فیزیک کوانتوم چیست، چرا به وجود آمد و چه تأثیری بر زندگی انسان دارد؟
رأی دهید
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 برجسته 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 بالقوه 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؟
گفت‌وگو با پدرام روشن، عضو تیم کوانتوم گوگل، ۱۳۹۹
چطور پردازش کوانتومی داروسازی را متحول می‌کند؟
تاریخ مختصر مکانیک کوانتومی
در همان سالی که لرد کلوین پایان فیزیک را اعلام کرد، دانشمندی به نام ماکس پلانک کار بر روی نظریه 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 عمده 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 درباره 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 همه 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.
دهه 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 مشخصه بنیادی یک ذره (مانند مکان و اندازه 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 نظریه 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.
همه این حرف‌ها اصلاً یعنی چه؟
خلاصه داستان را شاید بتوان بدون دقت علمی این‌گونه بیان کرد؛ زمانی که ما در جهان با مقیاس‌های رایج سروکار داریم، مانند زمانی که می‌خواهیم حرکت یک ماهواره یا مدار یک سیاره یا حرکت یک توپ بیلیارد یا مدت‌زمان موردنیاز برای توقف یک خودرو شتاب‌دار یا جریان‌های الکتریکی در خطوط انتقال برق را محاسبه کنیم، می‌توانیم از ابزار فیزیک کلاسیک استفاده کنیم.
اما اگر سراغ اجسامی برویم که جرم بالایی دارند یا با سرعت‌های نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، نیازمند استفاده از ابزارهای نسبیت برای توضیح حرکت و رفتار آن‌ها هستیم و اگر به سراغ جهان ذرات بنیادی و رفتارهای آن‌ها برویم، نیازمند استفاده از ریاضیات و توضیح دیگری از عالم هستیم که مکانیک کوانتومی آن را برای ما فراهم می‌آورد.
استفاده از مدل‌هایی مثلاً مبتنی بر نسبیت برای ابعاد هنجاری که اطراف خود داریم، ممکن ولی غیرضروری است و اثری که بر نتیجه دارد، به‌قدری ناچیز است که می‌توان از آن صرف‌نظر کرد و از همان قوانین مکانیک کلاسیک استفاده کرد.
آیا ظهور مکانیک کوانتومی به معنای این است که دانشِ پیش از آن بی‌معنی است ؟
پاسخ کوتاه این است که نه. ما بر اساس بررسی و مشاهداتی که از عالم و رفتارهای آن داریم، مدل‌هایی را برای توصیف آن بیان می‌کنیم. این مدل‌ها پس از آن‌که از بوته آزمایش بیرون آمدند، نظریه یا پارادایم رایج را تشکیل می‌دهند تا زمانی که مسئله‌ای در آن پیدا شود که آن پارادایم را به چالش بکشد.
در این صورت تلاش‌ها برای توضیح روشی برای توضیح آن مسئله شکل می‌گیرد که در مواردی می‌تواند پارادایم‌های تازه‌ای را برای تفسیر بخشی یا کلیت جهان ارائه کنند. چنین تغییر پارادایمی را اصطلاحاً انقلاب علمی – به تفسیر و بیان توماس کون – می‌نامند. انقلاب علمی، بیش از آن‌که انکار گذشته باشد، ایستادن بر شانه‌های گذشته برای کسب تفسیری بهتر از جهان است.
توصیفاتی که این مدل از جهان ارائه می‌دهد و سازوکارهایی که در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد، امکان ظهور فناوری‌های تازه‌ای مانند رایانش کوانتومی را به وجود می‌آورد.
بنابراین آیا می‌توان گفت که مطابق فیزیک کوانتوم، هیچ قطعیتی در جهان وجود ندارد؟
نه. این برداشت اشتباهی از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. این اصل که در زمان مطرح‌شدنش باعث مناظره‌ها و بحث‌های زیادی میان دانشمندان شد و ازجمله بازی‌های ذهنی و مناظرات معروفی را بین اینشتین و هایزنبرگ ایجاد کرد، در مورد مشخص ذرات بنیادی است و درباره عدم امکان تعیین دقیق دو مؤلفه ویژگی آن‌ها در مقیاس جهان زیراتمی بحث می‌کند.
این اصل به معنای این نیست که شما نمی‌توانید مختصات یا سرعت یک پرتابه مثل هواپیما یا یک نفر را تعیین کنید و فقط در زبان علمی مربوط به فیزیک کوانتوم کاربرد دارد. کماکان نتیجه کارهای شما به گردن خود شما است و نمی‌توانید نرسیدن به هدف موردنظر را گردن کوانتوم بیندازید.
در یک کلام استفاده از صفت کوانتومی در هر بافتاری غیر از مکانیک کوانتومی اگر از پیش تعریف‌نشده باشد، خطا است.
برای مثال وقتی درباره چیزی به نام عرفان کوانتومی اشاره می‌شود، اگر منظور از کلمه کوانتوم اشاره به فیزیک کوانتوم باشد، در این صورت شما با شبه‌علم و خرافه و احتمالاً شیادی سروکار دارید. همین‌طور اگر با مواردی مانند استفاده از انرژی‌های کوانتومی برای درمان بیماری مانند سرطان یا سرماخوردگی مواجه شدید، می‌توانید مطمئن باشید با خرافه سروکار دارید.
