این ذرات باردار در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ایجاد می‌شوند و به اندازه‌ای که به‌دقت محاسبه شده به داخل بدن بیمار تابانده می‌شوند. فیزیکدانان مقدار انرژی لازم برای یونیزه‌کردن یک ذره را از روی تابع موج کوانتومی ذره محاسبه می‌کنند.
اگرچه فیزیک کوانتومی شامل مفاهیم مجرد و معادلات ریاضی پیچیده است ولی کاربرد آن زندگی ما را تغییر داده است و امکانات جدیدی فراهم کرده که بدون شناخت رفتار کوانتومی انرژی و ماده شدنی نبود. دانشی که هنوز راه درازی برای گسترش دارد و باید به استفاده های بیش‌تر آن در آینده امیدوار بود.[۱]
[▲] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانش‌نامه‌ی آريانا توسط مهدیزاده کابلی ارسال شده است.
[▲] پی‌نوشت‌ها
[۱]- سیاوش آذرشیر، فیزیک کوانتومی به‌چه درد می‌خورد؟، وبسایت فارسی بی‌بی‌سی: جمعه ۹ مارس ۲۰۱۸ - ۱۸ اسفند ۱۳۹۶
[▲] جُستارهای وابسته
□
[▲] سرچشمه‌ها
□ وبسایت بی‌بی‌سی
