صفحه اصلی    تازه ها    ادبیات    تاریخ و سیاست    روانشناسی و جامعه شناسی    علوم    کودک و نوجوان    متفرقه

ناشر:سبزان
تاريخ چاپ: 1393
نوبت چاپ:اول
تيراژ:1000 نسخه
قيمت:11000 تومان
شابک: 0–098 –117 600-978

 

فیزیک کوانتومی به زبان ساده

 

نویسنده: آلستیر آی. ام. رِی

مترجمان: دکتر علی آهنج (هیأت علمی دانشگاه خیام مشهد)

محمد حسین پورعباس

فهرست مطالب
پیشگفتار. 7
مقدمه مترجمان 9

فصل اول: فیزیک کوانتومی موشک هواکردن نیست!
ریاضیات 13
فیزیک کلاسیک 16
واحد ها 17
حرکت. 19
جرم 19
انرژی 20
بار الکتریکی. 21
میدان‏های الکتریکی 22
تکانه 23
دما 24
نگاه اوليه‏اي به اجسام كوانتومي. 25
اتم 25
الکترون 26
هسته. 26
ايزوتوپ‌ها 27
ساختار اتمي 28
خلاصه. 31
فصل دوم: امواج و ذرات

         امواج متحرك و امواج ايستا 35
امواج نور 38
تداخل 39
كوانتاي نور 40
امواج ماده. 43
يك الكترون در يك جعبه 45
انرژي پتانسيل متغير 50
تونل زني كوانتومي 51
نوسانگر كوانتومي. 53
اتم هيدروژن 55
اتم‌هاي ديگر 59
خلاصه. 62

فصل سوم: نيروي ناشي از كوانتوم

         سوخت‌هاي شيميايي 65
سوخت‌هاي هسته‌اي. 68
نیروی سبز 74
خلاصه. 81

فصل چهارم: فلزات و نارساناها

         یون‏ها چطور؟ 89
اندکی بیشتر در مورد فلزات 97
خلاصه. 100

فصل پنجم: نیمه رساناها و تراشه‏های رایانه‏ای

         پیوندگاه  p-n. 106
ترانزیستور. 109
سلول خورشیدی. 114
خلاصه. 116
فصل ششم: ابررسانایی

ابررسانایی با دمای بالا. 127
کوانتیزه کردن شار و اثر جوزفسون 129
خلاصه. 134

فصل هفتم: آموزه‏های اسپین

         رمزنگاری کوانتومی 141
رایانه‏های کوانتومی. 145
خلاصه. 151

فصل هشتم: معنای همه‏ی این‏ها چیست؟

         مشکل اندازه‏گیری 161
تفسیرهای جایگزین. 165
متغیرهای پنهان. 165
چند جهانی . 169
خلاصه. 172

فصل نهم: نتیجه‏گیری‏ها

         سال‏های اولیه. 173
از سال 1950 173
آینده 175
         واژه‏نامه. 179
         نمایه 185


پیشگفتار
سال 2005 به دلیل صدمین سال چاپ سه مقاله اینشتین "سال جهانی فیزیک" نامگذاری شد. سه مقاله یاد شده در سال 1905 و طی چند ماه منتشر شد. معروف‏ترین این مقالات، احتمالا همان سومین آن‏هاست که نظریه نسبیت را پی‏ریزی کرد. مقاله دیگر، شواهد روشنی (ولی در آن زمان  بحث انگیزی) را در مورد نظریه شکل‏گیری ماده از اتم‏ها، مطرح کرد. هر دوی این مقالات، تاثیر شگرفی بر توسعه علم فیزیک در طی قرن بیستم و سال‏های بعد از آن گذاشت ، اما همان اولین مقاله اینشتین بود که منجر  به پدید آمدن "فیزیک کوانتومی" شد.
در این مقاله اینشتین نشان داد که چگونه برخی از آزمایش‏های اخیر در آن دوران، مشخص می‏کردند که انرژی در پرتو نور و در قالب بسته‏هایی معروف به کوانتا (مفرد کوانتوم) منتقل می‏شود، هر چند که در بسیاری از مواقع، حرکت نور به صورت موجی شناخته شده است. این تناقض آشکار، منجر به ایده "دوگانگی موج- ذره" و در نهایت معمای گربه معروف شرودینگر گردید. هدف این کتاب این است که خواننده را با گزیده‏ای از موفقیت‏ها و پیروزی‏های فیزیک کوانتومی آشنا کند. برخی از این موارد در زمره معرفی رفتار ماده در مقیاس‏های اتمی و کوچک‏تر است اما تمرکز اصلی بر تجلی فیزیک کوانتومی در پدیده‏های روزمره است. غالباً به این موضوع توجه نمی‏شود که بخش زیادی از فناوری‏های عصر ما پایه‏ای اختصاصا کوانتومی دارد. این کاربردها تنها محدود به کارکردهای تراشه‏های سیلیکونی که رایانه‏هایمان را به کار می‏اندازند نیست، بلکه الکتریسیته‏ای را که از طریق سیم‏های فلزی و نه نارساناها منتقل می‏شود هم در بر می‏گیرد. در سال‏های اخیر توجه خاصی به تاثیر فناوری بر روی محیط و به طور خاص چگونگی تابش دی اکسید کربن به درون جو زمین و تاثیر آن بر گرمایش کره زمین شده است. این موضوع هنگامی باعث ظهور فیزیک کوانتومی می‏شود که برخی از فناوری‏های سبز به منظور خنثی کردن آن توسعه می‏یابند. این موارد و همچنین کاربرد فیزیک کوانتومی در ابررسانایی‏ها و در فناوری اطلاعات، در اثر حاضر مورد بحث قرار می‏گیرد. سرانجام در پایان کتاب، به بررسی جنبه‏های فلسفی تئوری کوانتوم پرداخته می‏شود.
مشهور است که فیزیک کوانتومی، موضوعی پیچیده و دشوار است. تصور می‏شود فهم این رشته، نیازمند تلاش هوشمندانه فراوان و خصوصا آشنایی گسترده و عمیق با ریاضیات است. با این حال فیزیک کوانتومی نیازمند آن نیست که به پیچیدگی علوم موشکی باشد این امکان وجود دارد تا از ایده دوگانگی موج- ذره استفاده کنیم تا بسیاری از پدیده‏های کوانتومی مهم را بدون ریاضیات بسیار درک کنیم. بر همین اساس متن اصلی کتاب حاضر، دارای مباحث ریاضی نیست، هر چند به وسیله جدول‏های  ریاضی که به دنبال برخی از بحث‏ها آمده، موضوع مورد نظر کامل شده است. در جدول‏های یاد شده ، تنها از ریاضیات پایه که خوانندگان در دوران تحصیل در مدرسه داشته‏اند استفاده شده است و حتی خواننده می‏تواند بدون از دست دادن رشته اصلی بحث، آن‏ها را حذف کند. به بیان دیگر، هدف این کتاب این است که خوانندگان را به درجه‏ای از درک فیزیک کوانتومی برساند و نه این که فقط گاهی با نتایج چشمگیر، آن‏ها را تحت تاثیر قرار دهد. برای رسیدن به این هدف، از نمودارهای زیادی استفاده شده است و به خوانندگان توصیه می‏شود به این نمودارها به همراه خواندن متن، دقت کنند. هر کجا  ضرورت داشته، اصطلاحات فنی آورده شده و واژه‏نامه مربوط به آن اصطلاحات، در انتهای کتاب آمده است. برخی از خوانندگان ممکن است تا حدی با فیزیک آشنا باشند و بدون شک به ساده‏سازی و بحث‏های متعددی که با آن سر و کار دارند توجه خواهند کرد. چنین ساده‏سازی‏هایی در این حد، اجتناب‏ناپذیر بوده است و من امیدوار و مطمئنم که این موارد  منجر به استدلال نادرستی نخواهند شد.
بر خود لازم می‏دانم تا از دانشجویان و همکاران قبلی‏ام در دانشگاه بیرمنگام ـ جایی که بیش از سی سال در آنجا فیزیک تدریس کرده‏ام ـ تشکر کنم، زیرا این فرصت را به من دادند تا دانش خودم را در باب موضوع عمق و وسعت ببخشم. ویکتوریا رادم و دیگران در انتشارات وان ورلد، شکیبایی قابل ملاحظه‏ای را با پیگیری فراوان در طی وارد آوردن فشار لازم برای اطمینان از رسیدن به موقع نوشته‏ها، اگر چه به موقع نبود ولی خیلی دیر هم نبود، از خود نشان دادند. همچنین از آن و بقیه اعضای خانواده‏ام برای صبر و تحمل آن‏ها متشکرم.
در نهایت اینجانب شخصا مسئولیت هر اشتباه و بی‏دقتی را بر عهده می‏گیرم.
آلستیر.آی.ام ری


