อะตอม โฟตอน ความไม่แน่นอน ฟังก์ชันคลื่น การพัวพัน และกฎเกณฑ์ภายใต้เทคโนโลยีสมัยใหม่
ฟิสิกส์ควอนตัม
ฟิสิกส์ควอนตัมศึกษาเรื่อง พลังงาน อนุภาค และสนามในระดับที่สัญชาตญาณแบบคลาสสิกพังทลายลง โดยอธิบายว่าทำไมอะตอมถึงเสถียร เหตุใดแสงจึงมาถึงแพ็คเก็ตได้ เหตุใดผลลัพธ์จึงมักมีความน่าจะเป็น และเหตุใดเครื่องมือสมัยใหม่ เช่น เลเซอร์ ทรานซิสเตอร์ นาฬิกาอะตอม MRI และคอมพิวเตอร์ควอนตัมจึงเป็นไปได้
ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายอะไร
ฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายถึงดาวเคราะห์ วัตถุที่ตกลงมา เครื่องยนต์ คลื่นเสียง และการเคลื่อนไหวส่วนใหญ่ในชีวิตประจำวัน ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายชั้นที่อยู่ด้านล่าง เช่น อะตอม อิเล็กตรอน โฟตอน โมเลกุล เซมิคอนดักเตอร์ พันธะเคมี การสลายกัมมันตภาพรังสี และพฤติกรรมของสสารและพลังงานในระดับที่เล็กมาก กรอบนี้เป็นกรอบที่นักวิทยาศาสตร์ใช้เมื่อแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับเส้นทางที่แน่นอนและพลังงานต่อเนื่องหยุดทำงาน
แนวคิดควอนตัมเริ่มต้นอย่างไร
คำว่าควอนตัมหมายถึงจำนวนที่ไม่ต่อเนื่อง ประมาณปี 1900 แม็กซ์ พลังค์พบว่าวัตถุร้อนแผ่พลังงานในลักษณะที่สมเหตุสมผลหากพลังงานมาในห่อเล็ก ๆ จากนั้น อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ก็ใช้ควอนตัมแสงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค Niels Bohr ใช้ระดับพลังงานเชิงปริมาณกับอะตอม และในช่วงทศวรรษปี 1920 Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, Max Born, Paul Dirac และคนอื่นๆ ได้สร้างทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของกลศาสตร์ควอนตัม
อนุภาคและคลื่น
วัตถุควอนตัมไม่เข้ากันกับอนุภาคหรือคลื่นประเภทเก่า อิเล็กตรอนสามารถชนเครื่องตรวจจับเป็นเหตุการณ์เฉพาะที่ แต่พฤติกรรมของมันก่อนการตรวจจับนั้นอธิบายไว้ด้วยความน่าจะเป็นที่คล้ายคลื่น แสงสามารถแพร่กระจาย รบกวน และหักเหได้เหมือนคลื่น แต่มันถูกปล่อยออกมาและดูดซับในโฟตอน ฟิสิกส์ควอนตัมถือว่าพฤติกรรมอนุภาคคลื่นนี้เป็นคุณลักษณะพื้นฐานของธรรมชาติ ไม่ใช่ความสับสนชั่วคราว
ฟังก์ชันคลื่นและความน่าจะเป็น
ระบบควอนตัมอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่น หรือโดยทั่วไปคือโดยสถานะควอนตัม วัตถุทางคณิตศาสตร์นี้มักจะไม่ได้บอกเราถึงอนาคตที่รับประกันได้ โดยให้ค่าแอมพลิจูดของความน่าจะเป็นที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คำนวณความน่าจะเป็นของผลลัพธ์การวัดที่แตกต่างกัน ทฤษฎีนี้มีความน่าจะเป็น แต่ก็ไม่หลวม การคาดการณ์สามารถแม่นยำเป็นพิเศษเมื่อมีการอธิบายระบบและการทดลองอย่างดี
การวัดและความไม่แน่นอน
การวัดในฟิสิกส์ควอนตัมไม่ใช่แค่การมองวัตถุเล็กๆ ที่มีคุณสมบัติคงที่ทุกอย่างอยู่แล้วเท่านั้น การวัดผลคือปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพที่ช่วยสร้างผลลัพธ์ หลักการความไม่แน่นอนบอกว่าคุณสมบัติบางคู่ เช่น ตำแหน่งและโมเมนตัม ไม่สามารถกำหนดความแม่นยำแบบไม่จำกัดในเวลาเดียวกันได้ ขีดจำกัดนี้ถูกสร้างขึ้นในสถานะควอนตัม ไม่ใช่แค่เกิดจากเครื่องมือที่ไม่ดีเท่านั้น
การซ้อนทับและการพัวพัน
การซ้อนทับหมายความว่าสถานะควอนตัมสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการรวมกันของผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ก่อนการวัด การพัวพันหมายถึงระบบตั้งแต่สองระบบขึ้นไปสามารถแบ่งปันคำอธิบายควอนตัมที่เชื่อมโยงกันเดียวได้ แม้ว่าจะแยกออกจากกันก็ตาม ความพัวพันไม่อนุญาตให้ผู้คนส่งข้อความเร็วกว่าแสง แต่มันสร้างความสัมพันธ์ที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยรูปภาพคลาสสิกธรรมดาๆ ของวัตถุอิสระที่มีคำตอบที่เขียนไว้ล่วงหน้า
ทำไมมันถึงสำคัญ
ฟิสิกส์ควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงทฤษฎีที่แปลกประหลาดสำหรับห้องปฏิบัติการเท่านั้น เซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในของแข็ง เลเซอร์ใช้การปล่อยโฟตอนที่ควบคุม นาฬิกาอะตอมอาศัยการเปลี่ยนแปลงควอนตัม เครื่อง MRI, ไฟ LED, เซลล์แสงอาทิตย์, กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน, แบบจำลองทางเคมี และเซ็นเซอร์จำนวนมากขึ้นอยู่กับทฤษฎีควอนตัม คอมพิวเตอร์ควอนตัมและการสื่อสารควอนตัมสำรวจว่าการซ้อนทับและการพัวพันสามารถรองรับการประมวลผลข้อมูลรูปแบบใหม่ได้หรือไม่
สิ่งที่ยังคงถกเถียงกันอยู่
นักฟิสิกส์เห็นพ้องต้องกันอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับวิธีการคำนวณผลลัพธ์ควอนตัม แต่พวกเขาไม่เห็นด้วยกับความหมายของคณิตศาสตร์ทั้งหมด การตีความเช่นโคเปนเฮเกน โลกหลายใบ ทฤษฎีคลื่นนำร่อง กลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพันธ์ และแบบจำลองการล่มสลายของวัตถุ นำเสนอภาพความเป็นจริงที่แตกต่างกันเบื้องหลังการทำนายการทดลองที่คล้ายกัน การอภิปรายมีความสำคัญเนื่องจากฟิสิกส์ควอนตัมท้าทายแนวคิดเก่าๆ เกี่ยวกับความเป็นเหตุเป็นผล ข้อมูล สถานที่ การวัด และสิ่งที่นับเป็นข้อเท็จจริงทางกายภาพ