ميكانيكا الكم

في عام 1900، اكتشف العالم الألماني ماكس بلانك بالصدفة ميكانيكا الكم أو فيزياء الكم، عندما حاول تفسير عدم تطابق نتائج تجربة جسمه الأسود مع قوانين الفيزياء الكلاسيكية، واكتشف أن الطاقة تفرغ في عبوات صغيرة تسمى الكم، وهي تنبعث منها بأطوال موجية .

ما هي ميكانيكا الكم

تعني ميكانيكا الكم العلم الذي يتناول سلوك المادة والضوء على المستوى الذري وغير الذري، ويحاول وصف خصائص الجزيئات والذرات ومكوناتها، وحسابها، مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات وغيرها من الجسيمات الدقيقة الأخرى مثل الكواركات التي هي أصغر جزء من الذرة، والغلونات، وتشمل هذه الخصائص تفاعلات الجسيمات مع بعضها ومع الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء والأشعة السينية وأشعة جاما .

عادة ما يبدو سلوك المادة والإشعاع على المستوى الذري غريبا، وبالتالي يصعب فهم نتائج نظرية الحقل الكمومي والإيمان بها، وغالبا ما تتعارض مفاهيمها مع المفاهيم المنطقية المألوفة المستمدة من تجاربنا اليومية في العالم… ومع ذلك، ليس هناك سبب يجعل سلوك العالم الذري يتوافق مع سلوك العالم الواسع النطاق المألوف، ومن الأهمية أن ندرك أن ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء وأن عمل الفيزياء هو وصف وحساب الطريقة التي يتصرف بها العالم على نطاق واسع وضيق، وليس كيف يتخيله الإنسان أو يتمناه .

أهمية دراسة ميكانيكا الكم

– تُعَدُّ دراسةُ ميكانيكا الكمِ مهمَّةً لعدَّةِ أسباب، من أهمِّها ما يلي:

 أولاً : توضح المنهجية الأساسية للفيزياء .

ثانيًا : كانت ناجحة جدا في تحقيق نتائج صحيحة تقريبا في كل حالة تم تطبيقها عليها، ومع ذلك، هناك مشكلة مثيرة للاهتمام، فعلى الرغم من النجاح العملي الهائل للميكانيكا الكمومية، فإن أسس هذا الموضوع تحتوي على مشاكل لم يتم حلها، وخاصة المشاكل المتعلقة بطبيعة القياس، ومن الخصائص الأساسية لميكانيكا الكم أنه من المستحيل عموما، حتى من حيث المبدأ، قياس النظام دون التأثير عليه؛ فالتفاصيل الدقيقة لهذا الاضطراب والنقطة التي يحدث فيها غامضة ومثيرة للجدل، ولذلك اهتم بميكانيكا الكم بعضا من أعظم العلماء في القرن العشرين، وبنوا ما قد يكون أفضل منصة فكرية في تلك الفترة .

الأساس التاريخي لنظرية الكم

الاعتبارات الأساسية

على المستوى الأساسي ، تكون للإشعاع والمادة خصائص للجسيمات والأمواج ، وباعتراف تدريجي من العلماء بأن للإشعاع خواص تشبه الجسيمات وأن للمادة خواص مشابهة للأمواج ، تم تسليط الضوء على أهمية تطوير ميكانيكا الكم. وفي القرن الثامن عشر، يعتقد معظم علماء الفيزياء، الذين تأثروا بنيوتن، أن الضوء يتكون من جزيئات يشبهونها بالجسيمات. ومنذ حوالي عام 1800، بدأت الأدلة تشير إلى نظرية موجة الضوء. وفي هذا الوقت تقريبا، أوضح توماس يونغ أنه إذا مر الضوء الأحادي اللون عبر زوج من الفتحات، فإن الأشرطة الناشئة تتداخل، وتظهر أشرطة هامشية مشرقة ومظلمة بالتناوب على الشاشة. ووفقا للنظرية، ينتج شريط ساطع عندما تصل قمم وقيعان الأمواج من الفتحتين إلى السطح، ويظهر شريط غامق عندما تصل قمة إحدى الموجات في نفس الوقت التي تصل فيه الموجة الأخرى، وتلغى تأثيرات الحزم الضوئية .