مقدمه مترجمان
بررسی ابعاد گوناگون نظریه کوانتوم به خوبی می‏تواند شالوده‏ی چندین کتاب‏ دانشگاهی قرار گرفته و حاوی صفحاتی آکنده از ریاضیات عالی و نامأنوس برای مخاطبین عام باشد. در این کتاب سعی شده است نظریه کوانتوم، بدون آنکه از ریاضیات استفاده گردد و در عین حال مفهوم و مطلبی از قلم بیفتد، برای همگان با زبانی شیوا و آسان تشریح شود.
کتاب حاضر برای کسانی نوشته شده است که می‏خواهند درباره نظریه‏ای که بدون تردید یکی از مهم‏ترین دستاوردهای علمی بشر است، مطالعه کنند. نظریه‏ای که از یک طرف موفقیت‏های آن در زمینه‏های مختلف مانند فیزیک هسته‏ای، حالت جامد، ماده چگال، نانوفیزیک، علم شیمی، ذرات بنیادی و دیگر فناوری‏های قرن بیستم آن را در ردیف بزرگ‏ترین دستاوردهای بشر قرار داده است و از طرف دیگر به جرأت می‏توان گفت که این تئوری غیر قابل فهم‏ترین نظریه علمی بشر می‏باشد و از همان ابتدای تکوین و پیدایش خود در اوایل قرن بیستم درگیر مسائل مفهومی و فلسفی بوده و در نتیجه فهم آن را دشوار و پذیرش آن را مشکل ساخته است.

از مزایای مهم این کتاب، ساده و روان بودن آن و معرفی کاربردهای مختلف کوانتوم در علوم و ارائه دیدگاه‏های مختلف در مورد مفاهیم تئوری می‏باشد. امیدواریم مطالعه این کتاب برای دوستداران علم و

عاشقان معرفت مفید بوده و از این دستاورد عظیم بشری، آشنایی هر چند اندک کسب نمایند.
در خاتمه لازم است از انتشارات سبزان که در زمینه آماده‏سازی و چاپ کتاب‏هایی در زمینه موضوعات و مفاهیم علمی و به زبان ساده همت گماشته قدردانی کرده و همچنین از زحمات تمام کسانی که با حوصله و دقت در ویرایش فصول کمک نمودند، تشکر نماییم.

علی آهنج   



فصل اول
فیزیک کوانتومی موشک هواکردن نیست!

اخیرا موشک هوا کردن تبدیل به ضرب‏المثلی شده که هر جا سخن از چیزی بسیار دشوار و پیچیده است می‌گویند می‌خواهی موشک هوا کنی؟ دانشمندان علوم موشکی، نیازمند دانشی دقیق در مورد ویژگی‏های موادی هستند که در ساختمان فضاپیما استفاده می‌شود: آن‌ها مجبورند تا در مورد پتانسیل‌ها و خطرات سوخت‏هایی که برای نیرودادن به موشک استفاده می‌شود به طور دقیق آگاهی داشته باشند. آن‌ها نیازمند درک دقیق چگونگی حرکت سیارات و ماهواره‌ها تحت تاثیر گرانش هستند. فیزیک کوانتومی هم به لحاظ دشواری و پیچیدگی به همین عنوان مشهور است و درک دقیق بسیاری از پدیده‏های کوانتومی به طور مشخص تبدیل به چالشی بزرگ حتی برای بسیاری از فیزیک دانان بسیار کارآزموده شده است. بزرگ‏ترین مغزهای جامعه فیزیک احتمالا آن‏هایی هستند که بر روی این مسئله حل نشده کار می‌کنند: چگونگی کارکرد فیزیک کوانتوم در نیروهای بی نهایت قوی گرانشی که باور بر این است درون سیاه‏چاله‌ها وجود دارند و نقشی اساسی در تحول اولیه عالم بازی کرده‏اند. با این حال ایده‏های اساسی فیزیک کوانتومی واقعا موشک هوا کردن نیستند. چالش اساسی بیشتر مربوط به ناشناخته بودن و نه دشواری ذاتی ایده‏ها می‏باشد.
ما مجبوریم تا برخی از ایده‏هایی را که در مورد چگونگی کارکرد عالم داریم و آن‌ها را از طریق مشاهده و تجربه به دست آورده‏ایم، برای درک کوانتوم رها سازیم. اما مفاهیم جدید که لازمه درک فیزیک کوانتومی می‏باشند بیشتر تخیلی به نظر می‏رسند تا مفاهیم عاقلانه!
علاوه بر این‌ها، این امکان هم وجود دارد تا بدون به کار بردن تحلیل‏های پیچیده ریاضی که برای یک کار حرفه‏ای لازم است، بتوانیم دریابیم که چگونه اصول مکانیک کوانتومی در پشت بسیاری از پدیده‏های روزمره قرار دارند.

پایه مفهومی فیزیک کوانتومی عجیب و ناآشناست و تفسیر آن هنوز هم بحث‏برانگیز است. با این حال بیشتر بحث خود در این باره را تا فصل آخر به تعویق می‌اندازیم ]نکته 1 [ ، زیرا هدف اصلی این کتاب این است که دریابیم چگونه فیزیک کوانتومی بسیاری از پدیده‏های طبیعی را توضیح می‌دهد و این شامل رفتار ماده در مقیاس بسیار کوچک اتم‌ها و امثال آن می‌شود و البته بسیاری از پدیده‏هایی که در دنیای جدید با آن‌ها روبرو هستیم هم مورد بحث قرار می‌گیرند. درباره اصول اساسی فیزیک کوانتومی در فصل دوم بحث خواهیم کرد و در آنجا خواهیم دید که ذرات بنیادین ماده مثل بقیه اجسام روزمره چون توپ‏های فوتبال یا دانه‏های شن نیستند بلکه در برخی از موقعیت‌ها به گونه‏ای رفتار می‌کنند که گویی موج هستند. ما خواهیم دید که این دوگانگی موج ذره نقش اساسی در تعیین ساختار و ویژگی‏های اتم‌ها و دنیای زیراتمی که درون آن‌ها قرار می‌گیرد، دارد. در فصل سوم در این مورد بحث خواهیم کرد که چگونه فیزیک کوانتومی در پس زمینه جنبه‏های مهم و آشنای زندگی مدرن قرار می‌گیرد. این فصل را نیروی حاصل از کوانتوم نامیده ایم. این فصل توضیح می‌دهد که چگونه فیزیک کوانتومی پایه بسیاری از روش‏هایی است که برای جامعه مدرن نیرو تولید می‌کنند. همچنین خواهیم دید که اثر گلخانه‏ای که نقش مهمی در کنترل

