نقشه راه درس فیزیک مدرن

مقدمه و معضلات فیزیک کلاسیک. اوایل قرن بیستم، فیزیک نظری علاوه بر مشکلات مربوط به نسبیت و فضا و زمان، دارای معضلات و شکست های بسیار جدی دیگری بود.مشکلات فیزیک نظری در این دوره، منجر به تدوین بخش انقلابی جدیدی در فیزیک شدند. در بخش نسبیت خاص گفته شد که چگونه معضلات مربوط به نسبیت و فضا زمان منجربه تدوین نظریه ی نسبیت خاص شد، که توصیف  کاملا جدیدی از طبیعت را بیان می کرد. معضلات دیگر فیزیک کلاسیک در این دوره عبارت بودند از مسئله ی تابش جسم سیاه، پایداری اتم هیدروژن و ظرفیت گرمایی مواد. تلاش برای حل این مشکلات منجر به تدوین نظریه فیزیک کوانتومی شد. حال به بررسی مختصر این معضلات می پردازیم.

همه ی اجسام تابش گرمایی دارند. جسم سیاه جسمی است که همه ی تابش الکترومغناطیسی کهبه آن تابیده می شود را جذب کرده و به صورت الگوی خاصی که به آن تابش گرمایی می گوییم می تاباند. در ابتدا این الگوی تابشی و خواص آن یعنی قوانین وین و استفان – بولتزمن در آزمایشگاه بدست آمد. فیزیک نظری در قالب تئوری الکترومغناطیس و مکانیک آماری می کوشد تا این پدیده را توصیف کرده و نتایج آزمایشگاهی را اثبات کند. نتایج کلاسیکی فیزیک نظری در توصیف این سیستم بسیار ناامید کننده بود به طوری که این شکست در توصیف این پدیده فاجعه ی فرابنفش نامیده شد. به عنوان مثال فیزیک کلاسیک می گوید که غالب تابش گرمایی در طول موج های بسیار کم می باشد، هر چه طول موج کم تر شود تابش بیشتر می شود، توان تابشی یک جسم دما دار نیز بی نهایت بدست می آمد. همه ی این نتایج به وضوح با نتایج آزمایشگاهی و عقل سلیم در تناقض بودند.

نظریه ی الکترومغناطیس پیش بینی می کند که بارهای شتابدار با فرمول توان تابشی لارمور انرژی تابش می کنند.  حرکت الکترون نیز در اتم هیدروژن و یا بقیه ی اتم ها به صورت حرکت متناوب و شتابدار است، بنابراین این الکترون ها باید انرژی تابش کنند و پس از مدتی بر روی هسته سقوط کنند. می توان با محاسبات ساده ای نیمه عمر اتم هیدروژن را بدست آورد، این مقدار از مرتبه ی 10-^10 ثانیه می باشد. می دانیم که میلیارد های سال است که اتم ها تشکیل شده اند و پایدار مانده اند پس این نتیجه کاملا غیر قابل قبول است. علاوه بر این فیزیک کلاسیک نمی توان هیچ طول مشخصه ای را برای اتم هیدروژن پیش بینی کند، از دید فیزیک کلاسیک الکترون در اتم هیدروژن بینهایت حالت پیوسته دارد. اما نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از مطالعه ی طیف جذبی نشری اتم هیدروژن نشان می دهند که باید حتما الکترون در تراز های مشخصی قرار بگیرید و همچنین اتم هیدروژن طول مشخصه ای به عنوان معکوس ثابت ریدبرگ دارد.

مکانیک آماری با کمک قضیه ی همپاری انرژی جواب بسیار ساده ای برای ظرفیت گرمایی مواد (بر واحد تعداد ذره ) بدست می آید. مثلا این قضیه پیش بینی می کند که ظرفیت گرمایی گاز ها و جامدات بر واحد ذره همیشه ثابت می باشد که مقدار آن مضرب طبیعی از نصف ثابت بولتزمن می باشد. به وضوح این نتیجه با مشاهدات آزمایشگاهی در تناقض بود. علاوه بر این قانون سوم ترمودینامیک قید های مهمی بر روی رفتار مواد در دمای صفر قرار می دهد که کاملا در تناقش با نتایج مکانیک کلاسیک و مکانیک آماری بود.

برای حل هر کدام از این معضلات، تلاش های مختلفی صورت گرفت. در ابتدا واضح نبود که فقط یک ثابت جدید و یک نظریه ی جدید برای حل همه ی این مشکلات لازم است. اما به مرور زمان و با تلاش فیزیدانانی همچون شرودینگر، هایزنبرگ، دیراک،پلانک ، دوبروی، انیشتین و ….نهایتا در سال 1927 مکانیک کوانتومی به عنوان نظریه ی بنیادی توصیف کننده ی دینامیک سیستم های طبیعت فرمولبندی و معرفی شد.

به صورت کلی نظریه مکانیک کوانتومی دارای ساختار غنی ریاضی و بحث های عمیق پیچیده ای است. این مطالب جزو دروس المپیاد نیسیتند و فقط کافی است که به صورت مقدماتی با این نظریه آشنا بشوید. حال به بررسی بخش های مختلف این نظریه که جزو سرفصل های المپیاد هستند می پردازیم.