سلسلة ميكانيكا الكم : المهد

في المقال الأول من هذه السلسلة تحدثنا عن العوامل والظروف التي أدت إلى ظهور ميكانيكا الكم، وتحدثنا أيضاً عن هذه النظرية الثورية التي رفضت مفهوم الحتمية الكلاسيكية، ورحبت بمبدأ الإحتمالية الذي ترتكز عليه هذه النظرية، وتحدثنا أيضاً عن الأب الشرعي لميكانيكا الكم العالم الألماني ماكس بلانك، وأنه هو أول من قدم للعالم مفهوم كمات الطاقة في عام 1900، ثم في عام 1905 قدم آينشتاين صيغته حول التأثير الكهروضوئي بالإعتماد على مفهوم بلانك لكمات الطاقة، وفي عام 1913 قدم نيلز بور نموذجه الشهير عن الذرة أيضاً بالإعتماد على مفهوم بلانك لكمات الطاقة، شكلت جهود هؤلاء العلماء الثلاثة ( بلانك،آينشتاين،بور) أرضية لما يعرف بنظرية الكم القديمة. 

في عام 1926 ونتيجة للعمل النظري والتجريبي الكبير من قبل علماء الفيزياء، قدمت نظريتان متكافئتان تجريبياً شكلتا معاً ما يعرف بميكانيكا الكم الحديثة، هاتان النظريتان هما : 

1- مبدأ الإرتياب (ميكانيكا المصفوفة) ل فيرنر هايزنبرغ (1976-1901) 

2- ميكانيكا الموجة ل إروين شرودنغر (1961-1887) 

وسنبدأ مع مبدأ الإرتياب أو ما يعرف أيضاً بميكانيكا المصفوفة:

 ميكانيكا المصفوفة 

 نشأت ميكانيكا المصفوفة من مقاربة عامة لنظرية الكم المدعومة من قبل (بور وولفغانغ باولي)، لكن كان لهذا التعريف لميكانيكا المصفوفة في أيدي (هايزنبرغ) أسلوب آخر، وهو الإلتزام من الناحية النظرية لإزالة أي كميات لا يمكن ملاحظتها، أخذ هايزنبرغ ما هو ممكن ملاحظته مثل إحتمالات الإنتقال بين المدارات في ذرة الهيدروجين، وقدم هايزنبرغ مشغلات ( مؤثرات) مكنت من تمثيل هذه الأمور التي يمكن ملاحظتها رياضياً، بعد ذلك بوقت قصير، ماكس بورن إعتمد مؤثرات هايزنبرغ كمصفوفات بالمفهوم رياضي . 

(فيرنر هايزنبرغ)

مؤثرات هايزنبرغ يمكن إستخدامها بدلاً من المتغيرات المستمرة من الفيزياء النيوتونية، في الواقع يمكن أن تستبدل مفهوم نيوتن للزخم والموقع كمصفوفة رياضية تحصل منها على معادلات الحركة من نظرية الكم، ويطلق على هذا النموذج معادلات هايزنبرغ، وقد أدى هذا التغيير الذي قدمه هايزنبرغ لمفهومين الموقع والزخم إلى ظهور مبدأ الإرتياب والذي ينص على: 

" لا يمكن ملاحظة كل الخصائص الفيزيائية الكلاسيكية في وقت واحد بدقة، بدلاً من ذلك يمكن ملاحظة كميات معينة لا يمكن أن تكون معروفة في نفس الوقت مثل الموقع والزخم "

فكلما كان مقدار طاقة الجسم معلوماً ومحدداً بدقة كلما كانت الريبة(عدم اليقين) أكبر بالنسبة لحساب موقعه بالنسبة للزمن والعكس صحيح،وينطبق هذا المبدأ أيضاً على الزخم المتعلق بالجسم.

( مبدأ اللايقين حيث يدل الحرف P على الزخم وX على الموقع والثابت ħ يمثل ثابت بلانك مقسوماً على 2π)

ميكانيكا الموجة 

نشأت ميكانيكا موجة شرودنجر على منحنى مختلف من التفكير، ويرجع ذلك أساساً إلى لويس دي برولي وألبرت آينشتاين ، حيث فكر لويس دي برولي الذي تخرج من جامعة باريس في التأثير المعاكس الذي قد تقوم به الجسيمات لتكون ذات طبيعة موجية وفي عام 1924 واقترح أن سرعة الجسم وكتلته لابد أن يكون لها علاقة بطول الموجة.

 لبعض الوقت أعرب آينشتاين عن الإلتزام بإقامة العالم المادي ممكن أن نصفه بصورة كافية سببياً، مما يعني أنه من الممكن وصفه فيما يتعلق بالكميات التي تتطور بإستمرار في الوقت المناسب، آينشتاين الذي كان مسؤولاً في المقام الأول على تبيين أن للضوء خصائص جسيمية وخصائص موجية. 

(إروين شرودنغر )

ميكانيكا موجة شرودنغر أعطت نفس النتيجة التي أعطاها مبدأ الإرتياب بالنسبة للموقع والزخم، في إطار ميكانيكا موجة شرودنغر يتم تحديد إحتمال العثور على جسيمات في موقع معين من قبل إتساع (إرتفاع) الموجة في ذلك الموقع، ومن ثم فإن للجسميات موقع واضح يتمثل ب موجة تكون قيمتها صفر في كل مكان ما عدا موقع الجسيمات، من ناحية أخرى، الجسيمات مع زخم مؤكد يتم تمثيلها بموجة مسطحة ( أي لها نفس الإتساع في كل نقطة)، وعلى العكس من الموقع، الزخم يصبح أكثر وأكثر إنتشاراً عندما تصبح الموجة بلغت ذروتها بشكل حاد، وبالتالي وبتعبير أدق يمكن لأحد ما أن يتنبأ بموقع جسم ما بشكل دقيق ويمكن التنبؤ عن زخمه بشكل أقل دقة، وأكثر نسخة كمية بهذه الإعتبارات تقودنا أيضا إلى مبدأ اللايقين . 

في المقال القادم سنتطرق إلى أهم تجارب مكانيكا الكم : قطة شرودنغر، تجربة بوبر وتجارب أخرى . 

إعداد:: زيد أحمد ::


المصادر :
www.encyclopedia.com/topic/Quantum_Physics.aspx 

http://www.paranormalarabia.com/2012/04/blog-post_05.html

www.particleadventure.org/other/history/quantumt.html