مکانیک کوانتومی چیست و در مورد چه چیزی صحبت می کند؟
اثر: مهدی بصیرت نیا

مکانیک کوانتومی، که همینطور به عنوان فیزیک کوانتومی یا نظریه کوانتومی شناخته می شود، شاخه ای اساسی از فیزیک است که رفتار ماده و انرژی را در کوچکترین مقیاس ها، به ویژه در سطوح اتمی و زیر اتمی توصیف می کند و یک نظریه بنیادی در فیزیک است که درک قابل توجهی را در مورد رفتار ذرات و سیستم هایی ارائه می کند که بسیار کوچکتر از آن چیزی است که چشم انسان می تواند درک کند.در واقع این علم، علم مطالعه جهان ریزهاست، دنیایی که تا جایی که ما حالا می دانیم هیچ سنخیتی با عقل سلیم نداشته و همه باورهای ما را درباره جهانی که تجربه کرده ایم به باد تمسخر گرفته است. مکانیک کوانتومی به جنبه های کلیدی از هستی در ریزترین مقیاسهای شناخته شده می پردازد که نتایج محیرالعقولی را برای ما به دنبال داشته است.در زیر به گزیده ای از این موضوعات بطور خلاصه اشاره می کنیم:
💎دوگانگی موج-ذره: یکی از اصول اصلی مکانیک کوانتومی دوگانگی “موج-ذره” در ماده است. این موضوع بیان می‌کند که ذرات، مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها، می‌توانند هم ویژگی‌های” ذره‌مانند” و هم ویژگی‌های “موج مانند” از خود نشان دهند. این مفهوم ،مفاهیم کلاسیک ماده را به چالش کشیده و منجر به توسعه تابع موج شده است که توزیعِ احتمال خواص یک ذره را توصیف می کند.با این تعریف که به گونه ای برخواسته از تفسیر کپنهاگی مکانیک کوانتومی است، مواد تا زمانی که مشاهده نشده اند ، یا به عبارتی اندازه گیری نشده باشند ،به شکل موج هستند و نه ذره، و تنها در صورت مشاهده شدن از حالت موج، یعنی عدم قطعیت، به حالت ذره یا حالت قطعی تبدیل می شوند که خود از بحث برانگیزترین موضوعات این زمینه از دانش حیرت انگیز فیزیک کوانتومی است.
💎کوانتیزاسیون: در فیزیک کلاسیک، کمیت‌هایی مانند انرژی و تکانه زاویه‌ای می‌توانند هر مقداری را در یک محدوده پیوسته به خود بگیرند. در مکانیک کوانتومی، اما،این ویژگی ها کوانتیزه می شوند، به این معنی که آنها فقط می توانند مقادیر گسسته خاصی داشته باشند که خود منجر به پدیده هایی مانند سطوح انرژی گسسته در اتم ها و تکانه زاویه ای کوانتیزه شده در الکترون ها می شود.برای درک بهتر این موضوع باید اینطور تصور کنیم که در جهان ریزمقیاسها، کمیت های اساسی نمی توانند هر میزان دلخواهی را اختیار کنند و گویی که یک قانون پنهان کیهانی که خود را در زیر لباس قوانین کیهانی پوشانده است، تصمیم می گیرد که کمیت ها چه مقادیری را به خود اختصاص دهند.مثلا بر اساس قوانینی خاص، ثابت هایی چون “ثابت طول “و “ثابت زمان” پلانک خواهیم داشت که دقیقا مشخص و غیر قابل تغییر اند. نکته عجیب اینجاست که ما نمی دانیم چرا این مقادیر به این شکل تعبیه شده اند، اما شک نداریم که این مقادیر، مقادیری ثابت هستند که جهان ما در ریز ترین مقیاسها بر اساس آنها تعریف شده و استوار می گردد.این مقوله موجب شده تا بسیاری از افرادی که معتقد به وجود پروردگار و یا خالق برای این دنیا هستند، از آن به عنوان نشانه ای راستین برای اثبات مدعای خود نام ببرند و شرط وجود افریدگار را به عنوان متضمنِ وجود این دقت و وسواس برای تحقق حیات در این کیهان معرفی کنند.هر چند از دید علمی، این موضوع می تواند با دلائل دیگری نیز اثبات شود و توضیح این موضوع صرفا با دلائل ماورایی ممکن نمی شود. به عنوان مثال اصل آنتروپیک به خوبی توضیح می دهد که ما نهایتا مجبوریم خود را در کیهانی مشاهده کنیم که از بین بینهایت کیهان ممکن به ما اجازه وجود ، رشد و توسعه، آنطوری که می بینیم داده است.البته توضیح کامل این اصل ،خود داستانی جداگانه است که ممکن است ساعت ها طول بکشد و درست به همین دلیل آن را به زمانی دیگر موکول می کنیم .