دما و بنابراین محیط زیست سیاره ما بازی می‌کند اساسا پدیده‏ای کوانتومی است. بخش عمده‏ای از فناوری‏های نوین در افزایش اثرگلخانه‏ای مشارکت دارند که منجر به مشکلات ناشی از گرمای جهانی می‌شود. اما فیزیک کوانتومی در فیزیک برخی از فناوری‏های سبز هم نقش دارد که به منظور کنترل گرمای جهانی توسعه می‌یابند.
در فصل چهارم خواهیم دید که چگونه دوگانگی موج – ذره در برخی از پدیده‏های بزرگ ـ مقیاس خودنمایی می‌کند: برای مثال فیزیک کوانتومی توضیح می‌دهد که چرا برخی از مواد رسانا هستند و می‌توانند رسانای الکتریسیته باشند در حالی که بقیه مواد نارساناهایی هستند که می‌توانند به کلی جلوی چنین جریانی را بگیرند.
فصل پنجم درمورد فیزیک نیمه رساناها بحث می‌کند که ویژگی‏های آن‌ها بین رساناها و نارساناها هست. ما خواهیم فهمید چگونه فیزیک کوانتومی نقش اساسی در این مواد ایفا می‌کند که در ساخت تراشه‏های سیلیکونی به کار برده می‌شوند. این ابزار اساس الکترونیک جدید است که در واقع در پس زمینه فناوری اطلاعات و ارتباطات قرار دارد و آن هم نقش مهمی در دنیای جدید ایفا می‌کند.
در فصل ششم نگاهی به پدیده‏ی ابررسانایی خواهیم داشت که در آن ویژگی‏های کوانتومی با رفتاری بسیار خاص به نمایش گذارده می‌شوند: طبیعت بزرگ ـ مقیاس پدیده‏های کوانتومی در این مورد موادی تولید می‏کندکه مقاومت آن‌ها در برابر جریان الکتریکی به طور کامل از بین می‌رود. پدیده‏ی ذاتا کوانتومی دیگری با تکنیک‏های توسعه یافته اخیر برای پردازش اطلاعات مرتبط است و ما در این مورد در فصل هفتم بحث خواهیم کرد. در آنجا خواهیم دید که این امکان وجوددارد تا از فیزیک کوانتومی برای انتقال اطلاعات به شیوه‏ای استفاده شود که این اطلاعات توسط هیچ شخص غیرمجازی قابل خواندن نباشد. همچنین ما یاد خواهیم گرفت که چگونه ممکن است روزی بتوان رایانه‏های کوانتومی ساخت که با استفاده از آن‌ها برخی محاسبات را میلیون‌ها برابر سریع‏تر از هر ماشین امروزی انجام داد.
فصل هشتم به این مسئله باز می‌گردد که چگونه می‌توان ایده‏های عجیب فیزیک کوانتومی را درک و تفسیر کرد. در اینجا برخی از مسائلی که هنوز هم در این زمینه محل بحث و دعوا هستند، معرفی خواهند شد. در فصل نهم سعی می‏کنیم تمام مطالب مربوط به فیزیک کوانتومی را کنار هم قرار داده و حدس بزنیم این تئوری در آینده چه مسیری را طی خواهد کرد.

همان‏گونه که می‌بینیم بیشتر مطالب این کتاب به تاثیر فیزیک کوانتومی بر روی جهان روزمره ما می‌پردازد. در اینجا منظور ما پدیده‏هایی است که جنبه کوانتومی در سطح پدیده‏ای که در حال بحث آن هستیم نقش دارد و فقط در حد زیرساختارها‏ی کوانتومی اجسام پوشیده نمانده است. به عنوان مثال گرچه فیزیک کوانتومی برای درک ساختار درونی اتم‌ها لازم و حیاتی است، اما در بسیاری از مواقع خود اتم‌ها تابع قوانین فیزیکی همانند آن‏هایی هستند که بر رفتار اجسام روزمره حاکم هستند. بنابراین در یک گاز، اتم‌ها به اطراف حرکت کرده و با دیواره‏های ظرف و یکدیگر به گونه‏ای برخورد می‌کنند که گویی توپ‏های بسیار کوچکی هستند. برخلاف این، هنگامی که تعداد کمی از اتم‌ها به یکدیگر می‌پیوندند تا مولکول‌ها را تشکیل دهند. ساختار درونی آن‌ها به وسیله قوانین کوانتومی تعیین می‌شود و این‌ها به طور مستقیم بر روی ویژگی‏های مهمی از آن‌ها چون توانایی جذب و باز نشر تابش در پدیده‏ی اثر گلخانه‏ای حاکم هستند (فصل سوم). در فصل جاری پیش زمینه‏های لازم برای درک ایده‏هایی که در فصل‏های بعدی بیشتر به آنان خواهیم پرداخت ارائه شده‏اند. کار را با تعریف برخی از ایده‏های اساسی در ریاضیات و فیزیک شروع می‌کنیم که قبل از دوران کوانتوم گسترش یافته بودند. آنگاه نگاهی به برخی از کشفیات قرن نوزدهم به خصوص در مورد طبیعت

اتم‌ها خواهیم انداخت، کشفیاتی که زمینه را برای تدوین یک تئوری انقلابی یعنی فیزیک کوانتومی آماده ساختند.
ریاضیات
ریاضیات برای بسیاری از مردم نشان دهنده‏ی مانع بزرگی بر سر راه درک آن‌ها از علم است. ریاضیات برای بیش از چهارصدسال زبان فیزیک بوده و مشکل است که در درک دنیای فیزیکی بدون آن پیشرفتی حاصل آید. چرا این‏طور است؟ یک دلیلش این است که به نظر می‌رسد جهان فیزیکی به طور گسترده‏ای تحت حاکمیت علت و معلول باشد (گرچه این مورد تا حدی همان‏گونه که خواهیم دید در زمینه‏های کوانتومی تا حدی از کار می‌افتد). ریاضیات به طور معمول برای تحلیل چنین روابط علی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان یک مثال خیلی ساده عبارت ریاضی دو به علاوه دو مساوی چهار است اشاره به این دارد که اگر ما هر دو جسم فیزیکی را در نظر گرفته و آن‌ها را با هر دو جسم دیگری ترکیب کنیم در نهایت با چهار جسم روبرو خواهیم بود. برای کمی تخصصی‏تر شدن فرض کنید که سیبی از درختی بر روی زمین بیفتد. ما می‌توانیم از ریاضیات برای محاسبه زمانی که این پدیده به طول می‌انجامد بهره ببریم به شرطی که ارتفاع اولیه سیب و قدرت نیروی گرانشی که بر آن اعمال می‌شود را بدانیم. این مثال نشان دهنده‏ی اهمیت ریاضیات برای علم است زیرا در این مثال اخیر هدف این است که پیش‏بینی در مورد آینده رفتار یک سیستم فیزیکی انجام شود و این‌ها با نتایج اندازه‏گیری شده مقایسه شوند. اعتقاد ما به اعتبار نظریه پشت پرده این محاسبات با توافق بین پیش‏بینی و محاسبات، یا نبود آن، تأیید یا رد می‌شود. برای آزمودن این مورد مجبوریم تا نتایج همه محاسبات و هم اندازه‏گیری‏هایمان را به صورت اعداد نمایش دهیم.
برای به تصویر کشیدن بیشتر این موضوع این مثال را در نظر بگیرید: فرض کنید که شب هنگام است و سه نفر نظریه‏هایی در مورد امکان بازگشت روشنایی روز و زمان این اتفاق ارائه داده‏اند. آلن می‌گوید که بر طبق نظریه او نور روز در زمانی نامشخص در آینده باز خواهد گشت. باب می‌گوید که نور روز باز خواهد گشت و شب و روز در الگویی منظم از آن زمان به بعد یکدیگر را دنبال خواهند کرد. کدی هم نظریه‏ای ریاضیاتی ارائه کرده است که پیش‏بینی می‌کند خورشید در ساعت 5:42 دقیقه صبح طلوع خواهد کرد و آنگاه روز و شب در یک چرخه 24 ساعته منظم به دنبال هم خواهند آمد و خورشید در زمان‏هایی قابل پیش‏بینی هر روز طلوع خواهد کرد. پس ما آنچه را که اتفاق می‌افتد مشاهده خواهیم کرد. اگر خورشید دقیقا در زمان‏هایی که کدی پیش‏بینی کرده بود طلوع کند، هرسه نظریه تصدیق خواهند شد. اما تمایل ما بیشتر این خواهد بود تا برای نظریه کدی اعتبار بیشتری قائل شویم. این به خاطر آن است که اگر خورشید در زمان‏های دیگری طلوع کرده بود، نظریه کدی رد می‌شد یا غلط از آب در می‌آمد. در حالی که نظریات آلن و باب هنوز هم پابرجا می‌ماندند. همان‏گونه که فیلسوف کارل پاپر اشاره کرده، همین پتانسیل اشتباه بودن است که به یک نظریه فیزیکی قدرت می‌دهد. به طور منطقی ما نمی توانیم با اطمینان بدانیم که آیا این نظریه درست است یا خیر، اما هرچه آزمون‏هایی که این نظریه با موفقیت از سر می‌گذراند سخت‏تر باشند ایمان ما به آن بیشتر خواهد بود. برای غلط از آب در آوردن نظریه باب باید طلوع خورشید را در زمان‏های نامنظمی در روزهای متفاوت مشاهده کنیم. درحالی‏که نظریه آلن تنها هنگامی غلط خواهد بود که خورشید هیچ گاه دوباره طلوع نکند. در اصل هرچه یک نظریه قوی‏تر باشد نشان دادن اشتباه بودن آن آسان‏تر است و اگر نتوانیم اشتباه بودن نظریه را اثبات کنیم، تمایل ما به آن نظریه بیشتر خواهد شد. از طرف دیگر، نظریه‏ای که کاملا غیرقابل رد شدن باشد، اغلب به عنوان متافیزیکی یا غیر علمی توصیف می‌شود.
برای ارائه نظریه‏ای علمی که بتواند یک پیش‏بینی دقیق انجام دهد، مثلا زمانی که خورشید طلوع می‌کند را نشان دهد، ما نیاز داریم که بتوانیم کمیت‏هایی را با دقت هرچه تمام‏تر اندازه گرفته و محاسبه کنیم و این موضوع به طور غیرقابل اجتنابی مستلزم به کارگیری ریاضیات است.
برخی از نتایج محاسبات کوانتومی درست همین شکلی هستند و مقادیر کمیت‏های قابل اندازه‏گیری را با دقت بالایی پیش‏بینی می‌کنند. با این حال اغلب پیش بینی‏های ما شبیه پیش بینی‏های باب هستند. یعنی الگویی از رفتار به جای یک عدد دقیق پیش‏بینی می‌شود.
البته این کار شامل ریاضیات هم می‌شود. اما ما می‌توانیم اغلب از پیچیدگی که برای پیش‏بینی اعداد حقیقی لازم است اجتناب کرده و در عین حال هنوز هم پیش بینی‏هایی انجام دهیم که به اندازه کافی قابل آزمون هستند که اگر چنین آزمونی را بگذرانند به ما اطمینان کافی نسبت به خودشان بدهند. ما چندین مثال از نوع اخیر را در این کتاب خواهیم آورد.
مقدار ریاضیاتی که ما لازم داریم بستگی به این دارد که سیستمی که در حال مطالعه آن هستیم چقدر پیچیده و دقیق است. اگر ما نمونه هایمان را به طور مناسب انتخاب کنیم می‌توانیم ایده‏های فیزیکی کاملا عمیقی را با محاسبات بسیار ساده به طور نمونه داشته باشیم.

