فیزیک کلاسیک که توسط شخصیت‌های افسانه‌ای مانند نیوتن و ماکسول ایجاد شد، یک جهان منظم و ساعت‌دار با قوانین دقیق ریاضی حاکم بر حرکت، گرانش و انرژی را نشان داد. با این حال، در آغاز قرن بیستم، ظهور فیزیک کوانتوم قلمروی میکروسکوپی را نشان داد که در آن عدم قطعیت ها، احتمالات و ارتباطات شبح مانند حاکم است.
برای چندین دهه، این دو چارچوب ناسازگار به نظر می رسید. با این حال، فیزیک مدرن ارتباط متقابل ظریف بین دنیای کلاسیک و اساس کوانتومی آن را روشن کرده است. به نظر می رسد دینامیک گرانشی آیزاک نیوتن با گربه های کوانتومی فازی اروین شرودینگر متفاوت است. اما عمیق‌تر نگاه کنید و به جای تضاد آشکار، رابطه‌ای جزئی از مکمل را پیدا خواهید کرد.
فیزیک کلاسیک
فیزیک کلاسیک پایه و اساس علم مدرن را پایه گذاری کرد و توصیفات ریاضی پیشگامی از حرکت، گرانش و سایر نیروها را آغاز کرد. عصر فیزیک کلاسیک قرن هفدهم تا نوزدهم را در بر می گرفت و آیزاک نیوتن و جیمز کلرک ماکسول به عنوان دو برجسته بودند.
برخی از ایده های نوآورانه از فیزیک کلاسیک عبارتند از:
قوانین حرکت نیوتن:
نیوتن توضیح داد که چگونه اجسام در حالت حرکت خود باقی می مانند مگر اینکه نیرویی بر آنها اثر بگذارد. او معادله معروف F=ma را در رابطه با نیرو، جرم و شتاب ارائه داد. او همچنین بیان کرد که نیروها همیشه به صورت جفت مساوی و متضاد می آیند و نحوه تعامل نیروها را توضیح داد. این قوانین در کنار هم الف چارچوب پیش بینی حرکت.
جاذبه جهانی:
نیوتن هم پیشنهاد داد قانون گرانش مربع معکوس، ثابت می کند که هر جسم در جهان یک نیروی گرانشی جذاب بر هر جسم دیگری اعمال می کند. نیروی گرانش به جرم اجسام و فاصله بین آنها بستگی دارد. این نیروی جهانی وقایع زمینی دنیوی مانند سقوط سیب از درختان و همچنین باله های کیهانی بزرگ سیارات در حال چرخش به دور ستاره ها را توضیح می دهد.
قوانین ترمودینامیک:
این قوانین ترمودینامیک اعلام کنید که انرژی فقط می تواند شکل خود را تغییر دهد، اما هرگز ایجاد یا از بین نمی رود. انرژی گرمایی به طور خود به خود از اجسام داغتر به اجسام سردتر جریان می یابد تا زمانی که به تعادل برسد. این قوانین همچنین به طور قطع ثابت می کنند که ماشین های حرکت دائمی که از هیچ انرژی تولید می کنند غیرممکن هستند.
معادلات ماکسول:
جیمز کلرک ماکسول توسعه داد مجموعه ای از معادلات که به زیبایی تئوری های الکتریسیته، مغناطیس و نور را گرد هم آورد. کار او نشان داد که همه این پدیده ها به عنوان امواج الکترومغناطیسی که با سرعت ثابت نور حرکت می کنند در فضا پخش می شوند. معادلات انقلابی ماکسول پایه ریاضی بی شماری از فناوری های مدرن را در زمینه هایی مانند الکترونیک، مخابرات و اپتیک گذاشت.
این معادلات مکانیک دنیای روزمره ما را با دقت شگفت انگیزی از قطار گرفته تا سیارات، چشمه ها تا شبکه های الکتریکی توصیف می کنند. با این حال، این ساعت جبری در قلمرو کوانتومی خراب می شود.
