المقياس الذري والظواهر الكمومية

تعريف ميكانيكا الكم:

ميكانيكا الكم، تعرّف على أنها علم يتعامل مع سلوك المادة والضوء على المقياس الذري والمقياس دون الذري. إنّه يحاول تفسير خصائص الجزيئات والذرات ومكوناتها من “الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات” وغيرها من الجسيمات الأخرى مثل الكواركات والغلوونات. وتتضمن هذه الخصائص أيضاً تفاعلات الجسيمات مع بعضها البعض ومع الإشعاع الكهرومغناطيسي (أي الضوء والأشعة السينية وأشعة جاما).

سلوك المادة والإشعاع على المستوى الذري:

يبدو سلوك المادة والإشعاع على المستوى الذري غريباً، وبالتالي يصعب فهم نتائج نظرية الكم والإقتناع بها. تتعارض مفاهيمها كثيراً مع مفاهيم الفطرة السليمة المستمدة من ملاحظات العالم اليومي. ومع ذلك، لا يوجد سبب يجعل سلوك العالم الذري يتوافق مع سلوك العالم واسع النطاق المألوف. من المهم أن نفهم أنّ ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء وأنّ عمل الفيزياء هو وصف وتفسير الطريقة التي يكون بها العالم “على كل من المقياس الكبير والصغير” وليس كيف يتخيله المرء أو يرغب فيه أن يكون.

تعتبر دراسة ميكانيكا الكم مهمة لعدة أسباب. أولاً، توضح النظرية الأساسية للفيزياء. ثانياً، لقد نجحت بشكل كبير في إعطاء نتائج صحيحة عملياً في كل موقف تم تطبيقه عليها. ومع ذلك، هناك مفارقة مثيرة للإهتمام. على الرغم من النجاح العملي لميكانيكا الكم، إلا أنّ أسس ميكانيكا الكم تحتوي على مشاكل لم يتم حلها، على وجه الخصوص، المشاكل المتعلقة بطبيعة القياس.

من الخصائص المهمة لميكانيكا الكم أنّه من المستحيل بشكل عام، من حيث المبدأ، قياس نظام ما دون الإخلال به، الطبيعة الدقيقة لهذا الإضطراب والنقطة المعينة التي يحدث فيها غامضة جداً ومثيرة للاهتمام. وهكذا، جذبت ميكانيكا الكم بعضاً من أشهر العلماء في القرن العشرين، وأقاموا ما قد يكون أفضل صرح فكري في تلك الفترة.

الأساس التاريخي لنظرية الكم:

نحن نعلم أنّه من الأساسيات، أنّه لكل من الإشعاع والمادة خصائص الجسيمات والأمواج. وأقرّ العلماء بأنّ للإشعاع خصائص شبيهة بخصائص الجسيمات وأنّ المادة لها خصائص موجية زودت بالقوة الدافعة لتطوير ميكانيكا الكم. وبتأثير من “نيوتن“، اعتقد علماء الفيزياء في القرن الثامن عشر أنّ الضوء يتكون من جسيمات أطلقوا عليها اسم “الجسيمات”. منذ حوالي عام 1800م، بدأت الأدلة تتراكم على نظرية موجات الضوء.

في هذا الوقت تقريباً، أوضح “توماس يونغ” أنّه إذا مر الضوء أحادي اللون عبر زوج من الشقوق، فإنّ الشعاعين الناشئين يتداخلان، بحيث يظهر نمط هامشي من النطاقات الساطعة والمظلمة بالتناوب على الشاشة. يتم شرح العصابات بسهولة من خلال نظرية الموجة للضوء.

وفقاً للنظرية، يتم إنتاج شريط لامع عندما تصل قمم (وقيعان) الأمواج من الشقين معاً إلى الشاشة، يتم إنتاج شريط مظلم عندما تصل قمة إحدى الموجات في نفس وقت وصول قاع الموجة الأخرى، ويتم إلغاء تأثيرات حزمتين من الضوء. وبدءاً من عام 1815م، أظهرت سلسلة من التجارب التي أجراها “أوغسطين جان فريسنل” من فرنسا وآخرون أنّه عندما يمر شعاع متوازي من الضوء عبر شق واحد، فإنّ الحزمة الناشئة لم تعد متوازية ولكنّها تبدأ في التباعد، تُعرف هذه الظاهرة بالحيود.

