กลศาสตร์ควอนตัม

กลศาสตร์ควอนตัม (อังกฤษ: quantum mechanics) เป็นสาขาหนึ่งในทฤษฎีรากฐานของฟิสิกส์ ที่มีความสามารถในการอธิบายผลการทดลองต่างๆ และถูกใช้แทนที่กลศาสตร์นิวตัน (หรือกลศาสตร์ดั้งเดิม) และ กลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ (หรือทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งกลศาสตร์ดั้งเดิมเหล่านี้ไม่สามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ในวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม แต่กลศาสตร์ควอนตัมนั้นสามารถคำนวณได้แม่นยำมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขนาดของวัตถุที่สนใจนั้นเล็กถึงขนาดอะตอม จึงกล่าวได้ว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้นเป็นรากฐานเบื้องต้นของฟิสิกส์ที่มีความสำคัญมากกว่ากลศาสตร์นิวตันและกลศาสตร์ไฟฟ้าของแม็กซ์เวลล์ หรือใกล้เคียงกับความจริงมากกว่านั่นเอง

ฟังก์ชั่นคลื่นของอิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนที่ระดับพลังงานที่ต่างกัน กลศาสตร์ควอนตัมไม่สามารถทำนายพิกัดที่แน่นอนของอนุภาคในพื้นที่ได้ สามารถทำนายได้แค่ความน่าจะเป็นในการเจอในแต่ละที่ พื้นที่สว่างแทนความน่าจะเป็นที่น่าจะเจออิเล็กตรอนสูง
กลศาสตร์ควอนตัม
สมการชเรอดิงเงอร์
ความรู้เบื้องต้น

หลักการทางคณิตศาสตร์

นักวิทยาศาสตร์
พลังค์ · ไอน์สไตน์ · บอร์ · ซอมเมอร์เฟลด์ · โพส · เครเมอร์ส · ไฮเซนแบร์ก· บอร์น · จอร์แดน · เพาลี · ดิแรก · เดอ เบรย ·ชเรอดิงเงอร์ · ฟอน นอยมันน์ · วิกเนอร์ · ไฟน์แมน · Candlin · บอห์ม · เอฟเรตต์ · เบลล์ · เวน

กลศาสตร์ควอนตัมเริ่มในปี พ.ศ. 2443 เมื่อ มักซ์ พลังค์ ตีพิมพ์ทฤษฎีที่อธิบายถึงการปล่อยสเปกตรัมออกจากวัตถุดำ ซึ่ง 18 ปีต่อมา เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

ข้อแตกต่างของกลศาสตร์ดั้งเดิมและกลศาสตร์ควอนตัม กลายเป็นเรื่องประหลาด จนกระทั่งในปี พ.ศ. 2469 แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก และ แอร์วิน ชเรอดิงเงอร์ สามารถอธิบายทฤษฎีดังกล่าวทางคณิตศาสตร์ได้

สำหรับความเกี่ยวเนื่องกับทฤษฎีทางฟิสิกส์อื่นๆ นั้น หากรวมสัมพัทธภาพพิเศษลงในกลศาสตร์ควอนตัม จะเรียกว่า พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม หรือทฤษฎีสนามควอนตัม

ในปัจจุบัน ถือได้ว่า กลศาสตร์ควอนตัม และ สัมพัทธภาพทั่วไป เป็นเสาหลักของฟิสิกส์ยุคใหม่ ซึ่งยังไม่มีผู้ใดสามารถรวมสองทฤษฎีนี้เข้าด้วยกันได้ แต่ทฤษฎีสตริงอาจเป็นคำตอบสำหรับปัญหานี้

แนวคิดพื้นฐานแก้ไข

สถานะทางฟิสิกส์ที่สามารถทำนายได้อย่างแน่นอน (deterministic) ในกลศาสตร์แบบคลาสสิกจะถูกบรรยายในเชิงความน่าจะเป็น (probabilistic) แทนในกลศาสตร์ควอนตัม การทดลองที่มีค่าตั้งต้นเหมือนกันไม่จำเป็นต้องได้ผลการวัดในแต่ละครั้งเท่ากัน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า ระบบทางควอนตัมจะยังไม่มีสถานะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งเว้นเสียแต่ว่าจะมีการวัดเกิดขึ้น โดยทั่วไป การกระจายตัวทางสถิติของผลการวัดจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับฟังก์ชันคลื่นของระบบทางฟิสิกส์นั้น ๆ [1]

