اَبا اِباد

مشکل اساسی شیمی کوانتوم

مشکل اساسی شیمی کوانتوم

“نظریه عمومی مکانیک کوانتومی اکنون تقریباً کامل است، و نقص‌هایی که هنوز باقی مانده‌اند، مربوط به تطبیق دقیق این نظریه با ایده‌های نسبیت (اینشتین) هستند. این نقص‌ها فقط زمانی ایجاد مشکل می‌کنند که ذرات پرسرعت در میان باشند. بنابراین در بررسی ساختار اتمی و مولکولی و واکنش‌های شیمیایی معمولی، که در واقع معمولاً اگر از تغییرات جرم با سرعت صرف نظر کنیم و فقط نیروهای کولونی بین الکترون‌های مختلف و هسته‌های اتمی را فرض کنیم، به اندازه کافی دقیق هستند، اهمیتی ندارند. بنابراین، قوانین فیزیکی اساسی لازم برای نظریه‌ی ریاضی بخش بزرگی از فیزیک و کل شیمی کاملاً شناخته شده‌اند و مشکل فقط این است که کاربرد دقیق این قوانین منجر به معادلاتی می‌شود که بسیار پیچیده‌تر از آن هستند که قابل حل باشند.”

این چند سطر مربوط به یکی از مهم‌ترین مقالات پل دیراک، ریاضی-فیزیکدان بزرگ انگلیسی‌ست که در سال ۱۹۲۹ منتشر شده و دیدگاه بسیار جالبی را درون خودش دارد که در اینجا به آن می‌پردازیم.

اجازه دهید از شیمی شروع کنیم. چیزی که در شیمی برای شیمیدان اهمیت دارد این است که خواص مولکول‌ها و واکنش مولکول‌ها با یکدیگر را به درستی پیش‌بینی کند. اگر شیمیدان بتواند این دو مورد را به درستی پیش‌بینی کند، تقریبا همه چیز در شیمی روشن می‌شود. با داشتن چنین دانشی حتی سطوح بالاتر مثل زیست‌شناسی مولکولی نیز برای ما روشن می‌شود. ما می‌دانیم که مولکول از اتم‌ها ساخته شده اند. تعدادی اتم از طریق جابجایی الکترون یا به اشتراک گذاری الکترون یک مولکول را می‌سازند که به این انتقال یا اشتراک الکترون، پیوند شیمیایی گفته می‌شود. حالا در یک واکنش شیمیایی، تعدادی از این پیوندها شکسته می‌شود و تعدادی پیوند جدید ایجاد می‌شود.

مثلا وقتی شما یک تکه چوب را می‌سوزانید، پیوند بین اتم‌های کربن درون چوب شکسته می‌شود و از طرف دیگر، پیوند بین اتم‌های اکسیژن در مولکول اکسیژن نیز شکسته می‌شود. سپس یک پیوند جدید بین اتم اکسیژن و دو اتم کربن ایجاد شده و ما ایجاد گاز کربن دی اکسید را می‌بینیم. ما می‌توانیم گرمای این واکنش را به خوبی اندازه گیری کنیم. اما مهم‌تر از اندازه گیری ما علاقه داریم روی کاغذ آن را به دقت حساب کنیم. یعنی در کنار انجام آزمایش به کار تئوریک علاقه مندیم. چون خیلی جاهای دیگر نمی‌توانیم یا نمی‌خواهیم آزمایش کنیم.

اما چطور می‌توانیم چنین کاری کنیم؟ ما می‌دانیم که همه‌ی این خواص زیر سر الکترون‌هاست و از طرف دیگر ما همچون پل دیراک می‌دانیم که مکانیک کوانتومی به خوبی و با دقت باورنکردنی می‌تواند رفتار الکترون‌ها را پیش‌بینی کند. پس همه چیز خوب است و مکانیک کوانتومی می‌تواند کل شیمی و فرزندانش مثل زیست شناسی را تئوریزه کند، اما چرا نمی‌کند؟

چرا ما در طراحی یک دارو از مکانیک کوانتومی شروع نمی‌کنیم و هر مولکول داروی دلخواهی را نمی‌سازیم؟

مساله همان است که پل دیراک گفت. یک مولکول درشت ده‌ها الکترون و صدها جایگاه الکترونی (اوربیتال) دارد. وقتی ما بخواهیم معادلات مکانیک کوانتومی را همزمان برای همه‌ی آن‌ها همزمان حل کنیم، این سیستم آنقدر پیچیده می‌شود‌ که از توانایی محاسباتی ما کاملا خارج می‌گردد. ما مکانیزم را کاملا می‌شناسیم اما قادر به حل معادلاتش نیستیم. این مساله یک نوع مساله‌ی چندجسمی کوانتومی (quantum many body problem) بوده و حل آن موضوعی‌ست که دهه‌هاست ذهن ما را به خود مشغول کرده است.

اکنون کامپیوترهای کوانتومی یکی از امیدبخش‌ترین کاندیداها برای حل این مساله هستند.

– ابا اباد

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *