مکانیک کوانتومی (
Quantum mechanics)
مفاهیم اولیه
فرمولبندی
مکانیک نیوتنی در مورد اجسامی که با سرعتی نزدیک به
سرعت نور حرکت میکنند و نیز در مورد اجسام با
ابعاد میکروسکوپی مانند الکترونها با شکست مواجه شد. برای خروج از این بنبست فرمولبندی مکانیک کوانتومی در مورد اجسام با ابعاد میکروسکوپی و فرمولبندی نظریه
نسبت خاص در مورد اجسام متحرک بوجود آمد.
پیدایش کوانتم مکانیک
در سال 1920 نظریهای موسوم به مکانیک کوانتومی پای به عرصه نهاد و بوسیله
اروین شرودینگر به مفیدترین شکلش به شیمیدانان عرضه شد. شرودینگر برای بیان حرکت یک
الکترون بر اساس انرژی آن ، یک سری معادلات ریاضی را حل کرد. این معادلات ریاضی موسوم به معادلات موجی است. زیرا بر اساس این نظریه پیشنهاد شده است که الکترونها علاوه بر خواص ذرهای و
خواص موجی نیز دارند.
سیر تحولی و رشد
در سال 1924 جوان 23 سالهای از طبقه اشراف فرانسه ، به نام
مارکی لویی دوبروی ، که مطالعات علمی خود را با تحصیل تاریخ قورن وسطی آغاز کرد و بعدها کم کم به
فیزیک نظری علاقهمند شد، رساله دکترایی به دانشگاه علوم پاریس عرضه داشت که شامل نظریههای شگفتی بود. دوبروی عقیده داشت که حرکت ذرات مادی توسط موجهایی همراهی و هدایت میشود که همراه با ماده در فضا
انتشار مییابد. اگر چنین باشد مدارهای کوانتومی برگزیده در
مدل اتمی بور میتواند همچون مدارهایی تعبیر شود که طول آنها شامل تعداد صحیحی از این
امواج باشد. همچنین در مدارهایی با شعاع متوسط ، موجی که دور میزند نمیتواند به خودش ختم شود و لذا این نوع حرکت نمیتواند وجود داشته باشد.
بنابراین دوبروی ، با ضربهای جسورانه مدارهای اتمی بور را در هم شکست. نظریه دوبروی در سال 1926 توسط ارین
شرودینگر ، فیزیکدان اتریشی تعییم داده شد و بر مبنای صرفا ریاضی قرار گرفت. شرودینگر این نظریهها را در معادله معروف خود بنام
معادله شرودینگر ، که قابل استفاده در حرکت ذرات در هر میدان نیرویی بود ، قرار داد. استفاده از این معادله در مورد
هیدروژن و نیز در مورد اتمهایی پیچیده ، نتایج نظریه مدارهای کوانتومی را دوباره بدست داد. همزمان با انتشار نخستین یادداشتهای شرودینگر در یک مجله آلمانی ، فیزیکدان 24 سالهای به نام
ورنر هایزنبرگ در مجله دیگری بنام « زیچریفت در فیزیک » یادداشتی درباره
نظریه مکانیک کوانتمی منتشر کرد. توصیف
نظریه هایزنبرگ به زبان نسبتا ساده دشوار است.
امیدی در هیچ
پول اندرین موریس دیراک (Dirac) پس از آنکه دیپلم خود را در مهندسی برق ، در سال 1920 گرفت، یکباره خود را بیکار یافت. چون نتوانست کاری پیدا کند، تقاضای عضویت در دانشگاه کمبریج کرد و پذیرفته شد. کمتر از ده سال بعد به دریافت
جایزه نوبل ، بخاطر سهم مهمی که در تأسیس مکانیک کوانتومی داشت نائل شد. دیراک ترجیح میداد که بررسیهای خود را به تنهایی انجام دهد. اما تذکراتش در ضمن سخنرانیهای علمی همیشه تند و زننده بود. یک بار در ضمن کنفرانس درباره
فیزیک نظری در کپنهاک که به سخنرانی یک فیزیکدان ژاپنی بنام
نیشینا (
Nishina) گوش میداد، در حالی که او تخته سیاه را با محاسباتش پر کرده و عاقبت به فرمول مهمی رسیده بود.
دیراک توجه فیزیکدان ژاپنی را به این جلب کرد که در نتیجهگیری آخرین فرمول خود بر روی تخته سیاه جمله سوم داخل پرانتز علامت منفی دارد و حال آنکه در نسخه اصلی علامتش مثبت بود. نیشینا پاسخ داد که نسخه اصلی صحیح است و در بکار بردن فرمول بر روی تخته باید در یکجا اشتباهی در علامت کرده باشم. دیراک جواب داد که در جاهایی به تعداد فرد ، بدیهی است که سه ، پنج ، هفت و … اشتباه در علامت همین نتیجه را خواهد داد.
آینده مکانیک کوانتومی
اعمال ریاضی به جز در سیستمهای ساده ، برای سیستمهای دیگر آن قدر وقت گیر است که در حال حاضر فقط جوابهای تقریبی قابل حصولند. یک روز کامپیوترهای سریع این وضع را عوض خواهند کرد. با وجود این ، جوابهای حاصل از حل معادلات کوانتومی آن قدر به واقعیت نزدیک است که امروزه به عنوان پرثمرترین روش در درک ساختمان اتمی و ملکولی مورد قبول میباشد. مکانیک کوانتومی در عمیقترین سطح ممکن به ما نشان میدهد که چه میگذرد.