ميكانيكا الكم: مقدمة

ربما تكون قد سمعت أن فيزياء الكم غريبة وغريبة ولا تخضع لقوانين الفيزياء التي اعتدت عليها. هذا بالتأكيد صحيح إلى حد كبير. هناك سبب اضطر علماء الفيزياء إلى تطوير نظرية جديدة وعدم الاعتماد على القديمة لشرح ما يحدث في عالم الصغار للغاية.

في هذه المقدمة لميكانيكا الكم سوف تتعلم كيف يتعامل العلماء مع السلوك الكمومي والظواهر الكمومية وكذلك من أين جاءت هذه الأفكار.

يوجد بالفعل الكثير من الغرابة في عالم الكم. ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء الذي يحاول تفسير هذه الغرابة ويوفر إطارًا يسمح بالتنبؤات وتفسيرات الظواهر المرصودة.

تشمل الجوانب الأساسية لميكانيكا الكم مفهوم التكميم. أي أن هناك وحدة أصغر لشيء لا يمكن تقسيمها بشكل أكبر. الطاقة مُكمَّمة ، بمعنى أنها تأتي في وحدات منفصلة.

عادة ما يتم كتابة حجم الوحدات الكمية من حيث ثابت بلانك, ​ح​ = 6.62607004 × 10^-34 م²كجم / ثانية.

جانب آخر لميكانيكا الكم هو فكرة أن كل الجسيمات لها في الواقع ثنائية موجة-جسيم ، مما يعني أنها تعمل أحيانًا كجسيمات وأوقات أخرى تعمل كموجات. في الواقع ، يتم وصفها بواسطة ما يسمى بالدالة الموجية.

تتضمن الغرابة الكمية فكرة أن ما إذا كان الجسيم يتصرف كموجة أم لا يعتمد بطريقة ما على الطريقة التي تقرر النظر إليها. أيضًا ، لا يبدو أن خصائص معينة للجسيم - مثل اتجاه دورانه - لها قيمة محددة جيدًا حتى تقوم بقياسها.

هذا صحيح ، ليس الأمر فقط أنك لا تعرف حتى القياس ، ولكن القيمة المميزة الفعلية لا توجد حتى القياس.

يمكن فهم ميكانيكا الكم بشكل أفضل من خلال مقارنتها بالفيزياء الكلاسيكية ، وهي فيزياء الأشياء اليومية التي من المحتمل أن تكون أكثر دراية بها.

الاختلاف الرئيسي الأول هو المجالات التي ينطبق عليها كل فرع. تنطبق الفيزياء الكلاسيكية بشكل جيد جدًا على الأشياء ذات الأحجام اليومية ، مثل الكرة المقذوفة. تنطبق ميكانيكا الكم على الأشياء الصغيرة جدًا ، مثل البروتونات والإلكترونات وما إلى ذلك.

في الفيزياء الكلاسيكية ، تمتلك الجسيمات والأشياء موقعًا متميزًا وزخمًا في أي نقطة زمنية معينة ، ويمكن دائمًا معرفة كليهما بدقة. في ميكانيكا الكم ، كلما زادت دقة معرفتك بموضع الجسم ، كلما قلت دقة معرفتك بزخمه. لا تمتلك الجسيمات دائمًا موقعًا وزخمًا محددًا جيدًا. وهذا ما يسمى مبدأ اللايقين لهايزنبرغ.

تفترض الفيزياء الكلاسيكية أن قيم الطاقة التي يمكن أن يمتلكها شيء ما مستمرة. ومع ذلك ، في ميكانيكا الكم ، توجد الطاقة في قطع منفصلة. يمكن للجسيمات دون الذرية مثل الإلكترونات في الذرات ، على سبيل المثال ، أن تشغل مستويات طاقة مميزة فقط وليس أي قيم بينهما.

كيف تعمل السببية هي أيضا مختلفة. الفيزياء الكلاسيكية سببية تمامًا ، مما يعني أن معرفة الحالات الأولية تسمح لك بالتنبؤ بالضبط بما سيحدث.

ميكانيكا الكم لها نسخة مختلفة من السببية. يتم وصف الجسيمات بواسطة ميكانيكي الكم وظيفة الموجة، والتي تعطي احتمالات نسبية لما يمكن أن تفعله عند القياس. تتبع هذه الدالة الموجية قوانين معينة للفيزياء في كيفية "تطورها" بمرور الوقت وتترك لك "سحب احتمالية" يمكن التنبؤ بها لما قد يقدمه القياس.

