www.elecom4u.ir
“کوانتوم” کلیدواژه ورود به جهان تازهای از علوم/ ایران چه جایگاهی در حوزه کوانتوم دارد؟
تعريف کوانتوم
مرسومترین و عامیانهترین تعریفی که برای کوانتوم ارائه شده و در بسیاری از سایتهای عمومی از آن استفاده شده است، کوانتوم را به عنوان کمترین مقدار ممکن از یک کمیت ارائه کرده است؛ در واقع کوانتوم در فیزیک به معنای کمترین مقدار ممکن از یک کمیت است.
اما برای درک مفهوم علوم مرتبط با کوانتوم، باید مفاهیمی برای شما قابل درک باشد که در جهان واقعیتهای فعلی غیرقابل تصورند! به عنوان مثال در مقیاس الکترونی و اتمی، بسیاری از معادلات فیزیک کلاسیک که توصیفکننده نحوه حرکت اجسام هستند، نمیتوانند فیزیک مسائل را توصیف کنند؛ در فیزیک کلاسیک، یک جسم در یک لحظه مشخص، در مکانی مشخص قرار میگیرد. این در حالی است که در علوم مرتبط با کوانتوم، یک ذره میتواند در یک زمان در مکانهای نامشخصی قرار گیرد و مکان وجودی یک ذره یک مکان احتمالی است. در علوم مرتبط با کوانتوم، یک ذره میتواند در یک زمان در مکانهای نامشخصی قرار گیرد و مکان وجودی یک ذره یک مکان احتمالی است.
نمیتوان گفت که کشف مقولات فیزیک کوانتوم به فیزیکدان و دانشمند خاصی باز میگردد چرا که به مرور و از سال 1900 به بعد علوم مرتبط با آن توسط دانشمندان مختلفی توسعه داده شدهاست البته فیزیک کوانتوم بیارتباط با نظریه نسبیت انیشتین نیست اما نمیتوان این نظریه را در نسبت مستقیم با فیزیک کوانتم قرار داد.
حال این علم که روزی به تئوریهای محض فیزیکی محدود میشد جنبه کاربردیتری پیدا کرده است و کشورها برای پیشرفت در این عرصه با هم به رقابت میپردازند، ایران هم از این قافله عقب نمانده است و با وجود تحریمها و تهدیدهای کم سابقه آمریکا علیه ایران و بسیاری از محدودیتهای علمی و تکنولوژیک بر سر راه محققان کشور به دنیای کوانتوم ورود کرده است.
تاريخچه کوانتوم در ايران
ورود ایران به این حوزه از علم و تکنولوژی به سال 1395 باز میگردد، برای شروع فعالیت در این سال از 12 استاد برجسته حوزه کوانتوم در کشور استفاده شد و بعد از دو سال، در روز چهارشنبه 3 مرداد 1397 از نخستین آزمایشگاه کوانتوم رونمایی و اعلام شد که ایران توانسته است در محیط آزمایشگاهی کوانتوم را در فاصله یک متری با موفقیت آزمایش کند و این سازمان در برنامه خود قرار است تا پایان سال 1397 این آزمایش را تا فاصله 7 کیلومتر و سپس به 15 کیلومتر انجام دهد.
با انجام این آزمایشات و راهاندازی مراکز مرتبط با کوانتوم ایران هم به جمع کشورهای فعال در این زمینه پیوست؛ کوانتوم برای کشورهای توسعهیافته جهان به حوزهای بسیار جدی و حیاتی تبدیل شده است. برای بیان عمومی اهمیت این حوزه از علم باید بیشتر به بیان مثال بسنده کرد؛ به عنوان مثال فرض کنید دو فوتون (نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است و فوتون در فیزیک، یک ذره بنیادی است که بهعنوان واحد کوانتومی نور یا هر نوع تابش الکترومغناطیسی محسوب میشود) که به هم چسبیدهاند، از هم جدا میشوند، این دو ذره نور در مثال عامیانه همزاد هم هستند و بعد از جداسازی در هر فاصله از هم قرار بگیرند با تغییر یکی، دیگری هم تغییر خواهد کرد!
این قابلیت امکان تبادل اطلاعات در فواصل میلیاردها سال نوری را فراهم خواهد کرد! اما علم بشر برای تبادل اطلاعات بین ذرات تنها تا 700 مایلی قادر به انجام آزمایشات بوده است.
