TTC Quantum Mechanics: The Physics of the Microscopic World

ترجمـــة سماعية .. م / رامــي أحــمـــد

ترجمـــة سماعية .. م / رامــي أحــمـــد

""مـيـكـانـيـكـا الـكـَـمّ""

""فيزياء العالَم المجهري""

(المحاضرة (1 لُغز الكَمّ

مرحباً في دورتنا عن ميكانيكا الكم فيزياء العالَم المجهري

(أنا (بِن شوماخر أستاذ فيزياء بجامعة كانيون بأوهايو

وسأكون مرشدكم في هذه الدورة في هذه الدورة، نذهب في رحلة لعالَم بعيد

عالَم محكوم بقوانين غريبة وغير مألوفة ببعيد أقصد مختلف عن حياتنا اليومية

أقصد عالَم بعيد ليس بالمسافة، لكن بالحجم إنه العالَم المجهري، العالَم الصغير

إذن ما مدى الصغر الذي أقصده بالمجهري

(في الحقيقة لا أعني شيئاً تراه بالمجهر (الميكروسكوب بل أعني شيئاً أصغر كثيراً مما تراه بمجهر روتيني

الشخصيات في حكايتنا هي أشياء مثل الذرات

والجسيمات دون الذرية مثل الإلكترونات والبروتونات والنيترونات

شخصيات أخرى بحكايتنا هي الفوتونات، وهي جسيمات الضوء

وهذه جميعاً صغيرة للغاية إذن هذه الصغيرة، صغيرة لأي مدى ؟

ما مدى صغر الذرة ؟ حسناً، لدي هنا 1 بوصة مكعبة من الألمونيوم

إنها 1 بوصة طولاً، 1بوصة إرتفاعاً، 1بوصة عرضاً

وفي 1 بوصة مكعبة من الألمونيوم هناك 10 للأس 24 ذرات ألمونيوم

واحداً متبعوعاً بـ 24 صفر هذا تريليون تريليون ذرة ألمونيوم

هناك 100 مليون ذرة ألمونيوم في هذه الحافة و100 مليون ذرة ألمونيوم في هذه الحافة

و100 مليون ذرة ألمونيوم في تلك الحافة قرابة 100 مليون ذرة ألمونيوم لكل بوصة، هذا كثير

ماذا عن شيء يمكنك فعلياً رؤيته بالمجهر ؟ ماذا عن خلية حية مُفردة ؟

حسناً، الخلية الحية المُفردة الإعتيادية تحوي قرابة تريليون ذرة، واحداً متبوعاً بـ 12 صفر، 10 للأس 12

حسناً، لقد لفظت الكثير من التريليونات ما مدى ضخامة التريليون ؟

حسناً، تخيل حجم حبة رمل ناعمة ثم تخيل حمولة شاحنة ضخمة كاملة من الرمال

هذا يقترب من تريليون حبة رمل أو إليكم طريقة أخرى لتخيل التريليون

تخيل عدد دقات القلب لديك بيوم، دقات القلب المعروفة في الحقيقة هذا ليس رقم كبير جداً، إنه 100 ألف فقط

أو حسناً، ربما يبدو رقم كبير نسبياً مائة ألف دقة قلب يومياً

الآن تخيل سكان مدينة نيويورك كاملةً، حوالي 10 ملايين شخص

هذا يعني أن هناك حوالي تريليون دقة قلب بمدينة نيويورك على مدار اليوم

إذن فالتريليون رقم كبير حقاً

وهناك تريليون ضعف التريليون من ذرات الألمونيوم في مكعب الألمونيوم هذا

حسناً، إذن فالذرات صغيرة جداً ماذا عن الفوتونات ؟ ما حجم الفوتونات ؟

لإكتشاف هذا لنأخذ مصباح ضوئي عادي، كهذا

المصباح الضوئي العادي 20 واط يصدر حوالي 100مليون تريليون فوتون بكل ثانية

الـ 100مليون تريليون هذا 10 للأس 20

واحداً متبوعاً بعشرين صفر، هذا عدد الفوتونات الصادرة من مصباح ضوئي 20 واط في الثانية

هذه أرقام مهولة، الذرات، الإلكترونات، والفوتونات صغيرة للغاية مقارنةً بكل تجارب حياتنا اليومية

ميكانيكا الكم هي الفيزياء الأساسية لهذا النطاق نطاق الذرات، الإلكترونات، والفوتونات

