به ندرت پیش می‌آید که یک ایده یا نظریه علمی دیدگاه ما را نسبت به واقعیت اساساً تغییر دهد. یکی از این لحظات انقلابی در سال 2025 جشن گرفته می شود که سازمان ملل متحد آن را سال بین‌المللی علم و فناوری کوانتومی اعلام کرده است. این نشان دهنده صدمین سالگرد ظهور مکانیک کوانتومی است که 100 سال پیش در هجومی از مقالات آغاز شد. درست همانطور که بدون نظریه تکامل چارلز داروین، درک زیست شناسی مدرن غیرممکن است، درک اساسی ما از دنیای فیزیکی اکنون ریشه در اصول کوانتومی دارد. فیزیک مدرن، فیزیک کوانتومی است.
کلمه کوانتوم به نحوه جذب یا آزاد شدن انرژی توسط ماده اشاره دارد - در بسته‌های مجزا یا کوانتا. استفاده از آن در فیزیک از کلمه آلمانی quant گرفته شده است که از یک اصطلاح لاتین به معنای "چقدر" مشتق شده است. در حدود سال 1900، فیزیکدانانی مانند ماکس پلانک و آلبرت اینشتین به طور موردی شروع به توصیف این موضوع کردند که چرا چندین پدیده در حوزه زیر اتمی را نمی توان با استفاده از مکانیک کلاسیک که توسط ایزاک نیوتن و دیگران حدود دو قرن قبل توسعه یافته بود، توضیح داد. سپس، در سال 1925، کوانتوم برای توصیف مبانی یک شکل کاملاً جدید از مکانیک - شاخه ای از فیزیک که رابطه بین نیروها و حرکت اجسام فیزیکی را توصیف می کند - مورد استفاده قرار گرفت.
همانطور که کریستین کامیلری، مورخ علم در مقاله ای در مورد تحولات شگفت انگیز آن سال و سال های بعد توصیف می کند، فیزیکدان ورنر هایزنبرگ در تابستان 1925 برای رهایی از تب یونجه شدید به جزیره آلمانی هلیگولند در دریای شمال سفر کرد. اندکی پس از این، وی مقاله ای را با عنوان «در مورد تفسیر مجدد نظریه کوانتومی روابط سینماتیکی و مکانیکی» به مجله Zeitschrift für Physik ارسال کرد(W. Heisenberg Z. Physik 33، 879–893; 1925). این امر باعث مطالعات بیشتر در ماه های بعد توسط هایزنبرگ و همکاران نزدیکش و همچنین کار با استفاده از رویکردی جایگزین توسط اروین شرودینگر شد.
این انقلاب با کنار گذاشتن قوانین مکانیک کلاسیک توسط فیزیکدانان آغاز نشد، بلکه با تفسیر مجدد مفاهیم کلاسیک مانند انرژی و تکانه به طور اساسی آغاز شد. با این حال، این امر مستلزم آن بود که آغازگران آن از ایده‌های عقل سلیمی که بسیار گرامی داشته می‌شدند، دست بکشند - برای مثال، این انتظار که اجسام زیر اتمی مانند ذرات در هر زمان معینی موقعیت و تکانه مشخصی دارند. در عوض، فیزیکدانان دریافتند که پدیده های طبیعی ذاتاً ماهیتی غیرقابل شناخت دارند. به عبارت دیگر، فیزیک کلاسیک تنها یک نمایش تقریبی از واقعیت است و فقط در سطح ماکروسکوپی خود را نشان می دهد. یک قرن پس از آن، این بینش در مورد ماهیت جهان فیزیکی هنوز به یک اندازه هیجان انگیز و گیج کننده است. بسیاری از خوانندگان Nature در مورد معضلات فلسفی مطرح شده توسط گربه های کوانتومی که به طور همزمان مرده و زنده هستند و در مورد صنعتی که در اطراف محاسبات کوانتومی در حال رشد است، اطلاع دارند.
دیگران می دانند که چگونه ایده های کوانتومی باعث به وجود آمدن لیزرهایی شدند که اطلاعات را از طریق کابل های اینترنت منتقل می کنند و ترانزیستورهایی که قدرت پردازش تراشه های الکترونیکی را فراهم می کنند. اما ایده های کوانتومی درک ما را از طبیعت در همه سطوح شکل می دهند، و توضیح می دهند که چرا اجسام جامد از هم نمی پاشند و چگونه ستارگان می درخشند و در نهایت می میرند.
