“بدون ریاضیات” (اما با هفت قسمت) راهنمای مکانیک کوانتوم مدرن


Квантовата механика е сложен, сгънат мозък неща.  Но <em> می توان </em> توضیح داده شود. “/><figcaption class=
بزرگنمایی / مکانیک کوانتوم یک چیز پیچیده و تاشو مغز است. ولی من میتوانم توضیح داده شود.

اوریش لاوسون / تصاویر گتی

برخی از انقلاب های فنی با درام و رعد وارد می شوند ، برخی دیگر بدون توجه وارد زندگی روزمره ما می شوند. و یکی از آرام ترین انقلاب های قرن ما ورود مکانیک کوانتوم به فناوری های روزمره ماست. پیش از این ، اثرات کوانتومی محدود به آزمایشگاه های فیزیکی و آزمایش های ظریف بود. اما فناوری مدرن برای کارهای اصلی خود به طور فزاینده ای به مکانیک کوانتوم متکی است و اهمیت اثرات کوانتومی تنها در دهه های آینده رشد خواهد کرد.

به همین ترتیب ، زمان توضیح مکانیک کوانتوم – یا حداقل اصول آن فرا رسیده است.

هدف من از این مجموعه هفت (!) بخشی ارائه اثرات عجیب و غریب مکانیک کوانتوم و توضیح چگونگی تأثیر آنها بر دنیای روزمره ما است. هر نسخه شامل یک تور هدایت شده از جنگل های مکانیکی کوانتوم خواهد بود ، جایی که ما یک اثر جدید – و اغلب شگفت آور – را تحسین خواهیم کرد. هنگامی که به مرکز بازدید کننده بازگشتیم ، در مورد چگونگی استفاده از این اثر در فناوری و مکان جستجوی آن صحبت خواهیم کرد.

شروع یک سری مقالات درباره مکانیک کوانتوم می تواند دلهره آور باشد. موارد کمی باعث ترس بیشتر از “معرفی ساده فیزیک” می شوند. اما من قبل از شروع چند قول به نترس و شجاع می دهم:

  • بدون ریاضی در حالی که زبان مکانیک کوانتوم با ریاضیات کاملا پیشرفته ای نوشته شده است ، من اعتقاد ندارم که قبل از اینکه بتوانید از هنر ژاپن قدردانی کنید ، باید مجبور به خواندن ژاپنی باشید. سفر ما بر زیبایی جهان کوانتوم متمرکز خواهد شد.
  • هیچ فلسفه ای وجود ندارد. جذابیت “مفهوم” مکانیک کوانتوم وجود داشت ، اما ما این بحث از pint را در میخانه ترک خواهیم کرد. در اینجا ما به آنچه می بینیم تمرکز خواهیم کرد.
  • هر آنچه که ما با آن روبرو خواهیم شد به صورت آزمایشی آزمایش می شود. اگرچه برخی از نتایج ممکن است شگفت آور باشد ، اما هیچ چیزی که با آن روبرو می شویم حدسی نخواهد بود.

اگر تصمیم بگیرید از طریق این مجموعه مقالات مرا دنبال کنید ، ما پدیده های کوانتومی را در مقیاس کهکشانی مشاهده خواهیم کرد ، نحوه اختلاط و اختلاط ذرات را مشاهده خواهیم کرد و خواهیم دید که چگونه این تأثیرات باعث ایجاد هم تکنولوژی فعلی ما می شود و هم پیشرفت هایی که در آستانه یافتن آن هستند. آزمایشگاه

پس چکمه های طبیعت گردی خود را بپوشید ، دوربین شکاری خود را بردارید و همانطور که برای کشف دنیای کوانتوم در حرکت هستیم مرا دنبال کنید.

مکانیک کوانتوم چیست؟

مادرم یک بار از من پرسید: “مکانیک کوانتوم چیست؟” این سوال مدتی است که مرا آزار می دهد. بهترین پاسخ من تاکنون این است که مکانیک کوانتوم مطالعه نحوه حرکت و برهم کنش ذرات کوچک است. اما این یک پاسخ ناقص است ، زیرا اثرات کوانتومی می تواند برای مقیاس کهکشانی نیز مهم باشد. و این دو برابر رضایتبخش نیست ، زیرا بسیاری از اثرات مانند ابررسانایی در اثر اختلاط و اختلاط ذرات متعدد ایجاد می شود.

