پدیده ی تونل زنی کوانتومی

کوانتوم چیست؟

یک کوانتوم کوچک ترین مقدار ممکن انرژی است. نظریه کوانتومی نشان می دهد که انرژی همزمان هم به صورت امواج و هم به صورت ذرات رفتار می کند. کوانتوم دسته های انرژی است که به صورت توده هایی از ذرات جداگانه وجود دارند اما زمانی که سفر می کنند، همانند امواج در سطح حوض منتشر می شوند.

ناتوانی فیزیک کلاسیک

در سال های پایانی قرن نوزدهم، محققان پديده هايي را مشاهده كردند كه ديگر با فيزيك كلاسيك قابل توجيه نبودند. در این زمان محدودیت های فیزیک کلاسیک مشخص شد و این امر سبب گشت تا قوانین و نظریه هایی (فيزيك جديد یا فیزیک نوین) حاصل شود تا پدیده ها و آزمایش‌ های غیر قابل توصیف را توجیه کند. پایه و اساس فيزيك جديد را نظريه های کوانتوم و نسبیت تشكيل مي دهند. در ادامه به چند مورد از محدودیت های فیزیک کلاسیک می پردازیم.

تابش جسم سیاه

هر جسم جامدی، بخشی از تابش فرودی بر سطح خود را جذب کرده و بقیه این تابش را بازتاب می کند. جسم سیاه ایده آل، جسمی است که تمام تابش دریافتی را بدون هیچ گونه بازتابی جذب کند. فیزیک کلاسیک در توجیه منحنی ‌های مشاهده شده تجربی در مورد تابش جسم سیاه با شکست مواجه شد.

اثر فوتو الکتریک

اگر نوردر فضای خلا به سطح فلزی بتابد، باعث خارج شدن الکترون از سطح فلز می شود. دانشمندان متوجه شدند که شدت نور تابشی تاثیری بر انرژی الکترون های خارج شده ندارد اما طول موج نور تابشی موثر می باشد. فیزیک کلاسیک در توجیه این پدیده نیز ناتوان بود.

اثر کامپتون یا پراکندگی کامپتون

آرتور کامپتون (Arthur Compton) در طی تحقیقات خود کشف کرد که وقتی تابشی با طول موج معین (پرتو ایکس یا پرتو گاما) از یک ورقه فلزی عبور کند، این تابش به گونه ای پراکنده می‌شود که با نظریه کلاسیک درباره تابش مغایرت دارد. در واقع طول موج پرتو‌های منحرف شده متفاوت با طول موج ورودی بود. با اثر کامپتون می توان رفتار دوگانه نور (رفتار موجی ـ ذره‌ای) را توجیه کرد.

قوانين مهم فيزيك كوانتوم

 دوگانگي موجی – ذره ای

از جمله مفاهيم بسیار اساسی در نظريه كوانتوم، دوگانگی موج – ذره ای می باشد، در واقع این نظریه می گوید كه هر زمان ذرات مشاهده شوند، در حالت ذره قرار دارند و اگر مشاهده نشوند در حالت موجي خود می باشند. بر طبق دوگانگي موج – ذره ای، ماده مي تواند هم موج باشد و هم مانند ذره رفتار كند، بنابراین بستگي به اين دارد كه در چه وضعيتي قرار گيرد.