در هر کجا که ممکن باشد ریاضیات مورد استفاده در این کتاب را به حساب و جبر ساده محدود می‌کنیم. با این حال هدف ما برای توصیف پدیده‌ها‏ی جهان واقعی گاهی اوقات ما را وا می‌دارد تا به بحث در مسئله‏هایی بپردازیم که در آن‌ها یک حل کامل، نیازمند سطح بالاتری از تحلیل ریاضی است. در بحث این مسائل تا حد ممکن از ریاضیات اجتناب می‌کنیم، اما استفاده گسترده‏ای از نمودارها خواهیم داشت که باید در کنار متن‌ها به دقت مطالعه شوند. علاوه بر این‌ها گاهی اوقات مجبوریم تا نتایج حاصل را ساده کنیم به این امید که خواننده آماده است درستی

آن‌ها را بپذیرد. تعدادی از مباحث ریاضی سر راست که مرتبط با بحث ما هستند درون جدول‏های ریاضی مجزا از متن اصلی گنجانده شده‏اند. مطالعه این‌ها خیلی واجب نمی‏باشد، اما خوانندگانی که با ریاضیات راحت‏تر هستند ممکن است آن‌ها را جالب و به درد بخور بیابند. اولین نمونه از یک جدول ریاضی به عنوان جدول ریاضی1-1 در زیر آمده است.

جدول ریاضی1-1

 

اگرچه ریاضیاتی که در این کتاب مورد استفاده قرار گرفته است چیزی بیشتر از آن چه که بیشتر خوانندگان در مدرسه دیده‏اند نیست، این‌ها مهارت‏هایی هستند که با انجام ندادن و تمرین نکردن به آسانی فراموش می‌شوند. برای اینکه به بسیاری از خوانندگان برنخورد، در این جدول برخی از ایده‏های اساسی ریاضی که مورد استفاده ما خواهند بود به طور مجزا آورده شده‏اند.
یک مفهوم کلیدی، فرمول یا معادله ریاضی است. مثل این مورد:

در جبر یک حرف نشان دهنده‏ی یک عدد است و دو حرف که با هم نوشته می‌شوند به معنی آن هستند که
در هم ضرب شده‏اند. بنابراین اگر برای مثال
b برابر2 و c برابر3 و d برابر 5 باشد a باید برابر
17= 15+2=5×3+2 باشد.

توان‏ها: اگر ما یک عدد (مثلاً x ) را در خودش ضرب کنیم می‌گوییم مربع آن را حساب کرده‏ایم یا آن را به توان 2 رسانده‏ایم و آن را به صورت 2xمی‏نویسیم. حاصل سه بار ضرب یک عدد در خودش (xxx )، 3x است و به همین ترتیب. ما همچنین می‌توانیم توان‏های منفی داشته باشیم و آن را به این صورت تعریف می‌کنیم  و الی آخر.
یک نمونه از یک فرمول که در فیزیک استفاده می‌شود معادله مشهور اینشتین است:

در اینجا E نشان دهنده‏ی انرژی، m جرم و c سرعت نور است. بنابراین مفهوم فیزیکی این معادله این است که انرژی موجود در یک جسم برابر حاصلضرب جرم آن در مربع سرعت نور است.
همان‏گونه که یک معادله بیان می‌کند که طرفین راست و چپ همیشه برابر هم هستند، اگر ما عملیات یکسانی را در هردو طرف انجام دهیم معادله همچنان پابرجا خواهد ماند. بنابراین اگر ما هردو طرف معادله اینشتین را بر 2c تقسیم کنیم به دست می‌آوریم:

  یا 

دقت کنیم که در اینجا علامت/ نشان دهنده تقسیم است و هنگامی که طرفین راست و چپ معادله را جابجا می‌کنیم معادله همچنان درست است.

