آرمان جاویدان

دکتر سیاوش آذرشیر

چندی پیش دوستی از من درباره بستگی فیزیک کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی پرسید . پیشتر هم با پرسشهای همسان برخورد کرده بودم که شاید برامده از بخت روزافزون به فیزیک مدرن است یا شاید هم بدگمانی درباره کاربرد آن. گزیریدم در آستانه صد و بیست سالگی فیزیک کوانتوم،  بررسی کنم که یافته‌های نگری آن چگونه به زندگی روزمره ما آمده است. کامپیوتر، تلفن هوشمند، تبلت، همگی ترازیستور را برای پردازش شنوادان(اطلاعات) به کار می گیرند. سازوکار ترانزیستور در شالوده یک پدیده کوانتومی است . ما از فیزیک کوانتومی آموخته ایم که الکترون ، هم ویژگی ذره‌ای  و هم ویژگی خیزابی(موجی) دارد . الکترونی که دور هسته اتم می‌چرخد به زبان کوانتومی خیزابی است که کیهان دور هسته را در بر گرفته است. تندی و گذرگه این خیزاب ، ویژگی های هر عنصری را برگماشت(تعیین) می‌کند . از جمله این که رسانا هست یا نه . نمونه وار ما می‌توانیم تندی و گذرگه این خیزاب را دور اتم سیلیسیم (سیلیکون) اندکی دستکاری و با افزودن نا سرگی(ناخالصی) یا انگیزش الکتریکی، سیلیسیوم را از نارسانا به رسانا یا به وارون دگردیس کنیم. این کار همان ساختن هیچ و یک است که جهان دیجیتال را بنیاد کرده است.

ما میلیاردها ترانزیستور در اندازه های نانومتر را کنار هم چیده‌ایم و لایه لایه روی هم گذاشته‌ایم تا پردازشگرها را بسازیم. از چابک‌ترین ابرکامپیوترها ، پیشرفته‌ترین اتومبیل ها و نوین ترین تلفن های همراه گرفته تا لامپ‌های کم گُسارش(مصرف) و کنترل از راه دور تلویزیون و افزار بازی‌های الکترونیکی همگی از ترازیستور به کار می گیرند.

تونل‌زنی کوانتومی

ما در بَرم(حافظه) فلش ، پدیده ای به نام تونل‌زنی کوانتومی را برای پاک کردن همه شنوادان(اطلاعات) به کار می گیریم. نه تنها در فلش که در کلیدهای ساده چراغ برق هم این پدیده به کمک ما آمده است. در تونل‌زنی کوانتومی، الکترون می‌تواند از میان یک لایه نازک نارسانا به اصطلاح "تونل زده" و بگذرد . این پدیده با فیزیک کلاسیک بازنمایی پذیر نیست چون هوده(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 بَرم(حافظه)‌ فلش، اگر میدان الکتریکی بسنده به همه ترانزیستورهای درونش بدهیم ، در واقع با تونل زنی کوانتومی همه آنها را وادار به حالت "یک" درآورده‌ایم ، چیم(یعنی) همه شنوادان(اطلاعات) پاک شده است. تونل زنی کوانتومی در کنار کاربرد سودمند ، اثر ویرانگر هم دارد . این پدیده در ریزپردازنده‌ها و پردازنده‌های تندی بالا ، رَون(باعث) اتصال کوتاه می‌شود در هوده همه یا بخشی از دستگاه الکترونیکی از کار می‌افتد یا داغ می‌شود.

جی.پی.اس

سیستم جایاب جهانی (جی.پی.اس) هم به فیزیک کوانتومی نیازمند است . افزارهای راهیابی این روزها در هر تلفن هوشمندی هست و ما روزانه برای یافتن آدرس آن را به کار می گیریم . پشت پرده این افزارها کوتی (مجموعه‌ای) از ماهواره‌ها و فنگام های(ساعت‌های) اتمی جای دارند که جایابی را شدنی می کنند. برای این کار بایا است که راهیاب ما از چند ماهواره گذرگه‌یابی ، سیگنال دریافت کند . این سیگنال در بردارنده این شنوادان(اطلاعات) است: جایگاه باریک ماهواره در دم فرستادن و زمان باریک آن. با دانستن اندازه زمان رهنوردی سیگنال و تندی آن که برابر با چابکی نور است، واخیده(فاصله) ما از ماهواره دانسته می‌شود . افزار جا‌یاب، محاسبات هندسی را برای مجموعه ماهواره‌ها انجام می‌دهد و نقطه هنباز آنها را که جای ماست در می یابد . کامناکام(البته) به پیغانی(شرطی) که همه این فنگام ها(ساعت‌ها) باهم کار کنند که کامناکام چنین هم هست . فنگام های(ساعت‌های) درون ماهواره‌ها با هم و با یک فنگام روی زمین همزمان شده‌اند . این فنگام ها باید بتوانند پیوسته و باریک کار کنند و این توانایی را فنگام اتمی فراهم کرده است . چگونگی کار فنگام اتمی هم برگرفته از فیزیک کوانتومی است . یک ثانیه برابر ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ بار نوسان خیزاب(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 جایاب تلفن هوشمند به کمکتان آمد، بدانید که کار فیزیک کوانتوم بوده است!

