10 چیزهایی که باید در مورد فیزیک کوانتومی بدانید

از مولتیور تا سیاهچاله ، ورق تقلب شما تا سمت شبح وار جهان است.

1. دنیای کوانتومی لاغر است

دردنیای کوانتومی(در برگه جدید باز می شود) با کفش مشترک زیادی دارد. شما نمی توانید فقط به یک مغازه بروید و کفش ورزشی را انتخاب کنید که یک مسابقه دقیق برای پاهای شما باشد. در عوض ، شما مجبور هستید بین جفت هایی که در اندازه های از پیش تعیین شده قرار می گیرند ، انتخاب کنید.

دنیای زیر اتمی مشابه است.آلبرت انیشتین(در برگه جدید افتتاح می شود) برای اثبات این که انرژی کمیت می شود ، جایزه نوبل را کسب کرد. درست همانطور که فقط می توانید کفش را به اندازه چند نیم اندازه خریداری کنید ، بنابراین انرژی فقط در چند برابر همان "کوانتین" می آید - از این رو نام فیزیک کوانتومی.

Quanta در اینجا استپلان ثابت(در برگه جدید افتتاح می شود) ، به نام Max Planck ، پدرخوانده فیزیک کوانتومی نامگذاری شده است. او در تلاش بود تا با درک ما از اشیاء داغ مانند خورشید ، مشکلی را حل کند. بهترین تئوری های ما نمی توانند با مشاهدات انرژی مورد نظر خود مطابقت داشته باشند. وی با پیشنهاد این که انرژی کمیت شود ، توانست تئوری را به طور مرتب با آزمایش به ارمغان آورد.

2. چیزی می تواند موج و ذره باشد

J. J. Thomson در سال 1906 به دلیل کشف وی که الکترون ها ذرات هستند ، جایزه نوبل را به دست آورد. با این حال پسرش جورج در سال 1937 به دلیل نشان دادن اینکه الکترون ها موج هستند ، جایزه نوبل را به دست آورد. چه کسی درست بود؟جواب هر دوی آنهاست. این به اصطلاحدوگانگی ذرات موج(در برگه جدید باز می شود) سنگ بنای فیزیک کوانتومی است. این در مورد نور و الکترون ها نیز صدق می کند. بعضی اوقات فکر می کند که در مورد نور به عنوان یک موج الکترومغناطیسی فکر می کند ، اما در بعضی مواقع ، تصویر کردن آن به صورت ذرات به نام فوتون مفیدتر است.

A تلسکوپ(در برگه جدید باز می شود) می تواند امواج سبک را از ستاره های دوردست متمرکز کند ، و همچنین به عنوان یک سطل نور غول پیکر برای جمع آوری فوتون ها عمل می کند. همچنین این بدان معنی است که نور می تواند فشار وارد کند زیرا فوتون ها به یک شیء می زنند. این چیزی است که ما قبلاً برای پیشبرد فضاپیما با بادبان خورشیدی استفاده می کنیم ، و ممکن است سوء استفاده از آن به منظور مانور یک سیارک خطرناک امکان پذیر باشدیک دوره برخورد با زمین(به گفته Rusty Schweickart ، رئیس بنیاد B612.

3. اشیاء می توانند به طور هم زمان در دو مکان باشند

اروین شرودینگر از ایده گربه در یک جعبه برای ساده کردن ابر استفاده کرد.(اعتبار تصویر: عکس سهام Mopic / Alamy)

دوگانگی ذرات موج نمونه ای از استبرهم نهی(در برگه جدید باز می شود). یعنی یک شیء کوانتومی که در حالت های مختلف به طور هم زمان وجود دارد. به عنوان مثال ، یک الکترون همزمان "اینجا" و "آنجا" است. این فقط یک بار است که ما یک آزمایش انجام می دهیم تا دریابیم که در آن قرار دارد که در یک یا دیگری قرار بگیرد.

این امر باعث می شود فیزیک کوانتومی همه چیز راجع به احتمال وجود داشته باشد. ما فقط می توانیم بگوییم که یک شیء به احتمال زیاد وقتی نگاه می کنیم در آن قرار دارد. این شانس ها در یک موجود ریاضی به نام عملکرد موج محصور می شوند. گفته می شود که یک مشاهده ، عملکرد موج را "فروپاشی" می کند ، ابر را از بین می برد و شیء را فقط به یکی از بسیاری از حالتهای ممکن خود مجبور می کند.

این ایده در پشت معروف استگربه شرودینگر(در برگه جدید باز می شود) آزمایش فکر. یک گربه در یک جعبه مهر و موم شده سرنوشت خود را به یک دستگاه کوانتومی مرتبط می کند. از آنجا که دستگاه در هر دو حالت تا زمان اندازه گیری وجود دارد ، گربه به طور همزمان زنده و مرده است تا زمانی که نگاه کنیم.

