مقاله در مورد فیزیک کوانتوم

در این تحقیق به بررسی مفهوم ، مراحل، ویژگی ها ، کاربرد و مدل های فیزیک کوانتوم پرداخته می شود. این تحقیق به دانشجویان رشته های فیزیک ، مهندسی صنایع و دیگر رشته های مرتبط پیشنهاد می گردد.

مقدمه
نیلز بور (۱۹۶۲-۱۸۸۵)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله ای دارد به این مضمون که:
“اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است.”

گام اول: تقسیم ماده
بیایید از یک رشته‌ی دراز ماکارونیِ پخته شروع کنیم. اگر این رشته‌ی ماکارونی را نصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنیم و… شاید آخر سر به چیزی برسیم- البته اگر چیزی بماند! که به آن مولکولِ ماکارونی می‌توان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ی تقسیم، به مولکول‌های کربن یا هیدروژن یا… بربخوریم. این وسط، چیزی که به درد ما می خورد ــ یعنی به دردِ نفهمیدنِ کوانتوم! ــ این است که دست آخر، به اجزای گسسته ای به نام مولکول یا اتم می رسیم.

این پرسش از ساختار ماده که «آجرک ساختمانی ماده چیست؟»، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیک کلاسیک، چنین پاسخ گفته ایم: ساختار ماده، ذره ای و گسسته است؛ این یعنی نظریه‌ی مولکولی.

گام دوم: تقسیم انرژی
بیایید ایده‌ی تقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب تری به کار ببریم، یا فکر کنیم که می توان به کار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخل یک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصف بیرون بدهیم. صوت یک موج مکانیکی است که می تواند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شود. چشمه های صوت معمولاً سیستم های مرتعش هستند.

ساده ترین این سیستم ها، تار مرتعش است ــ که در حنجره‌ی انسان هم از آن استفاده شده است. به‌راحتی(!) و بر اساس مکانیک کلاسیک می توان نشان داد که بسیاری از کمّیت های مربوط به یک تار کشیده‌ی مرتعش، از جمله فرکانس، انرژی، توان و… گسسته (کوانتیده) هستند. گسسته بودن در مکانیک موجی پدیده ای آشنا و طبیعی است (برای مطالعه‌ی بیشتر می توانید به فصل‌های 19 و 20 «فیزیک هالیدی» مراجعه کنید). امواج صوتی هم مثال دیگری از کمّیت های گسسته (کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند. مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیک مدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد که جلوتر به آن می رسیم و یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است.

پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومی نیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمّیت های فیزیکی، همه‌ی مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّیت های گسسته در فیزیک کلاسیک هم وجود دارند. بنابراین، هنوز با ایده‌ی تقسیم کردن و سعی برای تقسیم کردن چیزها می‌توانیم لذت ببریم!

فهرست مطالب
مقدمه
گام اول: تقسیم ماده
گام دوم: تقسیم انرژی
گام سوم: مولکول نور
گام چهارم: تابش الکترون
گام پنجم: فاجعه‌ی فرابنفش
گام ششم: رفتار موجی ـ ذره‌ای
کاربرد نقاط کوانتومی
مدل سازیِ نظریه میدان کوانتومی
ابزارهای ریاضی مکانیک کوانتومی
فضای بردار خطی
ویژگی های فضای بردار خطی
قوانین جمع
قوانین ضرب
رفتار الکترون درون نقاط کوانتومی
بافت‌های کوانتومی کایرال
مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در یک تقاطع