ما هيَّ فيزياء الكم ؟

فيزياء الكم هي دراسة المادة والطاقة على المستوى الأساسي يهدف إلى الكشف عن خصائص وسلوكيات اللبنات الأساسية للطبيعة.

بينما تقوم العديد من التجارب الكمومية بفحص أجسام صغيرة جدًا ، مثل الإلكترونات والفوتونات ، فإن الظواهر الكمومية موجودة في كل مكان حولنا ، وتعمل على جميع المقاييس. ومع ذلك ، قد لا نتمكن من اكتشافها بسهولة في الأجسام الكبيرة. قد يعطي هذا انطباعًا خاطئًا بأن الظواهر الكمومية غريبة أو دنيوية أخرى. في الواقع ، يسد علم الكم الفجوات في معرفتنا بالفيزياء ليمنحنا صورة أكثر اكتمالاً عن حياتنا اليومية.

تم دمج الاكتشافات الكمية في فهمنا التأسيسي للمواد والكيمياء والبيولوجيا وعلم الفلك. تعد هذه الاكتشافات مورداً قيماً للابتكار ، مما أدى إلى ظهور أجهزة مثل الليزر والترانزستورات ، وتمكين التقدم الحقيقي في التقنيات التي كانت تعتبر مجرد مضاربة ، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية . يستكشف الفيزيائيون إمكانات علم الكم على تغيير نظرتنا للجاذبية وارتباطها بالمكان والزمان. قد يكشف علم الكم عن كيفية ارتباط كل شيء في الكون (أو في أكوان متعددة) بكل شيء آخر من خلال أبعاد أعلى لا تستطيع حواسنا فهمها.

أصول فيزياء الكم ..

نشأ مجال فيزياء الكم في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين من سلسلة من الملاحظات التجريبية للذرات التي لم يكن لها معنى بديهي في سياق الفيزياء الكلاسيكية. كان من بين الاكتشافات الأساسية إدراك أن المادة والطاقة يمكن اعتبارهما رزم منفصلة ، أو كوانتا ، لها قيمة دنيا مرتبطة بها. على سبيل المثال ، الضوء ذو التردد الثابت سيوفر طاقة في الكميات المسماة "الفوتونات". سيكون لكل فوتون عند هذا التردد نفس كمية الطاقة ، ولا يمكن تقسيم هذه الطاقة إلى وحدات أصغر. في الواقع ، كلمة "كوانتوم" لها جذور لاتينية وتعني "كم".

أدت معرفة مبادئ الكم إلى تغيير مفهومنا عن الذرة ، والتي تتكون من نواة محاطة بالإلكترونات. صورت النماذج المبكرة الإلكترونات على أنها جسيمات تدور حول النواة ، تمامًا مثل الطريقة التي تدور بها الأقمار الصناعية حول الأرض. بدلاً من ذلك ، تفهم فيزياء الكم الحديثة الإلكترونات على أنها موزعة داخل المدارات ، وهي أوصاف رياضية تمثل احتمال وجود الإلكترونات في أكثر من موقع واحد ضمن نطاق معين في أي وقت معين. يمكن للإلكترونات أن تقفز من مدار إلى آخر لأنها تكتسب أو تفقد الطاقة ، لكن لا يمكن العثور عليها بين المدارات.

ساعدت المفاهيم المركزية الأخرى في تأسيس أسس فيزياء الكم :-

1 ازدواجية الجسيم الموجي: يعود هذا المبدأ إلى الأيام الأولى لعلم الكم. يصف نتائج التجارب التي أظهرت أن للضوء والمادة خصائص الجسيمات أو الموجات ، اعتمادًا على كيفية قياسها. اليوم ، نفهم أن هذه الأشكال المختلفة من الطاقة ليست في الواقع جسيمًا ولا موجة. إنها كائنات كمومية متميزة لا يمكننا تصورها بسهولة.

2 التراكب : هذا مصطلح يستخدم لوصف الكائن على أنه مزيج من حالات متعددة محتملة في نفس الوقت. الكائن المتراكب يشبه التموج على سطح البركة الذي يتكون من مزيج من موجتين متداخلتين. بالمعنى الرياضي ، يمكن تمثيل الكائن في التراكب بمعادلة لها أكثر من حل أو نتيجة.

3 - مبدأ عدم اليقين : هذا مفهوم رياضي يمثل مقايضة بين وجهات النظر التكميلية. في الفيزياء ، هذا يعني أنه لا يمكن معرفة خاصيتين لجسم ما ، مثل موضعه وسرعته ، بدقة في نفس الوقت. إذا قمنا بقياس موضع الإلكترون بدقة ، على سبيل المثال ، فسنكون مقيدين بمدى دقة معرفتنا لسرعته.

