کوانتوم به چه معنا است و چرا امروز جزء داغ‌ترین تحقیقات علمی و فناوری دنیا قرار گرفته است؟ کوانتوم از جمله مباحث علمی چالش برانگیز صده اخیر است که در بین دانشمندان علوم مختلف نظریات متفاوت و گاه متناقضی در مورد آن وجود دارد. در این مطلب به زبان ساده در مورد کوانتوم، سیر تاریخی پیدایش، کاربردها و واقعیت‌هایی جذاب در مورد این تئوری توضیح می‌دهیم.
معنای کوانتوم
واژه کوانتوم (Quantum) به معنای کمترین مقدار ممکن از یک کمیت است و در فیزیک به واحدهای گسسته انرژی گفته می‌شود. اصطلاح کوانتیزه کردن نیز در واقع به معنای گسسته کردن به کار می‌رود.
علت پیدایش مفهوم کوانتوم
اگر به لحاظ تاریخی به مسئله پیدایش کوانتوم نگاهی بیندازیم، شاید یکی از دلایل پیدایش مفهوم کوانتوم، چالش‌های ریاضیاتی و فیزیکی موجود در فیزیک کلاسیک بوده است.
به عنوان یکی از معروف‌ترین مثال‌های آن می‌توان بی‌نهایت بودن انرژی یک جسم سیاه در معادلات فیزیک کلاسیک را نام برد. واضح است که به لحاظ فیزیکی این مسئله عجیب به نظر می‌رسد که یک جسم کوچک بی‌نهایت انرژی از خود ساطع کند اما در گذشته بر مبنای معادلات ریاضی فیزیک کلاسیک (که صحت آن نیز در به وجود آمدن معادلاتی مانند معادلات معروف ماکسول که پایه تئوری‌های الکترومغناطیسی است به اثبات رسیده بود) چنین نتیجه‌ای به دست می‌آمد.
در ادامه سیر تاریخی، پلانک با ساختار شکنی مفهوم پیوسته و موجی بودن انرژی و با فرض این که انرژی گسسته و به صورت قطعه قطعه است، معادلات ریاضیاتی جدید بنا کرد و در ادامه دانشمندان دیگری همچون انیشتین، بور، هایزنبرگ، دو بروی و… این تئوری را به وسیله تجربیات و معادلات دیگری بسط دادند.
کاربردهای تئوری کوانتوم
- توجیح بسیاری از چالش‌های علمی و پدیده‌های ناشناخته
- پیشرفت شگرف در علوم و تکنولوژی
- مخابرات کوانتومی
- محاسبات کوانتومی
کاربرد تئوری کوانتوم در مخابرات
یکی از کاربردهای فوق العاده جذاب کوانتوم در سیستم‌های مخابراتی است. به طور معمول در یک سیستم مخابراتی علاوه بر فرستنده و گیرنده، ناظر سومی نیز می‌تواند از اطلاعات رد و بدل شده بین فرستنده و گیرنده مطلع شده و از آن کپی تهیه کند که این مسئله باعث کاهش امنیت اطلاعات شده است. یکی از دلایل کدگذاری در مخابرات افزایش امنیت اطلاعات در سیستم‌های مخابراتی است.
در مخابرات کوانتومی به دلیل ساختار و ویژگی های ذرات کوانتومی، امکان کپی برداری از اطلاعات به شکل محرمانه وجود نداشته و باعث تخریب ساختار داده می‌شود که این ویژگی می‌تواند انقلابی در مباحث امنیتی در شبکه‌های مخابراتی ایجاد کند.
چند حقیقت جذاب در مورد کوانتوم:
- برخلاف فیزیک کلاسیک که یک جسم یا به طور دقیق‌تر یک الکترون تنها در هر لحظه از زمان می‌تواند در یک مکان فیزیکی حضور داشته باشد، در مکانیک کوانتوم یک الکترون می‌تواند در همه‌ی نقاط طبق معادلات آمار و احتمال مشخصی حضور داشته باشد. نکته‌ی بسیار مهم در اینجا نهفته است که آمار و احتمال بحث شده در مفهوم کوانتوم ذاتا با آمار و احتمال مطرح در ریاضیات متفاوت است و بحث از آمار و احتمال در حوزه کوانتوم ناشی از سرشت ذاتی و آفرینش حاکم بر طبعیت است و این مسئله ناشی از عدم آگاهی و اطلاع از وضعیت موجود نیست. در واقع الکترون موجود در اطراف یک هسته اتم که در فیزیک کلاسیک آن را به شکل چرخشی به دور اتم تصور می‌کردیم، در دنیای کوانتوم در یک ابری آماری قرار گرفته است و احتمال حضور آن در همه‌ی نقاط در این ابر وجود دارد.
- در تجربه فیزیکی کلاسیک، مشاهده کننده یا ناظر تاثیری بر عمل یا فرایند مورد مشاهده ندارد (مثلا دیدن صفحه فوتبال بر نیتجه‌ی فوتبال تاثیری نمی‌گذارد!) ولی در دنیای کوانتوم شرایط مکانی و زمانی مشاهده‌گر بر فرایند یا جسمی که در دنیای کوانتوم مشاهده می‌کنیم تاثیر مستقیمی دارد!
- بور یکی از دانشمندان تاثیرگذار در کوانتوم: هرکسی فکر کند کوانتوم را متوجه شده است، معلوم می‌شود که از کوانتوم هیچ چیز نمی‌داند!
منابع :
ویکیپدیا
برنامه چرخ، دکتر جواد صالحی