ایران هم آزمایشات جداسازی فوتونها را پیگیری میکرد که در نهایت در سال 97 توانست این جداسازی را انجام دهد؛ در واقع ایران توانست در سال 97 بعد از درهمتنیدگی جفت فوتونها اقدام به جداسازی آنها کند تا امکان تکرار رفتار فوتونها در فواصل دور از هم فراهم شود.
پیشرفت ایران در زمینه کوانتوم از سال 97 تاکنون قابل ملاحظه است؛ بهطوری که در سال 97 50 تا 100 فوتون در هم تنیده در ثانیه تولید میکرد و حالا به تولید بیش از یک میلیون در ثانیه فوتون رسیده است. آزمایش اخیری هم که انجام شد در فاصله 1650 متر و در ارتفاع 300 متر، میلیونها فوتون جفت ارسال شد که 90 تای آنها امکان استفاده داشت.
اما کاربرد علم کوانتوم در زندگی بشر چیست؟
شاید نخستین دستاورد عینی کوانتوم در زندگی بشر بعد از تولید نخستین کامپیوترهای کوانتومی واضحتر شود؛ دانشمندان هم به عنوان نخستین دستاوردهای کوانتومی به دنبال تولید این کامپیوترها هستند.
توضیح عملکرد کامپیوتر کوانتومی کمی دشوار است اما سرعت عملکرد آن را با یک مثال میتوان به صورت شفاف بیان کرد، فرض کنید محاسبات کامپیوتری که برای یک کامپیوتر معمولی ممکن است چند صد سال طول بکشد، در یک کامپیوتر کوانتمی در عرض چند ثانیه انجام خواهد شد. محاسبات کامپیوتری که برای یک کامپیوتر معمولی ممکن است چند صد سال طول بکشد، در یک کامپیوتر کوانتمی در عرض چند ثانیه انجام خواهد شد.
از طرف دیگر در دنیای انتقال داده کوانتومی، دیگر خبری از هک و رمزگشایی دادهها و در کل خبری از نفوذ نخواهد بود! در این دنیا دیتاها، توسط دو جفت فوتونِ مستقل از مجاری ارتباطی معمول انجام میشود و هر دو جفت فوتون ماهیت منحصر به فرد در جهان دارند که رمزنگاری بین آنها توسط هیچ دانشی تاکنون قابل بررسی نبوده است، پس انتقال اطلاعات در این عرصه، امنترین روش انتقال است.
یکی از نمودهای عینی استفاده از این تکنولوژی که تاکنون تولید شده و مورد استفاده بشر قرار گرفته است، ساعتهای کوانتومی است که خطای آن به کمتر از یک ثانیه در چند میلیارد سال میرسد!
این موارد تنها مثالهای کوچکی از این دریای عظیم علمی هستند؛ علم کوانتوم میتواند تحقیقات علوم فضایی را با دقتی بسیار بالاتر متحول کند؛ علم ژنتیک با محاسبات کوانتومی به بلوغ خواهد رسید و مدلسازیهای ژنتیکی به راحتی اتفاق خواهد افتاد و بسیاری از پیشرفتهای دیگر در گرو پیشرفت در حوزه علوم کوانتومی است.
۱۰ حقیقت حیرتآور که باید درباره فیزیک کوانتوم بدانید
دنیای کوانتوم یکنواخت نیست
وقتی شما برای خرید کفش به کفشفروشی میروید، آنها دقیقا کشفی را مطابق اندازه پای شما و مخصوص شما نمیسازند بلکه باید با امتحان کردن کفشهای مختلف که سایزها و ویژگیهای آن از پیش تعیین شدهاند، کفش مناسب خود را انتخاب کنید. اینشتین نیز زندگی خود را وقف این موضوع کرد که ثابت کند در دنیای زیراتمی هم همین اتفاق در حال رخ دادن است؛ در واقع همان گونه که کفشها با مضربهای معین و اندازههای معین وجود دارند، انرژی نیز مضربهایی معین دارد به همین دلیل فیزیک کوانتوم نامیده میشود.
