فیزیک ذهن
معرفی و تشریح رشته ای جدید به نام فیزیک ذهنفیزیک ذهن
معرفی و تشریح رشته ای جدید به نام فیزیک ذهنآیا افکار ما توسط مکانیک کوانتمی کنترل می شود؟(۳)
جلبکهای سبز احتمالا از محاسبات کوانتومی برای تبدیل نور خورشید به غذا استفاده میکنند. |
پژوهشگران که با این کشفیات به وجد آمده اند، به دنبال تقلید قابلیتهای کوانتومی طبیعت هستند تا بتوانند گردآورنده هایی با بازده نزدیک به فوتوسنتز برای انرژی خورشیدی بسازند. آلن آسپورو گوتزیک، استادیار شیمی و زیست شناسی شیمیایی در دانشگاه هاروارد، تیمی را رهبری میکند که در حال پژوهش روی روشهایی است برای استفاده از آموزه های کوانتومی فوتوسنتز در سلولهای خورشیدی آلی. این پژوهش فعلا در اولین مراحل خود قرار دارد، اما آسپورو گوتزیک معتقد است که میتوان از کار فلمینگ در عرصه رقابت برای تولید سلولهای خورشیدی ارزان و کارآمد با ملکولهای آلی استفاده کرد.
DiscoverMagazine.com , January 13, 2009منبع:
مترجم: بهزاد مقصودی
آیا افکار ما توسط مکانیک کوانتمی کنترل می شود؟ (۲)
گراهام فلمینگ روی یک نیمکت به شکل ال نشسته که فضایی به مساحت دو برابر یک پارکینگ را اشغال کرده است. در کنار او یک جفت دستگاه لیزر در حال تولید پالسهای نوری به طول یک هزار تریلیونیم ثانیه هستند. این بارقه های نوری، پس از عبور از یک مسیر پرپیچ و خم از آینه ها و عدسیها، سرانجام سر از یک جعبه سیاه دودگرفته در می آورند که شامل پروتئینهایی از باکتریهای گوگرد سبز میباشد. این باکتریها، در حالت عادی، غذا و انرژی خود را از خورشید بدست می آورند. درون این جعبه سیاه، سیستمهای اپتیکی با دقت یک میلیاردم متر، در حال ردیابی موضوع شگفت انگیزی هستند: الکترونهای رقصان درون این پروتئینها، پرشهای بظاهر ناممکنی انجام میدهند و بنظر میرسد که در آن واحد در چندین نقطه حضور داشته باشند.
سلول
عصبی یک حلزون دریایی میت |
فلمینگ و همکارانش در دانشگاه برکلی کالیفرنیا و
دانشگاه سنت لوییس واشنگتن با بررسی دقیق این پروتئینها، موفق به کشف
موتور محرکه یک مرحله کلیدی از فرآیند فوتوسنتز شده اند. فرآیندی که
گیاهان و برخی از ریزجانداران توسط آن آب، دی اکسید کربن و نور خورشید را
به اکسیژن و هیدراتهای کربن تبدیل میکنند. این فرآیند که نیروی محرکه
تقریبا تمامی حیات موجود روی زمین است، از هر فرآیند مبدل انرژی که تا
کنون توسط بشر ساخته شده، کارآمدتر میباشد. نکته قابل توجه این است که
فوتوسنتز کارآیی شگفت آور خود را، نه از قوانین آشنای فیزیک که بر جهان
مرئی حاکم هستند، بلکه از قواعد بظاهر غریب مکانیک کوانتومی، یا فیزیک
دنیای درون اتم، بدست می آورد.
بنظر میرسد که در هر گیاه سبز یا هر باکتری فوتوسنتز کننده ای، دو قلمرو
نامتجانس فیزیک نه تنها یکدیگر را ملاقات میکنند، بلکه بگونه ای همساز با
هم پیوند میخورند. به دنیای جدید و شگفت انگیز زیست شناسی کوانتومی خوش
آمدید!