فیزیک کلاسیک
اگر فیزیک کوانتومی علم موشکی نیست ما همچنین می‌توانیم بگوییم که علوم موشکی هم فیزیک کوانتومی نیست. این گفته به این خاطر است که حرکت خورشید و سیارات و همچنین موشک‌ها و قمرهای مصنوعی را می‌توان با دقت کامل با استفاده از فیزیک پیش کوانتومی که بین 200 تا 300 سال قبل توسط نیوتون و دیگران تبیین شد، محاسبه کرد. ]نکته 2 [ نیاز به فیزیک کوانتومی تا اواخر قرن نوزدهم احساس نشد، زیرا در بسیاری از وضعیت‏های آشنا اثرات کوانتومی بسیار کوچک‏تر از آن هستند که مشخص باشند. ما هنگامی که در مورد فیزیک کوانتوم بحث می‌کنیم، به این بدنه ابتدایی‏تر دانش به عنوان فیزیک کلاسیک اشاره می‌کنیم. واژه «کلاسیک» که در تعدادی از زمینه‏های علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به معنای چیزی است که، قبل از آشکار شدن موضوع مورد بحث، شناخته شده بود، و بنابراین در متن ما اشاره به دانشی دارد که مقدم بر انقلاب کوانتومی بود. فیزیکدانان اولیه کوانتوم با مفاهیم فیزیک کلاسیک آشنا بودند و در هر کجا که می‌توانستند از آن‌ها برای گسترش ایده‏های جدید استفاده می‌کردند. ما مسیر آنان را دنبال خواهیم کرد و به طور مختصر ایده‏های اصلی فیزیک کلاسیک را که در مباحث بعدی ما مورد نیاز هستند بحث خواهیم کرد.
واحدها
هنگامی که کمیت‏های فیزیکی توسط اعداد نمایش داده می‌شوند ما مجبوریم سیستمی از واحد‌ها را به کار ببریم. برای مثال ممکن است فاصله‌ها را با مایل اندازه‏گیری کنیم که در این صورت واحد اندازه‏گیری مایل خواهد بود و زمان بر حسب ساعت هنگامی که واحد زمان ساعت باشد. سیستم واحد‏هایی که در همه کارهای علمی استفاده می‌شود با نام فرانسوی سیستم اینترنشنال (بین‏المللی) یا همان SI به اختصار شناخته می‌شود. در این سیستم، واحد فاصله متر (به اختصار m’ ) واحد زمان ثانیه (به اختصار s’ ) جرم با واحد کیلوگرم (kg ) و بار الکتریکی هم در این سیستم با واحد کولن (c ) اندازه‏گیری می‌شود.
اندازه‏های واحد‏های بنیادین جرم، طول و زمان در اصل هنگامی تعریف شدند که سیستم متریک در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم بنا نهاده شد.
در اصل متر به عنوان یک ده میلیونیم فاصله قطب تا استوا در طول نصف النهاری که از پاریس می‌گذشت تعریف شد. ثانیه به عنوان 86400/1 یک روز متوسط خورشیدی و کیلوگرم هم به عنوان جرم یک هزارم یک متر مکعب از آب خالص تعریف شد. هنگامی که توانایی ما برای اندازه‏گیری ابعاد و حرکت زمین با دقت بیشتر، تغییرات کوچکی در این واحدهای استاندارد به وجود آوردند، این تعریف‌ها موجب مشکلاتی شدند.در اواخر قرن نوزدهم متر و کیلوگرم به ترتیب به این صورت باز تعریف شدند: فاصله بین 2 نقطه بر روی یک میله‏ی استاندارد آلیاژ پلاتینیوم و جرم قطعه‏ی مخصوص دیگری از پلاتینیوم که هردوی این استاندارد‌ها به صورت مطمئن در آزمایشگاهی نزدیک پاریس نگهداری شدند. استاندارد‏های ثانویه‏ای که تا حد ممکن شبیه به نمونه‏های اصلی ساخته شدند هم در سازمان‏های ملی مختلفی توزیع شدند.
تعریف ثانیه در سال 1960 اصلاح شد و در قالب طول متوسط سال بیان شد. با دقیق‏تر شدن اندازه‏گیری‏های اتمی واحد‏های بنیادین دوباره باز تعریف شدند. اکنون ثانیه به عنوان 9192631770 دوره تناوب تابش ساطع شده در طی یک انتقال بین سطوح انرژی خاص اتم سزیم تعریف می‌شود ]نکته 3 [

در این حال متر به عنوان فاصله‏ای که نور در زمانی برابر  ثانیه می‌پیماید تعریف شده است. مزیت این استاندارد‌ها این است که این استاندارد‌ها را می‌توان به طور مستقل در هر جایی در روی زمین باز تولید کرد. با این حال هیچ تعریف مشابهی تا کنون برای کیلوگرم مورد توافق قرار نگرفته است و این یکا همچنان به استاندارد اولیه‏ای که در موسسه استاندارد فرانسه نگهداری می‌شود ارجاع داده

می‌شود. مقادیر جرم‏های استانداری که ما در آشپزخانه‌ها و آزمایشگاه‌ها و جاهای دیگر استفاده می‌کنیم همگی با مقایسه وزن آن‌ها با نمونه‏های دیگر به دست آمده‏اند و به همین صورت ما در نهایت به استاندارد پاریس می‌رسیم.
واحد استاندارد بار از طریق آمپر که واحد استاندارد جریان است، تعیین می‌شود. یک آمپر برابر یک کولن بار در ثانیه است. خود آمپر به صورت جریان لازم برای تولید نیروی مغناطیسی با اندازه‏ای خاص بین دو سیم موازی که با فاصله‏ی یک متر از یکدیگر نگه داشته شده‏اند تعریف می‌شود.
دیگر کمیت‏های فیزیکی در قالب واحدهایی اندازه‏گیری می‌شوندکه از این چهار واحد مشتق شده‏اند. به عنوان نمونه، سرعت یک جسم در حال حرکت با تقسیم فاصله پیموده شده بر زمان طی شده، محاسبه می‌شود. بنابراین واحد سرعت مطابق با یک متر تقسیم بر یک ثانیه است که به صورت متر بر ثانیه (m/s) نوشته می‌شود. توجه کنید این نمادگذاری از جایی اقتباس شده که برای اشاره به توان‏های اعداد در ریاضیات به کار می‌رفت (جدول ریاضی1-1). گاهی اوقات به یک واحد مشتق شده نام خاص خودش داده می‌شود. بنابراین واحد انرژی (که در زیر بحث می‌شود) جرم در واحد مربع سرعت را دارد، بنابراین در قالب واحد‏های kgm2/s2 اندازه‏گیری می‌شود. اما این واحد به عنوان ژول (اختصارj ) هم شناخته می‌شود. این کار بعد از آن بود که دانشمند انگلیسی قرن نوزدهم کشف کرد که گرما شکلی از انرژی است.
در مطالعه فیزیک کوانتومی ما اغلب با کمیت‏هایی روبرو می‌شویم که در مقایسه با آن‏هایی که در زندگی روزمره با آن‌ها سر و کار داریم بسیار کوچک هستند. برای رویارویی با کمیت‏های بسیار بزرگ یا بسیار کوچک ما اغلب آن‌ها را به صورت اعدادی می‌نویسیم که در توان‏هایی از عدد 10 ضرب می‌شوند. بر طبق این قرارداد n 10 را در حالی که n یک عدد مثبت است به عنوان یک با n صفر در جلوی آن تفسیر می‌کنیم. بنابراین 102 برابر با 100 و 106 برابر با 1000000 است. در این حال -n 10 به مـعنای (n-1 ) صفر بعد از ممیز است. بنابراین 1-10 برابر 1/0 و 5-10 نشان دهنده 00001/0 و 10-10 نشان‏دهنده‏ی 0000000001/0 است. برخی از توان‏های 10 نماد خاص خودشان را دارند. به عنوان مثال میلی به معنای یک هزارم است. بنابراین یک میلی متر برابر -3 10 متر است. دیگر اختصارهای این‏چنینی را هنگامی که با آن‌ها برخورد کنیم توضیح خواهم داد. یک نمونه عدد بزرگ سرعت نور است که مقدار آن 108×3 متر بر ثانیه است. همچنین ثابت بنیادین کوانتومی (که به عنوان ثابت پلانک شناخته می‌شود و در زیر آن را خواهیم دید) مقداری برابر 10-34 ×6/6 دارد. دقت کنید که برای اجتناب از قاطی کردن متن‌ها با اعداد بزرگ مقادیر این ثابت‌ها را تنها تا یک رقم اعشار می‏نویسیم، به طور کلی این روش را در سرتاسر متن پیش می‏گیریم. اما باید دقت کنیم که بیشتر ثابت‏های بنیادین امروزه با دقت 8تا 9 رقم اعشار شناخته شده‏اند و آزمایشات مهم اندازه گیری‏های تجربی را با پیش بینی‏های نظری با این دقت مقایسه کرده‏اند (به عنوان مثال جدول ریاضی 2-7 را در فصل دوم ببینید).

