الظواهر الكمومية العيانية هي عمليات توضح التحركات الكمية على المستوى العياني، وليس على المفهوم الذري حيث تنتشر التأثيرات الكمومية؛ وتكون أشهر الأمثلة على الظواهر الكمية العيانية هي السيولة الفائقة والموصلية الفائقة؛ حيث تشمل الأمثلة الأخرى تأثير هول الكمي والترتيب الطوبولوجي.
ما هي ظواهر الكم العيانية
أنظمة الكم العيانية التي تتدفق فيها السوائل أو التيارات الكهربائية دون احتكاك أو مقاومة معروفة منذ الجزء الأول من القرن الماضي؛ حيث تكون هذه هي السوائل الفائقة والموصلات الفائقة لفيزياء المواد المكثفة التقليدية، فهذا هو النظام الميكانيكي الكمومي الغازي؛ حيث تُظهِر هذه الغازات الكمومية النطاق الكامل لسلوك الموجة الكمومية مثل الجسيمات الفردية.
لكن الآن على مقياس حجم مرئي للعين المجردة لأن عدة ملايين من الذرات تشغل نفس الحالة الكمومية تمامًا، وبالتالي تشكل كلًا كميًا متماسكًا، ويمكن تصور الطبيعة الكمومية لـ (BEC) بشكل مباشر، حيث لا يتم إخفاء التأثيرات الكمومية داخل السوائل أو المواد الصلبة كما هو الحال مع الموائع الفائقة والموصلات الفائقة التقليدية، وبدلاً من ذلك يمكن تصويرها في الواقع؛ لأن الغاز نفسه هو نظام كمي عياني عاري.
كيف يتم اكتشاف الظواهر الكمومية العيانية في الجليد
اكتشف العلماء شذوذًا في خصائص الجليد عند درجات حرارة شديدة البرودة بالقرب من 20 كلفن، ويعتقدون أنه يمكن تفسيره من خلال النفق الكمي لبروتونات متعددة في وقت واحد، هذا الاكتشاف هو مثال نادر للظواهر الكمومية الناشئة على النطاق العياني، وهو أكثر غرابة لأنه يعتمد على الموصلية الفائقة التي لوحظت فيها الظواهر الكمية العيانية في نظام يعتمد على الفرميونات والتي تشمل البروتونات والإلكترونات وجميع جسيمات المادة الأخرى.
الأنظمة الأخرى التي تظهر ظواهر الكم العيانية قد استندت إلى الفوتونات، وهي نوع من البوزون، الذي يتوسط القوى بين المادة، وكما أوضح العلماء عندما يتجمد الماء يتم ترتيب ذرات الأكسجين في الجليد في شبكة سداسية الشكل مجعدة، ومن ناحية أخرى تظل ذرات الهيدروجين مضطربة تمامًا.
تخضع عملية التجميد هذه لقاعدتي الجليد اللتين تنصان على أن ذرة هيدروجين واحدة فقط يمكن أن تتواجد بين ذرتين من الأكسجين، بينما يمكن ربط كل ذرة أكسجين بأربع ذرات هيدروجين بواسطة روابط ذات طولين مختلفين.
وبسبب طولي الرابطة المختلفين، بين كل زوج من ذرات الأكسجين، هناك موقعان متاحان لذرة هيدروجين واحدة فقدت إلكترونها وأصبحت ببساطة بروتونًا في درجات حرارة عالية بما يكفي (فوق 136 كلفن)، تمتلك البروتونات طاقة كافية للتنقل بين الموقعين، ومع ذلك عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 136 كلفن، لم يعد للبروتونات طاقة كافية للتنقل بين المواقع و تتجمد بشكل عشوائي في أحد المواقع.
ملخص ظواهر الكم العيانية
- أمثلة ظواهر الكم العيانية: أشهر الأمثلة على الظواهر الكمية العيانية هي السيولة الفائقة والموصلية الفائقة، وتشمل الأمثلة الأخرى تأثير هول الكمي والترتيب الطوبولوجي؛ فمنذ عام 2000 كان هناك عمل تجريبي مكثف على الغازات الكمومية وخاصةً مكثفات بوز-آينشتاين.
إحدى الميزات المهمة لدراسة الحالات الكمومية للمادة باستخدام الذرات شديدة البرودة هي أنه يمكن التحكم في التفاعلات بين الذرات من خلال تغيير المجال المغناطيسي المطبق خارجيًا، والقدرة على جعل التفاعلات ضعيفة أو قوية، جذابة أو مثيرة للاشمئزاز؛ حيث تسمح باستخراج المزيد من معلومات حول نظام معين أكثر مما هي عليه عندما تكون هذه المعلمات غير قابلة للضبط، كما هو الحال مع معظم أنظمة المادة المكثفة الحقيقية.
- ما هي النظرية العيانية: نظرية تتعلق فقط بالظواهر التي يمكن ملاحظتها بالعين المجردة أو بواسطة مجهر ضوئي عادي، وليس بسلوك الذرات أو الجزيئات أو مكوناتها التي قد تكمن وراء هذه الظواهر.
- هل ميكانيكا الكم تنطبق على الأشياء العيانية: توفر ميكانيكا الكم وصفًا مفيدًا للطبيعة على المقياس الذري ودون الذري، ولكنها تتجلى أيضًا في الظواهر على المقاييس العيانية بما في ذلك الليزر وسحب الذرات شديدة البرودة والسوائل الفائقة والموصلية الفائقة.
- هل يمكن للأجسام العيانية أن تنفق نفقًا كميًا: يمتلك الجسيم خصائص موجية لأن الدالة الموجية قادرة على اختراق الحاجز؛ حيث يشير هذا إلى أن النفق الكمومي ينطبق فقط على الأجسام المجهرية مثل البروتونات أو الإلكترونات ولا ينطبق على الأشياء العيانية.
- ما هو النفق الكمي العياني: جذبت ظاهرة النفق الكمي العياني (MQT) انتباه التجريبين والمنظرين لسنوات عديدة، حيث أن الميزة الأكثر غرابة في ذلك هي أن الكائن العياني الذي يتمتع بدرجات عديدة من الحرية يظهر سلوكًا غير كلاسيكي لا يمكن حسابه إلا باستخدام ميكانيكا الكم.
- التحليل الكمي للعديد الأنظمة العيانية: هو يمثل تحديًا كبيرًان، وغالبًا ما يكون من الصعب التعامل مع الأنظمة الكمومية للعديد من الأجسام نظريًا، وفي بعض الحالات المهمة لم يتم التعرف بدقة على الطبيعة الحقيقية لمخطط الطور.
أحد الطرق الممكنة لاكتساب فهم أعمق لهذه الأنظمة الفيزيائية الغنية بشكل لا يصدق هو تصميم نظام كمي اصطناعي للعديد من الأجسام يرسم نظامًا معينًا مهمًا، ولكن لديه خصائص أكثر ملاءمة.
يقال عن الظواهر الكمومية عمومًا على أنها مجهرية عندما يكون هناك عدد كبير من الجسيمات في الحالات الكمية بترتيب عدد أفوجادرو أو الحالات الكمومية المخصصة بالحجم العياني؛ يصل حجمها إلى كيلومتر في الأسلاك فائقة التوصيل.