در ظاهر امر، بنظر میرسد که نتوان مکانیک کوانتوم و دانش زیست شناسی را با هم ترکیب نمود. زیست شناسی، با فرآیندهایی در اندازه های بزرگ سر و کار دارد، از تعاملات ملکولی بین پروتئینها و دی ان آ گرفته تا رفتار یک ارگانیزم در حالت کلی آن؛ حال آنکه مکانیک کوانتومی، طبیعت معمولا عجیب الکترونها، پروتونها، میونها و کوارکها - یا کوچکترین ذرات جهان - را مورد بررسی قرار میدهد. در زیست شناسی، اکثر رویدادها سرراست هستند، از این نظر که هر واکنش، واکنش دیگری را بگونه ای کاملا خطی و قابل پیش بینی ایجاد میکند. ولی مکانیک کوانتومی، بر خلاف آن، غیرقابل پیش بینی و فازی است، زیرا هنگامی که جهان را در اندازه های درون اتمی مورد بررسی قرار میدهیم، ذرات در عین حال موج نیز محسوب میشوند: یک الکترون رقصان، هم یک ذره قابل لمس است و هم یک نوسان انرژی. (اشیای بزرگتر نیز به دو شکل ذره و موج میتوانند وجود داشته باشند ولی تاثیر این امر در جهان ماکروسکوپی قابل توجه نیست.)
مکانیک کوانتومی اظهار میکند که هر ذره شانس حضور در مجموعه ای از مکانها را دارد، و به تعبیری، در آن واحد، همه این مکانها را اشغال میکند. فیزیکدانها، واقعیتهای کوانتومی را در معادله ای تحت عنوان تابع موج توصیف میکنند، که کلیه راههای بالقوه تحول یک سیستم را منعکس میسازد. تا وقتی که کسی سیستم را اندازه گیری نکرده باشد، هر ذره در کلیه مکانهای متعدد خود حضور دارد. لیکن در لحظه اندازه گیری، ذره باید یک مکان معین را برای خود "انتخاب کند". فیزیکدانهای کوانتومی میگویند که در این نقطه، احتمالات به یک نتیجه معین محدود شده و تابع موج "فرومی ریزد" و امواج قطعیت را در فضا-زمان ارسال مینماید.
اعمال قطعیت روی یک ذره، میتواند ویژگیهای دیگر ذرات مرتبط با آن را، حتی اگر چندین سال نوری دورتر باشند، تغییر دهد. (این فرآیند تاثیر از راه دور همان است که فیزیکدانها به نام وابستگی کوانتومی(Quantum Entanglement) میشناسند.) درست مانند بازی دومینو، تغییر یک ذره سبب تغییر ذره بعدی میشود و همینطور الی آخر.
پیامدهای مطالب گفته شده، سرگیجه آور است. در جهان ماکروسکوپی، هرگز یک توپ بطور ناگهانی خود را به آن سوی دیوار پرت نمیکند. لیکن در جهان کوانتومی، الکترون واقع در یک ملکول زیستی، ممکن است به یک ملکول زیستی دیگر جهش کند، هر چند که طبق قوانین کلاسیک فیزیک، وابستگی الکترونها چنان شدید است که امکان گریز برایشان متصور نیست. پدیده جهش از مرزهای بظاهر ممنوع را نقب سازی کوانتومی (Quantum Tunneling) مینامند.
ویژگیهای خاص قلمرو کوانتوم، از نقب سازی تا وابستگی کوانتومی، موجب میشود که برخی رویدادها با چنان بازدهی یا سرعتی به وقوع بپیوندند که با فیزیک کلاسیک امکان دستیابی به آن وجود ندارد. حال پرسش این است که آیا مکانیزمهای کوانتومی میتوانند محرک برخی از ظریف ترین و توضیح ناپذیرترین فرآیندهای حیاتی باشند؟ سالیان متمادی، متخصصین در این باره تردید داشتند: پدیده های کوانتومی عموما در شرایط آزمایشگاهی مشاهده میشوند، در اتاقهای خلاء با دماهای نزدیک به صفر مطلق. حال آنکه سیستمهای زیستشناختی معمولا گرم و مرطوب هستند. اکثر پژوهشگران بر این باور بودند که اغتشاش حرارتی حیات، هر گونه رفتار غیرعادی کوانتومی را در خود محو میسازد.
اما کریستوفر آلتمن، پژوهشگری از موسسه دانش نانوی کاولی در هلند، میگوید که آزمایشهای جدید، بطور مرتب، حکایت از حضور فرآیندهای کوانتومی در سیستمهای زیست شناختی دارند. با ظهور ابزارهای قدرتمند جدید مانند لیزرهای فمتوثانیه ای (ده به توان منهای پانزده ثانیه) و مکان یابی با دقتهایی در ابعاد نانو، سرانجام رقص کوانتومی حیات در برابر دیدگان ما قرار گرفته است.