بالنظر إلى الطول الموجي للضوء وهندسة الأجهزة (أي، فصل الشقوق وعرضها والمسافة من الشقوق إلى الشاشة)، يمكن للمرء استخدام نظرية الموجات لحساب النمط المتوقع في كل حالة من الحالات، تتفق النظرية بدقة مع البيانات التجريبية.

لماذا تحدث التأثيرات الكمومية فقط على المقياس الذري؟

لا تقتصر التأثيرات الكمومية على المقياس الذري فقط. هناك العديد من الأمثلة على السلوك الكمي المجهري. تصف فيزياء الكم المادة والطاقة بوظائف موجية كمومية، والتي تعمل أحياناً مثل الموجات وتتصرف أحياناً مثل الجسيمات، ولكنّها في الواقع كيانات أكثر تعقيداً من مجرد موجات أو جسيمات. في الواقع، كل كائن في الكون (من الذرات إلى النجوم) يعمل وفقاً لفيزياء الكم.

في العديد من المواقف، مثل رمي كرة البيسبول، تؤدي فيزياء الكم إلى نفس نتيجة الفيزياء الكلاسيكية. في مثل هذه المواقف، نستخدم الفيزياء الكلاسيكية بدلاً من فيزياء الكم لأنّ الرياضيات أسهل والمبادئ أكثر سهولة.

قوانين فيزياء الكم والتأثيرات الكمية:

لا تزال قوانين فيزياء الكم تعمل في لعبة البيسبول التي يتم إلقاؤها عبر الميدان، لكن عمليتها ليست واضحة، لذلك نقول أنّ النظام غير كمي. يوصف الموقف بأنّه كمومي عندما يصبح سلوكه الكمومي واضحاً، على الرغم من أنّه دائماً ما يكون كمياً. لذلك فإنّ “التأثير الكمومي” هو تأثير لا تتنبأ به الفيزياء الكلاسيكية بشكل صحيح، ولكن يتم التنبؤ به بشكل صحيح من خلال نظرية الكم.

تصف الفيزياء الكلاسيكية المادة على أنّها مكونة من جسيمات صغيرة صلبة. لذلك، في أي وقت نجعل قطع المادة تتصرف مثل الموجات، فإنّنا نظهر تأثيراً كمياً. (لا تُحسب الموجات الكلاسيكية مثل الصوت وموجات البحر كموجات لأنّ الحركة عبارة عن موجة، لكن القطع لا تزال عبارة عن كرات صغيرة صلبة. ولكي يكون تأثيراً كمياً، يجب أن يتصرف الجسيم نفسه كموجة).

شرح التأثيرات الكمومية على المقياس الذري:

في حين أن التأثيرات الكمية لا تقتصر بشكل صارم على المقياس الذري، فهي بالتأكيد أكثر شيوعاً على المستوى الذري. لماذا هذا؟ لنلق نظرة على الأمر. لكي نكون تأثيراً كمياً، علينا أن نجعل المادة تتصرف مثل الموجات. لكي نكوّن تأثير كمي مجهري، علينا أن نجعل العديد من أجزاء المادة تتصرف مثل الموجات بطريقة منظمة. إذا كانت كل أجزاء المادة تتصرف مثل الموجات بطريقة عشوائية ومفككة، فإنّ موجاتها تتداخل وتبتعد في المتوسط ​​إلى الصفر على المقياس المجهري.

في الفيزياء، نشير إلى السلوك المنظم الشبيه بالموجة باسم “التماسك”. كلما تمت محاذاة الطبيعة الشبيهة بالموجات لأجزاء المادة، كلما كان الكائن بشكل عام أكثر تماسكاً. وكلما كان الكائن أكثر تماسكاً، زاد عمله كموجة بشكل عام.

مثال على طبيعة الموجات الكمية:

كتشبيه تقريبي، ضع في اعتبارك مجموعة من الأطفال يتجولون في حمام السباحة. إذا كان الأطفال جميعاً يفعلون ما يريدون، فإنّ موجات الماء التي يخلقونها عند تناثرهم ستكون عشوائية. مجموعة من موجات الماء العشوائية تصل إلى الصفر تقريباً. هذا النظام غير متماسك وموجات المياه ليست واضحة إلّا إذا نظرت عن كثب.

