ميكانيكا الكم

في الحياة اليومية، نفهم بشكل بديهيّ كيف يعمل العالم. أسقط كوبًا وسيتحطم على الأرض. ادفع عربة وستتدحرج. المشي إلى الحائط ولا يمكنك المشي فيه. هناك قوانين أساسية للفيزياء تدور في كل مكان حولنا والتي نفهمها غريزيًا: الجاذبية تجعل الأشياء تسقط على الأرض، دفع شيء ما يجعله يتحرّك، شيئين لا يمكنهما احتلال نفس المكان في نفس الوقت.

في مطلع القرن، اعتقد العلماء أن جميع القواعد الأساسية مثل هذه يجب أن تنطبق على كلّ شيء في الطبيعة - لكنهم بدأوا بعد ذلك في دراسة عالم الصغار جدًا. الذرات والإلكترونات وموجات الضوء، لا يتبع أيّ من هذه الأشياء القواعد العادية. عندما بدأ فيزيائيون مثل نيلز بور وألبرت أينشتاين في دراسة الجسيمات، اكتشفوا قوانين فيزيائية جديدة كانت ملتوية تمامًا. كانت هذه قوانين ميكانيكا الكم، وقد اشتقوا اسمهم من عمل ماكس بلانك.

"فعل اليأس"

في عام 1900م، كان ماكس بلانك فيزيائيًا في برلين يدرس شيئًا يسمّى "كارثة الأشعة فوق البنفسجية". كانت المشكلة هي أن قوانين الفيزياء تنبأت بأنه إذا سخنت صندوقًا بطريقة لا يمكن للضوء أن يخرج منها (يُعرف باسم "الصندوق الأسود")، فينبغي أن ينتج عنه كمية لا حصر لها من الأشعة فوق البنفسجية. في الحياة الواقعية لم يحدث شيء من هذا القبيل: كان الصندوق يشع بألوان مختلفة، أحمر، أزرق، أبيض، تمامًا كما يفعل المعدن الساخن، لكن لم يكن هناك كمية لا حصر لها من أيّ شيء. لم يكن له معنى. كانت هذه قوانين فيزيائية تصف تمامًا كيف يتصرّف الضوء خارج الصندوق - لماذا لم يصفوا سيناريو الصندوق الأسود هذا بدقة؟

حاول بلانك خدعة رياضية. لقد افترض أن الضوء لم يكن في الحقيقة موجة مستمرّة كما افترض الجميع، ولكن ربما يمكن أن يوجد بكميات محدّدة فقط، أو "كوانتا" من الطاقة. لم يصدق بلانك حقًا أن هذا كان صحيحًا فيما يتعلق بالضوء، في الواقع أشار لاحقًا إلى وسيلة التحايل الرياضية هذه على أنها "فعل يأس". ولكن مع هذا التعديل، نجحت المعادلات، واصفة إشعاع الصندوق بدقة.

استغرق الأمر بعض الوقت حتى يتفق الجميع على ما يعنيه هذا، ولكن في النهاية فسر ألبرت أينشتاين معادلات بلانك على أنها تعني أن الضوء يمكن اعتباره جسيمات منفصلة، تمامًا مثل الإلكترونات أو البروتونات. في عام 1926م، أطلق عليها عالم الفيزياء في بيركلي جيلبرت لويس الفوتونات.

كوانتا، كوانتا في كل مكان

هذه الفكرة القائلة بأن الجسيمات يمكن أن تحتوي فقط على كتل من الطاقة بأحجام معينة انتقلت إلى مناطق أخرى من الفيزياء أيضًا. على مدى العقد التّالي، أدخلها نيلز بور في وصفه لكيفيّة عمل الذرة. قال إن الإلكترونات التي تدور حول النواة لا يمكن أن تحتوي على كميات صغيرة أو كبيرة من الطاقة بشكل تعسفيّ، يمكن أن يكون لها فقط مضاعفات "الكم" القياسي من الطاقة.

في النهاية، أدرك العلماء أن هذا يفسر سبب كون بعض المواد موصلات للكهرباء وبعضها ليس كذلك - لأن الذرات ذات مدارات إلكترون مختلفة للطاقة تقوم بتوصيل الكهرباء بشكل مختلف. كان هذا الفهم حاسمًا لبناء الترانزستور، لأن البلورة في جوهرها مصنوعة عن طريق خلط مواد بكميات متفاوتة من الموصلية.