منبع:DiscoverMagazine.com , January 13, 2009
مترجم: بهزاد مقصودی
کامپیوترهای آینده
کامپیوترهای کنونی تنها از cpu یا واحد پردازشگری استفاده می نمایند که در آن الکترونها از کنار یکدیگر عبور نموده و حرکت الکترونها به عنوان عاملی برای پردازش اطلاعات می باشد. اما حرکت خود الکترونها نیز موجب ایجاد جریانی از ذرات الکترومغناطیس می شود که شارهای الکترومغناطیس را به وجود می آورد بنابراین استفاده از حرکت این ذرات که هم سرعت بیشتری داشته و هم در حجم بسیار کوچکی حرارت ایجاد نمی کنند محدودیت استفاده از الکترونها را برطرف می سازند. این همان چیزی است که ذهن انسان از آن استفاده می کند و با مهندسی معکوس این موضوع ما می توانیم کامپیوترهایی بسازیم که با قدرت بسیار زیاد کار کرده و توانایی های بسیار بالاتری نیز از خود نشان دهد. مغز انسان مسیرهای حرکت الکترونی را ایجاد می نماید و با حرکت الکترونها در این مسیرهای امواج الکترومغناطیس در اطراف این مسیرها ایجاد می شود که ذهن بیشتر محاسبات خود را در این فضای مغناطیسی انجام داده و مجددا این شارها با تغییرات در خود می توانند جریان ایجاد نمایند و در نتیجه محاسبات در فضایی مناسب تر و با سرعت بیشتری صورت می گیرد و دوباره به صورت سیگنال های الکتریکی در فضایی که مناسب بدن انسان و ذهن انسان است در می آورد.
کاربرد این موضوع در آینده در کامپیوترها می تواند نسل جدیدی از پردازش گرها را ایجاد نماید که برای محاسبات خود نیاز به فضای زیادی نداشته و بدون نیاز به خنک شدن و سیستم الکترونی حاضر می توانند کار های فوق العاده ای را انجام دهند که تاکنون برای ما قابل تصور نیز نمی باشد. کامپیوترهایی که قابل تفکر می باشند و می توانند مانند ذهن انسان اعمال منحصر به فردی را انجام دهند.
آیا افکار ما توسط مکانیک کوانتم کنترل میشود؟
فلمینگ
و همکارانش در دانشگاه برکلی کالیفرنیا و دانشگاه سنت لوییس واشنگتن با
بررسی دقیق این پروتئینها، موفق به کشف موتور محرکه یک مرحله کلیدی از
فرآیند فوتوسنتز شده اند. فرآیندی که گیاهان و برخی از ریزجانداران توسط
آن آب، دی اکسید کربن و نور خورشید را به اکسیژن و هیدراتهای کربن تبدیل
میکنند. این فرآیند که نیروی محرکه تقریبا تمامی حیات موجود روی زمین است،
از هر فرآیند مبدل انرژی که تا کنون توسط بشر ساخته شده، کارآمدتر میباشد.
نکته قابل توجه این است که فوتوسنتز کارآیی شگفت آور خود را، نه از قوانین
آشنای فیزیک که بر جهان مرئی حاکم هستند، بلکه از قواعد بظاهر غریب مکانیک
کوانتومی، یا فیزیک دنیای درون اتم، بدست می آورد.
بنظر میرسد که
در هر گیاه سبز یا هر باکتری فوتوسنتز کننده ای، دو قلمرو نامتجانس فیزیک
نه تنها یکدیگر را ملاقات میکنند، بلکه بگونه ای همساز با هم پیوند
میخورند. به دنیای جدید و شگفت انگیز زیست شناسی کوانتومی خوش آمدید!
در ظاهر امر، بنظر میرسد که نتوان مکانیک کوانتوم و دانش زیست شناسی را با هم ترکیب نمود. زیست شناسی، با فرآیندهایی در اندازه های بزرگ سر و کار دارد، از تعاملات ملکولی بین پروتئینها و دی ان آ گرفته تا رفتار یک ارگانیزم در حالت کلی آن؛ حال آنکه مکانیک کوانتومی، طبیعت معمولا عجیب الکترونها، پروتونها، میونها و کوارکها - یا کوچکترین ذرات جهان - را مورد بررسی قرار میدهد. در زیست شناسی، اکثر رویدادها سرراست هستند، از این نظر که هر واکنش، واکنش دیگری را بگونه ای کاملا خطی و قابل پیش بینی ایجاد میکند. ولی مکانیک کوانتومی، بر خلاف آن، غیرقابل پیش بینی و فازی است، زیرا هنگامی که جهان را در اندازه های درون اتمی مورد بررسی قرار میدهیم، ذرات در عین حال موج نیز محسوب میشوند: یک الکترون رقصان، هم یک ذره قابل لمس است و هم یک نوسان انرژی. (اشیای بزرگتر نیز به دو شکل ذره و موج میتوانند وجود داشته باشند ولی تاثیر این امر در جهان ماکروسکوپی قابل توجه نیست.)