💎اصل عدم قطعیت: اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یک مفهوم اساسی در مکانیک کوانتومی است که بیان می‌کند محدودیت‌های ذاتی برای توانایی ما در دانستن همزمانِ جفت‌های خاصی از خواص یک ذره، مانند موقعیت و تکانه آن وجود دارد. هر چه یک ویژگی را دقیق تر بدانیم، کمتر می توانیم دیگری را بشناسیم.این موضوع نه تنهابه دلیل ضعف ما در تکنولوژی و ابزار کنترل و اندازه گیری پدیده های کوانتومی نیست، بلکه احتمالا به دلیل ماهیت عجیب رفتاری ذرات در این مقیاس است که با عقل سلیم و معمول ما که نتیجه فرگشت در جهان ماکروسکوپیک است به هیچ عنوان همخوانی نداشته و بعضا در مغایرت کامل با آن می باشد.

💎برهم نهی: مکانیک کوانتومی امکان مفهوم برهم نهی را فراهم می کند، جایی که ذرات می توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند. این اغلب با آزمایش فکری گربه معروف شرودینگر نشان داده می شود، که در آن یک گربه تا زمان مشاهده، هم زمان، هم زنده و هم مرده است…! همانطوری که گفتیم این هم یکی دیگر از جنبه های تناقض برانگیز مکانیک کوانتومی در مصاف با عقل سلیم است: چگونه ممکن است که یک ذره در آنِ واحد در همه جا وجود داشته باشد و یا اینکه یک گربه فرضی کوانتومی همزمان مرده و زنده باشد …! این ها همان مصادیق تناقض برانگیزی هستند که در جهان کوانتومی اعتماد ما را به نتایج و پیش بینی های قبلی عقل سلیم ، سست و ناپایدار می کنند. نکته اینجاست که اگرچه که عقل سلیم ما در این مقیاس کار نمی کند، اما نتایج چندین باره ِ آزمایش شده بر روی سیستم های کوانتومی اثبات میکنند که این مفاهیمِ به -اصطلاح -متناقص با “عقلِ سلیم” کار کرده و جهان ما حتی در سطح ماکروسکوپیک به واسطه همین کارکردهای تناقض برانگیز وجود داشته و به بقا و تکامل خود ادامه می دهد…!
💎درهم تنیدگی: درهم تنیدگی کوانتومی پدیده ای است که در آن دو یا چند ذره به گونه ای همبسته می شوند که حالت یک ذره فوراً بر وضعیت ذره دیگر تأثیر می گذارد، حتی اگر با فواصل زیادی از هم جدا شده باشند…! این پدیده مبنای مفاهیمی مانند تله پورت کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی است.به زبان ساده تر اگر دو ذره هم بسته کوانتومی داشته باشیم، یعنی دو ذره که ایندو زمانی در گوشه ای از کیهان به نوعی با هم تعامل داشته اند و الان بنا به هر دلیلی در فاصله چندین میلیون و یا میلیارد سال نوری از هم قرار گرفته باشند، به محض رمزگشایی از وضعیت کوانتومی یکی، وضعیت دیگری نیز مشخص می شود…! انگار با سرعتی میلیونها برابر سرعت نور اطلاعات، قابلیت انتقال از نقطه ای به نقطه دیگر داشته و بطور آنی منقل می شوند…! البته که این موضوع در تناقض با نسبیت انشتین به نظر می رسد و خود انشتین نیز، البته به اشتباه، امکانِ وقوعِ چنین چیزی را مردود دانسته بود و این موضوع را به متغیرهای پنهانی نسبت داده بود که بر اساس نظر او،ما به احتمال زیاد از چگونگی کارکرد آنها بی خبر بودیم، ولی نابغه دیگری به نام بِل با نامساوی معروف خود نشان داد که حتی نوابغی مانند انشتین هم اشتباه می کنند…! و البته که خودِ این موضوع شاهدِ دیگری بر نتیجه گیری نا معمول و نادرستِ عقل سلیم از پدیده های کوانتومی است، موضوعی که ما بارها و بارها در همین مبحث به آن اشاره کرده ایم…!
