المحتوى الرئيسى

مترجم: ستة أشياء يجب أن تعرفها عن فيزياء الكم - ساسة بوست

09/22 13:51

منذ 1 دقيقه، 22 سبتمبر,2015

فيزياء الكم عاده ما تكون مخيفه من البدايه، انها ذات نوع من الغرابه فتبدو مخالفه للبديهه، حتي للفيزيائيين الذين يتعاملون معها يوميًا. لكن هذا لا يعني انها مبهمه. اذا قرات حول فيزياء الكم، فهناك سته مفاهيم مفتاحيه يجب ان تحتفظ بها في ذهنك. افعل ذلك وستجد ان فيزياء الكم سهله الفهم.

1- ان كل شيء مكون من موجات وجسيمات

(Light as both a particle and a wave. (Image credit: Fabrizio Carbone/EPFL

هناك العديد من الجوانب لبدء هذا النقاش:

كل شيء في الكون يمتلك طبيعه موجيه وجسيميه، في الوقت نفسه. هناك سطر في ثنائيه كريك بير الخياليه (كونشيرتو اللانهائيه والافعي الساحره)، حيث ان الصفه التي تصف اساسيات السحر تقول: “ان الجميع موجات، بدون شيء يتموج، علي ايه مسافه اطلاقـًا” اني احب ذلك دائمًا، كقصيده وصفيه في فيزياء الكم – وبعمق اكثر ان كل شيء في الكون له طبيعه موجيه.

وبالتاكيد، كل شيء في الكون له طبيعه جسيميه. هذا يبدو جنونيًّا بالكامل، لكنه حقيقه تجريبيه، تحققت بعمليه معروفه بشكل مدهش.

بالتاكيد ان وصف الاشياء الحقيقيه كموجه وكجسيم معًا، هو بالضروره غامض الي حد ما. لنقل بشكل ادق، ان الاشياء التي توصف بواسطه فيزياء الكم ليست موجات وليست جسيمات، لكنها مجموعه ثالثه تشارك بعض خواص الموجه (التردد المميز والطول الموجي وبعض الانتشار في الفراغ) وبعض خواص الجسيم (بشكل عام هي معدوده ومحدده الموقع الي درجه معينه). ان هذا يقودنا بحيويه الي نقاش في مجتمع الفيزياء التعليمي فيما اذا كان بالفعل مناسبًا الكلام عن الضوء كجسيم في مقدمه (كورسات) الفيزياء، ليس لان هناك خلاف حول الضوء اذا كان ذا طبيعه جسيميه، لكن بسبب وصف الفوتونات بـ”الجسيمات” بدلا من “استثارات الحقل الكمومي” ربما تقود بعض الطلبه لفكره خطا، لا اميل للموافقه علي هذا بسبب كثير من المخاوف نفسها من الممكن ان تزداد حول وصف الالكترونات بـ”جسيمات” لكنه وضع كمصدر موثوق من اجل مناقشات المدونه.

هذا “الباب الثالث” حول طبيعه الاشياء الكموميه ينعكس احيانا في اللغه المشوشه المستخدمه من الفيزيائيين عند التكلم عن ظاهره الكوانتم، ان بوزون هيغز اكتشف كجسيم في مصادم الهيدرونات الكبير، لكنك ستسمع الفيزيائيين يتحدثون عن “مجال هيغز” علي انه شيء بلا مكان يملا جميع الفراغ، ان هذا يحدث في بعض الحالات، مثلا تجارب الاصطدام، من المناسب ان نناقش استثارات مجال هيغز بطريقه تؤكد الخصائص شبه الجسيميه، بينما في حالات اخري، كما في نقاش عام حول لماذا هناك جسيمات محدده لها كتله، انه من المناسب جدًا ان نناقش الفيزياء بطريقه الحقل الكمومي الذي يملا الكون، انها لغه مختلفه لوصف نفس الاشياء الرياضيه.

(These oscillations created an image of “frozen” light. (Credit: Princeton

فعلاً ان الاسم “الكم” ماخوذ من اللاتينيه “ما الكميه” ويعكس حقيقه ان النموذج الكمي يتطلب دائمًا شيئًا ما ياتي بمقادير منفصله غير مترابطه. الطاقه الموجوده في الحقل الكمومي ياتي في مضاعفات الاعداد الصحيحه حول بعض الطاقه الاساسيه للضوء، هذا يرتبط مع التردد والطول الموجي، التردد العالي والطول الموجي القصير للضوء يكون له طاقه متميزه كبيره، بينما التردد المنخفض والطول الموجي الطويل تكون الطاقه صغيره.

في كلتا الحالتين، الطاقه الكليه يتم احتوائها في مجال ضوئي خاص هي من مضاعفات العدد الصحيح للطاقه – 1، 2، 14، 137 اضعاف – ليس جزءًا غريبًا كما في واحد ونصف، π، او الجذر التربيعي للعدد2. هذه الخاصيه تشاهد في مستويات الطاقه المنفصله للذره، وكذلك في حزم الطاقه للجسم الصلب – قيم محدده من الطاقه يسمح بتواجدها بينما لا يسمح للاخري.