4- ممکن است ما را به سمت چند نفره سوق دهد

ما فقط می توانیم یک حباب بسیاری باشیم که هرکدام حاوی نسخه متفاوتی از جهان هستند.(اعتبار تصویر: گتی)

این ایده که مشاهده عملکرد موج را فرو می ریزد و یک انتخاب کوانتومی را مجبور می کند به عنوان تفسیر کپنهاگ از فیزیک کوانتومی شناخته می شود. با این حال ، این تنها گزینه روی جدول نیست. طرفداران تفسیر "بسیاری از جهان" استدلال می کنند که به هیچ وجه چاره ای درگیر نیست. درعوض ، در حال حاضر اندازه گیری انجام می شود ، واقعیت به دو نسخه از خود شکستگی می کند: یکی که در آن نتیجه A را تجربه می کنیم ، و دیگری که در آن می بینیم نتیجه B آشکار می شود. این مسئله در مورد مسئله دشوار نیاز به ناظر برای ایجاد اتفاقات می شود - آیا یک سگ به عنوان یک ناظر یا ربات حساب می شود؟

در عوض ، در مورد یک ذره کوانتومی ، یک واقعیت بسیار عجیب و غریب متشکل از بسیاری از لایه های درهم و برهم وجود دارد. همانطور که به مقیاس های بزرگتر که روز به روز تجربه می کنیم بزرگنمایی می کنیم ، این لایه ها به دنیای جهان می شوندتئوری بسیاری از جهان.(در برگه جدید باز می شود) فیزیکدانان این فرآیند را تجزیه می کنند.

5. این به ما کمک می کند تا ستاره ها را توصیف کنیم

طیف ستاره ها می توانند به ما بگویند که چه عناصری را در خود جای می دهند و سرنخ هایی به سن و سایر خصوصیات خود می دهند.(اعتبار تصویر: گتی)

فیزیکدان دانمارکی نیلز بور به ما نشان داد که مدارهای الکترون های داخل اتم نیز کمیت می شوند. آنها در اندازه های از پیش تعیین شده به نام سطح انرژی قرار می گیرند. هنگامی که یک الکترون از سطح انرژی بالاتری به سطح انرژی کمتری کاهش می یابد ، یک فوتون را با انرژی برابر با اندازه شکاف می ریزد. به همان اندازه ، یک الکترون می تواند ذره ای از نور را جذب کند و از انرژی خود برای جهش تا سطح انرژی بالاتر استفاده کند.

اخترشناسان همیشه از این اثر استفاده می کنند. ما می دانیم که از چه ستاره هایی ساخته شده است زیرا وقتی نور آنها را به طیف رنگین کمان می ریزیم ، رنگهایی را می بینیم که از دست نمی روند. عناصر شیمیایی مختلف دارای فاصله های مختلف سطح انرژی هستند ، بنابراین ما می توانیم ترکیبات خورشید و سایر ستاره ها را از رنگ های دقیقی که وجود ندارد ، تهیه کنیم.

6. بدون آن خورشید نمی درخشد

تونل سازی کوانتومی احتمال محدودی است که یک ذره می تواند از طریق یک سد انرژی شکسته شود.(اعتبار تصویر: گتی)

خورشید انرژی خود را از طریق فرآیندی به نام فیوژن هسته ای ایجاد می کند. این شامل دو پروتون - ذرات با بار مثبت در یک اتم - که به هم می چسبند. با این حال ، هزینه های یکسان آنها باعث می شود که آنها یکدیگر را دفع کنند ، دقیقاً مانند دو قطب شمالی یک آهنربا. فیزیکدانان این را سد کولوم می نامند ، و این مانند دیوار بین دو پروتون است.

به پروتون ها به عنوان ذرات فکر کنید و آنها فقط با دیوار برخورد می کنند و از هم جدا می شوند: بدون همجوشی ، بدون نور خورشید. با این حال ، آنها را به عنوان موج فکر کنید ، و این یک داستان متفاوت است. هنگامی که تاج موج به دیوار می رسد ، لبه پیشرو قبلاً آن را ساخته است. ارتفاع موج نشان دهنده جایی است که پروتون به احتمال زیاد در آن قرار دارد. بنابراین اگرچه بعید است جایی باشد که لبه پیشرو باشد ، اما گاهی اوقات در آنجا است. به نظر می رسد که پروتون از طریق سد دفن شده است و همجوشی رخ می دهد. فیزیکدانان این اثر را "تونل سازی کوانتومی" می نامند.

7. این باعث سقوط ستاره های مرده می شود

سرانجام همجوشی در خورشید متوقف می شود و ستاره ما خواهد مرد. جاذبه برنده خواهد شد و خورشید فرو می رود ، اما نه به طور نامحدود. هرچه کوچکتر شود ، مواد بیشتری با هم جمع می شوند. سرانجام یک قاعده فیزیک کوانتومی به نام اصل طرد پائولی به مرحله اجرا در آمد. این می گوید که برای انواع خاصی از ذرات - مانند الکترونها - ممنوع است که در همان حالت کوانتومی وجود داشته باشند. از آنجا که گرانش سعی می کند همین کار را انجام دهد ، با مقاومت که اخترشناسان آن را فشار انحطاط می نامند ، روبرو می شود. فروپاشی متوقف می شود و یک شیء جدید به اندازه زمین به نام کوتوله سفید شکل می گیرد.