حرکت
بخش مهمی از فیزیک، هم در کلاسیک و هم در کوانتوم، به اجرام در حال حرکت می‌پردازد و ساده‏ترین مفهومی که در اینجا استفاده می‌شود مفهوم تندی است. جسمی که حرکت یکنواخت دارد، تندی برابر فاصله‏ای است (برحسب متر) که جسم در یک ثانیه طی می‌کند. اگر تندی یک جسم متغیر باشد آنگاه مقدار آن در هر زمان داده شده به صورت فاصله‏ای که این جسم در صورتی که تندی‏اش ثابت می‌ماند در یک ثانیه می‌پیمود، تعریف می‌شود. این ایده باید برای هرکسی که با یک اتومبیل مسافرت کرده آشنا باشد. گرچه در این صورت واحدها معمولا بر حسب کیلومتر (یا مایل) بر ساعت هستند.

و...

واژه‏نامه

ابر رساناهای دما بالا: موادی که در دماهای بسیار بالاتر از 20 کلوین  ابررسانا باقی می‏مانند.
ابرحالت: یک حالت کوانتومی که می‏توان آن را  متشکل از دو یا تعداد بیشتری از حالت‏ها در نظر گرفت.
ابررسانا: ماده‏ای که در برابر شارش جریان الکتریکی، مقاومتی اعمال نمی‏کند.
اتم: سنگ‏بنای تمام مواد. هر اتم تعدادی الکترون و یک هسته با بار مثبت برابر و مخالف مجموع بار الکترون‏ها دارد.
اثر فوتوالکتریک: گسیل الکترون‏ها از یک فلز هنگامی که نوری به آن می‏تابد.
اثر گلخانه‏ای: نوری که از شیشه یک گلخانه گذر می‏کند درون آن را گرم می‏کند که گرما تابش می‏کند، اما این گرما نمی‏تواند از طریق شیشه فرار کند. اثر مشابهی در جو زمین به خاطر وجود گازهایی از قبیل دی اکسید کربن اتفاق می‏افتد.
اسپین: یک ویژگی الکترون‏ها و دیگر ذرات بنیادین که به موجب آن ذرات به گونه‏ای رفتار می‏کنند که گویی در حال چرخش حول یک محور هستند. برخلاف چرخش کلاسیکی، اندازه اسپین در هر جهت اندازه‏گیری همیشه مقدار یکسانی دارد که موازی و یا خلاف موازی جهت اندازه‏گیری است.
استتار: ویژگی که در آن قطعه‏ای از فلز مانع نفوذ میدان الکتریکی به آن می‏شود.
اسکوییدSQUID : یک وسیله تداخلی کوانتومی ابررسانایی. این وسیله از یک مدار تشکیل شده است که شامل دو پیوندگاه جوزفسون است و می‏تواند برای اندازه‏گیری‏های بسیار دقیق از میدان مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرد.
اصل عدم قطعیت: یک ویژگی سیستم‏های کوانتومی که به موجب آن ویژگی‏هایی از قبیل مکان و تکانه را نمی‏توان به طور دقیق به صورت همزمان اندازه‏گیری کرد.
الکترون: یک ذره نقطه‏ای بنیادی که حامل یک بار منفی است.
الکترون‏های آزاد: الکترون‏های درون یک فلز که مقید به یکایک اتم‏ها نیستند.
امواج ایستا: امواجی که به ناحیه‏ای از فضا محدود هستند که در آن نمی‏توانند حرکت کنند.
امواج متحرک: امواجی که با سرعت معینی که به طبیعت موج بستگی دارد در فضا جابجا می‏شوند.
انرژی پتانسیل: انرژی مربوط به یک میدان مانند میدان گرانشی یا الکتریکی
انرژی جنبشی: انرژی مربوط به ذره متحرک. این انرژی برابر نصف حاصل ضرب جرم ذره در مربع سرعت آن است.
انرژی فِرمی: انرژی بالاترین سطح انرژی پر شده در یک فلز
ایزوتوپ: یکی از هسته‏های ممکن مرتبط با یک عنصر. ایزوتوپ‏های مختلف یک عنصر؛ تعداد یکسانی از پروتون‏ها اما تعداد متفاوتی از نوترون‏ها را دارا هستند.
بردار: یک کمیت (از قبیل سرعت، نیرو یا تکانه) که در جهت خاصی عمل می‏کند.
برهمکنش غیرموضعی: برهمکنشی که بین دو سیستم، به جای اینکه با سرعت نور یا کمتر از سرعت نور انجام بگیرد، به طور آنی گذار کند.
بیت دوتایی: کمیتی که می‏تواند مقادیر 0 و 1 را بپذیرد و برای بیان اعداد بر مبنای دوتایی استفاده می‏شود.
پایستگی انرژی: اصلی که بر مبنای آن انرژی نمی‏تواند خلق گردد یا نابود شود بلکه تنها می‏تواند از حالتی به حالت دیگر تبدیل شود.
پایه: لایه نیمه رسانای مرکزی یک ترانزیستور.
پروتون: ذره‏ای که حامل یک بار مثبت برابر و مخالف با بار یک الکترون است و جرمی تقریبا دو هزار برابر جرم الکترون دارد.
پیوندگاه p-n : اتصالی بین یک نیمه رسانای نوع p و نوع  n که به جریان اجازه می‏دهد تنها در یک جهت جریان یابد.
پیوندگاه جوزفسون: وسیله‏ای متشکل از دو قطعه ابررسانا که به وسیله‏ی لایه نارسانای نازکی از یکدیگر جدا می‏شوند که از طریق آن یک جریان می‏تواند بدون مقاومت گذر کند.
تابش الکترومغناطیسی: امواج تشکیل شده از میدان‏های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده که در فضا منتشر می‏شوند. امواج نوری و امواج رادیویی نمونه‏هایی از امواج الکترومغناطیسی می‏باشند.
تابع موج: یک تابع ریاضی مشابه با یک موج که با ویژگی‏های کوانتومی یک ذره مرتبط است. مجذور تابع موج  در هر نقطه‏ای برابر احتمال یافتن ذره درآنجاست.
تداخل: نتیجه ترکیب دو موجی که از دو مسیر متفاوت به یک نقطه می‏رسند.
تراز پذیرنده: مجموعه‏ای از سطوح خالی که زمانی ایجاد می‏شوند که اتم‏های ناخالصی که دارای یک الکترون بیشتر در هر اتم از اتم‏های میزبان هستند به یک نیمه رسانا افزوده می‏گردند.
تراز دهنده: مجموعه‏ای از حالت‏های پرشده که وقتی ایجاد می‏شوند که اتم‏های ناخالصی که دارای یک الکترون در هر اتم بیشتر از اتم‏های میزبان هستند به یک نیمه رسانا افزوده می‏شوند. آن‏ها درست در زیر نوار رسانش خالی قرار می‏گیرند و می‏توانند به آن الکترون بدهند.
ترانزیستور: وسیله‏ای متشکل از سه قطعه نیمه رسانا (گسیلنده، پایه و جمع کننده) که در تماس با هم می‏باشند. اندازه جریانی که ازگسیلنده به جمع کننده (کالکتور) شارش می‏کند به وسیله آنچه به پایه وارد می‏شود کنترل می‏گردد.
تفسیر جهان‏های بسیار: تفسیری از اندازه‏گیری کوانتومی که در آن خروجی‏های مختلف در جهان‏های غیر برهمکنشی موازی وجود دارند.
تفسیر کپنهاگی: یک تفسیر استاندارد از فیزیک کوانتومی که واقعیت جنبه‏های غیرقابل مشاهده را انکار می‏کند.
تکانه: حاصل ضرب جرم ذره در سرعت آن
تونل زنی مکانیکی کوانتومی: فرایندی که در آن دوگانگی موج-ذره به یک ذره اجازه می‏دهد تا از سدی که به لحاظ کلاسیک غیرقابل نفوذ است گذر کند.
ثابت پلانک: یک ثابت بنیادین طبیعت که در تعیین اندازه‏ی کمیت‏های کوانتیده دخالت دارد.
جرم: اندازه‏ای از کمیت ماده در یک جسم
