نظرية الكم والذرة Quantum theory and corn
 |
| نظرية الكم والذرة |
نظرية الكم والذرة Quantum theory and corn
نظرية الكم القديمة :
هي النظرية التي نشأت بالتزامن مع نموذج بور لذرة الهيدروجين سنة ١٩١٣م وانتهت سنة ١٩٢٥م بصياغة أولى معادلات نظرية الكم وهي ميكانيكا المصفوفات على يدي ماكس بورن وفرنر هيزنبرج والتي دعيت في بادئ الأمر الصياغة المصفوفية لنظرية الكم.
مؤسس نظرية الكم :
تسأسست هذه النظرية عام 1900 م و مؤسسها هو عالم الفيزياء الالماني ماكس بلانك , و تعتبر هذه النظرية أهم نظرية في الفيزياء الحديثة وواحدة من بين نظريتين أساسيتين .
الإنجازات التطبيقية لنظرية الكم القديمة:
تاسست اعتماداً عليها الفيزياء الحديثة و هي نظرية الكم و النظرية النسبية ، و لهذه
النظرية الكثير من الانجازات الملموسة و التطبيقات مثل إختراع الدايود و الترانسيستور
و الدوائر المتكاملة و ظهور اجهزة التلفزيون و الهاتف و الكومبيوتر و غيرها.
الظواهر التي تفسرها نظرية الكم :
إن نظرية الكم تصف الجسيمات التي تكون المادة وكيف تتفاعل مع بعضها البعض ومع الطاقة أيضا.
فهي تفسر كيفية حساب ما سيحدث في أي تجربة تتضمن أنظمة حيوية أو فيزياية ، وفهم كيف يعمل العالم من حولنا.
سبب تسمية نظرية الكم بهذا الاسم :
يأتي اسم نظرية الكم من حقيقة كون النظرية تصف المادة والطاقة في الكون على هيئة وحدات غير مرئية تسمى "الكوانتا Quanta " .
الإختلاف بين النظرية الكمية والفيزياء الكلاسيكية :
تختلف النظرية الكمية عن الفيزياء الكلاسيكية (التقليدية) من حيث كون الفهم،
فالفيزياء التقليدية تمثل مقاربة لمجموعة من القوانيبن والمعادلات في نظرية الكم.
فالفيزياء التقليدية تمثل مقاربة لمجموعة من القوانيبن والمعادلات في نظرية الكم.
بمعنى أدق فإن الفيزياء التقليدية تصف سلوك المادة والطاقة في حياتنا اليومية.
على سبيل المثال: تصف الفيزياء التقليدية حركة سيارة متسارعة أو كرة تطير في الهواء. على الجانب الآخر ،
فإن النظرية الكمية يمكن أن تصف بدقة سلوك الكون على مقياس أصغر، ألا وهو على مستوى الذرات والجسيمات الأصغر منها.
قوانين الفيزياء التقليدية لا يمكن لها أن تفسر سلوك المادة والطاقة على مستوى أصغر (فهي يمكن أن تفسر حركة السيارة حول الدوار لكنها تعجز في تفسير حركة الالكترون حول النواة). لذلك تعتبر نظرية الكم أكثر عمومية من الفيزياء التقليدية، ومن حيث المبدأ فنظرية الكم يمكن أن تتنبأ بسلوك أي نظام (فيزيائي، كيميائي او حيوي). الا ان استخدامها لتفسير سلوك كل ما يحدث حولنا في الكون يوميا معقد جدا ليكون عمليا.
ان نظرية الكم لا تعمل على تحديد قوانين جديدة تصف الكون من حولنا، بل توجد طرق جديدة للتفكير حول المادة والطاقة.
الجسيمات الصغيرة التي تصفها نظرية الكم ليس لها سرعة أو مسار أو حتى موقع كما في الأجسام الموصوفة من قبل الفيزياء التقليدية (التقليدية يمكن أن تحدد سرعة السيارة ومكانها ومسارها بدقة، بينما الكمية لا يمكن لها أن تحدد سرعة ومكان الالكترون بنفس الوقت وهو ما يعرف بمبدأ هايزنبرج) حيث تعتمد النظرية الكمية على الاحتمالات لوصف مواقع الجسيمات وخواصها الاخرى بعبارة أخرى فان الكمية تسمح للعلماء بحساب احتمالية أن يكون جسيم ما في مكان محدد عند وقت معطى.
وتصف نظرية الكم كل أنواع القوى الأساسية – باستثناء قوى الجاذبية – وهذه القوى تشمل: الكهربية والمغناطيسية ، القوي والضعيف منها. وعادة يصف الفيزيائيون هذه القوى كتفاعلات بين الذرات مع بعضها البعض(ليس المقصود هنا التفاعل الكيميائي بل كيف تتفاعل الجسيمات أوالذرات مع بعضها البعض يعني مثال:قوى فاندفالز.).
إينشتاين والنظرية الكمية :
رغم أن ألبرت آينشتاين كان أول الفيزيائيين المستثمرين للعلاقة التي اكتشفها ماكس بلانك بشأن تصرف الإشعاع الحراري والتي كانت تأسيسا أوليا لنظرية الكم، فإنه لم يقبل بنتائج تلك النظرية بعد تطويرها، وظل مدة طويلة يحاول إثبات أن نظرية الكم ناقصة أو متناقضة مع نفسها.