ساهم العديد من العلماء المشهورين في نظرية الكم على مر السنين ، وفاز العديد منهم بجوائز نوبل لمساهماتهم. في الواقع ، كان اكتشاف وتطوير ميكانيكا الكم ثوريًا. يمكن إرجاع بدايات نظرية الكم إلى القرن التاسع عشر.

• تمكن الفيزيائي ماكس بلانك من تفسير ظاهرة إشعاع الجسم الأسود من خلال تكميم الطاقة.
• في وقت لاحق ، طور ألبرت أينشتاين تفسيرًا لـ التأثير الكهروضوئي من خلال التعامل مع الضوء كجسيم بدلاً من موجة وإعطائه قيم طاقة كمية.
• اشتهر نيلز بور بعمله على ذرة الهيدروجين ، حيث كان قادرًا على شرح الخطوط الطيفية من حيث مبادئ ميكانيكا الكم.
• قدم لويس دي برولي فكرة أن الجسيمات الصغيرة بما فيه الكفاية - مثل الإلكترونات - تظهر أيضًا ازدواجية موجة الجسيمات.
• طور إروين شرودنجر شهرته معادلة شرودنجر، الذي يصف كيفية تطور وظائف الموجة بمرور الوقت.
• طور Werner Heisenberg مبدأ عدم اليقين، والتي أثبتت أنه لا يمكن معرفة موقع أو زخم الجسيم الكمومي على وجه اليقين.
• تنبأ بول ديراك بوجود المادة المضادة واتخذ خطوات نحو التوفيق بين نظرية النسبية العامة ونظرية الكم.
• اشتهر جون بيل بنظرية بيل ، التي أثبتت عدم وجود متغيرات خفية. (بعبارة أخرى ، ليس الأمر فقط أنك لا تعرف الجسيمات الكمومية غزل أو أي خاصية أخرى قبل القياس ، لكنها في الواقع ليس لها قيمة محددة جيدًا قبل القياس.)
• طور ريتشارد فاينمان نظرية الديناميكا الكهربائية الكمية.

نظرًا لأن ميكانيكا الكم غريبة جدًا وغير بديهية للغاية ، فقد طور علماء مختلفون تفسيرات مختلفة لها. المعادلات التي تتنبأ بما يحدث هي شيء واحد - نعلم أنها تعمل لأنها متوافقة معها الملاحظات - لكن فهم ما تعنيه حقًا هو مسألة فلسفية أكثر وقد خضعت للكثير النقاش.

ميز أينشتاين التفسيرات المختلفة بناءً على أربع خصائص:

• الواقعية ، والتي تتعلق بما إذا كانت الخصائص موجودة بالفعل قبل القياس.
• الاكتمال ، الذي يتناول ما إذا كانت نظرية الكم الحالية كاملة أم لا.
• الواقعية المحلية ، فئة فرعية من الواقعية التي تتعلق بما إذا كانت الواقعية موجودة على المستوى المحلي الفوري.
• الحتمية ، والتي تتعلق بمدى اعتبار ميكانيكا الكم حتمية.

يسمى التفسير القياسي لميكانيكا الكم بتفسير كوبنهاغن. تمت صياغته بواسطة Bohr و Heisenberg أثناء وجوده في كوبنهاغن في عام 1927. من حيث الجوهر ، ينص هذا التفسير على أن كل ما هو جسيم كمي وكل ما يمكن معرفته عنه موصوف بواسطة دالة الموجة. بعبارة أخرى ، كل غرابة ميكانيكا الكم هي حقًا إلى هذا الحد وهذا هو الحال في الواقع.

وجهة نظر بديلة هي تفسير العوالم المتعددة ، الذي يلغي النتائج الاحتمالية للكم الملاحظات بالقول إن جميع النتائج المحتملة تحدث بالفعل ، ولكن في عوالم مختلفة تعتبر فروعًا لتيارنا واقع.

تنص نظريات المتغيرات الخفية على أن هناك المزيد في عالم الكم من شأنه أن يسمح لنا بعمل تنبؤات بذلك لا تستند إلى الاحتمالات ، لكننا بحاجة إلى الكشف عن بعض المتغيرات المخفية التي من شأنها أن تعطينا هذه التنبؤات. بمعنى آخر ، ميكانيكا الكم ليست كاملة. ومع ذلك ، أثبتت نظرية بيل أن المتغيرات المخفية لا وجود لها على المستوى المحلي.