فیزیک کوانتوم
فیزیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم از کارهای پیشگامانه دانشمندانی مانند پلانک، انیشتین، بور، شرودینگر و هایزنبرگ به وجود آمد. آنها با مطالعه ماده و انرژی در مقیاس های بی نهایت کوچک، رفتارهای عجیبی را کشف کردند که شبیه هیچ چیز در دنیای کلاسیک نبود.
اصول خاص فیزیک کوانتومی عبارتند از:
دوگانگی موج-ذره:
یکی از تکان‌دهنده‌ترین اکتشافات نظریه کوانتومی اولیه این بود که ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها می‌توانند مانند ذرات گسسته و به صورت امواج پراکنده. تحت شرایط خاصی، الکترون‌ها به‌خودی خود به روش‌های موج‌مانند پراش و برهم‌کنش می‌کنند، در حالی که نور می‌تواند ماهیت ذره‌ای خود را با رسیدن به بسته‌های فوتون موضعی نشان دهد. این محو شدن تمایز بین ذرات و امواج، پایه های فیزیک کلاسیک را به لرزه درآورد.
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ:
ورنر هایزنبرگ نشان داده شده که یک محدودیت اساسی برای اینکه چگونه می توانیم جفت خاصی از ویژگی ها مانند موقعیت و تکانه را بشناسیم وجود دارد. با مشاهده موقعیت یک ذره، تکانه آن را به شکلی نامعلوم مختل می کنیم. این نشان دهنده عدم قطعیت ذاتی است که در تار و پود کوانتومی واقعیت در تضاد کامل با ویژگی های دقیقاً تعریف شده فیزیک کلاسیک است.
برهم نهی کوانتومی:
ذرات در حالت ثابت مانند اجسام کلاسیک وجود ندارند، اما در عوض به نظر می رسد که در یک برهم نهی شبح مانند شناور هستند. چندین حالت همزمان. این اثر عجیب تا زمانی ادامه می یابد که ذره اندازه گیری شود و مجبور شود یک نتیجه خاص را “انتخاب” کند. شرودینگر با او بر این اصل تأکید کرد یک گربه خیالی گرفتار در برهم نهی حالت های زنده و مرده.
درهمتنیدگی کوانتومی:
حتی تکان دهنده تر، آنها می توانند به جفت یا گروهی از ذرات تبدیل شوند گرفتار به گونه ای که فردیت خود را از دست می دهند و به عنوان یک سیستم واحد رفتار می کنند. اندازه‌گیری‌های یک ذره درهم‌تنیده بلافاصله روی ذره‌های دیگر تأثیر می‌گذارد، حتی اگر سال‌های نوری از هم فاصله داشته باشند، در فرآیندی به نام «عمل شبح وار از دورتوسط انیشتین شکاک. به نظر می رسد این پدیده با تصورات روزمره ما از فضا، زمان و واقعیت مخالفت می کند.
این اثرات برای اجرام بزرگ ناپدید می شوند اما در عالم کوچک کوانتومی غالب هستند. ذرات کوچک در یک قلمرو احتمالی فازی وجود دارند، برخلاف خصوصیات کاملاً تعریف شده فیزیک کلاسیک.
یافتن زمینه مشترک
در ابتدا، فیزیک کلاسیک و کوانتوم کاملاً ناسازگار به نظر می رسید. قوانین قطعی منظم فیزیک کلاسیک چگونه می تواند منجر به تصادفی و عدم قطعیت ذاتی شود که بر جهان کوانتومی حاکم است؟ به آهستگی، از طریق کار پیشگام در طول چندین دهه، رابطه ظریف بین دو چارچوب مورد توجه قرار گرفت.