مکانیک کوانتومی اظهار میکند که هر ذره شانس حضور در مجموعه ای از مکانها را دارد، و به تعبیری، در آن واحد، همه این مکانها را اشغال میکند. فیزیکدانها، واقعیتهای کوانتومی را در معادله ای تحت عنوان تابع موج توصیف میکنند، که کلیه راههای بالقوه تحول یک سیستم را منعکس میسازد. تا وقتی که کسی سیستم را اندازه گیری نکرده باشد، هر ذره در کلیه مکانهای متعدد خود حضور دارد. لیکن در لحظه اندازه گیری، ذره باید یک مکان معین را برای خود "انتخاب کند". فیزیکدانهای کوانتومی میگویند که در این نقطه، احتمالات به یک نتیجه معین محدود شده و تابع موج "فرومی ریزد" و امواج قطعیت را در فضا-زمان ارسال مینماید.
اعمال قطعیت روی یک ذره، میتواند ویژگیهای دیگر ذرات مرتبط با آن را، حتی اگر چندین سال نوری دورتر باشند، تغییر دهد. (این فرآیند تاثیر از راه دور همان است که فیزیکدانها به نام وابستگی کوانتومی(Quantum Entanglement) میشناسند.) درست مانند بازی دومینو، تغییر یک ذره سبب تغییر ذره بعدی میشود و همینطور الی آخر.
پیامدهای مطالب گفته شده، سرگیجه آور است. در جهان ماکروسکوپی، هرگز یک توپ بطور ناگهانی خود را به آن سوی دیوار پرت نمیکند. لیکن در جهان کوانتومی، الکترون واقع در یک ملکول زیستی، ممکن است به یک ملکول زیستی دیگر جهش کند، هر چند که طبق قوانین کلاسیک فیزیک، وابستگی الکترونها چنان شدید است که امکان گریز برایشان متصور نیست. پدیده جهش از مرزهای بظاهر ممنوع را نقب سازی کوانتومی (Quantum Tunneling) مینامند.
ویژگیهای خاص قلمرو کوانتوم، از نقب سازی تا وابستگی کوانتومی، موجب میشود که برخی رویدادها با چنان بازدهی یا سرعتی به وقوع بپیوندند که با فیزیک کلاسیک امکان دستیابی به آن وجود ندارد. حال پرسش این است که آیا مکانیزمهای کوانتومی میتوانند محرک برخی از ظریف ترین و توضیح ناپذیرترین فرآیندهای حیاتی باشند؟ سالیان متمادی، متخصصین در این باره تردید داشتند: پدیده های کوانتومی عموما در شرایط آزمایشگاهی مشاهده میشوند، در اتاقهای خلاء با دماهای نزدیک به صفر مطلق. حال آنکه سیستمهای زیستشناختی معمولا گرم و مرطوب هستند. اکثر پژوهشگران بر این باور بودند که اغتشاش حرارتی حیات، هر گونه رفتار غیرعادی کوانتومی را در خود محو میسازد.
منبع :http://shavking.blogfa.com/post-3.aspx
کامپیوترهای کوانتمی
آیا تاکنون نام قانون مور را شنیده‌اید؟ حدود 40 سال پیش، «گوردون مور» (Gordon Moor) از بنیان‌گذاران شرکت «اینتل» با در نظر‌گرفتن روند تغییر میزان پیچیدگی مدارهای میکروالکترونیک پیش‌بینی کرد این میزان هر‌سال دو برابر شود.معیار اندازه‌گیری این پیچیدگی تعداد ترانزیستور در واحد سطح بود. بر اساس این پیش بینی، هر سال IC هایی به بازار می‌آمدند که تعداد ترانزیستورهای آنها در واحد سطح، دو برابر سال قبل بود. این پیش‌بینی کم‌کم به‌عنوان شاخصی برای پیش‌بینی آینده‌ی صنعت میکروالکترونیک تبدیل شد و نام قانون به خود گرفت .
