مکانیک کوانتومی یک نظریه اساسی در فیزیک است که خواص فیزیکی طبیعت را در مقیاس اتم ها و ذرات زیر اتمی توصیف می کند. این پایه و اساس تمام فیزیک کوانتومی از جمله شیمی کوانتومی، نظریه میدان کوانتومی، فناوری کوانتومی و علم اطلاعات کوانتومی است.
در فیزیک کلاسیک، امواج و ذرات به عنوان موجودات مختلف در نظر گرفته می شوند. با این حال، مکانیک کوانتومی مفهوم دوگانگی موج-ذره را معرفی می کند، که در آن ذرات هر دو ویژگی موج مانند و ذره مانند را نشان می دهند. این دوگانگی به بهترین وجه با نور نشان داده می شود که می توان آن را هم موج و هم ذره (فوتون) توصیف کرد.
آزمایش دو شکاف دوگانگی موج-ذره نور و الکترون ها را نشان می دهد. هنگامی که یک پرتو نور یا جریانی از الکترون ها از طریق دو شکاف با فاصله نزدیک و روی صفحه هدایت می شود، یک الگوی تداخل ظاهر می شود که مشخصه رفتار موج است. با این حال، هنگامی که ذرات مشاهده می شوند، به نظر می رسد مانند ذرات از یک شکاف یا شکاف دیگر عبور می کنند. این آزمایش نشان می‌دهد که رفتار ذرات می‌تواند بر اساس مشاهده یا عدم مشاهده آنها تغییر کند، با معرفی مفهوم برهم نهی کوانتومی ، که در آن یک ذره تا زمانی که اندازه‌گیری شود در تمام حالت‌های ممکن به طور همزمان وجود دارد.
برهم نهی کوانتومی یک اصل اساسی است که بیان می‌کند برخلاف فیزیک کلاسیک، سیستم‌های کوانتومی می‌توانند در چندین حالت همزمان وجود داشته باشند تا زمانی که اندازه‌گیری شوند. درهم تنیدگی کوانتومی پدیده جالب دیگری است که در آن ذرات به هم متصل می شوند به طوری که حالت یک ذره بدون توجه به فاصله ای که آنها را از هم جدا می کند، فوراً بر وضعیت ذره دیگر تأثیر می گذارد. این از طریق آزمایش‌های انیشتین-پودولسکی-روزن (EPR) نشان داده شده است و درک ما از موقعیت و علیت را به چالش می‌کشد.
یکی دیگر از اصول کلیدی مکانیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است که بیان می کند که نمی توان همزمان موقعیت دقیق و سرعت دقیق یک ذره را دانست. هر چه یک ویژگی دقیق‌تر اندازه‌گیری شود، می‌توان دیگری را با دقت کمتری کنترل یا شناخت. این با معادله نشان داده می شود: \( \Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \) که در آن \(\Delta x\) عدم قطعیت در موقعیت است، \(\Delta p\) برابر است عدم قطعیت در تکانه، و \(\hbar\) ثابت پلانک کاهش یافته است.
رفتار سیستم های کوانتومی اغلب با استفاده از معادله شرودینگر ، معادله اساسی مکانیک کوانتومی توصیف می شود. برای یک ذره غیر نسبیتی، شکل مستقل از زمان معادله شرودینگر این است: \( -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V\psi = E\psi \) در اینجا، \(\psi\) تابع موج سیستم، \(V\) انرژی پتانسیل، \(E\) انرژی ذره، \(m\) جرم و \(\nabla^2\) است. \(\nabla^2\) عملگر لاپلاسی است که مجموع مشتقات فضایی دوم را نشان می دهد. تابع موج \(\psi\) حاوی تمام اطلاعات احتمالی در مورد حالت های احتمالی سیستم است.
اصول مکانیک کوانتومی دیدگاه‌های کلاسیک ما را در مورد جبرگرایی و محلی بودن به چالش می‌کشد. آنها پیامدهای عمیقی در زمینه های مختلف، از جمله محاسبات، رمزنگاری، و انتقال از راه دور، از طریق فناوری هایی مانند رایانه های کوانتومی ، رمزگذاری کوانتومی ، و انتقال از راه دور کوانتومی دارند. این پیشرفت‌ها نوید انقلابی در پردازش اطلاعات، امنیت و ارتباطات را می‌دهند و از ویژگی‌هایی مانند برهم‌نهی و درهم تنیدگی برای انجام وظایفی استفاده می‌کنند که در حال حاضر با فناوری‌های کلاسیک غیرقابل تصور هستند.
اندازه گیری در مکانیک کوانتومی جنبه دیگری است که آن را از فیزیک کلاسیک متمایز می کند. وقتی یک سیستم کوانتومی اندازه‌گیری می‌شود، تابع موج از بین تمام حالت‌های ممکن که قبل از اندازه‌گیری در آن بود، به یک حالت منفرد فرو می‌رود . نتیجه هر اندازه گیری کوانتومی اساساً احتمالی است و احتمال هر پیامد ممکن با مجذور دامنه تابع موج تعیین می شود. این منجر به تفسیر کپنهاگ ، یکی از چارچوب‌های مفهومی اساسی مکانیک کوانتومی می‌شود، که ادعا می‌کند مکانیک کوانتومی توصیفی از یک واقعیت عینی ارائه نمی‌کند، بلکه با احتمالات مشاهده نتایج معین سروکار دارد.
مکانیک کوانتومی فقط یک نظریه نیست، بلکه کاربردهای عملی دارد که به طور قابل توجهی بر فناوری و علم مدرن تأثیر گذاشته است. به عنوان مثال، اصول مکانیک کوانتومی برای طراحی و عملکرد دستگاه های نیمه هادی مانند ترانزیستورها و دیودها، که بلوک های سازنده الکترونیک و کامپیوترهای مدرن هستند، ضروری است. علاوه بر این، مکانیک کوانتومی در زمینه های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) ، فناوری لیزر ، و در توسعه ساعت های اتمی بسیار دقیق بسیار مهم است.
علیرغم موفقیتش در توضیح طیف وسیعی از پدیده های فیزیکی، مکانیک کوانتومی نیز چالش هایی را به همراه دارد. یکی از سوالات اصلی حل نشده، مسئله اندازه گیری است که به فروپاشی تابع موج و آنچه که یک "اندازه گیری" را تشکیل می دهد، مربوط می شود. علاوه بر این، آشتی مکانیک کوانتومی با نسبیت عام ، نظریه ای که گرانش را در چارچوب مکانیک کلاسیک توصیف می کند، یک زمینه تحقیقاتی مداوم است، با نظریه هایی مانند گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان که سعی در پر کردن شکاف بین این دو دارند.
در نتیجه، مکانیک کوانتومی جزء اصلی فیزیک مدرن است که درک ما از جهان خرد را به شدت گسترش داده است و همچنان به پیشرفت‌های تکنولوژیکی و بحث‌های فلسفی دامن می‌زند. اصول آن شهود کلاسیک ما در مورد واقعیت را به چالش می کشد، و چارچوبی دقیق تر و احتمالاتی را ارائه می دهد که جهان را در کوچکترین مقیاس ها توصیف می کند.