کوانتای موجود در این موضوع همان ثابت پلانک است که به همت ماکس پلانک به همین نام خوانده میشود که با مطالعه روی اجرام داغ همانند خوردشید و مطالعه انرژی، انرژی را به صورت کوانتیزه پیشنهاد کرد و توانست مطالعات خود را با آزمایشات مطابقت دهد.
چیزی که هم موج است و هم ذره
تامسون در سال 1906 به دلیل کشف الکترونهای ذرهای برنده جایزه نوبل شد. با این حال پسرش جورج در سال 1937 به دلیل نشان دادن امواج الکترون، برنده جایزه نوبل شد. این دوگانگی به اصطلاح موج-ذره اساس فیزیک کوانتوم است که بر نور و الکترونها اعمال میشود. بعضی اوقات پرداختن به نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی مفید است، اما در بعضی مواقع تصویربرداری آن به شکل ذراتی به نام فوتون مفیدتر است.
تلسکوپها میتوانند امواج نوری که از ستارههای دوردست میرسند را متمرکز کنند و به معنای فشار وارد کردن نور است زیرا فوتونها در حال برخورد هستند. این موضوع اساس کار فضاپیماها با بادبان خورشیدی است.
اجرام میتوانند در یک لحظه واحد در مکانهای مختلفی باشند
با استفاده از دوگانگی موج ذره استنباط میشود که یک جسم کوانتومی میتواند همزمان در دو حالت وجود داشته باشد یعنی الکترون مکان واحدی ندارد و نمیتوان برای جسمی مثل یک الکترون نقطه ثابتی را در نظر گرفت و در فیزیک کوانتوم فقط میتوانیم در مورد احتمالات صحبت کنیم یعنی میتوانیم احتمال دهیم که حضور الکترون در محل X بیشتر از محل Y است. این شانس در یک موجود ریاضی به نام تابع موج محصور می شود.
ممکن است ما را به سمت جهانهای موازی سوق دهد
این ایده میتواند عملکرد موج را به شکل دیگری تفسیر کند و بحث انتخاب طبیعی کیهانی مطرح میشود البته لزوما افرادی که با استدلال چندجهانی موافقند، انتخاب طبیعی کیهانی را گزینهای منطقی نمیبینند. درعوض، واقعیت به دو نسخه از خود تقسیم میشود: نسخهای که ما در آن نتیجه A را تجربه میکنیم و دیگری در جایی شاهد مطرح شدن نتیجه B هستیم. این واقعیت پیچیدگی عجیبی را آشکار میکند و ناهماهنگیهایی را به وجود میآورند.
فیزیک کوانتوم به شناسایی ستارگان کمک میکند
«نیلز بور»، فیزیکدان دانمارکی به ما نشان داد که مدار الکترونهای درون اتمها نیز کوانتیزه است. در آنها اندازههای از پیش تعیین شدهای به نام سطح انرژی وجود دارند، هنگامی که الکترون از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایینتر میرود، یک فوتون با انرژی برابر با اندازه شکاف را از بین میبرد.
به همین ترتیب، یک الکترون میتواند ذرهای از نور را جذب کند و از انرژی خود برای جهش به سطح انرژی بالاتر استفاده کند. ستارهشناسان همیشه از این اثر استفاده میکنند. ما میدانیم که ستارگان از چه چیزی ساخته شدهاند زیرا وقتی نور آنها را به طیف رنگین کمان شکسته میکنیم، رنگهایی را میبینیم که از بین رفتهاند. عناصر شیمیایی مختلف دارای فاصله سطح انرژی متفاوتی هستند، بنابراین ما میتوانیم ترکیبات خورشید و سایر ستارگان را با توجه به رنگهای دقیق موجود بررسی کنیم.
بدون فیزیک کوانتوم خورشید نمیدرخشید
خورشید انرژی خود را از طریق فرایندی به نام همجوشی هستهای ایجاد میکند. این شامل دو پروتون با بار مثبت است که به هم چسبیدهاند. با این حال، بارهای یکسان آنها باعث میشود یکدیگر را دفع کنند این موضوع دقیقا مانند دو قطب شمال یک آهن ربا است که یکدیگر را دفع میکنند.
فیزیکدانان این را «سد کولن» مینامند و مانند دیوارهای بین دو پروتون است. همانطور که میدانیم، هستهها دارای بار مثبت هستند و یکدیگر را از نظر الکتریکی دفع میکنند؛ بنابراین هستهها باید انرژی زیادی داشته باشند تا بتوانند به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شوند.
