جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵: مکانیک کوانتومی از خرد تا کلان

دقیقاً ۱۰۰ سال پس از کشف مکانیک کوانتومی، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ به سه دانشمند آمریکایی اهدا شد که نشان دادند اثرات کوانتومی عجیب می‌توانند در مقیاس بزرگ رخ دهند و عصر جدیدی را برای فناوری کوانتومی آغاز کنند.

دانشمندان جان کلارک، میشل اچ. دوورت و جان ام. مارتینیس به عنوان برندگان جایزه نوبل فیزیک امسال توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد، در یک کنفرانس مطبوعاتی در استکهلم، سوئد، در تاریخ ۷ اکتبر اعلام شدند. - عکس: رویترز

در سال ۱۹۲۵، فیزیکدانان هایزنبرگ، شرودینگر و دیراک مکانیک کوانتومی را کشف کردند - کشفی عجیب که جهان را تغییر داد.

دقیقاً ۱۰۰ سال بعد، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۵ به سه فیزیکدان آمریکایی اهدا شد که اثر تونل‌زنی کوانتومی - یک اثر کوانتومی میکروسکوپی عجیب - را به دنیای ماکروسکوپی آوردند و کاربردهای پیشگامانه بسیاری را برای آن گشودند.

خیلی خوب است که بتوانیم از روشی که مکانیک کوانتومیِ چند صد ساله همچنان شگفتی‌های جدیدی را به ارمغان می‌آورد، تجلیل کنیم. همچنین فوق‌العاده مفید است، زیرا مکانیک کوانتومی پایه و اساس تمام فناوری‌های دیجیتال است.

اوله اریکسون (رئیس کمیته نوبل فیزیک، در حال سخنرانی)

کشف غیرمنتظره اثر تونل‌زنی

بر اساس اعلام کمیته نوبل، سه فیزیکدان آمریکایی، جان کلارک، میشل اچ. دوورت و جان ام. مارتینیس، به دلیل «کشف اثرات تونل‌زنی کوانتومی ماکروسکوپی و کوانتش انرژی در مدارهای الکتریکی»، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵ را دریافت کردند.

جایزه امسال به پاسداشت مجموعه‌ای از آزمایش‌هایی است که آنها در سال‌های ۱۹۸۴ و ۱۹۸۵ روی مدارهای ابررسانا انجام دادند و نشان دادند که «تونل‌زنی» - پدیده عبور ذرات از موانعی که فقط در مکانیک کوانتومی رخ می‌دهد - می‌تواند در مقیاس‌های بسیار بزرگتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، رخ دهد.

پروفسور جان کلارک، که مدرک دکترای خود را در سال ۱۹۶۸ از دانشگاه کمبریج دریافت کرد، از سال ۱۹۶۹ استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی بوده است. او در حال حاضر استاد بازنشسته دانشکده تحصیلات تکمیلی این دانشگاه است.

میشل اچ. دوورت، متولد پاریس و دریافت کننده دکترای خود در همان شهر، استاد بازنشسته فیزیک کاربردی در موسسه کوانتومی ییل دانشگاه ییل است.

جان ام. مارتینیس دارای مدرک دکترا از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی است. او پس از تدریس در دانشگاه، اخیراً با گروه هوش مصنوعی کوانتومی گوگل همکاری داشته است.

در اواسط دهه ۱۹۸۰، آقای دوورت به همراه دانشجوی دکترایش، مارتینیس، به عنوان محقق پسادکترا به گروه تحقیقاتی آقای کلارک پیوست. آنها با هم چالش نشان دادن اثر تونل‌زنی کوانتومی در سطح ماکروسکوپی را بر عهده گرفتند.

این سه دانشمند در آزمایش‌های خود، مدارهایی از ابررساناها ساختند که می‌توانستند جریان الکتریکی را بدون مقاومت هدایت کنند. با تنظیم و اندازه‌گیری خواص مدار، آنها توانستند پدیده‌های رخ داده را کنترل کنند. ذرات بارداری که از ابررسانا عبور می‌کردند، سیستمی را تشکیل می‌دادند که گویی یک ذره واحد هستند که کل مدار را پر می‌کند.

این سیستم ذرات در ابتدا در حالتی است که جریان بدون ولتاژ جریان می‌یابد، گویی توسط یک مانع غیرقابل عبور مسدود شده است.

در این آزمایش، سیستم با فرار از این حالت از طریق اثر تونل‌زنی کوانتومی، خواص کوانتومی را نشان داد. این سه دانشمند همچنین نشان دادند که این سیستم کوانتیزه است، به این معنی که فقط مقادیر مشخصی از انرژی را جذب یا ساطع می‌کند.