الآن، إذا اصطف الأطفال وقاموا برش الماء في نفس اللحظة كل ثانيتين، فإنّ كل موجاتهم الصغيرة تضيف ما يصل إلى موجة واحدة عملاقة من الماء. هذا النظام متماسك، وموجة الماء في البركة واضحة. حمام السباحة مجرد تشبيه على ذلك، تعمل موجات الماء مثل موجات من جزيئات صغيرة صلبة، وبالتالي فهي كلاسيكية وليست كمومية. من أجل أن تتصرف مثل الموجات الكمومية، لا يجب أن تكون حركات أجزاء المادة مصطفة فحسب، بل يجب أيضاً أن تتماشى مع طبيعة الموجات الكمية الخاصة بها.

الفكرة هنا هو أنّ حالة التماسك على نطاق واسع غير محتملة طالما الأجزاء الفردية تتصرف بشكل عشوائي. لا يوجد سوى عدد قليل من الطرق الممكنة لجعل نظام القطع يعمل بطريقة منسقة، في حين أنّ هناك طرقاً أكثر بكثير لجعل النظام يعمل بطريقة غير منسقة. لذلك، السلوك المنسق أقل احتمالاً من السلوك غير المنسق، رغم أنّه ليس مستحيلاً.

على سبيل المثال، إذا رميت 5 أحجار نرد تقليدية، فهناك ست طرق لجعل جميع الأرقام متماثلة في لفة واحدة. في المقابل، هناك آلاف الطرق لجعل جميع الأرقام غير متماثلة. الحصول على النرد لإظهار نفس الرقم أمر غير محتمل ولكنّه ليس مستحيلاً. بطريقة مماثلة، التماسك الكمي على النطاق العياني بعيد الاحتمال ، لكنه ليس مستحيلاً.

إذا كان من الممكن محاذاة طبيعة الموجات الكمومية للقطع الفردية من المادة في حالة متماسكة، فإنّ التأثيرات الكمية ستصبح واضحة على المقياس المجهري.

أمثلة على التأثيرات الكمومية المجهرية – macroscopic quantum effects:

فيما يلي بعض الأمثلة على التأثيرات الكموميّة المجهرية:

الموصلية الفائقة – Superconductivity:

عندما يتم تبريد مادة موصلة بشكل كافٍ، تنتشر إلكترونات التوصيل الخاصة بها إلى حالات موجة متماسكة واسعة النطاق. إنّ حالات الموجة المتماسكة هذه قادرة على تدفق الشوائب والذرات في الماضي دون التعرض للإضطراب، بحيث تنتج مادة ذات مقاومة كهربائية صفرية. تؤدي الموصلية الفائقة إلى تأثيرات مجهرية مثيرة للإهتمام مثل الإرتفاع الكمومي (تأثير مايسنر).

السيولة الفائضة – Superfluidity:

عندما يتم تبريد بعض المواد بشكل كافٍ، يمكن أن تنتشر ذراتها إلى حالات موجية متماسكة تقاوم التوتر السطحي، مما يسمح للمواد بالتدفق مثل سائل بدون لزوجة.

مكثفات بوز آينشتاين – Bose Einstein Condensates:

عندما يتم تبريد بعض المواد بما فيه الكفاية، تنتشر ذراتها بالكامل في حالة موجة واحدة عملاقة ومتماسكة. قطعة مجهرية من المادة تتكثف بهذه الطريقة تعمل كموجة وتعرض خصائص موجية مثل التداخل.

ضوء الليزر – Laser light:

لاحظ أنّ ضوء الليزر يُذكر غالباً كتأثير كمي مجهري. ومع ذلك، فإنّ الضوء المتماسك مثل ضوء الليزر يتم تفسيره بنجاح بواسطة معادلات ماكسويل الكلاسيكية وبالتالي ليس تأثيراً كمياً. ومع ذلك، طريقة إنتاج ضوء الليزر، من خلال الانبعاث المحفز والانتقال بين مستويات الطاقة المنفصلة، هو تأثير كمي.

لكن الانبعاث المحفّز في الليزر هو تأثير ذري، وبالتالي لا يصنع قائمتنا للتأثيرات الكمية المجهرية. وبالمثل، هناك العديد من التأثيرات الكمية على النطاق الذري التي تؤدي إلى نتائج يمكن ملاحظتها على النطاق المجهري، مثل التأثيرات الكمية التي تجعل أجهزة الكمبيوتر الحديثة ممكنة. هذه التأثيرات لا تحدث بالفعل على النطاق المجهري. بدلاً من ذلك، تحدث التأثيرات على نطاق ذري، ثم يتم تضخيم نتائج التأثير إلى مستوى مجهري.