ما هي ميكانيكا الكم | شرح مبسط لــ فيزياء الكم
ما هي فيزياء الكم؟
بأبسط العبارات الممكنة ، فيزياء الكم ، والمعروفة أيضًا باسم ميكانيكا الكم وتعني ( بالانجليزية : Quantum Physics )، هي فرع من فروع العلم الذي يدرس الأشياء الصغيرة جدًا – جزيئات صغيرة جدًا ، معًا ، تشكل كل شيء من حولنا. هذا الفرع من الفيزياء لا يكتفي فقط بدراسة كيفية عمل الأشياء على السطح. يريد فيزيائيو الكم أن يعرفوا كيف تتصرف المادة على مستوى الذرات والجزيئات ، التي تكون صغيرة بقدر الأشياء.
من ناحية أخرى ، تتعامل فيزياء الكم مع ما يحدث حولنا كل يوم. يتكون الكون بأكمله ، بما في ذلك أنفسنا ، من ذرات وجسيمات صغيرة تتحرك باستمرار وتقوم بأفعال ، سواء فكرنا بها أم لا. من ناحية أخرى ، لا يميل معظمنا حقًا إلى التفكير في الأشياء على المستوى الكمي ، حيث تتطلب الذرات والجسيمات أدوات علمية قوية لرصدها. هذا جزء من السبب الذي يجعل فيزياء الكم تبدو محيرة للعقل.
لم تبدأ فيزياء الكم في الظهور كعلم بحد ذاته إلا بعد تطوير الأدوات العلمية عالية التقنية. تم إطلاقها في أوائل القرن العشرين مع عمل علماء مثل ماكس بلانك ونيلز بور ، الذين يعتبرون الآباء المؤسسين لنظرية الكم. لا يحتل ألبرت أينشتاين مرتبة متخلفة كثيرًا ، حيث حصل على جائزة نوبل عام 1921 عن نظريته عن التأثير الكهروضوئي ، والتي ساهمت بشكل كبير في نظرية الكم كما يفهمها علماء الفيزياء اليوم.
لكن لماذا تدرسها في المقام الأول؟ هناك سبب لعدم وجود الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر قبل أن يبدأ العلماء حقًا في الالتفاف حول فيزياء الكم. كل شيء من رقائق الكمبيوتر الحديثة إلى الليزر ، وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي ، وأجهزة الاتصالات الحديثة وإشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ببساطة لا يمكن أن توجد بدون فهمنا الحديث لميكانيكا الكم.
الطبيعة الثلاثية لفيزياء الكم
سبب آخر يجعل فيزياء الكم تبدو معقدة ، حتى بالنسبة لعلماء الفيزياء ، وهو أن الأشياء يمكن أن تصبح مربكة على المستوى الكمي. يفهم معظمنا الواقع كما هو موصوف في قوانين الميكانيكا الكلاسيكية التي ابتكرها إسحاق نيوتن. تخبرنا هذه المبادئ أن الأشياء موجودة في مكان معين وفي وقت محدد.
الحيلة هي أنه عندما تقسم الأشياء إلى مستوى كمي ، فإن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية لا تنطبق. على هذا المستوى الصغير ، توجد بعض الأشياء في حالة احتمالية – قد توجد في أي من النقطة أ أو النقطة ب. ولكن ماذا يعني ذلك بالضبط؟
تخيل ، على سبيل المثال ، أن شخصًا ما أدخلك إلى غرفة حيث يوجد صندوقان متشابهان على طاولة. في صندوق واحد ، يوجد شيك بمبلغ مليون دولار. وفي الصندوق الاخر ، هناك شيك بمبلغ 1 دولار. ثم يطلبون منك إخبارهم بموقع الشيك المليون دولار دون فتح أي من الصندوقين.