لكنهم موجات أيضًا

إليك أحد الأشياء الغريبة حول ميكانيكا الكم: لمجرّد أن الإلكترون أو الفوتون يمكن اعتباره جسيمًا، لا يعني أنهما لا يزالان على الرّغم من أنهما موجة أيضًا. في الواقع، في الكثير من التجارب، يعمل الضوء كموجة أكثر من كونه جسيمًا.

تنتج طبيعة الموجة هذه بعض التأثيرات المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، إذا كان الإلكترون الذي يسافر حول النواة يتصرف مثل الموجة، فإن موضعه في أي وقت يصبح غامضًا. بدلاً من أن يكون في نقطة محددة، يتم تلطيخ الإلكترون في الفضاء. يعني هذا التلطيخ أن الإلكترونات لا تنتقل دائمًا بالطريقة التي يتوقعها المرء. على عكس الماء الذي يتدفق في اتجاه واحد عبر خرطوم، يمكن للإلكترونات التي تسير على طول كتيار كهربائي في بعض الأحيان أن تتبع مسارات غريبة، خاصةً إذا كانت تتحرك بالقرب من سطح المادة. علاوة على ذلك، يمكن للإلكترونات التي تعمل كموجة أن تخترق في بعض الأحيان من خلال حاجز. كان فهم هذا السلوك الغريب للإلكترونات ضروريًا حيث حاول العلماء التحكم في كيفية تدفق التيار عبر الترانزستورات الأولى.

إذن ما هو - جسيم أم موجة؟

يفسر العلماء ميكانيكا الكم على أنها تعني أن قطعة صغيرة من مادة مثل الفوتون أو الإلكترون هي جسيم وموجة. يمكن أن يكون إما، اعتمادًا على كيفية نظر المرء إليه أو نوع التجربة التي يقوم بها المرء. في الواقع، قد يكون من الأكثر دقة القول إن الفوتونات والإلكترونات ليست جسيمًا أو موجة - فهي غير محددة حتى اللحظة ذاتها التي ينظر فيها شخص ما إليها أو يجري تجربة، مما يجبرها على أن تكون إما جسيمًا أو موجة.

يأتي هذا مع آثار جانبية أخرى: وهي أن عددًا من صفات الجسيمات غير محددة جيدًا. على سبيل المثال، هناك نظرية كتبها فيرنر هايزنبرغ تسمى مبدأ عدم اليقين. تنص على أنه إذا أراد الباحث قياس سرعة وموضع الجسيم، فلا يمكنه فعل الأمرين بدقة شديدة. إذا هو يقيس السرعة بعناية، ثم لا يستطيع قياس الموضع تقريبًا أيضًا. هذا لا يعني فقط أنه ليس لديه أدوات قياس جيدة بما يكفي - إنه أساسي أكثر من ذلك. إذا كانت السرعة مثبتة جيدًا، فلا يوجد ببساطة موضع راسخ (يتم تلطيخ الإلكترون مثل الموجة) والعكس صحيح.

لم يعجب ألبرت أينشتاين بهذه الفكرة. عندما واجه الفكرة القائلة بأن قوانين الفيزياء تركت مجالًا لمثل هذا الغموض، أعلن: "الله لا يلعب النرد مع الكون". ومع ذلك، فإن معظم الفيزيائيين اليوم يقبلون قوانين ميكانيكا الكم كوصف دقيق للعالم دون الذري. وبالتأكيد كان الفهم الشامل لهذه القوانين الجديدة هو الذي ساعد باردين وبراتين وشوكلي على ابتكار الترانزستور.

ملاحظة: المقالات والمشاركات والتعليقات المنشورة بأسماء أصحابها أو بأسماء مستعارة لا تمثل الرأي الرسمي لجوَّك بل تمثل وجهة نظر كاتبها ونحن لا نتحمل أي مسؤولية أو ضرر بسبب هذا المحتوى.

ما رأيك بما قرأت؟
إذا أعجبك المقال اضغط زر متابعة الكاتب وشارك المقال مع أصدقائك على مواقع التواصل الاجتماعي حتى يتسنى للكاتب نشر المزيد من المقالات الجديدة والمفيدة والإيجابية..

تعليقات

شكرا 💜

أضف ردا
يجب عليك تسجيل الدخول أولاً لإضافة تعليق.

يجب عليك تسجيل الدخول أولاً لإضافة تعليق.

هل تحب القراءة؟ كن على اطلاع دائم بآخر الأخبار من خلال الانضمام مجاناً إلى نشرة جوَّك الإلكترونية

نبذة عن الكاتب