یک سال کوانتومی
رویدادهای یادبودی در طول 12 ماه آینده در سراسر جهان برنامه ریزی شده است. این رویدادها شامل مراسم افتتاحیه سال سازمان ملل در مقر سازمان علمی یونسکو در پاریس در ماه فوریه، رویدادهای ویژه در نشست انجمن فیزیک آمریکا در آناهیم، کالیفرنیا، در ماه مارس و یک کارگاه آموزشی برای فیزیکدانان در هلیگولند در ماه ژوئن است. جاه طلبی جمعی سازمان دهندگان این است که نه تنها صدمین سالگرد مکانیک کوانتومی، بلکه علم و کاربردهایی را که در قرن گذشته از آن ناشی شده است جشن بگیرند - و بررسی کنند که چگونه فیزیک کوانتومی می تواند در قرنآینده تغییرات بیشتری ایجاد کند.
در ماه مه، غنا، کشوری که در ابتدا پیشنهاد کرد سازمان ملل متحد سال 2025 را سال علم کوانتومی اعلام کند، میزبان یک کنفرانس بین المللی در مورد این موضوع در کوماسی است. و در ماه اوت، مورخان علم برای تجلیل از قرن کوانتومی در سالوادور د باهیا در برزیل گرد هم خواهند آمد.
این نشست نقطه اوج یک برنامه تحقیقاتی 20 ساله خواهد بود که با هدف بررسی مجدد توسعه نظریه کوانتومی آغاز شده است. میشل جانسن، مورخ دانشگاه مینه سوتا در مینیاپولیس، می گوید که یکی از اهداف اصلی این کار، تعیین سهم گروهی از دانشمندان بوده است که بسیاری از آنها - به ویژه زنان - در تاریخ این رشته به رسمیت شناخته نشده اند.
دانیلا مونالدی، مورخ دانشگاه یورک در تورنتو، کانادا، می گوید این «چهره های پنهان» شامل لوسی منسینگ است که عضوی از همان گروه هایزنبرگ بود و برخی از اولین کاربردهای نظریه مکانیکی کوانتومی او را تدوین کرد. یکی از برجسته ترین رویدادهای سال انتشار یک جلد زندگی نامه از مقالاتی درباره 16 نفر از آنها، با عنوان زنان در تاریخ فیزیک کوانتومی خواهد بود.
با وجود تمام دستاوردهایی که تا به حال به همراه داشته است، انقلاب کوانتومی هنوز کارهای ناتمامی دارد. در سال‌هایی که محققان در حال پایه‌گذاری مکانیک کوانتومی بودند، شروع به بازسازی شاخه‌های دیگر فیزیک - مانند مطالعه الکترومغناطیس و حالات ماده - از مبانی کوانتومی کردند. آنها همچنین به دنبال گسترش نظریه های خود برای در بر گرفتن اجسامی بودند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، چیزی که نظریه کوانتومی اصلی انجام نمی داد. این تلاش‌ها دامنه علم کوانتومی را به شدت گسترش داد و محققان را بر آن داشت تا مدل استاندارد ذرات و میدان‌ها را توسعه دهند، فرآیندی که سرانجام در دهه 1970 به هم رسید.
مدل استاندارد فوق‌العاده موفق بوده است و در سال 2012 با کشف ذره بنیادی لنگر خود، بوزون هیگز، به اوج خود رسید. اما این گسترش‌ها بر اساس پایه‌های نظری کمتری نسبت به مکانیک کوانتومی قرار دارند - و چندین پدیده را بدون توضیح باقی می‌گذارند، مانند ماهیت «ماده تاریک» که به نظر می رسد بسیار بیشتر از ماده معمولی و قابل مشاهده در کیهان وسیع تر است. علاوه بر این، یک پدیده مهم، گرانش، هنوز در برابر کوانتیزه شدن مقاومت می کند.
سایر مسائل مفهومی فیزیک کوانتومی هنوز باز است. به طور خاص، محققان در تلاش هستند تا بفهمند دقیقاً چه اتفاقی می افتد زمانی که آزمایش ها احتمالات مبهم اجسام کوانتومی را به یک اندازه گیری دقیق "فرو می ریزند"، گامی کلیدی در ایجاد دنیای ماکروسکوپی - که هنوز به طور غیرقابل انعطاف کلاسیک است - که در آن زندگی می کنیم. در چند دهه گذشته، محققان در حال توسعه راه هایی برای تبدیل این ویژگی های واقعیت کوانتومی به فناوری های مفید بوده اند. کاربردهای حاصل در محاسبات، ارتباطات فوق امن و ابزارهای علمی نوآورانه هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند.
نظریه کوانتومی همچنان به ارائه نتایج ادامه می دهد. امسال فرصتی است برای جشن گرفتن و آگاه کردن عموم مردم از نقش فیزیک کوانتومی در زندگی آنها - و برای الهام بخشیدن به نسل های آینده، هر که باشند و در هر کجای جهان که باشند، برای مشارکت در یک قرن کوانتومی دیگر.
Nature 637, 251-252 (2025)