อย่างไรก็ตาม ระบบทางควอนตัมมีความแตกต่างจากระบบสุ่มแบบคลาสสิก[2] ตัวอย่างของในความแตกต่างที่สำคัญคือการพัวพันทางควอนตัม และการแทรกสอด

สูตรการแผ่รังสีของวัตถุดำแก้ไข

เมื่อวัตถุถูกทำให้ร้อน มันจะปล่อยรังสีความร้อน ในรูปแบบของการแผ่รังสีแม่เหล็กย่านอินฟราเรด (ใต้แดง) เมื่อวัตถุกลายเป็นวัตถุแดงร้อน (red-hot) เราจะสามารถเห็นความยาวคลื่นสีแดงได้ แต่รังสีความร้อนส่วนใหญ่ที่แผ่ออกมายังคงเป็นอินฟราเรด จนกระทั่งวัตถุร้อนเท่ากับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ (ประมาณ 6000 °C ที่ที่แสงส่วนใหญ่เป็นสีขาว)

สูตรการแผ่รังสีของวัตถุดำ เป็นผลงานแรกๆ ของทฤษฎีควอนตัม ในกลางคืน วันอาทิตย์ที่ 7 ตุลาคม พ.ศ. 2443 โดยพลังก์ มันมาจากรายงานของรูเบนส์ (Rubens) จากการค้นพบล่าสุดในการค้นหาอินฟราเรด คืนนั้นเองพลังก์เขียนสูตรลงบนโปสการ์ด รูเบนส์ ได้รับโปสการ์ดนั้นในเช้าวันถัดมา

 

เมื่อ

  • n = เลขควอนตัม
  • E = พลังงาน
  • f = ความถี่ single mode ที่แผ่รังสี
  • h= ความร้อน

วันที่มีการค้นพบควอนตัมแก้ไข

จากการทดลอง พลังก์ค้นพบค่าของ h และ k ดังนั้นเขาสามารถรายงานในการประชุม the German Physical Society ในวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2443 ที่ซึ่งการแจงหน่วย หรือ quantization (ของพลังงาน) ถูกเปิดเผยเป็นครั้งแรก ค่าของเลขอโวกาโดร (the Avogadro-Loschmidt number) , จำนวนของโมเลกุลในโมล (mole) และหน่วยของประจุไฟฟ้า มีความถูกต้องมากขึ้นหลังจากนั้นจนถึงปัจจุบัน

ควอนตัม เอนแทงเกิลเมนต์แก้ไข

ควอนตัม เอนแทงเกิลเมนต์ ครั้งหนึ่งเคยถูกมองเป็นเรื่องซับซ้อนและลึกลับเกินกว่าจะเป็นจริงได้ มาปัจจุบันกำลังกลายเป็นเรื่องที่ตื่นเต้นมาก และมีแนวโน้มจะเป็นหนึ่งในหลักการสำคัญของเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 21 อนุภาคที่พัวพันกัน กำลังจะถูกใช้ในการสร้างระบบการสื่อสารที่เป็นความลับ อาจเป็นพื้นฐานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมความเร็วสูงพิเศษ และแม้แต่เครื่อง "Teleportation" ในสไตล์ของภาพยนตร์ชุดสตาร์เทรค นักทฤษฎีในปัจจุบันคิดว่า เอนแทงเกิลเมนต์อาจเป็นปรากฏการณ์ค่อนข้างทั่วไปในธรรมชาติ ความคิดที่นำมาสู่ความเป็นไปได้ว่า เรากำลังอาศัยอยู่ในใยคอสมิกจริงๆ ที่เชื่อมโยงถึงกันและกัน ข้ามมิติของตำแหน่งและเวลา

การทะลุผ่านเชิงควอนตัมแก้ไข

การทะลุผ่านเชิงควอนตัม, เรียกอีกชื่อว่า tunneling (สหรัฐอเมริกา) เป็นปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัม ที่ทำให้ฟังก์ชันคลื่นสามารถทะลุผ่านกำแพงศักย์ไปได้

การทะลุผ่านกำแพงนั้นแปรผันแบบเอกซ์โพเนนเชียลอยู่กับความสูงและความกว้างของกำแพง ฟังก์ชั่นคลื่นสามารถหายไปจากอีกฝั่งและไปปรากฎที่อีกฝั่งได้ ฟังก์ชั่นคลื่นและอนุพันธ์อันดับแรกของมันนั้นเป็นฟังก์ชั่นที่มีความต่อเนื่อง ในสภาวะคงตัวฟลักซ์ของความน่าจะเป็นในทิศทางข้างหน้าจะมีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ไม่มีอนุภาคหรือคลื่นที่หายไป การทะลุผ่านเกิดขึ้นเมื่อกำแพงศักย์มีความหนาประมาณ 1-3 นาโนเมตรหรือเล็กกว่า[3]