لیزر

در ایران هر روز بیش از ۲۱ میلیون تن  تلگرام را برای فرستادن پیام به دوستان خود به کار می گیرند . زمانی که بایا است تا یک پیام نوشتاری از گوشی شما به گوشی دیگری برسد بسیار ناچیز است ، در حالی که گذرگه دور و درازی می پیماید. ناگریز اگر فرستنده و گیرنده در یک اتاق باشند : گوشی شما ، مرکز مخابرات ، مراکز اینترنتی میانجی در کشورهای همسایه ، یکی از سرورهای تلگرام در جاهای جوراجور جهان ، برگشت به گذرگه اینترنتی که به گیرنده می رسد ، مرکز مخابرات گیرنده و گوشی گوشی گیرنده ، همه و همه پیموده می شوند.

همه این شنوادان(اطلاعات) از راه تاربست های(شبکه‌های) فیبر نوری ترابر می‌شوند. فیبر نوری مانند کابل برق ولی برای ترابر سیگنال نور است. ویک نور  بِکاری(معمولی) برای این کار شایسته نیست. نور بِکاری(معمولی)  یا نور سفید کوتی(مجموعه‌ای) از رنگ‌های (درازنای خیزاب) گوناگون است؛ مانند نور خورشید که پس از گذشتن از ذرات ریز باران تجزیه شده و به دیسه رنگین کمان در می‌آید . درازنای خیزاب(طول موج)‌های نور بِکاری(معمولی) فازهای جوراجور دارند، بنابراین یکدیگر را ویران کرده و در واخیده های(فواصل) دراز سست می‌شوند . اینجا هم فیزیک کوانتومی به چهره لیزر به کمک ما آمده است. لیزر چیم(یعنی) نور تک رنگی که تنها یک درازنای خیزاب(طول موج) دارد و می‌تواند سیگنال‌های پر توان زاست(تولید) کند . شالوده کار لیزر "گسیل برانگیزندگی" است؛ پدیده‌‍‌ای کوانتومی که در آن یک فوتون با درازنای خیزاب ویچارده(مشخص) با یک الکترون برانگیخته برخورد می‌کند و بر اثر این برخورد ، الکترون از حالت برانگیخته بیرون می‌شود که در هوده آن یک فوتون دیگر با ویژگی های یکسان ساخته شده و به فوتون نخست پیوسته و به این چیدمان سیگنال نیرودهی می‌شود . اگر نگاهی به لیست کاربردهای لیزر بیاندازید ، آبشخورهای آشنای دیگری هم پیدا می‌کنید: پرینتر لیزری ، دستگاه سی‌دی خوان ، بارکد خوان و کامناکام دوربین‌های کنترل چابکی.

پزشکی

رد پای کاربرد کوانتوم در پزشکی هم کم نیست : کنش زخمگری(جراحی) لیزیک ، ام آر آی ، پرتو درمانی و جز اینها. لیزر در درمان تومورهای چَنگاری(سرطانی) کاربرد گسترده ای دارد . در این روش ذرات باردار (یونیزه) مانند پروتون به سوی توده چَنگاری فرستاده می‌شوند . ذره در نقطه  آماژ ، انرژی خود را آزاد می‌کند که رَون(باعث) آسیب به DNA سلول چَنگاری می‌شود وسرانجام آن را از میان می‌برد . این ذرات باردار در دستگاه‌های شتاب‌دهنده پدیدار می‌شوند و به اندازه‌ای که به باریکی محاسبه شده به درون تن بیمار تابانده می‌شوند . فیزیکدانان اندازه انرژی بایا برای یونیزه کردن یک ذره را از روی پیرو خیزاب کوانتومی ذره برآورد می‌کنند.

اگرچه فیزیک کوانتومی دربردارنده فرایافت های مجرد و معادلات ریاضی پیچیده است ولی کاربرد آن زندگی ما را دگر کرده است و امکانات نوینی فراهم کرده که بدون شناخت رفتار کوانتومی انرژی و ماده شدنی نبود . دانشی که هنوز راه درازی برای گسترش دارد و باید به ، به کارگیری های بیشتر آن در آینده امیدوار بود.