💎حالات کوانتومی: مکانیک کوانتومی سیستم هایی را با استفاده از حالت های کوانتومی توصیف می کند که اغلب با توابع موج یا بردارهای حالت نمایش داده می شوند. این حالت ها برای پیش بینیِ احتمال قرار گرفتن یک ذره در یک وضعیت یا مکان خاص استفاده می شود. حالت کوانتومی در واقع یک توصیف ریاضی است که وضعیت یک سیستم فیزیکی مانند یک ذره، اتم یا مجموعه ای از ذرات را مشخص می کند. حالت‌های کوانتومی نمایش کامل و دقیقی از ویژگی‌های یک سیستم، از جمله موقعیت، تکانه، انرژی و سایر موارد قابل مشاهده را ارائه می‌دهند. رایج ترین نمایش یک حالت کوانتومی تابع موج است که با نماد Ψ (سای) نشان داده می شود. تابع موج یک تابع ریاضی با مقادیر پیچیده است که به مختصاتِ سیستم (به عنوان مثال، موقعیت یا تکانه) بستگی دارد و دامنه احتمالِ یافتنِ یک ذره در یک وضعیت یا مکانِ خاص را پیش بینی می کند.
💎مکانیک کوانتومی و اندازه گیری: عمل اندازه گیری در مکانیک کوانتومی جنبه مهمی از این نظریه است. این عمل منجر به “فروپاشی” تابع موج می شود، جایی که یک ذره حالت معینی به خود می گیرد. نتیجه، یک اندازه گیریِ احتمالی است و یک عنصر تصادفی را به نظریه اضافه می کند. هنگامی که اندازه گیری بر روی یک سیستم کوانتومی انجام می شود، تابعِ موجِ سیستم، به یکی از حالت های احتمالی خود فرو می ریزد و احتمال هر حالت با مجذور قدر مطلق دامنه احتمال مربوطه تعیین می شود.نکته کلیدی در اینجا البته مربوط به نقش ناظر یا مشاهده کننده است. مفهوم نقش ناظر در فروپاشی حالت کوانتومی موضوع بحث های فلسفی متعددی بوده است. برخی از تفاسیر نشان می دهد که فروپاشی، تنها زمانی رخ می دهد که یک ناظر با سیستم تعامل داشته باشد، در حالی که برخی دیگر استدلال می کنند که محیط یا دستگاه اندازه گیری می تواند بدون توجه به حضورِ ناظرِ آگاه ،منجر به فروپاشی شود. متاسفانه دانش ما در این زمینه هنوز به جایگاهی که بتواند پاسخ قابل قبولی به این موضوع چالش برانگیز بدهد، نرسیده است. به نظر این بحث، بحثی میان رشته ای بین علوم مختلفی از جمله فلسفه، مکانیک کوانتومی، ریاضیات، کیهان شناسی، نوروساینس و چند رشته پیچیده دیگر است که احتمالا در مقاله ای جداگانه به آن خواهیم پرداخت.