افزودن کلمه کوانتوم در پشت هر چیزی به آن بار علمی نمی‌دهد و این کلمه تنها در بافتار علمی خود معنی می‌دهد که بررسی و استفاده از آن نیازمند ریاضیات پیشرفته 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 برجسته 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 بالقوه 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؟
گفت‌وگو با پدرام روشن، عضو تیم کوانتوم گوگل، ۱۳۹۹
چطور پردازش کوانتومی داروسازی را متحول می‌کند؟
تاریخ مختصر مکانیک کوانتومی
در همان سالی که لرد کلوین پایان فیزیک را اعلام کرد، دانشمندی به نام ماکس پلانک کار بر روی نظریه 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 عمده 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 درباره 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 همه 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.
دهه 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 مشخصه بنیادی یک ذره (مانند مکان و اندازه 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 نظریه 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.
همه این حرف‌ها اصلاً یعنی چه؟
خلاصه داستان را شاید بتوان بدون دقت علمی این‌گونه بیان کرد؛ زمانی که ما در جهان با مقیاس‌های رایج سروکار داریم، مانند زمانی که می‌خواهیم حرکت یک ماهواره یا مدار یک سیاره یا حرکت یک توپ بیلیارد یا مدت‌زمان موردنیاز برای توقف یک خودرو شتاب‌دار یا جریان‌های الکتریکی در خطوط انتقال برق را محاسبه کنیم، می‌توانیم از ابزار فیزیک کلاسیک استفاده کنیم.
اما اگر سراغ اجسامی برویم که جرم بالایی دارند یا با سرعت‌های نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند، نیازمند استفاده از ابزارهای نسبیت برای توضیح حرکت و رفتار آن‌ها هستیم و اگر به سراغ جهان ذرات بنیادی و رفتارهای آن‌ها برویم، نیازمند استفاده از ریاضیات و توضیح دیگری از عالم هستیم که مکانیک کوانتومی آن را برای ما فراهم می‌آورد.
استفاده از مدل‌هایی مثلاً مبتنی بر نسبیت برای ابعاد هنجاری که اطراف خود داریم، ممکن ولی غیرضروری است و اثری که بر نتیجه دارد، به‌قدری ناچیز است که می‌توان از آن صرف‌نظر کرد و از همان قوانین مکانیک کلاسیک استفاده کرد.
آیا ظهور مکانیک کوانتومی به معنای این است که دانشِ پیش از آن بی‌معنی است ؟
پاسخ کوتاه این است که نه. ما بر اساس بررسی و مشاهداتی که از عالم و رفتارهای آن داریم، مدل‌هایی را برای توصیف آن بیان می‌کنیم. این مدل‌ها پس از آن‌که از بوته آزمایش بیرون آمدند، نظریه یا پارادایم رایج را تشکیل می‌دهند تا زمانی که مسئله‌ای در آن پیدا شود که آن پارادایم را به چالش بکشد.
در این صورت تلاش‌ها برای توضیح روشی برای توضیح آن مسئله شکل می‌گیرد که در مواردی می‌تواند پارادایم‌های تازه‌ای را برای تفسیر بخشی یا کلیت جهان ارائه کنند. چنین تغییر پارادایمی را اصطلاحاً انقلاب علمی – به تفسیر و بیان توماس کون – می‌نامند. انقلاب علمی، بیش از آن‌که انکار گذشته باشد، ایستادن بر شانه‌های گذشته برای کسب تفسیری بهتر از جهان است.
توصیفاتی که این مدل از جهان ارائه می‌دهد و سازوکارهایی که در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد، امکان ظهور فناوری‌های تازه‌ای مانند رایانش کوانتومی را به وجود می‌آورد.
بنابراین آیا می‌توان گفت که مطابق فیزیک کوانتوم، هیچ قطعیتی در جهان وجود ندارد؟
نه. این برداشت اشتباهی از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. این اصل که در زمان مطرح‌شدنش باعث مناظره‌ها و بحث‌های زیادی میان دانشمندان شد و ازجمله بازی‌های ذهنی و مناظرات معروفی را بین اینشتین و هایزنبرگ ایجاد کرد، در مورد مشخص ذرات بنیادی است و درباره عدم امکان تعیین دقیق دو مؤلفه ویژگی آن‌ها در مقیاس جهان زیراتمی بحث می‌کند.
این اصل به معنای این نیست که شما نمی‌توانید مختصات یا سرعت یک پرتابه مثل هواپیما یا یک نفر را تعیین کنید و فقط در زبان علمی مربوط به فیزیک کوانتوم کاربرد دارد. کماکان نتیجه کارهای شما به گردن خود شما است و نمی‌توانید نرسیدن به هدف موردنظر را گردن کوانتوم بیندازید.
در یک کلام استفاده از صفت کوانتومی در هر بافتاری غیر از مکانیک کوانتومی اگر از پیش تعریف‌نشده باشد، خطا است.
برای مثال وقتی درباره چیزی به نام عرفان کوانتومی اشاره می‌شود، اگر منظور از کلمه کوانتوم اشاره به فیزیک کوانتوم باشد، در این صورت شما با شبه‌علم و خرافه و احتمالاً شیادی سروکار دارید. همین‌طور اگر با مواردی مانند استفاده از انرژی‌های کوانتومی برای درمان بیماری مانند سرطان یا سرماخوردگی مواجه شدید، می‌توانید مطمئن باشید با خرافه سروکار دارید.
افزودن کلمه کوانتوم در پشت هر چیزی به آن بار علمی نمی‌دهد و این کلمه تنها در بافتار علمی خود معنی می‌دهد که بررسی و استفاده از آن نیازمند ریاضیات پیشرفته است.