اصل انطباق:
نیلز بور نشان داده شده که در سیستم‌های مقیاس بزرگ با تعداد زیادی ذره، احتمالات کوانتومی درهم و برهم «متوسط می‌شوند» به طوری که ماده شروع به رفتار کلاسیک می‌کند. ذرات کوانتومی وقتی در مقیاس ماکروسکوپی جمع می شوند به صورت اجسامی کاملاً تعریف شده با ویژگی های دقیق جمع می شوند.
نوسانات کوانتومی:
فضای خالی است خیلی خالی نیست گذشته از همه اینها. نوسانات کوانتومی کوچک در خلاءهای به ظاهر کامل به طور خود به خود باعث ایجاد جفت ذرات کوتاه مدت می شود که قبل از ترکیب مجدد و ناپدید شدن در نیستی به طور گذرا وجود دارند. این نوسانات کوانتومی فراگیر به یک فوم کوانتومی حباب‌دار پنهان اشاره می‌کند که باعث ایجاد خلأ آرام فیزیک کلاسیک می‌شود.
تشعشعات بدن سیاه:
زمانی که فیزیک کلاسیک به طرز فاجعه‌باری نتوانست طیفی از تابش جسم سیاهماکس پلانک مجبور شد برای حل فاجعه فرابنفش فرضیه های کوانتومی جسورانه ای را ارائه کند. این نشان‌دهنده طلوع تاریخی نظریه کوانتومی است که برای رسیدگی به شکست‌های فیزیک کلاسیک به وجود آمده است.
بنابراین فیزیک کلاسیک کاملاً صحیح نیست، بلکه تقریبی در مقیاس بزرگ از واقعیت کوانتومی زیرین است. ساعت کلاسیک از دینامیک جمعی تعداد زیادی از چرخ دنده های کوانتومی کوچک ناشی می شود.
استفاده از هر دو دنیا
فیزیک کلاسیک و کوانتومی مجموعه ای قوی از ابزارها را برای درک، پیش بینی و استفاده از طبیعت در مقیاس های مختلف در اختیار بشریت قرار می دهد.
فیزیک کلاسیک با توانمندسازی مدل‌های دقیق ریاضی برای کنترل سیستم‌های ماکروسکوپی، از طراحی پل‌ها و آسمان‌خراش‌ها تا بهینه‌سازی عملکرد نیروگاه‌ها، مهندسی و فناوری را قادر می‌سازد. چارچوب کلاسیک به بهینه‌سازی سیستم‌های مقیاس بزرگ که در آن اثرات کوانتومی «متوسط» است، کمک می‌کند.
در همین حال، فیزیک کوانتومی زمینه ای برای فناوری های دگرگون کننده مانند نیمه هادی ها، لیزرها، اسکنرهای MRI و آهنرباهای ابررسانا فراهم می کند. پدیده های کوانتومی مانند تونل زنی الکترونی و کوانتیزاسیون انرژی این برنامه ها را فعال کنید سیستم موقعیت یابی جهانی بر اتساع زمان نسبیتی متکی است، پلی بین قلمرو کوانتومی و کلاسیک.
همانطور که ما امروز به بررسی اساسی ترین اسرار و افراط در فیزیک می پردازیم، به طور فزاینده ای خود را در مرز تیره ای می یابیم که در آن جهان کلاسیک منظم و جهان کوانتومی دیوانه کننده با هم برخورد می کنند. مناطق پیشتاز مانند گرانش کوانتومی، نظریه ریسمان، ماده تاریکتبخیر سیاه‌چاله و جهان اولیه ما را دعوت می‌کند تا با استفاده از بینش‌های دو چارچوب پیروزمندانه فیزیک، اسرار آنها را باز کنیم.
تعامل بین قوانین کلاسیک حاکم بر سیستم های ماکروسکوپی و قوانین کوانتومی حاکم بر قلمرو میکروسکوپی امروزه ادامه دارد. هر دو چارچوب ابزارهای ضروری در تلاش ما برای درک طبیعت در عمیق ترین سطح آن هستند.
