في عام 1900 ، وضع عالم الفيزياء النظرية العالم الألماني ماكس بلانك بالصدفة مجال الميكانيكا الكمومية ( الملقب فيزياء الكم أو ميكانيكا الكم ) عندما حاول استكشاف سبب عدم تطابق نتائج تجربة جسده الأسود مع قوانين الفيزياء الكلاسيكية ، واكتشف أن الطاقة يتم تفريغها في عبوات صغيرة (تسمى quanta) ويبدو أنها تنبعث منها بأطوال موجية . [1]
ما هي ميكانيكا الكم
تعرف ميكانيكا الكم بأنها هي العلم الذي يتعامل مع سلوك المادة والضوء على النطاق الذري ودون الذري ، وإنه يحاول وصف خصائص الجزيئات والذرات ومكوناتها ، وحسابها ، مثل الإلكترونات ، والبروتونات ، والنيوترونات ، وغيرها من الجزيئات الباطنية الأخرى مثل الكواركات وهي جزء أصغر من الذرة ، والغلونات ، وتشمل هذه الخصائص تفاعلات الجسيمات مع بعضها البعض ومع الإشعاع الكهرومغناطيسي ( مثل الضوء ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما ) .
وغالبًا ما يبدو سلوك المادة والإشعاع على النطاق الذري غريبًا ، ومن ثم يصعب فهم نتائج نظرية الحقل الكمومي وتصديقها ، وتتعارض مفاهيمها في كثير من الأحيان مع مفاهيم المنطق السليم المستمدة من ملاحظات العالم اليومي ، ومع ذلك ، لا يوجد سبب يجعل سلوك العالم الذري يتوافق مع سلوك العالم المألوف واسع النطاق ، ومن المهم أن ندرك أن ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء وأن عمل الفيزياء هو وصف وحساب الطريقة التي يكون بها العالم على نطاق واسع ، وعلى نطاق صغير في الواقع وليس كيف يتخيله المرء أو يرغب فيه أن يكون .
أهمية دراسة ميكانيكا الكم
تعتبر دراسة ميكانيكا الكم مهمة لعدة أسباب من أهمها ما يلي :-
أولاً : توضح المنهجية الأساسية للفيزياء .
ثانيًا : لقد كانت ناجحة بشكل كبير في إعطاء نتائج صحيحة في كل موقف تقريبًا تم تطبيقها عليه ، وهناك ، مع ذلك مشكلة مثيرة للاهتمام ، فعلى الرغم من النجاح العملي الساحق للميكانيكا الكمومية ، فإن أسس هذا الموضوع تحتوي على مشاكل لم يتم حلها ، وخاصة المشكلات المتعلقة بطبيعة القياس ، ومن الخصائص الأساسية لميكانيكا الكم هو أنه من المستحيل عمومًا ، حتى من حيث المبدأ ، قياس النظام دون الإخلال به ؛ فالطبيعة التفصيلية لهذا الاضطراب والنقطة الدقيقة التي تحدث فيها غامضة ومثيرة للجدل ، وهكذا اهتم بميكانيكا الكم بعضًا من أعرق العلماء في القرن العشرين ، وشيدوا ما قد يكون أفضل صرح فكري في تلك الفترة .
الأساس التاريخي لنظرية الكم
الاعتبارات الأساسية
على المستوى الأساسي ، يكون للإشعاع والمادة خصائص للجسيمات والأمواج ، كما أن الاعتراف التدريجي من قبل العلماء بأن للإشعاع خواص تشبه الجسيمات وأن هذه المادة لها خواص شبيهة بالموجة أبرزت أهمية تطوير ميكانيكا الكم ، ويعتقد معظم علماء الفيزياء في القرن الثامن عشر ، الذين تأثروا بنيوتن ، أن الضوء يتكون من جزيئات أطلقوا عليها الجسيمات ، ومنذ حوالي عام 1800 ، بدأت الأدلة تتجه حول نظرية موجة الضوء ، وفي هذا الوقت تقريبًا ، أوضح توماس يونغ أنه إذا مر الضوء أحادي اللون عبر زوج من الفتحات ، فإن العارضتين الناشئتين تتداخلان ، بحيث يظهر نمط هامشي من الأشرطة المشرقة والمظلمة بالتناوب على الشاشة ، ووفقًا للنظرية ، يتم إنتاج شريط ساطع عندما تصل قمم وقيعان الأمواج من الفتحتين إلى السطح ؛ ويتم ظهور شريط غامق عندما تصل قمة إحدى الموجات في نفس الوقت الذي تصل فيه الموجة الأخرى ، ويتم إلغاء تأثيرات الحزم الخفيفة .
وابتداءً من عام 1815 ، أظهرت سلسلة من التجارب التي أجراها أوغسطين جين Augustin-Jean Fresnel من فرنسا وآخرون أنه عندما يمر شعاع من الضوء الموازي عبر فتحة واحدة ، لم تعد الحزمة الناشئة موازية ولكنها تتباعد ؛ وتعرف هذه الظاهرة باسم ظاهرة حيود الضوء ، ويمكن للمرء استخدام نظرية الموجة 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 .