4 - التشابك : هذه ظاهرة تحدث عندما يتم توصيل كائنين أو أكثر بطريقة يمكن اعتبارها نظامًا واحدًا ، حتى لو كانا متباعدين جدًا. لا يمكن وصف حالة أحد العناصر في هذا النظام بالكامل بدون معلومات عن حالة الكائن الآخر. وبالمثل ، فإن تعلم المعلومات حول كائن واحد يخبرك تلقائيًا بشيء عن الآخر والعكس صحيح.

الرياضيات والطبيعة الاحتمالية للأشياء الكمومية

نظرًا لأن العديد من مفاهيم فيزياء الكم يصعب تصورها إن لم يكن من المستحيل بالنسبة لنا ، فإن الرياضيات ضرورية لهذا المجال. تُستخدم المعادلات لوصف الأشياء والظواهر الكمية أو المساعدة في التنبؤ بها بطرق أكثر دقة مما يمكن أن تستحضره تخيلاتنا.

الرياضيات ضرورية أيضًا لتمثيل الطبيعة الاحتمالية لظواهر الكم. على سبيل المثال ، قد لا يكون موضع الإلكترون معروفًا تمامًا. بدلاً من ذلك ، يمكن وصفه بأنه يقع في مجموعة من المواقع المحتملة (مثل داخل مدار) ، مع كل موقع مرتبط باحتمالية العثور على الإلكترون هناك.

نظرًا لطبيعتها الاحتمالية ، غالبًا ما يتم وصف الكائنات الكمومية باستخدام "وظائف موجية" رياضية ، وهي حلول لما يُعرف باسم معادلة شرودنجر. يمكن تمييز الموجات الموجودة في الماء من خلال الارتفاع المتغير للمياه مع تحرك الموجة بعد نقطة محددة. وبالمثل ، يمكن وصف الموجات الصوتية بتغيير ضغط أو تمدد جزيئات الهواء أثناء تحركها عبر نقطة ما. لا تتبع وظائف الموجة خاصية فيزيائية بهذه الطريقة. توفر حلول وظائف الموجة احتمالات المكان الذي قد يجد فيه المراقب كائنًا معينًا عبر مجموعة من الخيارات المحتملة. ومع ذلك ، تمامًا مثل تموج في بركة أو نوتة موسيقية تُعزف على بوق منتشرة ولا تقتصر على مكان واحد ، يمكن أيضًا أن تكون الأجسام الكمومية في أماكن متعددة - وتتخذ حالات مختلفة ، كما في حالة التراكب - في وقت واحد .

مراقبة الأجسام الكمومية

فعل الملاحظة هو موضوع نقاش كبير في فيزياء الكم. في وقت مبكر من هذا المجال ، كان العلماء في حيرة من أمرهم عندما اكتشفوا أن مجرد ملاحظة التجربة تؤثر على النتيجة. على سبيل المثال ، يتصرف الإلكترون مثل الموجة عندما لا يتم ملاحظته ، لكن فعل مراقبته تسبب في انهيار الموجة (أو ، بشكل أكثر دقة ، "فك الارتباط") والإلكترون يتصرف بدلاً من ذلك كجسيم. يقدر العلماء الآن أن مصطلح "الملاحظة" مضلل في هذا السياق ، مما يشير إلى أن الوعي متضمن. بدلاً من ذلك ، يصف "القياس" التأثير بشكل أفضل ، حيث قد يحدث تغيير في النتيجة بسبب التفاعل بين ظاهرة الكم والبيئة الخارجية ، بما في ذلك الجهاز المستخدم لقياس الظاهرة. حتى هذا الاتصال به محاذير ،

تجربة الشق المزدوج

ربما تكون التجربة الأكثر دقة في مجال فيزياء الكم هي تجربة الشق المزدوج . هذه التجربة ، التي تتضمن إطلاق جسيمات مثل الفوتونات أو الإلكترونات على الرغم من وجود حاجز من شقين ، استخدمت في الأصل عام 1801 لإظهار أن الضوء يتكون من موجات. منذ ذلك الحين ، تم استخدام العديد من التجسيدات للتجربة لإثبات أن المادة يمكن أن تتصرف أيضًا كموجة ولإثبات مبادئ التراكب والتشابك وتأثير المراقب.

قد يبدو مجال علم الكم غامضًا أو غير منطقي ، لكنه يصف كل شيء من حولنا ، سواء أدركنا ذلك أم لا. يؤدي تسخير قوة فيزياء الكم إلى ظهور تقنيات جديدة ، سواء للتطبيقات التي نستخدمها اليوم أو تلك التي قد تكون متاحة في المستقبل .