إذا كنت تشاهد أفلام ومسلسلات الخيال العلمي، فلابد أنك لاحظت أن العديد من الكلمات الرنانة التي يتم طرحها كثيرًا. كلمات مثل “ميكانيكا الكم quantum mechanics” و “التفرد singularity” و “إزالة الترابط الكمومي quantum decoherence” وما إلى ذلك. إنها تجذب انتباه القراء على عكس أي شيء آخر وتقدم إحساسًا بالغموض فيما يتعلق بالظواهر التي يتناولها المشهد، مما يجعل القارئ يتساءل عن عالم ميكانيكا الكم.
حسنًا، دعونا نزيل بعض الغموض عن العالم الكمومي، لأن الجمال الحقيقي للعلم لا يكمن في عجائب الظواهر الغامضة، بل في المحاولات المتكررة لفهمها ودفع حدود المعرفة.
تكميم الطاقة: كسر القوانين السائدة
إن كلمة “الكم” في الفيزياء ليست صفة من شأنها أن تصف كيانًا معينًا. بدلاً من ذلك، يأتي الكم في الواقع من الكلمة “مُكمَّم”. في القرن العشرين، تم اكتشاف أن طاقة أنظمة المقاييس الصغيرة (مجموعة من الجزيئات والذرات والإلكترونات المرتبطة بمعدن، وما إلى ذلك) يمكن أن يكون لها فقط قيم معينة من الطاقة المسموح بها.
تخيل رمي كرة تنس على سبيل المثال. يمكن أن يكون لسرعة الكرة، من حيث المبدأ، أي سرعة في النطاق المتصل من 0 كم / ساعة إلى 150 كم / ساعة (بشكل واقعي، بناءً على قوة التي قذفت بها الكرة). ولكن، إذا كانت الكرة تخضع لقوانين ميكانيكا الكم، فلن تتحرك الكرة إلا عند قيم معينة مسموح بها، على سبيل المثال، عند السرعات التي تكون مضاعفات 2 كم / ساعة (أي 2، 4، 6، 8، …) أو عند سرعات تتزايد بقيمة مرفوعة للاس 3 كم / ساعة (أي 3، 9، 27، 81، …). هذا يعني أن هناك بعض السرعات الممنوعة التي لا تستطيع الكرة التحرك بها. وبالتالي، فإن المخطط البياني للسرعة مقابل الزمن سيبدو منحنى متقطع. هذه الظاهرة الغريبة نوعًا ما تكون صحيحة في الواقع بالنسبة للجسيمات الكمومية مثل الإلكترونات والبروتونات. هذا ما يسمى بتكميم السرعة. نظرًا لأن الطاقة الحركية تعتمد على السرعة، فإن تكميم السرعة يؤدي أيضًا إلى تكميم الطاقة.
كارثة الأشعة فوق البنفسجية: أول تلميح فتح المجال أمام ميكانيكا الكم
في أواخر القرن التاسع عشر، حاول الفيزيائيون حساب إجمالي الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود المثالي. تضمن هذا جمع طاقات جميع الذرات المكونة للجسم الأسود باستخدام قوانين الفيزياء الكلاسيكية. ما تبع ذلك هز أسس الفيزياء حتى صميمها. تم حساب الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود في حالة توازن حراري مع محيطه وتبين أن هذه الطاقة لا نهائية. من منظور الشخص العادي، هذا يعني أن الطاقة المنبعثة من الجسم الأسود أكبر من طاقة كل النجوم، والكواكب، والمذنبات، والكويكبات، وما إلى ذلك في الكون مجتمعة.
كانت “الكارثة” هي التنبؤ الخاطئ الذي قدمته النظرية الكلاسيكية عند الأطوال الموجية المنخفضة أو الترددات العالية. أشارت تلك إلى أن شيئًا ما كان معيبًا بشكل أساسي في الفيزياء الكلاسيكية.
دفعت هذه النتيجة الغريبة الفيزيائيين إلى البحث عن نظريات بديلة. تم حل المشكلة عندما افترض ماكس بلانك أن الذرات التي يتكون منها الجسم الأسود تنبعث منها طاقة بقيم معينة مسموح بها فقط. بعبارات بسيطة، كان هذا يعني أن الطاقة المنبعثة من جميع الذرات قد تم تكميمها. لمزيد من التبسيط، يمكن لكل ذرة أن ينبعث منها بعض الطاقات المسموح بها. حل هذا الافتراض البسيط مشكلة الطاقة اللانهائية والحسابات النظرية (التي أعطت سابقًا نتائج غير واقعية) متطابقة مع الملاحظة العملية.
ظواهر غريبة على المقياس الكمومي
ماذا لو قيل لك أن لديك موجة مرتبطة بك؟ وكذلك سيارتك ومنزلك وملابسك. في الواقع، كل المواد الفيزيائية في الكون لها طبيعة موجية مرتبطة بها.
تداخل إلكترون واحد مع نفسه
التداخل هو تراكب لموجات من نفس التردد تتحرك في نفس الاتجاه.
في هذه التجربة، تنبعث الإلكترونات من المصدر باتجاه فيلم فوتوغرافي على مسافة محددة من المصدر. يقع بين المصدر (S) والفيلم (F) يوجد جدار (W) به فتحتان متباعدتين بعض الشيء. يتم التحكم في معدل انبعاث الإلكترون بحيث أن إلكترونًا واحدًا فقط يعبر الجدار W في كل مرة. سيكون التشبيه الكلاسيكي هو إطلاق قاذف كرة تنس باتجاه جدار به فتحتان بحيث لا تعبر الجدار إلا كرة واحدة في المرة الواحدة. وحينها سوف تسجل الورقة خلف الجدار المنطقة التي تضرب فيها الكرة.
جهاز الشق المزدوج.
تتنبأ النظرية الكلاسيكية (كرة التنس) بأن نمط الضربات التي سوف تحصل عليها على الورقة سيكون عشوائيًا. بالانتقال الآن إلى العالم الكمومي (إلكترون واحد)، نتوقع أيضا أن نحصل على نمط ضربات عشوائي على فيلم التصوير الفوتوغرافي (F)، كما حدث في حالة كرات التنس.
لكن الملاحظات فاجأت علماء الفيزياء. فقد تكون نمط غير متوقع على الفيلم F يحتوي على مناطق ذات كثافة عالية ومناطق ذات كثافة منخفضة مرتبة في صورة منتظمة. يشبه هذا النمط نمط التداخل الذي تسببه موجات الضوء. حقيقة أن هذه السمة النمطية للموجات الناتجة عن جسيمات (إلكترونات)، استنتج بناء عليها أن تلك الجسيمات لها أيضًا طابع موجي أيضا!
نمط التداخل الناتج عن إلكترون واحد.
إزالة الترابط الكمومي: تدمير إمكانية الرصد
استمرارًا لتجربة التداخل الإلكتروني الفردي، قام العلماء بإبعاد الجهاز عن المراقبة والرصد أثناء تشغيله. هذا يعني أنه أثناء انبعاث الإلكترونات واصطدامها بالفيلم F، لم يتم إجراء أي رصد عملي. بعد تشغيل التجربة لبضع ساعات، تم إيقافه ومن ثم تمت معالجة الفيلم F.
حسنًا، من المدهش تمامًا أن نمط التداخل الذي سجل في حالة مراقبة ورصد مسار الإلكترون قد اختفى، أو بالأحرى، لم يُلاحظ أي نمط منتظم مثل النمط السابق. في هذه الحالة، كان النمط عشوائيًا، تمامًا مثل تجربة كرة التنس. بمعنى آخر، المراقبة العملية تدمر التداخل أي أن الإلكترونات سلكت في هذه الحالة سلوك الجسيمات. لكن هذا ليس هو الحال مع كرات التنس. يمكنك الاحتفاظ بالعدد الذي تريده من الكاميرات والمتفرجين، لكن النمط لن يتغير.
يحدث هذا لأنه على المستوى الكمومي عندما تصطدم فوتونات الضوء (اللازمة لعملية الرصد) الإلكترون، يتشتت الإلكترون عن مساره الأصلي. وهكذا، فإنه في محاولة لإجراء قياس، يتم فقدان الملاحظة.
النفق الكمومي
تخيل أن كرة التنس كانت مقيدة للتحرك في غرفة له جدران عالية بلا حدود. لا يمكن للكرة أن تعبر الجدران حتى بسرعات عالية (كما أنه لا يسمح لها بكسر الجدار). نظرًا لأن عبور الجدار يتطلب أن تكون الكرة أعلى من ارتفاع الجدار، فمن المستحيل في الواقع أن تتحرك الكرة للخارج. وبالمثل، على المقياس الكمومي، إذا وضع الإلكترون على بئر عميقة لا متناهية (مثل الجدران)، فقد يتوقع المرء أن يظل الإلكترون محاصرًا إلى الأبد دون أي فرص (او احتمالية) لعبور الجدار. لكن ميكانيكا الكم هنا تفاجئنا مرة أخرى. يوجد احتمال محدود أن يعبر الإلكترون الجدار.
يمكن تفسير تأثير النفق من خلال افتراض الطبيعة الموجية للإلكترون والنمذجة الرياضية.
التفكير الشرطي مع الفيزياء الكلاسيكية
نظرًا لأن فيزياء المستوى التمهيدي والمتوسط تتضمن الفيزياء الكلاسيكية، يصبح من الأسهل الارتباط بالظواهر اليومية باستخدام هذه النظريات. ولكن عندما يتم تقديم ميكانيكا الكم لأول مرة، فإنها تبدأ دائمًا بافتراضات حول دالة موجية يصعب الارتباط بها. علاوة على ذلك، نظرًا لأن الجسيمات الكمومية لا تلتزم بالقوانين الكلاسيكية، فإن التنبؤ بسلوكها يصبح أمرًا صعبًا وكذلك فهم الإطار الرياضي لميكانيكا الكم. ليس من السهل التفكير في العوامل والوظائف الموجية وما إلى ذلك دون محاولة العثور على تشبيه كلاسيكي غير موجود.
إذا لم تكن معتادًا على المعادلات التفاضلية والأرقام المركبة والجبر على مستوى متقدم، فستبدو ميكانيكا الكم صعبة، لأن الرياضيات هي لغة الفيزياء.