اما لحظه‌ای تامل کنید: دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها یعنی نصف شدن ابعاد آنها!بدیهی است که برای کوچک‌شدن ابعاد ترانزیستورها حد پایینی وجود دارد. به این معنی که اندازه‌ی چیپ‌های سیلیکونی سرانجام به جایی میرسد که از حدود ابعاد اتمی بزرگتر نخواهد بود و فیزیک حاکم برابعاد اتمی دیگر از قوانین کلاسیک پیروی نمیکند.ومشکل دقیقا از همین‌جا شروع میشود:
از یک‌سو برای افزایش سرعت پردازش داده‌ها باید ترانزیستورهای تراشه‌ها کوچک‌تر شوند تا الکترون مسیر کوتاه‌تری بپیماید و از سوی دیگر کوچک شدن ابعاد تراشه‌ها سبب بروز مشکلات ترمودینامیکی میشود به این معنی که دمای تراشه‌ها به سرعت افزایش می‌یابد و در نهایت کارکرد کلی سیستم را کاهش میدهد.
مجموعه‌ی تمام این مشکلات پرسش جدیدی را پیش روی دانشمندان نهاد:
آیا میتوان نوع جدیدی از کامپیوتر بر اساس اصول کوانتم مکانیک طراحی کرد؟
فیزیکدان مشهور،«ریچارد فاینمن»، در زمره‌ی اولین افرادی بود که در جستجوی پاسخی برای این پرسش برآمد ودر این راستا درسال 1982 میلادی مدلی انتزاعی برای چگونگی انجام محاسبات مبتنی بر اصول کوانتم مکانیک ارائه کرد. کامپیوتر‌کوانتومی باید با کامپیوتر‌کلاسیک، یعنی همین کامپیوتری که در مقابل شما قرار‌دارد، تفاوت اساسی داشته باشد. به این نکته توجه کنید که اگرچه کامپیوترهای کنونی بر قله‌ی پیشرفت فناوری‌های رایانه‌ای ایستاده‌اند ، با‌نهایت شگفتی،بر‌اساس اصول کارکرد با اجداد غول‌پیکر 30 تنی خود که به 18000 لامپ خلا و500 مایل سیم مجهز بودند تفاوت چندانی ندارند. یعنی اگرچه فشرده‌تر ونیز به‌طور چشم‌گیری درانجام فرآیندهای محاسباتی سریع‌تر شده‌اند، نحوه‌ی عمل‌کرد آنها اصولا ثابت مانده است.
واحد اطلاعات در کامپیوترهای کلاسیک بیت است که با 0و1 نمایش داده میشود وهر بیت به لحاظ فیزیکی به کمک یک سیستم ماکروسکوپی مانند مغناطیدگی دیسک سخت یا باردارشدن خازن مشخص میشود اما در یک کامپیوترکوانتمی واحد اطلاعات کیوبیت (qbit) است و مقادیر صفر، یک و یا حتی یک برهم‌نهی کوانتمی ازاین دو را در بر‌می‌گیرد و بنابراین دودویی نیست پس دیگراز چارچوب منطق «بولی» تبعیت نمیکند وبه جای آن ازچارچوب «منطق کوانتومی» پیروی میکند. یک مثال برای اجرایی کردن ایده‌ی طراحی کامپیوترهای کوانتومی، استفاده از ذره‌هایی است که دو حالت اسپینی دارند.(اسپین یک خاصیت ذاتی ذره است که مشابه کلاسیک ندارد و با یک تقریب ساده‌‌انگارانه میتوان آن راهم‌چون حرکت وضعی زمین، چرخش الکترون به دور خودش دانست. )
درصورت ساخت کامپیوترهای کوانتمی بزرگ، این کامپیوترها قادر خواهند بود مسائلی را که کامپیوترهای کنونی برای حل آنها نیاز به زمان و حافظه‌ی زیادی دارند با صرف زمان وهزینه‌ی کم‌تر (به طور نمایی سریع‌تر) حل کنند. مثلا اگر فرض کنیم تجزیه یک عدد بسیاربزرگ به عوامل اول آن برای کامپیوترهای کنونی به مدت زمانی از مرتبه‌ی طول عمر عالم نیازداشته باشند، کامپیوترهای کوانتومی این عمل راتنها در مدت چند ثانیه انجام میدهند.
محاسبات کوانتمی در مرز مشترک فیزیک، علوم‌کامپیوتر، تکنولوژی اطلاعات، وفناوری نانو قرار دارد. این رشته‌ی نوظهور درطی ده سال گذشته توجه ویژه‌ی دولت‌ها وسرمایه‌گذاری‌های کلان صنایع را به خود اختصاص داده است.یکی از مهمترین کاربرد‌های محاسبات کوانتومی ،رمزنگاری کوانتومی است که در انتقال محرمانه‌ترین پیغام‌ها،نظیر پیام‌های بانکی ونظامی استفاده میشود.
اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز دوران کودکی خود را سپری میکند، پژوهش در هر دو حوزه‌ی تئوری وعملی با سرعت چشم‌گیری پیش می‌رود.