الساعه النوويه تعمل بسبب الانفصال في فيزياء الكم، باستعمال تردد ضوء مرتبط مع حاله انتقاليه بين حالتين في Leap second عنصر السيزيوم للحفاظ علي الوقت في مستوي يحتاج ثانيه القفز

منظار التحليل الطيفي العالي الدقه، يمكن ان يستخدم للبحث عن اشياء كالماده السوداء في الفضاء، وهو جزء من التشجيع من اجل معهد الفيزياء الاساسيه للطاقه الواطئه.

هذا لا يكون دائمًا واضحًا – حتي بعض الاشياء التي تعتبر بشكل اساسي كموميه مثل اشعاع الجسم الاسود الذي يتطلب توزيعًا مستمرًا. لكن دائمًا هناك نوعًا من الخاصيه الجسيميه في الواقع اذا حفرنا في الرياضيات وهذا جزء كبير الذي يقودنا لغرابه النظريه.

واحد من الجوانب الاكثر دهشه (علي الاقل تاريخيًّا) والاكثر خلافيه في فيزياء الكم وهو ان من المستحيل التنبؤ بالتحديد عن نتيجه تجربه مفرده في نظام كمومي. عندما يتنبا الفيزيائيون بنتيجه بعض التجارب، التنبؤ ياخذ دائمًا الشكل الاحتمالي للعثور علي كل النتائج الممكنه، والمقارنات بين النظريه والتجربه دائمًا يستلزم استنتاج التوزيعات الاحتماليه لعده تجارب مكرره.

الوصف الرياضي لنظام كمومي نموذجيًا ياخذ شكل “دالة الموجة”، يمثل عمومًا في المعادلات بالحرف اليوناني ψ

هناك الكثير من الجدل حول ماذا تمثل بالتحديد داله الموجه، فينقسمون الي رايين: اولئك الذين يعتقدون ان داله الموجه هي شيء فيزيائي حقيقي (ويصطلح عليهم بالنظريات الوجوديه ontic therory، psi-ontologist) واولئك الذين يعتقدون ان داله الموجه هي مجرد تعبير عن معرفتنا (او نقص في ذلك) فيما يخص الحاله الكامنه للجسم الكمومي (النظريات المعرفيه epistemic theory)

في كل فصل من النموذج الاساسي، احتماليه الحصول علي نتيجه لا تعطي مباشره بواسطه داله الموجه، بل بمربع داله الموجه (ولنقل ان داله الموجه هي شيء رياضي معقد، هذا يعني انها تستلزم اعدادًا خياليه مثل الجذر التربيعي للعدد واحد السالب، وعمليه الحصول علي الاحتمالات تتطلب ذلك، لكن مربع داله الموجه كاف للحصول علي فكره اساسيه) هذا ما يعرف بـ”قانون بورن” بعد العالم الالماني ماكس بورن max born الذي اقترح اولاً (في هامش ورقه بحثيه عام 1926) وصفها بعض الناس بالاضافه الظرفيه السيئه. هناك جهد فعال في بعض اجزاء مجتمع اساسات الكم لايجاد معادله بورن من مبدا اساسي، حتي الان، لم تنجح واحده منها بشكل كامل، لكنها اوجدت اهتمامًا اكثر بالعلم.

هذا جانب من النظريه التي ادت الي امور كوجود الجسيم في اكثر من حاله في الوقت نفسه. كل ما يمكننا توقعه هو الاحتماليه، وسابق للقياس الذي يحدد النتيجه، النظام التي يتم قياسه يكون في حاله غير محدده وهي رياضيًّا ترسم لنا التراكب superposition لجميع الممكنات مع الاحتمالات المختلفه. فيما اذا اعتبرت هذا الامر كنظام يوجد بشكل حقيقي في كل الحالات في ذات الاوان، او كونه في حاله واحده غير معروفه، ان ذلك يعتمد بشكل كبير علي مشاعرك حول نموذج الوجوديه ontic في مقابل المعرفيه epistemic.

4- فيزياء الكم غير موضعيه

A quantum teleportation experiment in action. (Credit: IQOQI/Vienna)

اخر اسهام لاينشتاين في الفيزياء لا يتلفت اليه بشكل واسع، غالبًا لانه كان مخطئـًا فيه. في ورقه بحثيه عام 1935 مع زميليه الشابين بورس بودولسكي ونيثن روزن ” EPR paper” اعطي اينشتاين صيغه رياضيه واضحه حول شيء ما كان يزعجه لبعض الوقت، الفكره التي نعرفها بـ”التشابك entanglement“.

