تمتلك ميكانيكا الكم الكثير من الميزات التي تتحدى الحدس الكلاسيكي، مثل الحالات غير المحددة والقياسات الاحتمالية والتأثيرات غير المحلية، لكنها لا تزال خاضعة للقاعدة الأكثر أهمية على الإطلاق، وهي أنه إذا كان هناك شيء يبدو جيدًا بدرجة يصعب تصديقها، فمن المحتمل أن يكون كذلك.
فروض ميكانيكا الكم
ولدت ميكانيكا الكم من خلال نظريات متنوعة لفهم الملاحظات التي لا يمكن أن تتوافق مع الفيزياء الكلاسيكية، مثل حل ماكس بلانك في عام 1900 لمشكلة إشعاع الجسم الأسود والمطابقة بين الطاقة والتردد في ورقة ألبرت أينشتاين عام 1905 والتي بينت التأثير الكهروضوئي.
أدت هذه المحاولات المبكرة لشرح الظواهر المجهرية، التي يطلق عليها اسم ” نظرية الكم القديمة “، إلى التطور الكبير والمتكامل لميكانيكا الكم في منتصف عشرينيات القرن الماضي بواسطة نيلز بور واروين شرودنغر وفيرنر هايزنبرغ وماكس بورن بول ديراك وآخرين.
أهم فروض ميكانيكا الكم
1- الجسيمات عبارة عن موجات والعكس صحيح
تخبر فيزياء الكم أن كل كائن في الكون له خصائص تشبه الجسيمات وتشبه الموجة، ولا يعني ذلك أن كل شيء عبارة عن أمواج، وفي بعض الأحيان يبدو وكأنه جزيئات، أو أن كل شيء مصنوع من جزيئات تخدع المرء أحيانًا في التفكير في أنها موجات، وكل كائن في الكون هو نوع جديد من الأشياء، أطلق عليه اسم “الجسيم الكمي” الذي يحتوي على بعض خصائص كل من الجسيمات والموجات، ولكنها ليست كذلك في الحقيقة.
تتصرف الجسيمات الكمية مثل الجسيمات، من حيث أنها منفصلة ومن حيث المبدأ أي أنها قابلة للعد، وتأتي المادة والطاقة في أجزاء منفصلة، وسواء كنت تحاول تحديد موقع ذرة أو اكتشاف فوتون ضوئي، فستجدها في مكان واحد، ومكان واحد فقط.
تتصرف الجسيمات الكمومية أيضًا مثل الموجات، حيث تظهر تأثيرات مثل الحيود والتداخل، فإذا أرسل شعاعًا من الإلكترونات أو حزمة من الفوتونات عبر شق ضيق، فسوف تنتشر على الجانب البعيد.
وإذا أرسل الشعاع إلى شقين متقاربين، فسوف ينتج عنهما نمط من البقع المضيئة والمظلمة بالتناوب على الجانب الآخر من الشقوق، كما لو كانت موجات مائية تمر عبر كلا الشقين في وقت واحد وتتداخل على الجانب الآخر، وهذا صحيح على الرغم من اكتشاف كل جسيم فردي في مكان واحد كجسيم.
2- حالات الكم منفصلة
يشير “الكم” في فيزياء الكم إلى حقيقة أن كل شيء في فيزياء الكم يأتي بكميات منفصلة، ويمكن أن يحتوي شعاع الضوء فقط على عدد صحيح من الفوتونات (1، 2، 3، 137) ولكن لا يحتوي أبدًا على 1.5 أو 22.7.
يمكن أن يكون للإلكترون في الذرة قيم طاقة منفصلة معينة فقط، -13.6 إلكترون فولت، أو -3.4 إلكترون فولت في الهيدروجين، ولكن لا يمكن أبدًا -7.5 إلكترون فولت، بغض النظر عما تفعله، لن تكتشف أبدًا نظامًا كميًا إلا في إحدى هذه الحالات الخاصة المسموح بها.
3- كل ما يعرفه المرء هو الاحتمال
عندما يستخدم الفيزيائيون ميكانيكا الكم للتنبؤ بنتائج تجربة ما، فإن الشيء الوحيد الذي يمكنهم التنبؤ به هو احتمال اكتشاف كل من النتائج المحتملة، وبالنظر إلى تجربة سينتهي بها الإلكترون في مكان من مكانين، يمكن القول أن هناك احتمالًا بنسبة 17٪ لإيجاده عند النقطة A واحتمالًا بنسبة 83٪ لإيجاده عند النقطة B، ولكن لا يمكن أبدًا تحديد ذلك.
على يقين من أن إلكترونًا واحدًا سينتهي بالتأكيد عند A أو سينتهي به الأمر بالتأكيد عند B، بغض النظر عن مدى الحرص على تحضير كل إلكترون بالطريقة نفسها تمامًا، ولا يمكن أبدًا تحديد نتيجة التجربة، فكل إلكترون جديد هو تجربة جديدة تمامًا، والنتيجة النهائية عشوائية.
4- القياس يحدد الواقع:
حتى اللحظة التي يتم فيها قياس الحالة الدقيقة للجسيم الكمومي، تكون هذه الحالة غير محددة، وفي الواقع يمكن اعتبارها منتشرة على جميع النتائج المحتملة، وبعد إجراء القياس، يتم تحديد حالة الجسيم تمامًا، وستعود جميع القياسات اللاحقة على ذلك الجسيم إلى النتيجة نفسها تمامًا.