جریان بحرانی: بزرگ‏ترین جریانی که می‏تواند از طریق یک ابررسانا یا اتصال جوزفسون بدون تخریب ابررسانایی عبور کند.
جمع کننده: یک لایه نیمه رسانا در یک ترانزیستور که حامل‏های باردار را از پایه جمع می‏کند.
حالت برانگیخته: هر حالت انرژی کوانتیده‏ای غیر از حالت پایه
حالت پایه: پایین‏ترین حالت انرژی یک سیستم کوانتومی از قبیل یک اتم.
حرکت براونی: حرکت نامنظم دانه‏های غبار معلق در یک مایع که به وسیله حرکت اتفاقی اتم‏ها در مایع ایجاد می‏شود.
حفره: یک حامل بار مثبت در یک نیمه رسانا که وقتی ایجاد می‏شود که یک الکترون از یک نوار پر یا تقریبا پر خارج می‏شود.
دامنه: جابجایی حداکثری یک موج
دمای صفر مطلق: دمایی که در آن تمام حرکات گرمایی متوقف می‏شود و تقریبا برابر 273- درجه در مقیاس سلسیوس است.
دوتایی: یک سیستم عددی که  در آن اعداد به صورت توان‏های دو بیان می‏شوند، بر خلاف سیستم دهگان که از توان‏های ده استفاده می‏شوند.
دوتریوم: ایزوتوپی از هیدروژن که هسته آن دارای یک پروتون و یک نوترون است.
دوگانگی موج- ذره: خاصیتی از سیستم‏های کوانتومی که ترکیبی از ویژگی‏های یک ذره کلاسیک و یک موج کلاسیک است.
ذره آلفا: دو پروتون و دو نوترون که با یکدیگر ترکیب شده‏اند. این ذره هسته اتم هلیوم را تشکیل می‏دهد.
رابطه دوبروی: قانونی که طول موج یک ماده برابر ثابت پلانک تقسیم بر تکانه ذره است.
رمزنگاری کوانتومی: کاربرد فیزیک کوانتومی برای کدگذاری اطلاعات
زوج کوپر: زوجی از الکترون‏های با تکانه مخالف که در یک ابر رسانا به یکدیگر مقیدند.
ژول: یکای استاندارد انرژی
سرعت: تندی یک جسم در یک جهت داده شده
سلول خورشیدی: وسیله‏ای که به طور مستقیم انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‏کند.
سلول واحد: سنگ بنای بنیادین یک بلور که از تعدادی (معمولا اندک) از اتم‏ها تشکیل شده است.
سوخت فسیلی: سوخت‏هایی همچون زغال سنگ یا گاز طبیعی
شکاف انرژی: نواری از انرژی‏ها در یک فلز یا نیمه رسانا که معمولا در بردارنده‏ی حالتی که الکترون‏ها آن را اشغال کنند، نیست.
شکافت: فرایندی که در آن یک هسته به پاره‏هایی شکافته شده و  همراه با نوترون‏ها انرژی آزاد می‏کند.
طول موج: فاصله تکرار یک موج
فوتون: ذره‏ای که حامل کوانتومی از انرژی در یک پرتو نور یا دیگر پرتو الکترمغناطیس می‏باشد.
قانون اهم: قانونی که بر اساس آن جریان الکتریکی گذرنده از یک مدار الکتریکی حاصل ولتاژ اعمال شده و مقاومت مدار است.
قضیه بل: یک  اثبات ریاضی که هر نظریه متغیر نهان که پیش‏بینی‏های آن در توافق با پیش‏بینی‏های فیزیک کوانتومی باشند باید غیرموضعی باشد.
قطبیدگی: جهت میدان الکتریکی مربوط به یک موج الکترومغناطیس
کلاسیک: مجموعه‏ای از نظریه‏هایی که برای توصیف رویدادهای فیزیکی قبل از پیدایش فیزیک کوانتومی استفاده می‏شد.
کلوین: یکای استاندارد دما هنگامی که از صفر مطلق دما اندازه گیری می‏شود.
کوانتوم شار: هنگامی که یک میدان معناطیسی از حلقه‏ای ابررسانا عبور می‏کند، مجموع میدان درون حلقه (شار) همیشه برابر با ضریبی از کوانتای شار است.
کولمب: یکای استاندارد بار الکتریکی، همچنین به عنوان صفتی برای توصیف برهمکنش‏های الکترواستاتیکی و میدان‏ها استفاده می‏شود.
کیلوگرم: یکای استاندارد جرم
کیوبیت: یک جسم کوانتومی که می‏تواند در یکی از دو حالت و یا در ابرحالتی ساخته شده از آن‏ها وجود داشته باشد.
گربه شرودینگر: نامی برای یک سناریو که در آن قوانین فیزیک کوانتومی به نظر می‏رسند که پیش‏بینی می‏کنند یک گربه می‏تواند در یک ابرحالت حیات و مرگ قرار بگیرد.
گرمایش جهانی: افزایش کلی دمای جو زمین.
گسیلنده: لایه نیمه رسانای یک ترانزیستور که حامل‏های باردار را به درون پایه گسیل می‏کند.
لایه بسته: مجموعه‏ای از حالت‏های انرژی با انرژی مشابه که همه آن‏ها به وسیله الکترون‏ها اشغال شده‏اند.
متغیرهای پنهان: کمیت‏هایی غیرقابل مشاهده اما واقعی که جهت ارائه یک تفسیر واقع بینانه از فیزیک کوانتومی فرض می‏شوند.
محاسبات کوانتومی: کاربرد اصول فیزیک کوانتومی برای انجام برخی محاسبات بسیار سریع تر از آنچه ممکن است توسط یک رایانه کلاسیک انجام داد.
معادله شرودینگر: معادله بنیادینی که برای محاسبه شکل تابع موج در فیزیک کوانتومی استفاده می‏شود.
مقاومت: وسیله‏ای که در برابر جاری شدن جریان الکتریکی در یک مدار مقاومت می‏کند و موضوع قانون اهم است.
نارساناها: موادی که اجازه نمی‏دهند جریان الکتریکی جاری شود.
نوار رسانش: یک نوار تا حدودی پرشده از ترازهای انرژی در یک فلز یا نیمه رسانا. الکترون‏ها در نوار رسانش متحرک هستند و می‏توانند حامل جریان الکتریکی باشند.
نوار ظرفیت: یک نوار معمولا پر از سطوح انرژی در یک فلز یا نیمه رسانا. اگر الکترون‏ها از نوار ظرفیت بیرون برده شوند حفره هایی ایجاد می‏شوند که می‏توانند حامل جریان الکتریکی باشند.
نوترون: ذره بدون بار با جرمی برابر جرم پروتون که یکی از اجزای تشکیل دهنده بیشتر هسته‏ها می‏باشد.
نوع N : یک نیمه رسانا که حامل‏های بار آن عمدتا الکترون‏های منفی هستند.
نوع p : یک نیمه رسانا که حامل‏های بار آن  عمدتا حفره‏های مثبت هستند.
نوکلئون: نامی برای ذره‏ای که یا یک پروتون یا یک نوترون است.
نیمه رسانا: ماده‏ای با یک ساختار الکترونیکی مشابه با یک عایق اما با یک شکاف انرژی کوچک.
واکنش زنجیره‏ای: مجموعه‏ای از رویدادهای شکافت که هنگامی رخ می‏دهند که نوترون‏های ساطع‏شده از یک هسته شکافته شده ماشه شکافت بقیه هسته‏ها را می‏چکانند.
ولتاژ: ویژگی از یک باتری یا وسیله‏ای مشابه که یک جریان را حول یک مدار الکتریکی هدایت می‏کند.
هسته: جسمی که از پروتون‏ها و نوترون‏های به شدت مقید به یکدیگر تشکیل شده و بیشترین جرم اتم را در برگرفته اما تنها بخش کوچکی از حجم آن را اشغال می‏کند.
همجوشی: فرایندی که در آن دو هسته به یکدیگر می‏پیوندند و با آزاد کردن انرژی همراه است.
یک بعدی: سیستمی که در آن کلیه حرکت‏ها در راستای یک خط است.
یون ها: اتم‏هایی که به دلیل کاهش یا افزایش یک الکترون یا بیشتر دارای بار مثبت یا منفی هستند.