ابتداء من عام 1815، أظهرت سلسلة من التجارب التي قام بها أوغسطين جين وآخرون من فرنسا أنه عندما يمر شعاع ضوء مواز عبر فتحة واحدة، لم يعد الشعاع الناتج موازيا ولكنه ينتشر. ويعرف هذا الظاهرة بظاهرة انكسار الضوء، ويمكن استخدام نظرية الموجات لحساب النمط المتوقع في كل حالة. وتتفق النظرية بدقة مع البيانات التجريبية .

قانون بلانك للاشعاع

بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، قبل الفيزيائيون تقريبًا نظرية الموجة الضوئية ، ومع ذلك ، على الرغم من أن أفكار الفيزياء الكلاسيكية تفسر ظواهر التداخل والانعراج المتعلقة بانتشار الضوء ، إلا أنها لا تفسر امتصاص الضوء وانبعاثه ، وأن جميع الهيئات تشع الطاقة الكهرومغناطيسية كحرارة ؛ في الواقع ينبعث الإشعاع من الجسم في جميع الأطوال الموجية ، والطاقة المشعة بأطوال موجية مختلفة تكون كحد أقصى في الطول الموجي الذي يعتمد على درجة حرارة الجسم .

في عام 1900، قدم العالم الفيزيائي الألماني ماكس بلانك اقتراحا جريئا، حيث افترض أن الطاقة المشعة تنبعث، ليس بشكل مستمر، ولكن في حزم منفصلة تسمى “quanta” (وهي وحدة للطاقة في الفيزياء). وترتبط الطاقة E للكم بالتردد ν بواسطة E = hν، والكمية h، المعروفة الآن باسم ثابت بلانك، تعتبر مقدارا ثابتا عالميا بقيمة تقريبية تساوي 6.62607 × 10-34 جول في الثانية .

المبادي الثورية الثلاثة

تطورت ميكانيكا الكم (QM) على مدار عدة عقود ، بدءًا من مجموعة من التفسيرات الرياضية المثيرة للجدل للتجارب التي لم تستطع الرياضيات الميكانيكية الكلاسيكية شرحها ، وبدأ الأمر في مطلع القرن العشرين ، في نفس الوقت الذي نشر فيه ألبرت أينشتاين نظريته النسبية ، وهي ثورة رياضية منفصلة في الفيزياء تصف حركة الأشياء بسرعة عالية على عكس النسبية ، ومع ذلك ، فإن أصول إدارة الجودة لا يمكن أن يعزى إلى أي عالم واحد ، وبدلاً من ذلك ، ساهم العديد من العلماء في تأسيس ثلاثة مبادئ ثورية اكتسبت تدريجياً القبول والتحقق التجريبي بين عامي 1900 و 1930 ، وهذه المباديء هي :

الخصائص الكمية

 يمكن أن تحدث بعض الخصائص ، مثل الموضع والسرعة واللون ، في بعض الأحيان فقط بكميات معينة ومحددة ، مثل الطلب الهاتفي الذي يتم النقر من خلاله من رقم إلى آخر ، وقام هذا الافتراض الأساسي على تحدي الميكانيكا الكلاسيكية ، والذي قال إن هذه الخصائص يجب أن توجد على طيف سلس ومستمر ، ولوصف فكرة أن بعض الخصائص تختص بالنقر مثل الاتصال الهاتفي مع إعدادات محددة ، صاغ العلماء كلمة ” كميا “.

جزيئات الضوء

 يمكن أن يتصرف الضوء أحيانًا كجسيم ، وقوبل هذا في البداية بانتقادات قاسية ، حيث تعارض مع 200 عام من التجارب التي أظهرت أن الضوء يشبه الموجة ؛ أي يشبه إلى حد كبير التموجات الموجودة على سطح بحيرة هادئة ، ويتصرف الضوء بشكل مشابه من حيث أنه ينعكس على الجدران وينحني حول الزوايا ، وأن أذرع وأحواض الموجة يمكن أن تضاف أو تلغى ، وتؤدي قمم الموجة المضافة إلى إضاءة أكثر إشراقًا ، ويمكن اعتبار مصدر الضوء ككرة على عصا يتم غمرها بشكل إيقاعي في وسط البحيرة ، ويتوافق اللون المنبعث مع المسافة بين القمم ، والتي تحددها سرعة إيقاع الكرة .

موجات المادة

 يمكن للمادة أن تتصرف كموجة أيضًا، وهذا يتعارض مع التجارب التي تمت على مدى 30 عامًا تظهر أن المادة (مثل الإلكترونات) توجد بشكل جزيئات .