ورقه اينشتاين وزميليه ناقشت ان فيزياء الكم سمحت بوجود انظمه، حيث تتم القياسات في اماكن متباعده بشكل واسع يمكنها ان ترتبط بشكل ما، مقترحًا ان نتيجه احدهما تتحدد بواسطه الاخري. لقد ناقشوا ان هذا يعني ان نتائج القياسات يجب ان تحدد مسبقـًا، بواسطه عامل مشترك، لان البديل الاخر يتطلب نقل نتيجه قياس واحد الي موقع الاخري في سرعات اكثر من سرعه الضوء. لذلك، فان ميكانيكا الكم يجب ان تكون غير كامله، مجرد تقريب لنظريه اعمق (نظريه المتغيرات الخفيه الموضعيه) ان نتائج قياس معين لا تعتمد علي اي شيء بعيد عن مكان القياس من غير اشاره يمكنها الانتقال بسرعه الضوء (محليه او موضعيه) لكنها تحدد بعامل مشترك لكلا النظامين في الزوج المتشابك (المتغير الخفي).

لقد اعتبر هذا امرًا هامشيًا غريبًا لثلاثين سنه، بسبب انه لم تكن هناك طريقه لقياسه، لكن في اواسط الستينات، عالم الفيزياء الايرلندي جون بيل حقق نتائج ورقتهم البحثيه وبتفاصيل عظيمه. اوضح بيل انه يمكننا ان نجد ظروفـًا تستطيع فيها ميكانيكا الكم التنبؤ بالروابط بين قياسات متباعده وانها اقوي من ايه نظريه ممكنه من النوع الذي يفضله اينشتاين او بودولسكي او روزن . تم اختبارها تجريبيًا في منتصف السبعينيات بواسطه جون كلوسر وسلسله تجارب بواسطه الين اسبكت في بدايه الثمانينات، موضحه ان النظامين المتشابكين لا يمكن تفسيرهما بواسطه نظريه المتغيرات الخفيه الموضعيه.

ان افضل طريقه لفهم هذه النتيجه هي ان نقول ان ميكانيكا الكم غير موضعيه او غير محليه: ان نتائج القياسات التي تمت في موقع معين يمكنه الاعتماد علي خصائص اجسام بعيده بطريقه لا يمكن تفسيرها باستخدام اشارات تتحرك بسرعه الضوء. ان هذا لا يسمح بارسال المعلومه في سرعات تتجاوز سرعه الضوء، مع ذلك كانت عده محاولات لايجاد طريقه لاستخدام اللاموضعيه الكموميه لفعل ذلك. وبدحض كل ذلك فقد تحول بشكل مفاجا الي مشروع مثمر – راجع كتاب ديفيد كيسير، كيف انقذ الهيبز الفيزياء – لتفاصيل اكثر. اللاموضعيه الكموميه تعد امرًا مركزيًا لمشكله المعلومه في الثقب الاسود المتبخر، وفي الخلاف حول برنامج الحمايه الذي سبب عده نشاطات حديثه، وهناك افكار متطرفه تتطلب ارتباطات رياضيه بين الاجسام المتشاكبه الموصوفه في ورقه اينشتاين البحثيه مع الثقب الدودي.

5- فيزياء الكم (غالبًا) صغيره جدًّا

Images of a hydrogen atom as seen through a quantum telescope. (Credit: Stodolna et al. Phys. Rev. Lett.)

ان لدي فيزياء الكم سمعه كونها محيره، لان تنبؤاتها لا تشابه خبرتنا اليوميه (علي الاقل للانسان – التصورات في كتابي انها لا تبدو محيره للكلاب) ان ذلك يحصل بسبب ان التاثيرات تكون اصغر كلما كان الجسم كبيرًا، اذا اردت ان تشاهد تصرفـًا كموميًّا بشكل واضح، فانك اساسًا تريد مشاهده جسيمات تتصرف مثل الموجات، والطول الموجي يقل كلما زاد زخم الدوران. ان الطول الموجي لجسم يشاهد بالعين المجرده كالكلب يمشي خلال الغرفه يكون صغيرًا جدًّا؛ ذلك انه اذا وسعت كل شيء لكي تكون النواه المفرده في الغرفه بحجم المجموعه الشمسيه بالكامل، فان الطول الموجي للكلب سيكون تقريبًا بحجم النواه المفرده في النظام الشمسي.

ذلك يعني ان الظاهره الكموميه محصوره علي مستوي الذره والجسيمات الاساسيه، حيث السرعات والكتل تكون صغيره بشكل كاف لتكون الاطوال الموجيه كبيره ليمكن رصدها مباشره. هناك جهود فعاله في عده اماكن لدفع حجم الانظمه لاظهار التاثيرات الكموميه في احجام كبيره. وهناك مجاميع اخري تحاول استخدام الضوء لتقليل حركه اجزاء من السليكون الي ان نصل الي نقطه حيث تكون فيها الطبيعه المنفصله للكوانتم عند الحركه واضحه، ومن المقترح انه ربما من الممكن ان نفعل ذلك بمرايا معلقه ذات كتله من عده غرامات والتي ستكون رائعه بالفعل.

6- فيزياء الكم ليست سحرًا

Comic from “Surviving the World” by Dante Shepherd. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html )

نرشح لك

أهم أخبار مصر

Comments

عاجل