تتناول نظرية De Broglie-Bohm ، المعروفة أيضًا باسم نظرية الموجة التجريبية ، فكرة المتغيرات الخفية بنهج عالمي لا يتعارض مع نظرية بيل.

ليس من المستغرب أن توجد العديد والعديد من التفسيرات الأخرى لأن العلماء لديهم أكثر من قرن لمحاولة فهم الطبيعة الغريبة حقًا للعالم الكمي.

تم إجراء العديد من التجارب الشهيرة على طول الطريق التي أدت إلى وأثبتت جوانب مختلفة من نظرية الكم.

إحدى التجارب المشهورة جدًا هي تجربة EPR ، التي سميت على اسم العلماء أينشتاين وبودولسكي وروزين. تناولت هذه التجربة فكرة التشابك في نظام كمومي. لنأخذ إلكترونين ، كلاهما له خاصية تسمى الدوران. عند قياس دورانهم ، يكون إما في الموضع العلوي أو السفلي.

عند قياس دوران إلكترون واحد ، فإن لديه فرصة بنسبة 50 في المائة للارتفاع و 50 في المائة في الانخفاض. لا يمكن التنبؤ بالنتائج مسبقًا وفقًا لميكانيكا الكم. ومع ذلك ، في هذه التجربة ، يتشابك إلكترونان بحيث يكون دورانهما المشترك صفرًا. ومع ذلك ، وفقًا لميكانيكا الكم ، ما زلنا لا نستطيع معرفة أيهما يدور وأيهما يدور لأسفل ، وبالفعل لا يوجد أي منهما في أي من الوضعين ويقال بدلاً من ذلك أنه في "تراكب" كلاهما تنص على.

يتم إرسال هذين الإلكترونين المتشابكين في اتجاهين متعاكسين لأجهزة مختلفة تقيس دورانهما في وقت واحد. إنهما متباعدان بدرجة كافية أثناء القياس بحيث لا يوجد وقت لأي من الإلكترونين لإرسال بعض "الإشارات" غير المرئية إلى الآخر لإعلامه بما يتم قياس دورانه. ومع ذلك ، عندما يحدث القياس ، يتم قياس كلاهما ليكون لهما دوران معاكس.

قطة شرودنغر هي تجربة فكرية مشهورة تهدف إلى توضيح غرابة السلوك الكمومي وتشكيل السؤال عما يعنيه القياس حقًا وما إذا كانت الأجسام الكبيرة - مثل القط - يمكنها عرض الكم سلوك.

في هذه التجربة ، يُقال إن القطة موجودة في صندوق بحيث لا يمكن للمراقب رؤيتها. تعتمد حياة القط على حدث كمي - على سبيل المثال ، ربما اتجاه دوران الإلكترون. إذا كانت تدور ، تموت القطة. إذا كانت تدور للأسفل ، تعيش القطة.

لكن حالة الإلكترون مخفية عن الراصد مثل القطة الموجودة في الصندوق. لذا يصبح السؤال ، حتى تفتح الصندوق ، هل القط على قيد الحياة أم ميت أم أيضًا في حالة تراكب غريب لحالات مثل الإلكترون حتى القياس؟

كن مطمئنًا ، ومع ذلك ، لم يقم أحد بإجراء مثل هذه التجربة ولم تتضرر قطط في السعي وراء المعرفة الكمومية!

كانت فترة القرن العشرين حقبة انطلقت فيها الفيزياء حقًا. لم يعد بإمكان الميكانيكا الكلاسيكية أن تشرح عالم الأشياء الصغيرة جدًا ، أو عالم الأشياء الكبيرة جدًا ، أو عالم سريع جدًا. ولدت العديد من الفروع الجديدة للفيزياء. من بين هؤلاء:

• ​نظرية المجال الكمي:نظرية تجمع بين فكرة المجالات وميكانيكا الكم والنسبية الخاصة.
• ​فيزياء الجسيمات:مجال فيزياء يصف جميع الجسيمات الأساسية والطرق التي يمكن أن تتفاعل بها مع بعضها البعض.
• ​الاحصاء الكمية:مجال يحاول إنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية تسمح بمعالجة أسرع وأفضل التشفير بسبب كيفية عمل مثل هذا الكمبيوتر على أساس ميكانيكي الكم مبادئ.
• ​النسبية الخاصة:النظرية التي تصف سلوك الأشياء التي تتحرك بالقرب من سرعة الضوء وتستند إلى فكرة أن لا شيء يمكن أن يسافر أسرع من سرعة الضوء.
• ​النسبية العامة:النظرية التي تصف الجاذبية بأنها انحناء الزمكان.