تصویری از اثر تونل‌زنی کوانتومی: اگر توپی را به سمت دیوار پرتاب کنید، برمی‌گردد. اما اگر یک ذره میکروسکوپی پرتاب کنید، از دیوار عبور می‌کند. این اثر معمولاً برای گروه بزرگی از ذرات کاهش می‌یابد، به همین دلیل است که ما هرگز در زندگی روزمره عبور کسی از دیوار را نمی‌بینیم - عکس: یوهان جارنستاد/آکادمی علوم سوئد

هموار کردن راه برای فناوری کوانتومی

این آزمایش پیامدهای مهمی برای درک مکانیک کوانتومی دارد. پیش از این، اثرات مکانیک کوانتومی ماکروسکوپی شامل بسیاری از ذرات میکروسکوپی بود که با هم ترکیب شده و پدیده‌هایی مانند لیزر، ابررساناها و ابرشاره‌ها را تولید می‌کردند. با این حال، آزمایش‌های سه فیزیکدان برنده جایزه نوبل امسال، یک اثر ماکروسکوپی مستقیم ایجاد کرد.

این نوع حالت کوانتومی ماکروسکوپی، پتانسیل جدیدی را برای آزمایش‌هایی که از پدیده‌های حاکم بر دنیای میکروسکوپی بهره می‌برند، ایجاد می‌کند. می‌توان آن را نوعی اتم مصنوعی در مقیاس بزرگ در نظر گرفت که برای شبیه‌سازی و کمک به مطالعه سایر سیستم‌های کوانتومی استفاده می‌شود.

یک کاربرد مهم، کامپیوتر کوانتومی بود که مارتینیس بعداً آن را پیاده‌سازی کرد. او دقیقاً از کوانتیزاسیون انرژی که او و دو برنده جایزه نوبل مشترکش نشان داده بودند، استفاده کرد و از مدارهایی با حالت‌های کوانتیزه به عنوان بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها استفاده کرد که کمترین حالت انرژی ۰ و بالاترین حالت ۱ بود.

مدارهای ابررسانا یکی از تکنیک‌هایی هستند که در تلاش برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مورد بررسی قرار می‌گیرند. مارتینیس از سال ۲۰۱۴ تا ۲۰۲۰ رئیس گروه تحقیقاتی محاسبات کوانتومی گوگل بود.

آقای کلارک گفت تحقیقات آنها به هموار کردن راه برای پیشرفت‌های فناوری، مانند تولد تلفن‌های همراه، کمک کرده است. کمیته نوبل همچنین تأیید کرد: «امروزه هیچ فناوری پیشرفته‌ای وجود ندارد که مبتنی بر مکانیک کوانتومی نباشد، از جمله: تلفن‌های همراه، دوربین‌ها... و کابل‌های فیبر نوری».

وقتی فیزیک و شیمی در «تونل» کوانتومی به هم می‌رسند

جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۲۵، ۴۰ سال پیش به سه دانشمند به خاطر اکتشافاتشان در مکانیک کوانتومی اهدا شد. این نتیجه خیلی هم تعجب آور نیست، زیرا یونسکو سال ۲۰۲۵ را به عنوان سال بین المللی علوم و فناوری کوانتومی انتخاب کرده است.

کمیته نوبل اظهار داشت: «مکانیک کوانتومی اساس تمام فناوری‌های دیجیتال است... آزمایش‌های آنها پایه و اساس پیشرفت‌های جدید فناوری مبتنی بر اصول کوانتومی را بنا نهاد.»

این سه فیزیکدان اثر تونل زنی را کشف کردند و جهش های انرژی را در مدارهای الکتریکی تعیین کردند. اثر تونل زنی به زودی به یک مفهوم محوری در توضیح بسیاری از واکنش های شیمیایی تبدیل شد.

می‌توان آن را به سادگی مانند عبور از گذرگاه های وان تصور کرد: واکنش‌دهنده‌ها اغلب باید با انرژی بسیار بالا از گذرگاه بالا بروند، اما گاهی اوقات آنها "از تونل عبور می‌کنند" و سریع‌تر بر سد انرژی غلبه می‌کنند تا واکنشی ایجاد کنند.

تونل‌زنی در سطح دانشگاه در کتاب‌های درسی سینتیک شیمیایی تدریس می‌شود و هنگام محاسبه ثابت‌های سرعت واکنش با استفاده از روش‌های کوانتومی مدل‌سازی می‌شود. فیزیک و شیمی، بار دیگر، به طرز شگفت‌انگیزی با هم ترکیب می‌شوند.

پروفسور Nguyen Minh Tho - استاد افتخاری در دانشگاه KU Leuven، بلژیک

بازگشت به موضوع

دکتر نگوین ترونگ دان

منبع: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm