ما هي الفيزياء الكمومية؟
الفيزياء الكمومية هي دراسة المادة والطاقة على المستوى الأكثر جوهرية. وهي تهدف إلى الكشف عن خصائص وسلوكيات اللبنات الأساسية للطبيعة.
في حين أن العديد من التجارب الكمومية تفحص أجسامًا صغيرة جدًا، مثل الإلكترونات والفوتونات، فإن الظواهر الكمومية موجودة حولنا، وتعمل على كل مقياس. ومع ذلك، قد لا نتمكن من اكتشافها بسهولة في الأجسام الأكبر حجمًا.
وقد يعطي هذا انطباعًا خاطئًا بأن الظواهر الكمومية غريبة أو من عالم آخر. في الواقع، يسد علم الكم الفجوات في معرفتنا بالفيزياء لإعطائنا صورة أكثر اكتمالاً لحياتنا اليومية.
تم دمج الاكتشافات الكمومية في فهمنا الأساسي للمواد والكيمياء والأحياء وعلم الفلك. تعد هذه الاكتشافات موردًا قيمًا للإبداع، مما أدى إلى ظهور أجهزة مثل الليزر والترانزستورات، وتمكين التقدم الحقيقي في التقنيات التي كانت تعتبر ذات يوم مجرد تخمينات، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
يستكشف الفيزيائيون إمكانات علم الكم لتحويل وجهة نظرنا حول الجاذبية وارتباطها بالفضاء والزمان. وقد يكشف علم الكم أيضًا عن كيفية ارتباط كل شيء في الكون (أو في أكوان متعددة) بكل شيء آخر من خلال أبعاد أعلى لا تستطيع حواسنا فهمها.
أصول الفيزياء الكمومية
نشأ مجال الفيزياء الكمومية في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين من سلسلة من الملاحظات التجريبية للذرات التي لم يكن لها معنى بديهي في سياق الفيزياء الكلاسيكية.
ومن بين الاكتشافات الأساسية إدراك أن المادة والطاقة يمكن اعتبارهما حزمًا منفصلة، أو كمات، لها قيمة دنيا مرتبطة بها.
على سبيل المثال، سيوفر الضوء ذو التردد الثابت طاقة في كمات تسمى “الفوتونات”. سيكون لكل فوتون عند هذا التردد نفس مقدار الطاقة، ولا يمكن تقسيم هذه الطاقة إلى وحدات أصغر.
لقد غيرت معرفة مبادئ الكم مفهومنا للذرة، التي تتكون من نواة محاطة بالإلكترونات. صورت النماذج المبكرة الإلكترونات كجسيمات تدور حول النواة، تمامًا مثل الطريقة التي تدور بها الأقمار الصناعية حول الأرض.
إن الفيزياء الكمومية الحديثة تفسر الإلكترونات على أنها موزعة داخل مدارات، وهي أوصاف رياضية تمثل احتمال وجود الإلكترونات في أكثر من موقع ضمن نطاق معين في أي وقت معين. ويمكن للإلكترونات أن تقفز من مدار إلى آخر مع اكتسابها أو فقدانها للطاقة، ولكن لا يمكن العثور عليها بين المدارات.
إقرأ أيضاً… الرياضيات والعلوم الكمية.
أسس الفيزياء الكمومية
ساعدت مفاهيم مركزية أخرى في إرساء أسس الفيزياء الكمومية:
- ثنائية الموجة والجسيم
يعود هذا المبدأ إلى الأيام الأولى لعلم الكم. وهو يصف نتائج التجارب التي أظهرت أن الضوء والمادة لهما خصائص الجسيمات أو الموجات، اعتمادًا على كيفية قياسها.
اليوم، نفهم أن هذه الأشكال المختلفة من الطاقة ليست في الواقع جسيمًا ولا موجة. إنها أشياء كمية مميزة لا يمكننا تصورها بسهولة.
- التراكب
هذا مصطلح يستخدم لوصف الكائن باعتباره مزيجًا من حالات متعددة ممكنة في نفس الوقت. يشبه الكائن المتراكب تموجًا على سطح البركة وهو مزيج من موجتين متداخلتين. بالمعنى الرياضي، يمكن تمثيل الكائن في التراكب بمعادلة لها أكثر من حل أو نتيجة.
- مبدأ عدم اليقين
هذا مفهوم رياضي يمثل مقايضة بين وجهتي نظر متكاملتين. في الفيزياء، يعني هذا أنه لا يمكن معرفة خاصيتين لجسم ما، مثل موضعه وسرعته، بدقة في نفس الوقت. إذا قمنا بقياس موضع الإلكترون بدقة، على سبيل المثال، فسوف نكون مقيدين في مدى دقة معرفة سرعته.