از بسیاری جهات ، نقش مکانیک کوانتوم را می توان با قیاس با جاذبه نیوتن و نظریه نسبیت عام اینشتین درک کرد. هر دو گرانش را توصیف می کنند ، اما نظریه عمومی نسبیت صحیح تر است – این روش جهان را در هر موقعیتی که ما قادر به آزمایش آن هستیم ، توصیف می کند. اما در 99.99٪ موارد گرانش نیوتن و نظریه عمومی نسبیت همان جواب را می دهند و گرانش نیوتن این است زیاد استفاده آسان تر بنابراین ، مگر اینکه به یک سیاهچاله نزدیک باشیم و یا اندازه گیری دقیق زمان را با ساعت نوری انجام ندهیم ، جاذبه نیوتنی به اندازه کافی خوب است.

به همین ترتیب ، مکانیک کلاسیک و مکانیک کوانتوم حرکات و فعل و انفعالات را توصیف می کنند. مکانیک کوانتوم صحیح تر است ، اما بیشتر اوقات مکانیک کلاسیک به اندازه کافی خوب است.

چیزی که به نظر من جذاب است این است که “به اندازه کافی خوب” به طور فزاینده ای چنین نیست. بیشتر فناوری های توسعه یافته در طول این قرن با تکیه بر مکانیک کوانتوم آغاز می شود – مکانیک کلاسیک دیگر به اندازه کافی دقیق نیست که بتواند عملکرد این اختراعات را درک کند.

بنابراین بیایید راهپیمایی امروز را با یک سوال فریبنده ساده ، “ذرات چگونه حرکت می کنند؟”

مکانیک کوانتوم آشپزخانه

برخی از آزمایشاتی که خواهیم دید به تجهیزات تخصصی نیاز دارند ، اما بیایید با آزمایشی شروع کنیم که می توانید در خانه انجام دهید. من مانند یک نمایش آشپزی ، نحوه انجام آن را توضیح خواهم داد ، اما شما را تشویق می کنید که ادامه دهید و آزمایش را برای خود انجام دهید. (عکسهای خود را در بحث زیر به اشتراک بگذارید. امتیازات اضافی برای راه اندازی آزمایش در غرفه / محل کار / سایر موارد خلاقانه شما.)

برای مطالعه نحوه حرکت ذرات ، ما به یک تیرانداز نخود خوب نیاز داریم تا ذرات زیادی را برای بازی ایجاد کند. به نظر می رسد که نشانگر لیزر علاوه بر سرگرمی گربه ، همچنین است عالی منبع ذرات مقادیر زیادی فوتون ایجاد می کند که همه آنها تقریباً در یک جهت و تقریباً با همان انرژی حرکت می کنند (همانطور که رنگ آنها نشان می دهد).

اگر از یک نشانگر لیزر به نور نگاه کنیم ، آن از انتهای نشانگر لیزر خارج می شود و در یک خط مستقیم حرکت می کند تا زمانی که به مانعی برخورد کند و پراکنده شود (یا به آینه برخورد کند و بخورد). در این مرحله ، درک اینکه ما می دانیم چگونه ذرات حرکت می کنند وسوسه انگیز است: آنها مانند یاتاقانهای توپی کوچک از انتهای لیزر خارج می شوند و تا زمانی که به چیزی برخورد کنند در یک خط مستقیم حرکت می کنند. اما به عنوان ناظران خوب ، مطمئن شویم.

اجازه دهید ذرات را با برش شکافهای نازک در فویل آلومینیوم با تیغ های تراشیده با مانع به چالش بکشیم. من چندین برش مختلف در فویل آلومینیوم ایجاد کردم. اولی یک شکاف منفرد به طول چند میلی متر است. برای مورد دوم ، من دو تیغه اصلاح را با هم ترتیب دادم و از آنها برای برش دو شکاف موازی با فاصله چند دهم میلی متر استفاده کردم.

