مقدمه:

فیزیکدانان تا آخر سده نوزدهم میلادی توانسته بودند برای بسیاری از پدیده‌های طبیعی با استفاده از قوانینی مانند قانون کولن ، قانون گرانش ، قوانین نیوتن و …توجیه‌های قانع کننده‌ای ارائه کنند.

مجموعه آن قانونها و نظریه‌ها را “فیزیک کلایسک” می‌نامند که امروزه هم در حل بسیاری از مسائل فیزیک و توجیه پدیده‌های طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اما در سالهای پایانی سده نوزدهم میلادی ، دانشمندان پدیده هایی را مشاهده کردند که دیگر با فیزیک کلاسیک قابل توجیه نبودند.

امروزه به مجموعه نظریه‌ها و قانونهایی که به توجیه این پدیده‌ها می‌پردازد، فیزیک جدید (نوین) می‌گویند.

شالوده فیزیک جدید را “نظریه نسبیت” ( که مربوط به مطالعه پدیده‌ها در سرعتهای بسیار زیاد و نزدیک به سرعت نور است) و ” نظریه کوانتومی” (که به مطالعه پدیده‌ها در مقیاسهای بسیار کوچک مانند مولکول و اتم و ذرات زیر اتمی می‌پردازد) تشکیل می‌دهد.

اصطلاح کُوانتوم در فیزیک به کمترین مقدار ممکن از یک کمیت، مقدار پایه یا یک کوانتم آن کمیت می‌گویند.

یک کمیت کوانتیده تنها می‌تواند مقدارهایی گسسته، یعنی مضرب صحیحی از کوانتوم آن کمیت را اختیار کند.

برای نمونه، مقدار بار الکتریکی یک جسم که در اثر مالش باردار شده، همواره مضرب صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون می‌باشد.

هیچگاه مقدار بار الکتریکی یک جسم ۳/۵ برابر بار الکتریکی یک الکترون نخواهد بود.

در اینجا به مقدار بار الکتریکی یک الکترون، بار پایه یا یک کوانتم بار می‌گویند و بار الکتریکی جسم نیز کمیتی کوانتیده است.

صاعقه گیر آذرخش

ترانزیستورهای الکتریکی:

 سرعت و مسیر موج کوانتومی، خواص هر عنصری را تعیین می‌کند.

از جمله این که رسانا هست یا نه؛ مثلا ما می‌توانیم سرعت و مسیر این موج را دور اتم سیلیسیم (سیلیکون) اندکی دستکاری و با افزودن ناخالصی یا تحریک الکتریکی، سیلیسیوم را از نارسانا به رسانا یا برعکس تبدیل کنیم.

این کار همان ساختن صفر و یک است که دنیای دیجیتال را بنا کرده است.

ما میلیاردها ترانزیستور در ابعاد نانومتر را کنار هم چیده‌ایم و لایه لایه روی هم گذاشته‌ایم تا پردازشگرها را بسازیم.

از پرسرعت‌ترین ابرکامپیوترها، پیشرفته‌ترین اتومبیل‌ها و جدیدترین تلفن‌های همراه گرفته تا لامپ‌های کم مصرف و کنترل از راه دور تلویزیون و اسباب بازی‌های الکترونیکی همگی از ترازیستور استفاده می‌کنند.

صاعقه گیر آذرخش

تونل‌زنی کوانتومی:

ما در حافظه فلش از پدیده‌ای به نام تونل‌زنی کوانتومی برای پاک کردن کل اطلاعات استفاده می‌کنیم.

نه تنها در فلش بلکه در کلیدهای ساده چراغ برق هم تصادفا این پدیده به کمک ما آمده است.

در تونل‌زنی کوانتومی، الکترون می‌تواند از خلال یک لایه نازک نارسانا به اصطلاح «تونل زده» و عبور کند.

این پدیده با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست چون نتیجه رفتار کوانتومی ذره است.

در کلید چراغ برق، الکترون لایه چند نانومتری اکسید فلز روی دو لبه رسانای کلید را «نادیده» می‌گیرد و از آن «رد» می‌شود و چراغ روشن می‌شود.

برای پاک کردن حافظه‌ فلش، اگر میدان الکتریکی کافی به تمام ترانزیستورهای داخلش بدهیم، در واقع با تونل زنی کوانتومی همه آنها را به اجبار به حالت «یک» درآورده‌ایم؛ یعنی همه اطلاعات پاک شده است.

تونل زنی کوانتومی در کنار کاربرد مفید، اثر مخرب هم دارد.

این پدیده در ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های سرعت بالا باعث اتصال کوتاه می‌شود در نتیجه تمام یا بخشی از دستگاه الکترونیک از کار می‌افتد یا داغ می‌شود.

صاعقه گیر آذرخش

GPS

​​سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) هم به فیزیک کوانتومی محتاج است.

ابزارهای مسیریابی این روزها در هر تلفن هوشمندی هست و ما روزانه برای یافتن آدرس از آن استفاده می‌کنیم.

پشت پرده این ابزارها مجموعه‌ای از ماهواره‌ها و ساعت‌های اتمی قرار دارند که امکان موقعیت‌یابی را فراهم می‌آورند.