 

نمایه

الکترون آزاد 96, 104
الماس 91
انرژی جنبشی 20ـ22, 66, 77, 88ـ89, 180
انرژی خورشیدی 80
انرژی فرمی 88, 94ـ95, 100, 121ـ123, 180
انرژی هسته‏ای 70 , 72 , 80
انریکو فرمی 88
انفجار هسته‏ای 173
اوتو اشترن 139
اورانیوم 25ـ26, 28 , 65 , 71-73 , 81
ایزاک نیوتن 19
ایزوتوپ 27-28 , 68 , 71 , 81, 180
آ
آلبرت اینشتین 42
آهنربا 23, 125ـ127, 134, 139, 143ـ144, 151
آهنربای شناور 126
ب
باتری 83ـ86, 88, 108, 112, 115ـ116, 125
بار الکتریکی 3, 17, 21ـ22, 78ـ79, 84, 103, 111, 133ـ134, 183
بار فضایی 107
بردار 130ـ131, 180
برهمکنش غیرموضعی 180
بسامد 34
بقای انرژی 20
بلور 182
بمب هیدروژنی 81
پ
پایه 7ـ 8, 12, 48, 75ـ77, 79, 81, 110ـ114, 155, 165, 174, 180ـ181, 183
پروتون 26ـ28, 60, 66, 68ـ71, 74, 81, 151, 174, 180, 182ـ184
پله پتانسیل 51-52
پیوندگاه p-n 106, 107, 108, 115, 116, 180
پیوندگاه جوزفسون 132, 179ـ180
ت
تابش الکترومغناطیس 133
تابع موج 33, 44ـ46, 50ـ55, 57ـ59, 62, 79, 86, 92ـ93, 97, 130, 158ـ159, 180, 183
تبادل کلید 143ـ145
تداخل 4, 39ـ40, 42ـ43, 133, 161, 163, 180
تراز دهنده 105, 181
تراشه رایانه‏ای 83 , 175
تراشه سیلیکونی 7 , 12 , 113-114 , 116
ترانزیستور 4, 109ـ113, 116, 119, 145, 180ـ181, 183
تفسیر چندجهانی 175
تفسیر کپنهاگی 153, 158, 164, 175, 181
تقارن کروی 57 , 61
تکانه 3, 23ـ24, 31, 48, 88, 97, 131, 151, 179ـ182
تونل زنی کوانتومی 131
ث
ثابت پلانک 19, 78, 130, 133ـ134, 181ـ182
ج
جان بل 168, 175
جان شریفر 119
جایزه نوبل 119
جدول تناوبی 96
جرم 3, 16ـ23, 25ـ27, 31, 42, 44, 46, 49, 53, 57ـ58, 62, 68, 72, 74, 78, 99, 129, 159, 166, 174, 180ـ181, 183ـ184
جریان بحرانی 132, 181
چ
چرنوبیل 74
ح
حالت برانگیخته 48, 76, 181
حالت پایه 79
حرکت براونی 166, 181
حفره 102ـ107, 109ـ111, 114ـ116, 181, 183
د
دامنه 36, 157, 181
دوبروی 129 , 131 , 165-166 , 182
دوتریوم 27, 74, 81, 182
دوگانگی موج- ذره 7ـ8, 182
دی اکسید کربن 7, 65, 76ـ81, 179
دیوید بوهم 165
ذ
ذره آلفا 182
ر
رآکتور هسته‏ای 81, 188
رایانه کوانتومی 145, 149, 151, 161
رمزنگاری کلید عمومی 149
رمزنگاری کوانتومی 5, 141, 145, 182
ریاضیات 3, 8ـ9, 13, 15, 18, 62, 160, 173
ریدبرگ 56
ز
زوج کوپر 122-124 , 129-132 , 134 , 182
ژ
ژول 18, 20ـ22, 182
س
ساختار هسته‏ای 71
سرعت نور 16, 19, 58, 163, 166, 169, 180
سلول خورشیدی 80 , 114-116 , 176 , 182
سلول واحد 90ـ91, 182
سوخت شیمیایی 67-68
سوخت فسیلی 65 , 75 , 77 , 81 , 114, 176 , 182
سوخت هسته‏ای 65
سیاه چاله 103, 176
سیلیکون 96, 104ـ105, 109, 113, 175ـ176
ش
شار مغناطیسی 130ـ134
شتاب 19ـ21, 99, 115, 160
شکاف انرژی 93, 95ـ96, 104ـ105, 116ـ117, 119, 123ـ124, 182ـ183
شکافت 80, 139, 173ـ174, 182, 184
شکاف یانگ 164
شناوری مغناطیسی 126, 128, 134
ص
صفر مطلق دما 24, 182
طول موج 29, 34ـ42, 44ـ50, 62, 75ـ76, 86ـ88, 92ـ93, 95ـ97, 100, 122ـ123, 129, 131, 182
ع
علم نانو 53
علوم موشکی 11, 16
ف
فاجعه فرابنفش 41
فسفر 104ـ105
فناوری اطلاعات 8, 12, 83, 98, 116
فوتون 42, 49, 57ـ58, 62, 75ـ77, 114ـ116, 140, 145, 155ـ159, 161ـ165, 167ـ169, 171ـ172, 182
ق
قانون اهم 85, 98ـ100, 182ـ183
قانون بورن 57
قانون لنز 126
قضیه بل 172, 182
قطبیدگی 140, 145, 154ـ162, 164, 167ـ170, 172, 182
قطبیده 154ـ156, 158, 163, 168
ک
کارل الکس مولر 128
کارل پاپر 187
کالکتور 181
کامرلینگ اونس 117
کلسیم 96, 128
کلوین 118, 127ـ129, 134, 179, 182
کوارک 26, 173
کوانتوم شار 130ـ132, 182
کوانتیدگی شار 130ـ131, 134
کولمب 22, 183
کیوبیت 137, 146ـ148, 150ـ151, 155, 183
گ
گاز گلخانه‏ای 77
گرانش 11, 20ـ21, 45, 126, 160
گربه شرودینگر 162, 169, 172, 183
گرمایش جهانی 183
گسیلنده 181, 183
گوی کریستالی 176
ل
لایه بسته 183
م
ماکس بورن 45
متافیزیکی 14
متغیر پنهان 167ـ168
محور چرخش 138
معادله شرودینگر 183
مقاومت 12, 83ـ86, 89, 97ـ100, 106, 110, 112ـ113, 117ـ118, 124ـ128, 132, 134, 146, 160, 180, 182ـ183
مقیاس سلسیوس 181
موتور الکتریکی 129
موج الکترومغناطیس 79ـ80, 153, 155, 159, 182
موج متحرک 86ـ87, 122
میدان الکتریکی 78ـ79, 98, 100ـ101, 103, 119, 153ـ154, 157, 179, 182
میدان مغناطیسی 23, 125ـ126, 130ـ132, 138, 146, 174, 179
ن
ناخالصی‏ها 97, 100, 110, 117ـ119
نارسانا 89, 94ـ97, 100, 117, 123, 132
نسبیت 7, 62, 163, 166, 169, 172, 174
نوار رسانش 101, 105, 115ـ116, 181, 183
نوار ظرفیت 102, 105, 115ـ116, 183
نوترون 26ـ28, 60, 68, 70ـ73, 81, 151, 174, 180, 182ـ184
نوسانگر کوانتومی 53
نوکلئون 26, 183
نیتروژن مایع 128ـ129
نیروگاه 83ـ84, 107, 127
نیروی سبز 4, 74, 80
نیروی هسته‏ای 174
نیلز بور 187
نیمه رسانا 83, 102ـ106, 109, 113ـ114, 116, 161, 174, 181ـ183

و
واکس پارافین 96
واکنش زنجیره‏ای 184
والتر گرلاخ 139, 191
هـ
هایزنبرگ 46 , 48
هلیوم 81, 117, 127ـ128, 182
همجوشی 74, 80, 81, 184
هیدروژن 25ـ27, 49, 79, 81, 86 , 158, 161, 163, 182
هیدروکربن 96
ی
یک بعدی 88, 92ـ93, 95ـ96, 100, 122, 184
یکسو کننده 106ـ108
یون 4, 86, 89ـ90, 92ـ95, 97, 100, 106, 120, 134, 184