وقد جرت بينه وبين الفيزيائي نيلز بور نقاشات حامية وطويلة خلال النصف الأول من ثلاثينيات القرن الماضي لفهم نظرية الكم وما تنطوي عليه، وقد عُرفت هذه المناظرة بحوارات آينشتاين-بور.
وخلال هذه الحوارات كان آينشتاين يرفض الطبيعة الاحتمالية للحوادث، مصرا على حتمية الحوادث الفيزيائية ، في حين كان نيلز بور يقول إن "الله تعالى فعّال لما يريد".
وقد حاول آينشتاين البرهنة على أن اللاحتم الكمي يقودنا إلى نتائج غريبة جدا، ظنا منه أنها غير قابلة للتحقق عمليا، وبالتالي فإن هذا يعني أن نظرية ميكانيكا الكم غير كاملة على الأقل إن لم تكن خاطئة.
ففي عام 1935 نشر آينشتاين بحثا مشتركا مع ناثان روزن وتلميذه بودلسكي بيّنوا فيه أن أزواج الجسيمات (كالإلكترونات أو الفوتونات مثلا) حينما نوصفها بطريقة ميكانيكا الكم ونعتبرها حالات كمية (Quantum States) فإنها تظهر بصفة غريبة تجعل منها أزواجا مترابطة ببعضها.
فلو أننا أخذنا شعاعا ضوئيا مثلا ثم شطرناه نصفين بواسطة لوح نصف شفاف يسمح بمرور جزء من الشعاع ويعكس الجزء الآخر ثم غيرنا صفة ما في أحد الشعاعين (أي تغيير مستوي تذبذب أحد الشعاعين مثلا) فإن مستوى التذبذب للشعاع الثاني سيتبدل تلقائيا وعلى نحو آني مهما كانت المسافة بين نهايات الشعاعين، وهذا ما يكشف عن تعلق الفوتون الأول (أي جسيم الضوء في الشعاع الأول) بالفوتون الثاني (أي جسيم الضوء في الشعاع الثاني) تعلقا آنيا دون سبب مفهوم.
سميت هذه الظاهرة التي اكتشفها آينشتاين وجماعته نظريا معضلة آينشتاين -بودلسكي-روزن.
وقد اعتبرت هذه الظاهرة معضلة لأن الحدث الذي يحصل في الفوتون الثاني الذي ذهب بعيدا عن الفوتون الأول هو حدث غير سببي (non-causal) إذ لا يوجد سبب مفهوم لحصول التعلق بين الفوتونين طالما أنهما منفصلان في كل الوجوه.
من جانب آخر، فإن حصول التغير في مستوى استقطاب الفوتون الثاني حال تغييرنا لمستوى استقطاب الفوتون الأول آنيا يعني أن التأثير بين الجسيمين انتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ولما كان ألبرت آينشتاين مؤمن بأن أعلى سرعة في الكون هي سرعة الضوء فقد اعتبر هذا التعلق الذي يحصل آنيا حدثاً غير سببي بالتأكيد، وقد سميت هذه الظاهرة بـ"التشابك الكمي" (Quantum Entanglement)."
وفرت ظاهرة التشابك الكمي أرضية لفكرة تقول إن الكون كله مترابط كميا على نحو يجعله كيانا واحداً تتعاضد أجزاؤه صغيرها وكبيرها بآلية لم نفهمها بعد لكن الزمن كفيل بالكشف عنها تباعا "
لقد استنهضت هذه المعضلة العديد من الأفكار وجرى بحثها وتحليلها نظريا من جوانب عديدة، ورغم ذلك لم يتمكن أحد من تفسير حصول هذا التشابك الكمي بين الجسيمات الدقيقة والحالات الكمية، لكن آينشتاين اعتبر أن حصوله نظريا على هذه النتيجة التي وجدها غير معقولة دليل على عدم صحة أو عدم اكتمال نظرية الكم، بمعنى أنه بهذا الاكتشاف الذي لم يتوقع حصوله عمليا ظن أنه يكشف عن نقص مهم في نظرية الكم.
لكن الرياح تجري بما لا تشتهي السفن أحيانا حتى مع أعظم العلماء وأكثرهم ذكاء وعبقرية، فقد أجرى الفيزيائي الفرنسي ألين أسبكت تجربة شهيرة عام 1982 مستخدما أشعة الليزر لفحص ما تنبأ به ألبرت آينشتاين وجماعته فجاءت النتيجة موافقة للتنبؤ رغم استنكارهم لمثل هذه الظاهرة في حينها ، وبالتالي فقد اعتبرت هذه النتيجة هزيمة لتفكير ألبرت آينشتاين واعتراضاته على نظرية الكم ، إذ حصل ما كان يتوقع أن يكون حصوله مستحيلا وأمراً غير قابل للتحقيق.
اليوم وبعد أن تكررت تجربة ألين أسبكت مئات المرات وبأساليب مختلفة تتأكد ظاهرة التشابك الكمي بين الجسيمات الدقيقة، لا بل لقد وفرت هذه الظاهرة أرضية لفكرة تقول إن الكون كله مترابط كميا على نحو يجعله كيانا واحدا تتعاضد أجزاؤه صغيرها وكبيرها بآلية لم نفهمها بعد لكن الزمن كفيل بالكشف عنها تباعا، ومن الجدير بالذكر أن لظاهرة التشابك الكمي تطبيقات عملية في الحوسبة الكمية.
نظرية الكم والذرة quantum ، النظرية الكمية لبلانك ، كتاب ميكانيكا الكم للمبتدئين pdf، بحث ، نظرية الكم ا
يمكنكم من التالي :