وفي عام 1900 قدم عالم الفيزياء النظرية الألماني ماكس بلانك اقتراحًا جريئًا ، حيث أنه افترض أن طاقة الإشعاع تنبعث ، ليس بشكل مستمر ، ولكن في حزم منفصلة تسمى quanta ( وهي وحدة من الطاقة في الفيزياء ) ، حيث ترتبط الطاقة E للكم بالتردد ν بواسطة E = hν ، وتعتبر الكمية h ، المعروفة الآن باسم ثابت بلانك ، مقداراً ثابتًا عالميًا بقيمة تقريبية 6.62607 × 10−34 جول في الثانية . [2]
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 أن تعمل المادة أيضًا كموجة ، ويتعارض هذا مع ما يقرب من 30 عامًا من التجارب التي تُظهر أن المادة (مثل الإلكترونات) موجودة كجزيئات . [3]
ما هي ميكانيكا الكم
تعرف ميكانيكا الكم بأنها هي العلم الذي يتعامل مع سلوك المادة والضوء على النطاق الذري ودون الذري ، وإنه يحاول وصف خصائص الجزيئات والذرات ومكوناتها ، وحسابها ، مثل الإلكترونات ، والبروتونات ، والنيوترونات ، وغيرها من الجزيئات الباطنية الأخرى مثل الكواركات وهي جزء أصغر من الذرة ، والغلونات ، وتشمل هذه الخصائص تفاعلات الجسيمات مع بعضها البعض ومع الإشعاع الكهرومغناطيسي ( مثل الضوء ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما ) .
وغالبًا ما يبدو سلوك المادة والإشعاع على النطاق الذري غريبًا ، ومن ثم يصعب فهم نتائج نظرية الحقل الكمومي وتصديقها ، وتتعارض مفاهيمها في كثير من الأحيان مع مفاهيم المنطق السليم المستمدة من ملاحظات العالم اليومي ، ومع ذلك ، لا يوجد سبب يجعل سلوك العالم الذري يتوافق مع سلوك العالم المألوف واسع النطاق ، ومن المهم أن ندرك أن ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء وأن عمل الفيزياء هو وصف وحساب الطريقة التي يكون بها العالم على نطاق واسع ، وعلى نطاق صغير في الواقع وليس كيف يتخيله المرء أو يرغب فيه أن يكون .
أهمية دراسة ميكانيكا الكم
تعتبر دراسة ميكانيكا الكم مهمة لعدة أسباب من أهمها ما يلي :-
أولاً : توضح المنهجية الأساسية للفيزياء .
ثانيًا : لقد كانت ناجحة بشكل كبير في إعطاء نتائج صحيحة في كل موقف تقريبًا تم تطبيقها عليه ، وهناك ، مع ذلك مشكلة مثيرة للاهتمام ، فعلى الرغم من النجاح العملي الساحق للميكانيكا الكمومية ، فإن أسس هذا الموضوع تحتوي على مشاكل لم يتم حلها ، وخاصة المشكلات المتعلقة بطبيعة القياس ، ومن الخصائص الأساسية لميكانيكا الكم هو أنه من المستحيل عمومًا ، حتى من حيث المبدأ ، قياس النظام دون الإخلال به ؛ فالطبيعة التفصيلية لهذا الاضطراب والنقطة الدقيقة التي تحدث فيها غامضة ومثيرة للجدل ، وهكذا اهتم بميكانيكا الكم بعضًا من أعرق العلماء في القرن العشرين ، وشيدوا ما قد يكون أفضل صرح فكري في تلك الفترة .
الأساس التاريخي لنظرية الكم
الاعتبارات الأساسية
على المستوى الأساسي ، يكون للإشعاع والمادة خصائص للجسيمات والأمواج ، كما أن الاعتراف التدريجي من قبل العلماء بأن للإشعاع خواص تشبه الجسيمات وأن هذه المادة لها خواص شبيهة بالموجة أبرزت أهمية تطوير ميكانيكا الكم ، ويعتقد معظم علماء الفيزياء في القرن الثامن عشر ، الذين تأثروا بنيوتن ، أن الضوء يتكون من جزيئات أطلقوا عليها الجسيمات ، ومنذ حوالي عام 1800 ، بدأت الأدلة تتجه حول نظرية موجة الضوء ، وفي هذا الوقت تقريبًا ، أوضح توماس يونغ أنه إذا مر الضوء أحادي اللون عبر زوج من الفتحات ، فإن العارضتين الناشئتين تتداخلان ، بحيث يظهر نمط هامشي من الأشرطة المشرقة والمظلمة بالتناوب على الشاشة ، ووفقًا للنظرية ، يتم إنتاج شريط ساطع عندما تصل قمم وقيعان الأمواج من الفتحتين إلى السطح ؛ ويتم ظهور شريط غامق عندما تصل قمة إحدى الموجات في نفس الوقت الذي تصل فيه الموجة الأخرى ، ويتم إلغاء تأثيرات الحزم الخفيفة .
وابتداءً من عام 1815 ، أظهرت سلسلة من التجارب التي أجراها أوغسطين جين Augustin-Jean Fresnel من فرنسا وآخرون أنه عندما يمر شعاع من الضوء الموازي عبر فتحة واحدة ، لم تعد الحزمة الناشئة موازية ولكنها تتباعد ؛ وتعرف هذه الظاهرة باسم ظاهرة حيود الضوء ، ويمكن للمرء استخدام نظرية الموجة 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 .
وفي عام 1900 قدم عالم الفيزياء النظرية الألماني ماكس بلانك اقتراحًا جريئًا ، حيث أنه افترض أن طاقة الإشعاع تنبعث ، ليس بشكل مستمر ، ولكن في حزم منفصلة تسمى quanta ( وهي وحدة من الطاقة في الفيزياء ) ، حيث ترتبط الطاقة E للكم بالتردد ν بواسطة E = hν ، وتعتبر الكمية h ، المعروفة الآن باسم ثابت بلانك ، مقداراً ثابتًا عالميًا بقيمة تقريبية 6.62607 × 10−34 جول في الثانية . [2]
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 أن تعمل المادة أيضًا كموجة ، ويتعارض هذا مع ما يقرب من 30 عامًا من التجارب التي تُظهر أن المادة (مثل الإلكترونات) موجودة كجزيئات . [3]
