به گزارش خبرنگار گروه علم وفناوری ایسکانیوز، کوانتوم کوچک‌ترین مقدار ممکن انرژی است. یک کوانتوم نور (یا تابش‌های الکترومغناطیسی دیگر) فوتون نامیده می‌شود. یک فوتون می تواند توسط یک الکترون، هنگامی که جهش کوانتومی می کند ساطع شود.

نظریه کوانتومی از ایده‌های ماکس پلانک منشأ گرفته است. او این ایده را مطرح کرد که اتم‌ها تنها در کمیت‌های معینی به نام کوانتوم می‌توانند انرژی ساطع کنند (بیرون دهند). نظریه کوانتومی برای توضیح رفتار ذرات و انرژی‌ای که خارج می کنند مطرح شد.

گفتنی است؛ کوانتوم واژه لاتین برای مقدار است و در فهم مدرن به معنای کوچکترین واحد مجزای ممکن هر خاصیت فیزیکی امثال خاصیت فیزیکی انرژی و مواد ) است. کوانتوم از سال 1900 مورد استفاده قرار گرفت، زمانی‌که فیزیکدانی به نام ماکس پلانک در یک معرفی به جامعه فیزیک آلمان از آن استفاده کرد.

پلانک به علت تغییر رنگ تابشی از جسم گداخته از قرمز به نارنجی و نهایتا آبی در اثر افزایش دما، پی برده بود. او با فرض موجود بودن تشعشع در واحد های مجزا همانند آنچه که در مورد مواد است به جای نظریه پیشین موج الکترومغناطیسی ثابت) و از این رو قابل سنجش بودن آن، توانست به سوال خود پاسخ دهد. پلانک یک معادله ریاضی با شکلی که نشان‌دهنده واحدهای اختصاصی انرژی بود ارائه کرد. او این واحدها را کوانتا نامید. پلانک گمان می کرد نظریه جدیدی از کشف گوانتا پدیدار خواهد شد، ولی در حقیقت موجودیت آنها (گوانتا) دلالت بر فهمی اساسی و کاملا نو از قوانین طبیعت داشت. نظریه نسبیت انیشتین و نظریه کوانتوم، ذات و رفتار تمام مواد و انرژی روی زمین را شرح داده و پایه فیزیک مدرن را شکل دادند. با این وجود تضاد بین این دو باقی مانده است. انیشتین بیشتر عمرش را در پی یافتن نظریه‌ای که او آن را تئوری زمینه یکسان نسبیت عام) می نامید، سپری کرد. یکی بایستی به این عدم تطبیق تئوری ها پیان می داد. متعاقبا "نظریه ابر ریسمان و نظریه "ام" به عنوان نظریه‌های تطبیق دهنده مطرح شدند.

گهگاه کوانتوم به فرم صفت مورد استفاده قرار می گیرد که معنای آن یک سطح بسیار ناچیز به‌عنوان بینهایت است. بعنوان مثال: انتظار لود صفحات بی نهایت کسل کننده است.

چرا نظریه کوانتومی عجیب و غریب به نظر می رسد؟

نظریه کوانتومی نشان می‌دهد که انرژی همزمان هم به صورت امواج و هم به صورت ذرات رفتار می‌کند. کوانتوم دسته‌های انرژی است که به صورت توده‌هایی از ذرات جداگانه وجود دارند اما زمانی که سفر می کنند، همانند امواج در سطح حوض منتشر می شوند.

دانشمندان چگونه از نظریه کوانتومی استفاده می کنند؟

با این که درک نظریه کوانتومی سخت است اما درواقع یکی از دقیق ترین نظریه‌های علمی محسوب می‌شود که تاکنون ارائه شده است. دانشمندان با استفاده از نظریه کوانتومی می‌توانند خواص اتم‌ها، مولکول‌ها و مواد را به طور دقیق محاسبه کنند. نظریه کوانتومی برای طراحی قطعات الکترونیکی، مواد اولیه جدید و داروها مورد استفاده قرار می گیرد. بدون نظریه کوانتومی هیچ رایانه، تلفن همراه و یا بسیاری دیگر از اختراعاتی که اخیراً انجام شده صورت نمی گرفت.

جهش کوانتومی چیست؟

در داخل اتم‌ها، الکترون‌ها پوسته ها را اشغال می کنند. در هر پوسته، الکترون دارای انرژی مشخصی است. اگر یک الکترون به یک پوسته انرژی بالاتر یا پوسته انرژی پایین تر حرکت کند گفته می شود که جهش کوانتومی انجام داده است.

اصل عدم قطعیت چیست؟

نظریه کوانتومی نشان می دهد که موقعیت و سرعت یک کوانتوم را به طور دقیق نمی توان شناسایی کرد. به این ترتیب اصل عدم قطعیت نشان می دهد که ما فقط می توانیم احتمالات را محاسبه کنیم، نه یقین ها را.

فیزیک کوانتوم چیست؟

سرعت و مسیر موج کوانتومی، خواص هر عنصری را تعیین می‌کند از جمله این که رسانا هست یا نه؛ مثلا 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 است.

ما میلیاردها ترانزیستور در ابعاد نانومتر را کنار هم چیده‌ایم و لایه لایه روی هم گذاشته‌ایم تا پردازشگرها را بسازیم. از پرسرعت‌ترین ابرکامپیوترها، پیشرفته‌ترین اتومبیل‌ها و جدیدترین تلفن‌های همراه گرفته تا لامپ‌های کم مصرف و کنترل از راه دور تلویزیون و اسباب بازی‌های الکترونیکی همگی از ترازیستور استفاده می‌کنند.

تونل‌زنی کوانتومی

ما در حافظه فلش از پدیده‌ای به نام تونل‌زنی کوانتومی برای پاک کردن کل اطلاعات استفاده می‌کنیم. نه تنها در فلش بلکه در کلیدهای ساده چراغ برق هم تصادفا این پدیده به کمک ما آمده است.

در تونل‌زنی کوانتومی، الکترون می‌تواند از خلال یک لایه 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 لبه 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 تونل زنی کوانتومی همه آنها را به اجبار به حالت «یک» درآورده‌ایم؛ یعنی همه اطلاعات پاک شده است. تونل زنی 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 الکترونیک از کار می‌افتد یا داغ می‌شود.

پزشکی

رد پای کاربرد کوانتوم در پزشکی هم کم نیست: عمل جراحی لیزیک، MRI، 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 نهایتا آن را از بین می‌برد. این ذرات باردار در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ایجاد می‌شوند و به اندازه‌ای که به دقت محاسبه شده به داخل بدن بیمار تابانده می‌شوند. فیزیکدانان مقدار انرژی لازم برای یونیزه کردن 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 استفاده‌های بیشتر آن در آینده امیدوار بود.

GPS

سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) 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 به شرطی که همه این ساعت‌ها با هم کار کنند که البته همینطور هم هست، ساعت‌های داخل ماهواره‌ها با هم و با یک ساعت روی زمین همزمان شده‌اند.