💎کاربردها: مکانیک کوانتومی برای درک رفتار اتم ها، مولکول ها و ذرات زیراتمی ضروری است. این علم پایه و اساس بسیاری از پیشرفت‌های تکنولوژیکی از جمله محاسبات کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و کاربردهای دیگری در علم مواد و شیمی را تشکیل می‌دهد. مکانیک کوانتومی، علیرغم ماهیت انتزاعی و اغلب ضد شهودی خود، دارای طیف گسترده ای از کاربردهای عملی در زمینه های مختلف است. این کاربردها منجر به فناوری های پیشگامانه و پیشرفت در علم شده است. مثلا کامپیوترهای کوانتومی از اصول برهم نهی و درهم تنیدگی برای پردازش اطلاعات به روشی اساسی متفاوت از کامپیوترهای کلاسیک استفاده می کنند. آنها پتانسیل حل مسائل پیچیده مانند فاکتورسازی اعداد بزرگ و بهینه سازی الگوریتم ها را بسیار سریعتر از رایانه های کلاسیک دارند. انتظار می رود محاسبات کوانتومی زمینه هایی مانند رمزنگاری، کشف دارو و علم مواد را متحول کند و یا حسگرهای کوانتومی، مانند ساعت‌های اتمی و مغناطیس‌سنج‌های کوانتومی، برای دستیابی به دقت استثنایی بر اندازه‌گیری دقیق پدیده‌های کوانتومی تکیه می‌کنند. این حسگرها در ناوبری، ژئوفیزیک و تشخیص امواج گرانشی کاربرد دارند.حتی این رشته در مترولوژی کوانتومی که شامل استفاده از خواص کوانتومی برای افزایش دقت اندازه گیری ها می شود نیز کاربردهای چشمگیری پیدا کرده است. مترولوژی کوانتومی در اندازه گیری زمان، فاصله و موارد دیگر کاربرد دارد.و البته نیاز به توضیح نیست که سیستم‌های ارتباطی کوانتومی، مانند “توزیع کلید کوانتومی” و “تله‌پورت کوانتومی”، امکان انتقال امن و کارآمد اطلاعات را در فواصل طولانی فراهم می‌کنند. این فناوری‌ها برای ارتباطات امن در بخش‌های مختلف، از جمله امور مالی و دولتی، کاربردهای حیاتی دارند. توزیع کلید کوانتومی، از ویژگی‌های منحصر به فرد سیستم‌های مکانیکی کوانتومی برای تولید و توزیع ابزار کلیدی رمزنگاری با استفاده از “فناوری هدف خاص “،استفاده می‌کند. رمزنگاری کوانتومی از همان اصول فیزیک و فناوری مشابه برای برقراری ارتباط از طریق یک پیوند ارتباطی اختصاصی استفاده می کند.بی شک چنین کاربردهای خاص و پیچیده و مهمی را نمی توان بدون اتکا به اصول مکانیک کوانتومی فهمید و از آن برای بهبود سطح زندگی تکنولوژیک فعلی و آتی بشر استفاده کرد و همین چند سطر توضیح مختصر ،خود به خوبی اهمیت کاربردهای بی نظیر و بی رقیب این رشته از دانش نوپای بشر را نشان می دهد .

به طور خلاصه اگر بگوییم، مکانیک کوانتومی یک نظریه اساسی در فیزیک است که رفتار ماده و انرژی را در مقیاس های بسیار کوچک توصیف می کند و مفاهیمی حیرت انگیز و محیرالعقول مانند دوگانگی موج-ذره، کوانتیزاسیون، اصل عدم قطعیت، برهم نهی و درهم تنیدگی و بسیاری دیگر از مفاهیمی اینچنینی را معرفی می کند. مکانیک کوانتومی درک ما از دنیای میکروسکوپی را متحول کرده است و کاربردهای عملی متعددی در علم و فناوری دارد و در کنار همه اینها درس بسیار بزرگی به ما داده تا نحوه درک و نگرش خود را از کیهان عوض کنیم:
جهان بنا به خواست، درک، اعتقاد و از همه مهمتر به عقل سلیم ما کار نمی کند…! جهان آنگونه کار می کند که” کار می کند” …! و به اعتقاد ما این مهمترین درسی است که می توانست از دل خود طبیعت به ما داده شود ، به ما که خود بخش دیگری از همین طبیعتیم، بخشی که به مدد فرگشت ،آنچنان تغییر کرده که به سختی از نگاهِ حتی خودِ ما ،از همین جنس بر شمرده می شود…! آری…! ما در عمیق ترین لایه های وجودی خود شامل قوانینی هستیم که اگرچه که از دل همین طبیعت بیرون آمده ایم، اما جلوه ای بس متفاوت از درک و اجرای همین منبع بنیادی را نمایش میدهیم…! نمایشی حیرت انگیز، خارق العاده و بس باور نکردنی که با وجود مسلح بودن به سلاحی به نام عقل سلیم، بایستی به سراغ تجهیز به سلاحهای دیگری برود، سلاح هایی که شاید هنوز به درستی از وجودشان واقف نیستیم، سلاح های دیگری از جنس همین طبیعت که شاید به مدد یک فرگشت ازلی تا به امروز تغییر مسیر و ماهیت داده اند و شاید هم تا ابد در تداوم همین مسیر ،ما را به سمت پنجره های جدیدی از معرفت هستی راهنمایی کنند، جایی که فیزیک جدید، حافظه ژنتیکی قدیم و تصادم به ظاهر نا خوشایندِ این دو ،رخ دیگری از “پیازِ تو درتویِ تا ابد پیچیده ِحقیقت” را به ما معرفی کنند…!