ฟิสิกส์ในระดับที่เล็กที่สุด
ฟิสิกส์ควอนตัม
ฟิสิกส์ควอนตัมศึกษาเรื่องและพลังงาน โดยที่อะตอม อนุภาค และสนามหยุดพฤติกรรมเหมือนลูกบิลเลียดเล็กๆ และเริ่มมีพฤติกรรมเหมือนความน่าจะเป็น คลื่น และแพ็กเก็ตที่แยกจากกัน
มันอธิบายอะไร.
ฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายถึงแอปเปิ้ลที่ตกลงมา ดาวเคราะห์ เครื่องยนต์ และคลื่นในน้ำ ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายชั้นที่อยู่ด้านล่าง: เหตุใดอะตอมจึงเสถียร เหตุใดแสงจึงมาถึงแพ็กเก็ตที่เรียกว่าโฟตอนได้ เหตุใดอิเล็กตรอนจึงครอบครองพลังงานเพียงระดับหนึ่งเท่านั้น และเหตุใดการวัดจึงเปลี่ยนแปลงสิ่งที่ทราบเกี่ยวกับระบบได้ เป็นทฤษฎีที่ใช้เมื่อสัญชาตญาณในชีวิตประจำวันหยาบเกินกว่าจะอธิบายธรรมชาติได้อย่างถูกต้อง
แนวคิดควอนตัมเริ่มต้นอย่างไร
คำว่าควอนตัมหมายถึงปริมาณที่ไม่ต่อเนื่อง ประมาณปี 1900 แม็กซ์ พลังค์พบว่าวัตถุร้อนแผ่พลังงานในลักษณะที่สมเหตุสมผลหากพลังงานมาในห่อเล็ก ๆ จากนั้น อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ก็ใช้ควอนตัมแสงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค เบาะแสเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าพลังงานไม่ได้ต่อเนื่องเสมอไป ในช่วงทศวรรษที่ 1920 นักฟิสิกส์ได้สร้างทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ใหม่สำหรับอะตอม แสง และอนุภาคมูลฐาน
อนุภาคและคลื่น
วัตถุควอนตัมไม่จัดอยู่ในประเภทของอนุภาคหรือคลื่นอย่างสมบูรณ์ อิเล็กตรอนสามารถโจมตีเครื่องตรวจจับเป็นเหตุการณ์เฉพาะที่ แต่พฤติกรรมของพวกมันก่อนการตรวจจับนั้นอธิบายไว้ด้วยความน่าจะเป็นที่คล้ายคลื่น แสงสามารถแพร่กระจายและรบกวนได้เหมือนคลื่น แต่ก็มีการแลกเปลี่ยนกันเป็นโฟตอน ฟิสิกส์ควอนตัมถือว่าพฤติกรรมสองอย่างนี้เป็นคุณลักษณะพื้นฐานของทฤษฎีมากกว่าความสับสนชั่วคราว
ส่วนที่แปลก
วัตถุควอนตัมอธิบายได้ด้วยฟังก์ชันคลื่น ซึ่งเป็นการสรุปทางคณิตศาสตร์ของผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ ก่อนการวัด ทฤษฎีมักจะทำนายความน่าจะเป็นมากกว่าผลลัพธ์คงที่เพียงอย่างเดียว นี่คือเหตุผลว่าทำไมฟิสิกส์ควอนตัมจึงรู้สึกว่าขัดกับสัญชาตญาณ โดยถือว่าความไม่แน่นอนเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างของธรรมชาติ ไม่ใช่แค่ช่องว่างในความรู้ของมนุษย์ แม้ว่าทฤษฎีจะไม่คลุมเครือก็ตาม การทำนายความน่าจะเป็นเป็นหนึ่งในการทำนายที่แม่นยำที่สุดในทางวิทยาศาสตร์
การวัดและความไม่แน่นอน
การวัดในฟิสิกส์ควอนตัมไม่ใช่แค่การดูวัตถุเล็กๆ ที่มีอยู่แล้วเท่านั้น การวัดผลเป็นส่วนหนึ่งของปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพที่ก่อให้เกิดผลลัพธ์ หลักการความไม่แน่นอนบอกว่าคู่ของปริมาณบางคู่ เช่น ตำแหน่งและโมเมนตัม ไม่สามารถกำหนดความแม่นยำแบบไม่จำกัดในเวลาเดียวกันได้ นี่เป็นขีดจำกัดที่สร้างขึ้นในสถานะควอนตัม ไม่ใช่แค่จุดอ่อนของเครื่องมือเท่านั้น
ทำไมมันถึงสำคัญ
เทคโนโลยีสมัยใหม่ขึ้นอยู่กับแนวคิดควอนตัม เซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในของแข็ง เลเซอร์ใช้การปล่อยโฟตอนที่ควบคุม นาฬิกาอะตอมอาศัยการเปลี่ยนแปลงควอนตัมที่แม่นยำ เครื่อง MRI, เซลล์แสงอาทิตย์, LED, ทรานซิสเตอร์ และแบบจำลองทางเคมีจำนวนมาก ล้วนขึ้นอยู่กับทฤษฎีควอนตัม การประมวลผลควอนตัมจะสำรวจว่าการซ้อนทับและการพัวพันสามารถแก้ปัญหาบางอย่างด้วยวิธีใหม่ได้หรือไม่
สิ่งที่ยังคงถกเถียงกันอยู่
นักฟิสิกส์เห็นพ้องต้องกันอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับวิธีการคำนวณผลลัพธ์ควอนตัม แต่พวกเขาไม่เห็นด้วยกับความหมายของคณิตศาสตร์ทั้งหมด การตีความเช่นโคเปนเฮเกน โลกหลายใบ ทฤษฎีคลื่นนำร่อง และการล่มสลายของวัตถุประสงค์ นำเสนอภาพความเป็นจริงที่แตกต่างกันที่อยู่เบื้องหลังการทำนายการทดลองเดียวกัน การอภิปรายมีความสำคัญเนื่องจากฟิสิกส์ควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงชุดเครื่องมือเท่านั้น แต่ยังท้าทายแนวคิดเกี่ยวกับความเป็นเหตุเป็นผล ข้อมูล และสิ่งที่ถือเป็นข้อเท็จจริงทางกายภาพ