با این حال ، فشار انحطاط فقط می تواند مقاومت زیادی ایجاد کند. اگر کوتوله سفید رشد کند و به جرم برابر با 1. 4 خورشید نزدیک شود ، موجی از همجوشی را ایجاد می کند که آن را به بیت ها منفجر می کند. اخترشناسان این انفجار را از نوع ia می نامندماوراءووا(در برگه جدید باز می شود) ، و به اندازه کافی روشن است که از یک کهکشان کل فراتر می رود.

8- باعث تبخیر سیاه چاله ها می شود

یک قانون کوانتومی به ناماصل عدم اطمینان هایزنبرگ(در برگه جدید باز می شود) می گوید که شناختن دو ویژگی یک سیستم به طور همزمان غیرممکن است. هرچه دقیق تر آن را می شناسید ، دقیق تر دیگری را می شناسید. این امر در مورد حرکت و موقعیت و به طور جداگانه در مورد انرژی و زمان صدق می کند.

کمی شبیه به گرفتن وام است. شما می توانید برای مدت زمان کوتاهی پول زیادی وام بگیرید یا برای مدت زمان طولانی پول کمی پول بگیرید. این ما را به سمت ذرات مجازی سوق می دهد. اگر انرژی کافی از طبیعت "وام گرفته شود" ، قبل از ناپدید شدن سریع ، یک جفت ذرات می توانند به صورت زودگذر به وجود بیایند تا به طور پیش فرض در وام نباشد.

استیون هاوکینگ(در برگه جدید باز می شود) تصور می شود این فرآیند در مرز یک سیاه چاله اتفاق می افتد ، جایی که یک ذره از آن فرار می کند (به عنوان تابش شاهین) ، اما دیگری بلعیده می شود. با گذشت زمان ، سیاه چاله به آرامی تبخیر می شود ، زیرا مبلغی را که وام گرفته است ، بازپرداخت نمی کند.

9. این ساختار در مقیاس بزرگ جهان را توضیح می دهد

با شروع تکینگی ، جهان به مدت 13. 8 میلیارد سال در حال گسترش است.(اعتبار تصویر: گتی)

بهترین تئوری ما در مورد منشأ جهانمهبانگ(در برگه جدید باز می شود). با این حال در دهه 1980 اصلاح شد تا تئوری دیگری به نام را شامل شودتورم(در برگه جدید باز می شود). در روز اول یک تریلیون تریلیون یک تریلیونمین ثانیه ، کیهان از کوچکتر از اتم تا اندازه یک گریپ فروت بالون شد. این 10^78 برابر بزرگتر است. باد کردن یک گلبول قرمز به همان مقدار باعث می شود که آن را از کل جهان قابل مشاهده امروز بزرگتر کند.

از آنجا که در ابتدا از یک اتم کوچکتر بود ، جهان نوزادان تحت تأثیر نوسانات کوانتومی مرتبط با اصل عدم اطمینان هایزنبرگ قرار می گرفت. تورم باعث شد تا جهان به سرعت رشد کند قبل از اینکه این نوسانات فرصتی برای محو شدن داشته باشد. این انرژی متمرکز در بعضی از مناطق و نه سایرین - چیزی که اخترشناسان معتقدند به عنوان دانه هایی که در اطراف آن می توانند جمع شوند برای تشکیل خوشه های کهکشان هایی که اکنون مشاهده می کنیم ، عمل می کند.

10. این بیش از کمی "شبح وار" است

انیشتین و همچنین کمک به اثبات اینکه نور کوانتومی است ، به نفع تأثیر دیگری استدلال کرد که وی لقب "عمل شبح وار در فاصله" را دارد. امروز می دانیم که این "گرفتاری کوانتومی" واقعی است ، اما ما هنوز کاملاً نمی فهمیم که چه اتفاقی می افتد. بیایید بگوییم که ما دو ذره را به گونه ای جمع می کنیم که حالت های کوانتومی آنها به طور غیرقابل توصیف محدود یا گرفتار باشد. یکی در ایالت A و دیگری در ایالت B است.

اصل محرومیت پائولی می گوید که هر دو نمی توانند در یک وضعیت باشند. اگر یکی را تغییر دهیم ، دیگری فوراً برای جبران تغییر می کند. این اتفاق می افتد حتی اگر دو ذره را از طرف مقابل جهان جدا کنیم. به نظر می رسد که اطلاعات مربوط به تغییری که ما ایجاد کرده ایم سریعتر از سرعت نور بین آنها سفر کرده است ، چیزی که انیشتین گفت غیرممکن است.

به انجمن های فضایی ما (در برگه جدید باز می شود) بپیوندید تا در آخرین مأموریت ها ، آسمان شب و موارد دیگر صحبت کنید! و اگر یک نکته خبری ، تصحیح یا نظر دارید ، به ما اطلاع دهید: [email protected].(در برگه جدید باز می شود)

به انجمن های فضایی ما بپیوندید تا در آخرین مأموریت ها ، آسمان شب و موارد دیگر صحبت کنید! و اگر یک نکته خبری ، تصحیح یا نظر دارید ، به ما اطلاع دهید: [email protected].