حسناً، العالم المجهري ليس مجرد نسخة مصغرة من عالمنا المعتاد

إن كان هذا صحيحاً لن يكون هذا موضوع مثير

لكن في الحقيقة بالعالم المجهري هناك العديد من المفاجآت

وسنتحدث عن أشياء ستبدو بدايةً صعبة التصديق رغم صحتها بالعالم المجهري

لكنني أريد التأكيد على حقيقة واحدة مهمة عالَم الكم على أي حال هو عالمنا

عالَم الكم هو العالم الذي نعيشه وميكانيكا الكم لا تفسر مجرد أمور لطيفة عن الذرات

بل تفسر حقائق أساسية عن العالم الذي نراه يومياً

حسناً، ما هي ميكانيكا الكم ؟ لنأخذها كلمة كلمة

أولاً، ما هي الميكانيكا ؟ الميكانيكا هي فرع الفيزياء الذي يدرس القوة والحركة

كيف تتحرك الأشياء، ولماذا تتحرك

القوانين الحاكمة للحركة بالعالم، الطريقة التي تتغير بها الأشياء مع الوقت بالكون

هذا كله ميكانيكا، هناك نوع من الميكانيكا (يُدعى الميكانيكا الكلاسيكية (القديمة

الميكانيكا الكلاسيكية هي نظرية الميكانيكا المبنية على قوانين نيوتن للحركة

طوَّرها إسحاق نيوتن بنهاية القرن الـ 17

و الميكانيكا الكلاسيكية هي فرع من مجال أوسع يُدعى الفيزياء الكلاسيكية

والذي يحوي أيضاً مواضيع أخرى مثل الديناميكا الحرارية والتي ترتبط بالحرارة وتحول الطاقة

والكهرومغناطيسية التي ترتبط بفيزياء المجال الكهربي والمغناطيسي

البصريات التي ترتبط بإنتشار الضوء كل هذه مجالات للفيزياء الكلاسيكية

والميكانيكا الكلاسيكية أشبه بمركز الفيزياء الكلاسيكية

لأكثر من 200 سنة، كانت الميكانيكا الكلاسيكية النظرية الأفضل للفيزياء

النموذج الذهبي للنظريات بعيدة المدى وشديدة الدقة

إن أردت معرفة كيف تتنبأ أين تسقط قذيفة

أو كيف تبني جسر متين، أو كيف تتحرك الكواكب لآلاف السنين القادمة

الميكانيكا الكلاسيكية كانت الأداة المستخدمة لإكتشاف ذلك

وحتى قرابة العام 1900

كانت قصة الفيزياء كلها محصورة تماماً على (نجاح الميكانيكا النيوتونية(ميكانيكا نيوتن/الكلاسيكية

برغم ذلك، بحلول 1900 بدا واضحاً أن الفيزياء الكلاسيكية قد لا تفسر سلوك العالم المجهري

الميكانيكا الكلاسيكية لم تكن كافية

لذا فميكانيكا الكم كانت النظرية الجديدة المُطوَّرة لإستبدال قوانين نيوتن

وخصوصاً لتفسر أجزاء المادة المجهرية وكيف تتصرف

لكن أيضاً لتفسر ألغاز عن العالم يمكننا رؤيتها ولمسها بحواسنا العادية

كانت تُدعى ميكانيكا الكم لأن الطاقة بهذه النظرية وُجِدَت في ظروف كثيرة تظهر بكميات محددة

حزم محددة أو كمَّات من الطاقة هذه هي الكمَّات في ميكانيكا الكَمّ

الأفكار الكمية الأولى تم إقتراحها قرابة العام 1900

لكن النظرية نفسها لم تكن مكتملة حتى العشرينات لذا فميكانيكا الكم لم تكن ناضجة آنذاك

ومجريات إكتشافها كانت قصة مميزة على مراحل عدة وسنتحدث عن هذه القصة

هناك مصطلحين آخرين أود إيضاحهما

سأستخدم مصطلح نظرية الكم وأحياناً سأستخدم فيزياء الكم

،وللحديث فنياً، ميكانيكا الكم، نظرية الكم وفيزياء الكم ليسوا شيئاً واحداً

كل مصطلح أشمل قليلاً من سابقه

لكن على مستوى حديثنا يمكننا إعتبارها مرادفات مقاربة لميكانيكا الكم

سأستخدم واحدة أو أخرى على سبيل التنويع فقط، لذا لا تهتموا بالفوارق

ميكانيكا الكم حالياً هي النظرية الأكثر نجاحاً بالفيزياء على الإطلاق

-من الظواهر المفسرة بميكانيكا الكم -وسنناقش كل هذا البنية الداخلية الأساسية لنويات الذرات والجزيئات

نفهم هذه البنية بفضل ميكانيكا الكم

ميكانيكا الكم تفسر كيف يُمتَص الضوء ويُشَع بالمادة، هذه مواضيع بغاية الأهمية

ميكانيكا الكم تفسر سلوك الجوامد والسوائل خاصةً عند درجات حرارة منخفضة للغاية

حيث يكون سلوكها مفاجئ تماما

ميكانيكا الكم أيضاً نظرية تفسر كيف تتفاعل الجسيمات الأولية معاً

لذا فميكانيكا الكم لها نطاق هائل من التطبيقات برغم أن أساس الأفكار الكمية فاقت المائة عام حالياً