شکافهای افقی در فویل آلومینیوم ، ساخته شده با تیغ های تیغ.  شکاف بالایی از یک تیغه ساخته شده است ، در حالی که شکاف پایین از دو تیغه به هم چسبانده شده است.
بزرگنمایی / شکافهای افقی در فویل آلومینیوم ، ساخته شده با تیغ های تیغ. شکاف بالایی از یک تیغه ساخته شده است ، در حالی که شکاف پایین از دو تیغه به هم چسبانده شده است.

تصویر میگل مورالس از یک تانک

در یک اتاق تاریک ، اشاره گر لیزری خود را تنظیم می کنم تا در اتاق تیراندازی کند و به یک دیوار خالی برخورد کنم. همانطور که انتظار می رفت ، من مکانی را می بینم (به شرطی که گربه اطراف نباشد). سپس من شکاف منفرد را در ورقه آلومینیوم در مسیر لیزر قرار می دهم و به الگوی دیوار نگاه می کنم. وقتی نور را از طریق یک شکاف واحد ارسال می کنیم ، می بینیم که پرتو در جهت به طور چشمگیری منبسط می شود عمود به شکاف – نه در امتداد شکاف.

نور لیزر عبوری از شکاف منفرد افقی به صورت عمودی منتشر می شود
بزرگنمایی / نور لیزر که از شکاف منفرد افقی عبور می کند به صورت عمودی منتشر می شود

تصویر میگل مورالس از یک تانک

جالب هست. اما بیایید جلو برویم.

حالا بیایید شکافهای کاملاً فاصله دار را در پرتو لیزر قرار دهیم. نور دوباره در حال پخش شدن است ، اما اکنون یک الگوی راه راه وجود دارد.

نور لیزر که از دو شکاف افقی عبور می کند ، نوارهای متمایز مکانیک کوانتوم را ایجاد می کند.
بزرگنمایی / عبور نور لیزر از دو شکاف افقی ، نوارهای متمایز مکانیک کوانتوم را ایجاد می کند.

تصویر میگل مورالس از یک تانک

تبریک می گویم! شما فقط متوجه اثر مکانیکی کوانتوم شده اید! (شکلک های متحرک whoo hoo) این آزمایش کلاسیک با دو شکاف است. الگوی راه راه تداخل نامیده می شود و امضای گویای مکانیک کوانتوم است. نوارهای زیادی از این دست را خواهیم دید.

احتمالاً قبلاً اختلالات مشابهی را دیده اید ، زیرا امواج صوتی و آب دقیقاً همان نوع رگه را نشان می دهد.

امواج آب از دو منبع (یکی به رنگ سبز قابل رویت است ، و دیگری در پشت میزبان پنهان است).  امواج دایره ای در مناطقی با قدرت اضافی (نوارهای روشن) و مناطقی که امواج یکدیگر را لغو می کنند (نوارهای تیره) همپوشانی دارند.  تشکیل نوارها امضای حرکت موج است.
بزرگنمایی / امواج آب از دو منبع (یکی به رنگ سبز قابل رویت است ، و دیگری در پشت میزبان پنهان است). امواج دایره ای در مناطقی با قدرت اضافی (نوارهای روشن) و مناطقی که امواج یکدیگر را لغو می کنند (نوارهای تیره) همپوشانی دارند. تشکیل نوارها امضای حرکت موج است.

در عکس بالا ، هر توپ موج هایی را ایجاد می کند که به صورت دایره ای حرکت می کنند. اما یک موج هم اوج دارد و هم یک فرورفتگی. در بعضی از نقاط ، اوج موج از یک توپ همیشه با فرورفتگی از توپ دیگر مطابقت دارد (و بالعکس). در این مناطق امواج همیشه جای خود را می دهند و آب آرام است. در جای دیگر ، نوک موج دو توپ همیشه به هم می رسند و با هم جمع می شوند و یک موج فوق العاده بلند تولید می کنند. در این مکانها رودخانه ها نیز بسیار عمیق جمع می شوند.

بنابراین این واقعیت که هنگام عبور نشانگر لیزر از دو شکاف رگه هایی را مشاهده می کنیم ، به معنای امواج بودن ذرات است؟ برای پاسخ به این سوال ، ما باید دقیق تر را بررسی کنیم.


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*