ผู้เขียนบ้างคนก็จัดไว้ว่าการทะลุผ่านของฟังก์ชั่นคลื่นเพียงเล็กน้อยผ่านกำแพงโดยไม่มีการส่งผ่านไปยังอีกด้านเป็นปรากฏการณ์การทะลุผ่าน การทะลุผ่านเชิงควอนตัมนั้นไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกลศาสตร์แบบดั้งเดิม เนื่องจากการทะลุผ่านกำแพงศักย์จำเป็นจะต้องใช้พลังงานจลน์

การทะลุผ่านเชิงควอนตัมมีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์หลายๆอย่างเช่น นิวเคลียร์ฟิวชั่น[4] นอกจากนี้ยังมีการนำไปใช้ในวงจร tunnel diode[5], การคำนวณเชิงควอนตัม และ scanning tunneling microscope

ปรากฏการณ์นี้ถูกทำนายไว้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 และถูกยอมรับเป็น ปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ทั่วไปในช่วงกลางศตวรรษ[6]

การทะลุผ่านเชิงควอนตัมนั้นสร้างข้อจำกัดให้กับขนาดของทรานซิสเตอร์เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถทะลุผ่านทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กเกินไปได้[7][8]

การทะลุผ่านสามารถอธิบายในเชิงของหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก นั้นคือวัตถุเชิงควอนตัมสามารถถูก รับรู้ ได้เป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาคโดยทั่วไป หรือก็คือความไม่แน่นอนในพิกัดของอนุภาคทำให้อนุภาคพวกนี้ไม่เป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ดั้งเดิมและเคลื่อนที่ในพื้นที่ได้โดยไม่จำเป็นต้องผ่านกำแพงศักย์

การทะลุผ่านเชิงควอนตัมอาจเป็นหนึ่งในกลไกของการสลายตัวของโปรตอน[9][10][11]

อ้างอิงแก้ไข

  • Speakable and unspeakable in Quantum mechanics by John Bell (Cambridge UP, 1989)
  • Quantum: A guide for the perplexed by Jim Al-Khalili ( Weidenfeld & Nicolson, 2003)
  • 25 ความคิดพลิกโลก (วี.วิชช์.สำน้กพิมพ์, 2551)
  1. Griffiths, David J.; Schroeter, Darrell F. (2018-08-16). Introduction to Quantum Mechanics (3 ed.). Cambridge University Press. doi:10.1017/9781316995433. ISBN 978-1-316-99543-3.
  2. Bell, J. S. (1964-11-01). "On the Einstein Podolsky Rosen paradox". Physics Physique Fizika. 1 (3): 195–200. doi:10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
  3. Lerner; Trigg (1991). Encyclopedia of Physics (2nd ed.). New York: VCH. p. 1308. ISBN 978-0-89573-752-6.
  4. Serway; Vuille (2008). College Physics. Vol. 2 (Eighth ed.). Belmont: Brooks/Cole. ISBN 978-0-495-55475-2.
  5. Taylor, J. (2004). Modern Physics for Scientists and Engineers. Prentice Hall. p. 234. ISBN 978-0-13-805715-2.
  6. Razavy, Mohsen (2003). Quantum Theory of Tunneling. World Scientific. pp. 4, 462. ISBN 978-9812564887.
  7. "Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology". youtube.com. Kurzgesagt. 2017-12-08. เก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2021-12-21. สืบค้นเมื่อ 2017-12-30.
  8. "Quantum Effects At 7/5nm And Beyond". Semiconductor Engineering (ภาษาอังกฤษแบบอเมริกัน). สืบค้นเมื่อ 2018-07-15.
  9. Talou, P.; Carjan, N.; Strottman, D. (1998). "Time-dependent properties of proton decay from crossing single-particle metastable states in deformed nuclei". Physical Review C. 58 (6): 3280–3285. arXiv:nucl-th/9809006. Bibcode:1998PhRvC..58.3280T. doi:10.1103/PhysRevC.58.3280. S2CID 119075457.
  10. Trixler, F. (2013). "Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life". Current Organic Chemistry. 17 (16): 1758–1770. doi:10.2174/13852728113179990083. PMC 3768233. PMID 24039543.
  11. "adsabs.harvard.edu".