برغم أن النظرية الكمية أو ميكانيكا الكم نفسها تربو عن الثمانين عاماً

النظرية الكمية تظل الإطار الرئيس المحيط لنظريات الفيزياء الحديثة، إنها اللغة الأم للفيزياء

مثلاً، نظرية الوتر الفائق، وهي مميزة ومثيرة وهي نظرية للجسيمات والقُوى الأولية

نظرية الوتر الفائق هي نظرية كمية

دورتنا لن تغطي نظرية الوتر الفائق

لكنني أريد إيضاح أن كل هذه النظريات الحديثة مثل نظرية الوتر الفائق مشتملة بالإطار العام

نفس الإطار العام الذي كان لدينا لما يزيد عن ثمانون عاماً

إذن فهذه الدورة لن تهتم فقط بالتطورات الثورية لميكانيكا الكم في الفترة ما بين 1900 و 1930 تقريباً

ستهتم هذه الدورة أيضاً بتطورات ميكانيكا الكم منذ ذلك الحين وحتى وقتنا الحالي

هذا النجاح المدهش هو جانب واحد لميكانيكا الكم ما يجعل ميكانيكا الكم مثيرة حقاً

هي أنها دون شك أيضاً النظرية الفيزيائية الأكثر غرابة ومفاجأة على الإطلاق

قوانين العالم المجهرى تتحدى خيالاتنا إنها مغامرة رائعة أن تحاول إستيعاب العالم المجهري

لذا بعض النتائج الغريبة للنظرية الكمية التي سنناقشها وسنناقش كل ما ذكرته- هي كما يلي، لنرى-

أولاً، ميكانيكا الكم تخبرنا شيء غريب للغاية بشأن قوانين الإحتمال

تخبرنا ميكانيكا الكم أن الإحتمالات المختلفة قد يلاشي بعضها بعضاً بطريقة لم تكن لتتوقعها

لذا إفترض جسيماً قد يتحرك من هنا لهنا من هذه النقطة لهذه النقطة عبر طريقين مختلفين

يمكنه الذهاب بهذا الطريق أو بهذا الطريق، هناك طريقين محتملين

وكل طريق بذاته محتمل، في ميكانيكا الكم يتضح أنه إن كان كلا الطريقين متاح

في الحقيقة من المستحيل على الجسيم الإنتقال من هنا لهنا

كل طريق محتمل، لكن سوياً فالإحتمالات تتلاشى ويصبح كل شيء مستحيل، هذا غريب تماماً

فكرة أخرى غريبة حقاً بميكانيكا الكم هي الطريقة التي تتحرك بها الجسيمات المفردة عبر الفضاء

ليس أن ميكانيكا الكم مجرد نظرية جديدة للحركة

ليست مجرد تحسين لقوانين نيوتن للحركة من القرن السابع عشر

لا، ميكانيكا الكم نظرية جديدة عن معنى الحركة بميكانيكا الكم، لا تتحرك الجسيمات عبر مسار محدد في الفضاء

تتحرك الجسيمات عبر الفضاء على شكل موجات تنتشر في عدة أماكن بنفس الوقت، ذلك غريب للغاية

جانب غريب آخر بنظرية الكم هو ما تخبرنا إياه عن كيفية تصرف مجموعة جسيمات معاً

يبدو أن جسيمين كميين يمكنهم فعلياً أن يكونا متماثلين لبعضهما البعض

أكثر شبهاً من عملتين معدنيتين أكثر شبهاً من توأمين متماثلين

يمكن أن يكونا متماثلين تماماً لبعضهما البعض بكل خصائصهما، ربما لا يبدو هذا غريباً

لكن يبدو أن هذه الحقيقة، حقيقة أن الجسيمات قد تكون متماثلة لبعضها البعض

زوج من الإلكترونات قد يكونا متماثلان هذه الحقيقة لها عواقب مهولة على العالم الذي نراه يومياً

وسنستكشف هذا الجانب الغريب جداً بنظرية الكم

جانب غريب آخر بنظرية الكم هو التشابك الكمومي

بنظري أن التشابك الكمومي هو الأكثر غرابة بهذا العالم الغريب الأزلي

التشابك الكمومي ظاهرة تم دراستها أولاً بجدية بواسطة (ألبرت أينشتين) سابقاً بالثلاثينات

دعاها ألبرت (أينشتين) بالشبحية، وهو لفظ موفَّق لأن التشابك الكمومي هو أشبه بإتصال غريب

يمكن أن يوجد بين جسيمين حتى بإبتعادهما

حين يُمتَص جسيم أو يتفاعل، يفعل ذلك بطريقة تبدو تقريباً وكأن الجسيمات تتواصل روحياً عن بعد لتفسير ما يحدث