چرا که با نزدیکتر شدن هستهها از فاصله خاصی، نیروی قوی هستهای بر نیروی الکتریکی دافعهای غلبه میکند و همجوشی هستهای رخ میدهد، اما وقتی دمای خورشید به وسیله طیفش تعیین میشود، به نظر میرسد که همجوشی هستهای به هیچ وجه در خورشید دست یافتنی نیست. به عبارت دیگر، خورشید عملا نباید تابشی داشته باشد. اما خورشید هر صبح، طلوع میکند و زمین ما را روشن میکند. پس علت این تابش چیست؟ تونل زنی کوانتومی! زیرا بخشی از انرژی این واکنش خورشیدی به صورت نور آزاد میشود.
از فروپاشی ستارههای مرده جلوگیری میکند
پس از انجام واکنش در ستارگان و تولید عناصر سنگین بالاخره ستارهها به زمان مرگ خود نزدیک میشوند و گرانش بر آنها غلبه میکند و میمیرند. سرانجام یک قانون فیزیک کوانتوم به نام اصل طرد پائولی وارد عمل میشود.
این قانون اشاره دارد که وجود انواع خاصی از ذرات مانند الکترون در حالت کوانتومی یکسان ممنوع است. گرانش همانطور که تلاش میکند این کار را انجام دهد، با مقاومتی روبهرو می شود که ستارهشناسان آن را «فشار انحطاطی» مینامند.
در واقع سقوط ستاره متوقف میشود و یک جسم جدید به اندازه کره زمین به نام کوتوله سفید شکل میگیرد؛ اگر این کوتوله سفید رشد کند، به جرمی چندین برابر خورشید خواهد رسید و موجی از همجوشی را ایجاد میکند که آن را به مقدار کمی از بین میبرد. ستارهشناسان این انفجار را نوعی ابرنواختر مینامند و طی ان انرژی زیادی آزاد میشود.
باعث از بین رفتن سیاهچالهها میشود
یک قانون کوانتومی به نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ میگوید شناختن کامل دو ویژگی یک سیستم به طور همزمان غیرممکن است. هرچه دقیقا یکی را بشناسید، دیگری را با دقت کمتری میشناسید. این مربوط به انرژی و زمان است. هاوکینگ در مبحث تابش دریافت که در سیاهچاله نیز اگر ذرهای تشکیل شود، ذره دیگر بلعیده خواهد شد و این موضوع سبب تبخیر و نابودی سیاهچاله میشود.
وجود ساختارهای بزرگ در جهان را توجیه میکند
در طی بیگ بنگ، جهان در بازه کوچکی از زمان دچار تورم و گستردگی شده است. از آنجا که جهان در ابتدا کوچکتر از یک اتم بود، تحت تاثیر نوسانات کوانتومی مرتبط با اصل عدم اطمینان هایزنبرگ قرار داشت. قبل از اینکه این نوسانات محو شوند، تورم باعث رشد سریع جهان شد. این انرژی در برخی مناطق بیشتر از مناطق دیگر متمرکز میشود یعنی همان جایی که اخترشناسان معتقدند به عنوان بذرهایی عمل میکند که مواد میتوانند جمع شوند و خوشههای کهکشانی را که اکنون مشاهده میکنیم، تشکیل دهند.
این چیزی فراتر از رویا است
تصور کنید شما و همکلاسی خود ذرات کوانتومی با مجموع انرژی 50 را در اختیار دارید. اگر شما 20 واحد انرژی در اختیار داشته باشید، میتوانید نتیجه بگیرید که 30 واحد انرژی در اختیار همکلاسی شماست. در اصل این موضوع همان درهمتنیدگی کوانتومی است که حالت کوانتومی هر ذره از جفت یا گروه را نتوان مستقل از حالت ذره دیگر توصیف کرد.
با این حساب با تغییر یک واحد، واحد دیگر نیز متقابلا تغییر میکند، حتی اگر این دو ذره را در دو طرف جهان از یکدیگر جدا کنیم. گویی اطلاعات مربوط به تغییری که ایجاد کردیم سریعتر از سرعت نور بین آنها عمل میکند، چیزی که اینشتین وقوع آن را غیرممکن خوانده بود.