- التشابك
هذه ظاهرة تحدث عندما يتم ربط جسمين أو أكثر بطريقة يمكن اعتبارها نظامًا واحدًا، حتى لو كانت متباعدة جدًا. لا يمكن وصف حالة أحد الجسمين في هذا النظام بالكامل دون معلومات عن حالة الجسم الآخر. وبالمثل، فإن معرفة معلومات حول أحد الجسمين تخبرك تلقائيًا بشيء عن الآخر والعكس صحيح.
الرياضيات والطبيعة الاحتمالية للأجسام الكمومية
نظرًا لأن العديد من مفاهيم الفيزياء الكمومية يصعب علينا تصورها إن لم يكن من المستحيل تصورها، فإن الرياضيات ضرورية لهذا المجال.
تستخدم المعادلات لوصف الأجسام والظواهر الكمومية أو المساعدة في التنبؤ بها بطرق أكثر دقة مما يمكن أن تتخيله خيالاتنا.
إن الرياضيات ضرورية أيضاً لتمثيل الطبيعة الاحتمالية للظواهر الكمومية. على سبيل المثال، قد لا يكون موضع الإلكترون معروفاً بدقة.
وبدلاً من ذلك، قد يوصف بأنه موجود في نطاق من المواقع المحتملة (مثل داخل مدار)، مع ارتباط كل موقع باحتمالية العثور على الإلكترون هناك.
ونظراً لطبيعتها الاحتمالية، فإن الأجسام الكمومية غالباً ما توصف باستخدام “الدالات الموجية” الرياضية، والتي تعد حلولاً لما يعرف بمعادلة شرودنجر. ويمكن وصف الموجات في الماء بتغير ارتفاع الماء عندما تتحرك الموجة بعد نقطة محددة.
وعلى نحو مماثل، يمكن وصف الموجات الصوتية بتغير ضغط أو تمدد جزيئات الهواء عندما تتحرك بعد نقطة ما. ولا تتبع الدوال الموجية خاصية فيزيائية بهذه الطريقة. وتوفر حلول الدوال الموجية احتمالات المكان الذي قد يجد فيه المراقب جسماً معيناً عبر نطاق من الخيارات المحتملة.
ومع ذلك، فكما أن التموج في البركة أو النغمة التي يتم عزفها على البوق تنتشر على نطاق واسع ولا تقتصر على مكان واحد، فإن الأشياء الكمومية يمكن أن تكون أيضًا في أماكن متعددة – وتتخذ حالات مختلفة، كما في حالة التراكب – في وقت واحد.
إقرأ أيضاً… أساسيات فيزياء الجسيمات.
الملاحظة في مجال الفيزياء الكمومية
إن عملية الملاحظة موضوع نقاش واسع النطاق في مجال الفيزياء الكمومية. ففي وقت مبكر من هذا المجال، حير العلماء عندما اكتشفوا أن مجرد ملاحظة تجربة ما تؤثر على النتيجة.
على سبيل المثال، يتصرف الإلكترون كموجة عندما لا يتم ملاحظته، ولكن عملية ملاحظته تسببت في انهيار الموجة (أو، بشكل أكثر دقة، “فقدان التماسك”) وتصرف الإلكترون بدلاً من ذلك مثل الجسيم.
يدرك العلماء الآن أن مصطلح “الملاحظة” مضلل في هذا السياق، مما يشير إلى أن الوعي متورط. بدلاً من ذلك، يصف “القياس” التأثير بشكل أفضل، حيث قد يحدث تغيير في النتيجة بسبب التفاعل بين الظاهرة الكمومية والبيئة الخارجية، بما في ذلك الجهاز المستخدم لقياس الظاهرة.
ومع ذلك، حتى هذا الارتباط له تحذيرات، ولا يزال الفهم الكامل للعلاقة بين القياس والنتيجة مطلوبًا.
تجربة الشق المزدوج
ربما تكون تجربة الشق المزدوج هي التجربة الأكثر دقة في مجال الفيزياء الكمومية. استخدمت هذه التجربة، التي تتضمن إطلاق جسيمات مثل الفوتونات أو الإلكترونات عبر حاجز ذي شقين، في الأصل عام 1801 لإظهار أن الضوء يتكون من موجات.
ومنذ ذلك الحين، تم استخدام العديد من تجسيدات التجربة لإثبات أن المادة يمكن أن تتصرف أيضًا مثل الموجة ولإثبات مبادئ التراكب والتشابك وتأثير المراقب.
قد يبدو مجال العلوم الكمومية غامضًا أو غير منطقي، لكنه يصف كل شيء حولنا، سواء أدركنا ذلك أم لا. إن تسخير قوة الفيزياء الكمومية يؤدي إلى ظهور تقنيات جديدة، سواء للتطبيقات التي نستخدمها اليوم أو تلك التي قد تكون متاحة في المستقبل.
