กลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีพื้นฐานในฟิสิกส์ที่อธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของธรรมชาติในระดับอะตอมและอนุภาคมูลฐาน เป็นรากฐานของฟิสิกส์ควอนตัมทั้งหมด รวมถึงเคมีควอนตัม ทฤษฎีสนามควอนตัม เทคโนโลยีควอนตัม และวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัม
ในฟิสิกส์คลาสสิก คลื่นและอนุภาคถือเป็นเอนทิตีที่ต่างกัน อย่างไรก็ตาม กลศาสตร์ควอนตัม แนะนำแนวคิดเรื่อง ความเป็นคู่ระหว่างอนุภาคและคลื่น โดยที่อนุภาคแสดงคุณสมบัติทั้งคล้ายคลื่นและคล้ายอนุภาค ความเป็นคู่นี้แสดงได้ดีที่สุดด้วย แสง ซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค (โฟตอน)
การทดลองแบบ double-slit แสดงให้เห็นถึงความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของแสงและอิเล็กตรอน เมื่อลำแสงหรือกระแสอิเล็กตรอนพุ่งผ่านช่องแยกสองช่องที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดและไปบนตะแกรง รูปแบบการรบกวนจะปรากฏขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะของพฤติกรรมของคลื่น อย่างไรก็ตาม เมื่อสังเกตอนุภาค ดูเหมือนว่าพวกมันจะผ่านช่องหนึ่งหรืออีกช่องหนึ่ง เหมือนกับอนุภาค การทดลองนี้แสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมของอนุภาคสามารถเปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับว่าพวกมันถูกสังเกตหรือไม่ โดยแนะนำแนวคิดของ การซ้อนทับของควอนตัม โดยที่อนุภาคมีอยู่ในสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดพร้อมกันจนกว่าจะวัดได้
การซ้อนทับของควอนตัม เป็นหลักการพื้นฐานที่ระบุว่าระบบควอนตัมสามารถดำรงอยู่ในหลายสถานะพร้อมกันได้จนกว่าจะมีการวัด ซึ่งต่างจากฟิสิกส์คลาสสิกตรงที่ การพันกันของควอนตัม เป็นปรากฏการณ์ที่น่าสนใจอีกปรากฏการณ์หนึ่งที่อนุภาคเชื่อมต่อกัน ดังนั้นสถานะของอนุภาคหนึ่งจะมีอิทธิพลต่อสถานะของอีกอนุภาคหนึ่งทันที โดยไม่คำนึงถึงระยะห่างที่แยกพวกมันออกจากกัน สิ่งนี้แสดงให้เห็นผ่าน การทดลองของ Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) ซึ่งท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับท้องถิ่นและความเป็นเหตุเป็นผล
หลักการสำคัญอีกประการหนึ่งของกลศาสตร์ควอนตัมคือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ซึ่งระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ทั้งตำแหน่งที่แน่นอนและความเร็วที่แน่นอนของอนุภาคไปพร้อมๆ กัน ยิ่งมีการวัดคุณสมบัติหนึ่งอย่างแม่นยำมากขึ้นเท่าใด อีกคุณสมบัติหนึ่งก็จะสามารถควบคุมหรือทราบได้อย่างแม่นยำน้อยลงเท่านั้น แสดงได้ด้วยสมการ: \( \Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \) โดยที่ \(\Delta x\) คือความไม่แน่นอนในตำแหน่ง \(\Delta p\) คือ ความไม่แน่นอนของโมเมนตัม และ \(\hbar\) คือค่าคงที่ของพลังค์ที่ลดลง
พฤติกรรมของระบบควอนตัมมักอธิบายโดยใช้สม การชโรดิงเงอร์ ซึ่งเป็นสมการพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม สำหรับอนุภาคที่ไม่สัมพันธ์กัน รูปแบบที่ไม่ขึ้นกับเวลาของสมการชโรดิงเงอร์คือ: \( -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V\psi = E\psi \) ที่นี่ \(\psi\) คือฟังก์ชันคลื่นของระบบ \(V\) คือพลังงานศักย์ \(E\) คือพลังงานของอนุภาค \(m\) คือมวล และ \(\nabla^2\) คือตัวดำเนินการ Laplacian ซึ่งแสดงถึงผลรวมของอนุพันธ์เชิงพื้นที่ที่สอง ฟังก์ชันคลื่น \(\psi\) มีข้อมูลความน่าจะเป็นทั้งหมดเกี่ยวกับสถานะที่เป็นไปได้ของระบบ
หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมท้าทายมุมมองคลาสสิกของเราเกี่ยวกับระดับและตำแหน่ง สิ่งเหล่านี้มีผลกระทบอย่างลึกซึ้งในด้านต่างๆ รวมถึงการประมวลผล การเข้ารหัส และการเคลื่อนย้ายมวลสารผ่านเทคโนโลยี เช่น คอมพิวเตอร์ควอนตัม การเข้ารหัสควอนตัม และ การเคลื่อนย้ายมวลสารควอนตัม ความก้าวหน้าเหล่านี้สัญญาว่าจะปฏิวัติการประมวลผลข้อมูล การรักษาความปลอดภัย และการสื่อสาร โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติต่างๆ เช่น การซ้อนทับและการพัวพันเพื่อดำเนินงานที่ปัจจุบันนึกไม่ถึงด้วยเทคโนโลยีคลาสสิก
การวัดในกลศาสตร์ควอนตัมเป็นอีกแง่มุมหนึ่งที่แตกต่างจากฟิสิกส์คลาสสิก เมื่อมีการวัดระบบควอนตัม ฟังก์ชันคลื่นจะยุบ เป็นสถานะเดียวจากสถานะที่เป็นไปได้ทั้งหมดก่อนที่จะทำการวัด ผลลัพธ์ของการวัดควอนตัมใดๆ ก็ตามนั้นมีความน่าจะเป็นโดยพื้นฐาน และความน่าจะเป็นของผลลัพธ์ที่เป็นไปได้แต่ละผลลัพธ์จะถูกกำหนดโดยกำลังสองของแอมพลิจูดของฟังก์ชันคลื่น สิ่งนี้นำไปสู่ การตีความแบบโคเปนเฮเกน ซึ่งเป็นหนึ่งในกรอบแนวคิดพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งยืนยันว่ากลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้ให้คำอธิบายเกี่ยวกับความเป็นจริงตามวัตถุประสงค์ แต่เกี่ยวข้องกับความน่าจะเป็นในการสังเกตผลลัพธ์บางอย่าง
กลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้เป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้น แต่มีการใช้งานจริงที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ตัวอย่างเช่น หลักการของกลศาสตร์ควอนตัมมีความสำคัญต่อการออกแบบและการทำงานของ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ทรานซิสเตอร์และไดโอด ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ นอกจากนี้ กลศาสตร์ควอนตัม ยังมีความสำคัญในด้าน การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) เทคโนโลยีเลเซอร์ และในการพัฒนา นาฬิกาอะตอม ที่มีความแม่นยำสูง
แม้จะประสบความสำเร็จในการอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพที่หลากหลาย แต่กลศาสตร์ควอนตัมก็ยังนำเสนอความท้าทายเช่นกัน คำถามสำคัญข้อหนึ่งที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขคือ ปัญหาการวัด ซึ่งเกี่ยวข้องกับการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นและสิ่งที่ทำให้เกิด "การวัด" นอกจากนี้ การกระทบยอดของกลศาสตร์ควอนตัมกับทฤษฎี สัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายความโน้มถ่วงในกรอบของกลศาสตร์คลาสสิก ถือเป็นสาขาการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ โดยมีทฤษฎีต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วงควอนตัม และ ทฤษฎีสตริง ที่พยายามเชื่อมช่องว่างระหว่างทั้งสอง
โดยสรุป กลศาสตร์ควอนตัมเป็นองค์ประกอบหลักของฟิสิกส์ยุคใหม่ที่ขยายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโลกใบย่อยอย่างมากมาย และยังคงกระตุ้นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการถกเถียงทางปรัชญาต่อไป หลักการของหนังสือเล่มนี้ท้าทายสัญชาตญาณแบบคลาสสิกของเราเกี่ยวกับความเป็นจริง โดยนำเสนอกรอบการทำงานที่ละเอียดและน่าจะเป็นมากขึ้น ซึ่งอธิบายจักรวาลในระดับที่เล็กที่สุด