يبدو أن هذا مستحيل تصديقه، حيث إنها المشكلة التي ألهمت تجربة شرودنجر الفكرية الشهيرة بشأن قطة حية وميتة على حد سواء، ولكن يجدر بالمرء إعادة التأكيد على أن هذا تم تأكيده تمامًا من خلال التجربة، ويمكن اعتبار تجربة الشق المزدوج تأكيد على عدم التحديد هذا، حتى يتم قياسها أخيرًا في موضع واحد على الجانب الآخر من الشقوق.
يوجد الإلكترون في تراكب لكلا المسارين المحتملين، إذ أن نمط التداخل الذي لوحظ عندما يتم تسجيل العديد من الإلكترونات واحدًا تلو الآخر هو نتيجة مباشرة لتراكب حالات متعددة، ويعد تأثير (Quantum Zeno) مثالاً آخر على تأثيرات القياس الكمي، إذ أن إجراء قياسات متكررة لنظام كمي يمكن أن يمنعه من تغيير حالته، وبين القياسات يوجد النظام في تراكب حالتين محتملتين، مع احتمال زيادة واحدة وتناقص الأخرى.
فكل قياس يعيد النظام إلى حالة واحدة محددة، ويجب أن يبدأ التطور من جديد، ويمكن تفسير تأثيرات القياس بعدة طرق مختلفة، مثل “الانهيار” المادي لدالة الموجة، كتقسيم الكون إلى عوالم عديدة متوازية، وما إلى ذلك ولكن النتيجة النهائية هي نفسها، حيث يمكن للجسيم الكمي وسيحتل حالات متعددة حتى لحظة قياسه، وبعد القياس يكون في حالة واحدة فقط.
5- الارتباطات الكمية غير محلية
من أغرب وأهم نتائج ميكانيكا الكم فكرة “التشابك الكمي“، فعندما يتفاعل جسيمان كميان بالطريقة الصحيحة، فإن حالتيهما ستعتمد على بعضهما البعض، بغض النظر عن المسافة بينهما، حيث يمكن الاحتفاظ بجسيم واحد في برينستون وإرسال الآخر إلى باريس، وقياسهما في وقت واحد، وستحدد نتيجة القياس في برينستون بشكل قاطع وبشكل لا لبس فيه نتيجة القياس في باريس، والعكس صحيح.
لا يمكن وصف العلاقة بين هذه الحالات بأي نظرية محلية، حيث للجسيمات حالات محددة، وهذه الحالات غير محددة حتى اللحظة التي يتم فيها قياس إحداها، وفي ذلك الوقت يتم تحديد كلتا الحالتين تمامًا، بغض النظر عن المسافة بينهما، وتم تأكيد ذلك تجريبيًا عشرات المرات على مدار الثلاثين عامًا الماضية أو نحو ذلك، مع الضوء وحتى الذرات، ووافقت كل تجربة جديدة تمامًا مع التنبؤ الكمي.
يجب ملاحظة أن هذا لا يوفر وسيلة لإرسال إشارات أسرع من الضوء، حيث سيحدد القياس في باريس حالة الجسيم في برينستون، لكن نتيجة كل قياس عشوائية تمامًا، ولا توجد طريقة للتلاعب بالجسيم الباريسي لإنتاج نتيجة محددة في برينستون.
لن يكون الارتباط بين القياسات واضحًا إلا بعد الحقيقة، وعند مقارنة مجموعتي النتائج، ويجب أن تتم هذه العملية بسرعات أبطأ من سرعة الضوء.
6-كل ما هو غير ممنوع واجب
الجسيم الكمي الذي يتحرك من النقطة A إلى النقطة B سيأخذ تمامًا كل مسار ممكن من A إلى B، في نفس الوقت، ويتضمن هذا المسارات التي تتضمن أحداثًا غير محتملة للغاية مثل أزواج الإلكترون والبوزيترون التي تظهر من العدم وتختفي مرة أخرى، وتتضمن النظرية الكاملة للديناميكيات الكهربائية الكمية (QED) مساهمات من كل عملية ممكنة، حتى تلك غير المحتملة على نحو يبعث على السخرية.
يجدر التأكيد على أن هذا ليس بعض التخمينات الضخمة مع عدم وجود إمكانية للتطبيق الحقيقي، حيث يصف التنبؤ (QED) للتفاعل بين الإلكترون والمجال المغناطيسي التفاعل مع 14 منزلاً عشريًا بشكل صحيح، وبقدر ما تبدو الفكرة غريبة، فهي واحدة من أفضل النظريات التي تم اختبارها في تاريخ العلم.
7-فيزياء الكم ليست سحرًا
على الرغم من أن فيزياء الكم غريبة، فهي لا تعلق جميع قواعد الفطرة السليمة، ولا تزال المبادئ الأساسية للفيزياء سليمة، يعني لا تزال الطاقة محفوظة، والأنتروبيا لا تزال تزداد، ولا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من سرعة الضوء، أي لا يمكن استغلال التأثيرات الكمومية لبناء آلة دائمة الحركة، أو لصنع التخاطر أو الاستبصار.
ويمكن استنتاج الفرضيات الأساسية من الفيزياء الكلاسيكية، حيث يمكن استخدام الفيزياء الكلاسيكية لاشتقاق معادلة مطابقة رسميًا لمعادلة شرودنجر، ولكن لها حلول بالإضافة إلى الحلول في الفيزياء الكلاسيكية، حيث تصف هذه الحلول أساسًا الجسيم الموجود في مكانين أو أكثر في وقت واحد، لكن هذا لا معنى له في الفيزياء الكلاسيكية، لكن كما تم الاكتشاف من خلال التجارب التي لا حصر لها، فهذه هي الطريقة التي يعمل بها العالم.