في حين أن هذا الموقف قد يشعر بالإحباط بالنسبة للشخص العادي ، من حيث المبدأ ، فهو نوع من المعضلة التي يهدف علماء فيزياء الكم إلى حلها. في كثير من الأحيان ، على المستوى الكمي ، يتعين عليهم فهم الأشياء الصغيرة من حيث الاحتمالية. نظرًا لأن قوانين ما يفهمه معظم الناس على أنها حقيقة مختلفة قليلاً في ميكانيكا الكم ، فقد يكون من الصعب تصورها في رؤوسنا. في بعض الأحيان ، يتم وصفها بشكل أفضل باستخدام المعادلات الرياضية.
ما هي بعض المبادئ المشتركة لفيزياء الكم؟
في حين أنه قد لا يكون مفاجئًا أن الأمر قد يستغرق سنوات من الدراسة للحاق بركب معظم علماء فيزياء الكم ، فمن الممكن الحصول على نظرة عامة واسعة على بعض المفاهيم الأساسية لهذا الفرع من العلوم. دعونا نلقي نظرة على بعض المبادئ المحددة التي ظهرت من دراسة فيزياء الكم.
ازدواجية موجة – جسيم
ازدواجية الجسيمات الموجية هي مفهوم رئيسي في عالم فيزياء الكم. إنه يركز على حقيقة أن بعض الأشياء يمكن أن تبدو كجسيم وموجة في نفس الوقت. تتمثل إحدى طرق تخيل هذا المفهوم في تصوير كرة ، والتي تمثل في هذه الحالة إلكترونًا.
لنفترض أنك رميت الكرة في بحيرة وتختفي لكنها تخلق سلسلة من التموجات ، والتي تمثل الموجات في هذه الاستعارة. ربما بعد ثانية ، تنبثق الكرة مرة أخرى إلى السطح ، محاطة بالتموجات. هل تنظر إلى الجسيم أم الموجة؟ أبسط إجابة هي كلاهما ، وهي الفكرة العامة وراء ازدواجية الموجة والجسيم وحقيقة أنه في بعض الأحيان يتعين عليك استخدام كلا المصطلحين لوصف ما يحدث بشكل كامل ، حتى لو بدت متضاربة.
تراكب الكم
مفهوم آخر مثير للاهتمام هو فكرة التراكب الكمومي ، والتي تركز على فكرة أن جسمًا مثل الإلكترون يمكن أن يوجد في حالتين كميتين في نفس الوقت. لنكون أكثر تحديدًا ، دعنا نستخدم حقيقة أن الإلكترونات يمكن أن يكون لها “دوران للأعلى” ، مما يعني أنها تدور لأعلى ، أو “لأسفل لأسفل” ، مما يعني أنها تدور لأسفل.
حتى يتم قياس إلكترون معين ، هناك احتمال لانهائي يمكن أن يدور في أي من الاتجاهين. فكر في الأمر على أنه ربع دائري. هل ربع الرأس أم ذيول أثناء الدوران؟ من الناحية الفنية على حد سواء ولا حتى لا يتوقف ويمكن لشخص ما قياس النتائج.
التشابك الكمي
التشابك الكمي هو ظاهرة يمكن أن تحدث عندما يتفاعل جسيمان بطريقة معينة مما يؤدي إلى ارتباطهما ببعضهما البعض. من تلك النقطة فصاعدًا ، سيعارضون بعضهم البعض دائمًا ، لذلك سيكون لدى أحدهم دائمًا دوران للأعلى بينما سيكون للآخر دائمًا دوران لأسفل.
بمجرد حدوث هذا الارتباط ، سيحافظ هذان الجسيمان دائمًا على حالات متعارضة ، بغض النظر عن المسافة بينهما. لوضع هذا في المنظور ، فكر في الأمر بهذه الطريقة: هذا يعني أنه إذا كنت تعرف دوران إلكترون واحد على الأرض ، يمكنك على الفور اكتشاف دوران الإلكترون الذي كان متشابكًا معه ، حتى لو كان في ضوء مجرة بعيدة- سنوات بعيدا. يمكن الحصول على هذه المعلومات بشكل أسرع من سرعة الضوء – وهو مفهوم أمتع أينشتاين لدرجة أنه أطلق عليها اسم “العمل المخيف عن بعد”.
