ما هو التصادم الكمومي

ماهو مفهوم التصادم الكمومي؟

الكم في الفيزياء هو وحدة طبيعية منفصلة، أو حزمة لشحنة الطاقة، الزخم الزاوي، أو غيرها من الخصائص المادية، بحيث الضوء، على سبيل المثال، الذي يظهر في بعض النواحي كموجة كهرومغناطيسية مستمرة، على المستوى دون المجهري ينبعث ويمتص بكميات منفصلة، أو كوانتا؛ وبالنسبة للضوء ذي الطول الموجي المعين، فإن حجم كل الكميات المنبعثة أو الممتصة هو نفسه في كل من الطاقة والزخم.

تسمى هذه الحزم الضوئية الشبيهة بالجسيمات بالفوتونات، وهو مصطلح ينطبق أيضًا على كمات الأشكال الأخرى للطاقة الكهرومغناطيسية مثل الأشعة السينية وأشعة جاما، الاهتزازات الميكانيكية دون المجهرية في طبقات الذرات التي تحتوي على بلورات تتخلى أو تأخذ أيضًا الطاقة والزخم في الكميات التي تسمى الفوتونات.

الاصطدام ويسمى أيضًا التصادم، في الفيزياء التقاء المفاجئ والقوي معًا في اتصال مباشر بين جسدين، على سبيل المثال، كرتا بلياردو، ومضرب غولف وكرة، سقوط كائن وأرضية.

بصرف النظر عن خصائص المواد في الجسمين، هناك عاملان يؤثران على نتيجة التأثير: القوة والوقت الذي يكون فيه الجسمان على اتصال، إذ إنها مسألة خبرة شائعة أن كرة فولاذية صلبة سقطت على لوح فولاذي سوف ترتد إلى الموضع الذي سقطت منه تقريبًا، بينما مع كرة من المعجون أو الرصاص لا يوجد ارتداد، حيث يقال إن التأثير بين الكرة الفولاذية واللوحة يكون مرنًا، وأن الصدمة بين المعجون أو كرات الرصاص واللوحة غير مرنة أو بلاستيكية؛ بين هذين الطرفين توجد درجات متفاوتة من المرونة والاستجابات المقابلة للتأثير.

في تأثير مرن تمامًا (يتم الوصول إليه فقط على المستوى الذري)، حيث لا يتم فقد أي من الطاقة الحركية للأجسام المترابطة؛ وفي حالة تأثير البلاستيك تمامًا، يكون فقد الطاقة الحركية بحد أقصى.

آليات الاصطدام:

في جميع أمثلة الأجسام المتصادمة، يكون وقت الاتصال قصيرًا للغاية وقوة الاتصال كبيرة للغاية، إذ يمكن إثبات أنه في الحالة المحدودة لقوة “لانهائية” تعمل لفترة زمنية “متناهية الصغر”، هناك تغير فوري في سرعة الجسم ولكن لا يوجد تغيير في موضعه خلال فترة التلامس.

تُعرف القوى من هذا النوع بالقوى الاندفاعية، وصعوبة قياسها أو تقديرها، تُقاس آثارها بالتغير في الزخم ومقداره (سرعة الكتلة مضروبة في السرعة) للجسم، مثلا البندول الباليستي هو جهاز يعتمد على هذا المبدأ.

عندما يصطدم جسمان، فإن مجموع عزم الأجسام قبل الاصطدام يساوي مجموع العزم بعد التأثير، وتعتمد العلاقة بين الطاقات الحركية قبل التأثير وبعده على مرونة الأجسام، حيث بمعرفة السرعات الأولية، يمكن الحصول على السرعات النهائية من خلال الحل المتزامن لمعادلات القوة الدافعة والطاقة في حالة التصادمات المرنة تمامًا.

الاصطدام هو لقاء بين جسدين يغير واحدًا على الأقل من مساراتهما، ويتطلب تغيير مسار الجسم تطبيق قوة عليه وهكذا، يمارس كل جسم قوة على الآخر، حيث قد تعمل قوى التفاعل هذه على مسافة معينة، كما تفعل قوى الجاذبية والقوى الكهرومغناطيسية، أو قد يبدو أن الأجسام تقوم بالاتصال الجسدي ومع ذلك، فحتى الاتصال الظاهر بين جسمين ما هو إلا مظهر مجهري للقوى المجهرية التي تعمل بين الذرات على مسافة ما، ولا يوجد تمييز جوهري بين الاتصال الجسدي والتفاعل عن بعد.

إن أهمية فهم آليات الاصطدام واضحة لأي شخص سبق له أن قاد سيارة، ولكن في الفيزياء الحديثة، تعتبر الاصطدامات مهمة لسبب مختلف، حيث إن الفهم الحالي للجسيمات دون الذرية التي تتكون منها الذرات مشتق بالكامل من دراسة نتائج الاصطدامات فيما بينها، وهكذا في الفيزياء الحديثة، يعتبر وصف الاصطدامات جزءًا مهمًا من فهم المادة.

هذه الأوصاف ميكانيكية كم وليست كلاسيكية، لكنها مع ذلك تستند إلى حد كبير على المبادئ التي نشأت عن الميكانيكا الكلاسيكية، ومن الممكن من حيث المبدأ التنبؤ بنتيجة الاصطدام باستخدام قانون نيوتن الثاني مباشرة.

لنفترض أن جسمين سوف يصطدمان وأن F، قوة التفاعل بينهما، معروفة بأنها دالة لـ r، المسافة بينهما ثم، إذا كان معروفًا على سبيل المثال، إن أحد الجسيمات له زخم عرضي p، يتم حل المشكلة إذا أمكن تحديد الزخم النهائي p + Δp.

ما هي مصفوفة S؟

تعرف مصفوفة S، التي تسمى أيضًا مصفوفة التشتت، في ميكانيكا الكم، بأنها مصفوفة من الكميات الرياضية التي تتنبأ باحتمالات جميع النتائج المحتملة لحالة تجريبية معينة، وعلى سبيل المثال، قد يتغير جسيمان في التصادم في السرعة والاتجاه أو حتى يتغيران إلى جسيمات جديدة تمامًا: تعطي المصفوفة S للتصادم احتمالية حدوث كل احتمال، المعرفة الكاملة بمصفوفة S لجميع العمليات من شأنها أن تصل إلى الفهم الكامل لجميع القوانين الفيزيائية.

يتم التعبير عن مصفوفة S من حيث الكميات التي يمكن ملاحظتها، ويتحايل تطبيقها على المناقشة الشائعة في الفيزياء الحديثة للظواهر غير المرصودة التي من المفترض أن تحدث في الفترة الغامضة بين الوقت الذي تدخل فيه الجسيمات الحرة منطقة تفاعلها وقت ظهورهم.

في شكلها النقي، أدى السعي الرياضي لنظرية المصفوفة S إلى نتائج مهمة، لكن الطريقة عامة جدًا لدرجة أنه يجب تعزيزها بكمية كبيرة من الفيزياء الإضافية للتعامل مع تفاصيل الحقيقة التجريبية.