مسئله اندازه گيری بر طبق نظریه کوانتوم

اندازه گيري یک خاصيت از يك سيستم، اطلاعات ما را درباره ديگر خواص آن سيستم از بين مي برد. به عنوان مثال اندازه گيري دقيق و همزمان مكان و سرعت يك الكترون غیر ممکن می باشد. در واقع اندازه گيري يكي از اين دو كميت، الزاما اندازه گيري دقيق كميت ديگر را غیر ممکن می سازد. تصور كنيد در حال راه رفتن هستيد و به مانعي مانند يك تپه يا ديوار برخورد مي كنيد. تنها راهي كه مي توانيد به وسيله ي آن به طرف ديگر قدم بگذاريد، اين است كه از ديوار بالا برويد. اما قوانين شگفت انگيز مكانيك كوانتومي گاهي به ذرات اجازه مي دهند كه حتي بدون نياز به بالا رفتن از چيزي، از موانع سر راهشان عبور كنند. اما هر چه مانع بلند تر شود، تونل زني نيز چالشي تر مي شود به طوري كه تعداد ذراتي كه مي توانند از مانع عبور كنند، كاهش یابد.بااين حال، نوع خاصي از تونل زني به نام تونل زني كلاين، بازي را تغيير مي دهد.در اين نوع تونل زني، حتي زماني كه مانع، يك ديوار بلند باشد، دروازه ها يي باز مي شوند كه به ذرات اجازه ي عبور مي دهند.. با اين حال، تا همين اواخر، دانشمندان نشانه ها ي محدودي از اين پديده مشاهده كرده بودند. در پژوهشي كه به تازگي در مجله ي Nature منتشر شد، گروهي از پژوهشگران ميان رشته اي، آثار مستقيمي از پديده ي كلاين را به نمايش گذاشتند. تونل زنی پدیده ای است كه به نظر مي رسد تنها روي كاغذ اتفاق مي افتد.اما باید برای نشان دادن این پدیده به صورت متقاعد کننده به سراغ سیستم آزمایشگاهی رفت.

تونل زنی کوانتومی

کوانتوم و جهان های موازی 

به گزارش بیگ بنگ، این نظریه بیان می کند که هر کدام از چند نتیجۀ ممکن یک رویداد کوانتومی، به جهان مختص به خود مربوط می شود. حال تیمی از محققان موسسه تکنولوژی کالیفرنیا به سرپرستی “شان کارول” اذعان داشتند که این تفسیر(جهان های چندگانه) می تواند تناقضات موجود دربارۀ سیاهچاله‌ها را توضیح دهد؛ نسبیت عام نیز وجود چندین جهان را تایید می کند که در این جهان ها، اطلاعات اگر در هر شاخۀ کوچک نباشند، در سراسر تابع موج جهانی محفوظ می مانند.  نومورا، استاد فیزیک دانشگاه کالیفرنیا گفت: «در تلاش های قبلی، نسبیت عام و مکانیک کوانتوم را قابل بکارگیری برای یک جهان می دانستند. رویکرد من این دو را از یکدیگر جدا می کند. مکانیک کوانتوم حالت کوانتومی با نام برهم نهی را برای چندین جهان لحاظ می کند و نسبیت عام تنها بر یکی از این جهان ها قابل بکارگیری است. چنین خط فکری از اهمیت خاصی برخوردار است زیرا شاید بتوان با آن توضیحات بیشتری در خصوص ماهیت گرانش و فضا-زمان ارائه کرد.  چاتوین دیویس در این باره گفت: «ما میدانیم که برای درک سیاهچاله‌ها، هم به نسبیت عام و هم به مکانیک کوانتوم نیازمندیم و این دو نقطه شروع خوبی برای آزمایش دیگر نظریات در خصوص گرانش کوانتومی می باشند. اگر ما موفق به درک سیاهچاله ها شویم، به توصیف گرانش کوانتومی در بعدی وسیع بسیار نزدیکتر خواهیم شد.» با استفاده از تفسیر جهان‌های چندگانه دانشمندان و اخترشناسان در حال یافتن راه های جدیدی برای یافتن پاسخی بر پدیدۀ سیاهچاله هستند. با مطالعات بیشتر، این تحقیقات می تواند اطلاعات ارزشمندی در خصوص چهارچوب جهان ما ارائه دهد و خلاءهای موجود در دانش ما را کاهش دهد.

سایرکاربردها 

• فلش مموری
• ماسفت
• رادیوتراپی
• تزریق رنگ رادیواکتیو در حشرات