برای این کار لازم است که مسیریاب ما از چند ماهواره موقعیت‌یاب، سیگنال دریافت کند.

این سیگنال حاوی این اطلاعات است:

موقعیت دقیق ماهواره در لحظه مخابره و زمان دقیق آن.

با دانستن مدت زمان سفر سیگنال و سرعت آن که مساوی با سرعت نور است، فاصله ما از ماهواره معلوم می‌شود.

ابزار موقعیت‌یاب، محاسبات هندسی را برای مجموعه ماهواره‌ها انجام می‌دهد و نقطه اشتراک آنها را که موقعیت ماست اعلام می‌کند.

البته به شرطی که همه این ساعت‌ها با هم کار کنند که البته همینطور هم هست، ساعت‌های داخل ماهواره‌ها با هم و با یک ساعت روی زمین همزمان شده‌اند.

این ساعت‌ها باید بتوانند پیوسته و دقیق کار کنند؛ امکانی که ساعت اتمی فراهم کرده است.

نحوه کار ساعت اتمی هم برگرفته از فیزیک کوانتومی است.

یک ثانیه برابر ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان موج مایکروویوی است که بتواند الکترون را در اتم سزیوم برانگیخته کند و از یک تراز انرژی کوانتومی به تراز دیگر ببرد.

پس اگر جایی برای یافتن آدرس سردرگم بودید و مسیریاب تلفن هوشمند به کمکتان آمد، کار، کار فیزیک کوانتوم بوده است.

صاعقه گیر آذرخش

تجهیزات الکتریکی مخابراتی:

در دنیا میلیونها نفر از تلگرام و یا سایر شبکه های پیام رسان برای فرستادن پیام به دوستان خود استفاده میکنند.

زمانی که لازم است تا یک پیام متنی از گوشی شما به گوشی مخاطبتان برسد بسیار ناچیز است در حالی که مسیر دور و درازی طی می‌کند.

این مسیر شامل گوشی شما، مرکز مخابرات، مراکز اینترنتی واسطه در کشورهای همسایه، یکی از سرورهای تلگرام در جاهای مختلف دنیا، برگشت به مسیر اینترنتی منتهی به مخاطب، مرکز مخابرات مخاطب و گوشی مخاطب.

تمام این اطلاعات از راه شبکه‌های فیبر نوری رد و بدل می‌شود. فیبر نوری مثل کابل برق ولی برای انتقال سیگنال نور است.

اما نور معمولی برای این کار مناسب نیست. نور معمولی یا نور سفید مجموعه‌ای از رنگ‌های (طول موج) گوناگون است؛ مثل نور خورشید که بعد از گذشتن از ذرات ریز باران تجزیه شده و به شکل رنگین کمان در می‌آید.

طول موج‌های نور معمولی فازهای مختلف دارند بنابراین یکدیگر را تخریب کرده و در فواصل طولانی تضعیف می‌شوند.

اینجا هم فیزیک کوانتومی بصورت لیزر به کمک ما آمده است؛ لیزر یعنی نور تک فامی که تنها یک طول موج دارد و می‌تواند سیگنال‌های پر توان تولید کند.

اساس کار لیزر «گسیل تحریکی» است؛ پدیده‌‍‌ای کوانتومی که در آن یک فوتون با طول موج مشخص با یک الکترون برانگیخته برخورد می‌کند.

بر اثر این برخورد، الکترون از حالت برانگیخته خارج می‌شود که در نتیجه آن یک فوتون دیگر با خواص یکسان تشکیل شده و به فوتون اول ملحق و به این ترتیب سیگنال تقویت می‌شود.

اگر نگاهی به لیست کاربردهای لیزر بیاندازید، موارد آشنای دیگری هم پیدا می‌کنید: پرینتر لیزری، دستگاه سی‌دی خوان، بارکد خوان و البته دوربین‌ های کنترل سرعت.

صاعقه گیر آذرخش

تجهیزات الکتریکی در رشته پزشکی:

 عمل جراحی لیزیک، MRI، پرتو درمانی و غیره. لیزر در درمان تومورهای سرطانی کاربرد وسیع دارد.

در این روش ذرات باردار (یونیزه) مثل پروتون به سوی توده سرطانی فرستاده می‌شوند.

ذره در نقطه هدف انرژی خود را آزاد می‌کند که باعث آسیب به DNA سلول سرطانی می‌شود و نهایتا آن را از بین می‌برد.

این ذرات باردار در دستگاه‌های شتاب‌دهنده ایجاد می‌شوند و به اندازه‌ای که به دقت محاسبه شده به داخل بدن بیمار تابانده می‌شوند.

فیزیکدانان مقدار انرژی لازم برای یونیزه کردن یک ذره را از روی تابع موج کوانتومی ذره محاسبه می‌کنند.

اگرچه فیزیک کوانتومی شامل مفاهیم مجرد و معادلات ریاضی پیچیده است ولی کاربرد آن زندگی ما را تغییر داده است و امکانات جدیدی فراهم کرده که بدون شناخت رفتار کوانتومی انرژی و ماده شدنی نبود.

دانشی که هنوز راه درازی برای گسترش دارد و باید به استفاده‌های بیشتر آن در آینده امیدوار بود.

صاعقه گیر آذرخش