ميكانيكا الكم تمثل واحدة من أكثر المجالات تعقيدًا و غموضًا في عالم الفيزياء الحديثة. إنها عالم مثير للفضول و الاستكشاف، حيث تكمن أسرار الجسيمات الصغيرة و السلوك الغريب الذي يحكمها. من خلال مقالتنا، سنقوم بالغوص في هذا العالم، حيث سنتعرف على المفاهيم الأساسية و الأهمية الفلسفية و التطبيقات العملية التي جعلتها أحد أهم فروع الفيزياء في العصر الحديث.

في ظل تقدم العلوم و التكنولوجيا، أصبح فهم العالم على المستوى الذري و النانومتري أمرًا أساسيًا لفهم كيفية عمل الكون من حولنا. تقدمت ميكانيكا الكم كخطوة ثورية نحو فهم أعمق للطبيعة الأساسية للمادة و الطاقة، و كيفية التفاعل معها.

ستأخذنا رحلتنا في هذا المقال إلى أبعاد عديدة لميكانيكا الكم، بدءًا من التأسيس الفلسفي لهذا المجال وصولًا إلى تطبيقاته العملية في حياتنا اليومية و في مجالات التكنولوجيا و العلوم. سنكشف الستار عن الألغاز و التحديات التي تواجه العلماء و الباحثين في محاولتهم لفهم هذا العالم الغامض و المذهل في نفس الوقت.

دعونا نتعمق في عالم ميكانيكا الكم، حيث ينتظرنا اكتشاف أسرار جديدة و تجارب مذهلة تغير نظرتنا للعالم و لأنفسنا.

ما هي ميكانيكا الكم؟

ميكانيكا الكم هي النظرية الفيزيائية التي تصف سلوك المادة و الإشعاع و التفاعلات المتبادلة، مع إيلاء اهتمام خاص للظواهر المميزة للطول الذري و دون الذري أو مقياس الطاقة، حيث تكون النظريات الكلاسيكية السابقة غير كافية.

كخاصية أساسية، تصف الإشعاع و المادة كظاهرة موجية و ككيانات جسيمية، على عكس الميكانيكا الكلاسيكية التي تصف الضوء فقط كموجة، و على سبيل المثال، الإلكترون فقط كجسيم.

هذه الخاصية غير المتوقعة للواقع المادي، و التي تسمى ازدواجية الموجة و الجسيم، هي السبب الرئيسي لفشل النظريات التي تم تطويرها حتى القرن التاسع عشر في وصف الذرات و الجزيئات. تم ذكر العلاقة بين الطبيعة الموجية و الجسيمية في مبدأ التكامل و تم إضفاء الطابع الرسمي عليها في مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.

هناك العديد من الشكليات الرياضية المكافئة للنظرية، مثل ميكانيكا الموجة و ميكانيكا المصفوفة؛ بل على العكس من ذلك، هناك تفسيرات عديدة و متضاربة فيما يتعلق بالجوهر النهائي للكون و الطبيعة، مما أدى إلى ظهور جدل لا يزال مفتوحا داخل فلسفة العلم.

تمثل ميكانيكا الكم، إلى جانب النظرية النسبية، نقطة تحول فيما يتعلق بالفيزياء الكلاسيكية، مما يؤدي إلى ولادة الفيزياء الحديثة. من خلال نظرية المجال الكمي، و هي تعميم للصيغة الأصلية التي تتضمن مبدأ النسبية الخاصة، فهي الأساس للعديد من فروع الفيزياء الأخرى، مثل:

• الفيزياء الذرية؛
• فيزياء المادة المكثفة؛
• الفيزياء النووية؛
• فيزياء الجسيمات؛
• و كيمياء الكم.

و تعتبر المفاهيم الأساسية في ميكانيكا الكم كالتالي :

1. الترميز الموجي: في ميكانيكا الكم، تُصف الجسيمات بواسطة موجات الاحتمالات بدلاً من مواقع و سرعات محددة.
2. المبدأ اللافوري: ينص هذا المبدأ على أنه من غير الممكن معرفة بدقة و في نفس الوقت مكان و سرعة جسيم معين.
3. الانصهار و التفكك: تقوم الجسيمات في ميكانيكا الكم بالانصهار و التفكك و القفز بين الحالات بطرق لا تتماشى مع الفهم الكلاسيكي للحركة.

تعرض جميع الأجزاء الدقيقة شاشة الميكانيكا في تسجيل محتوى المادة ومشع الكهرومغناطيسية كل مقياس هزة الرئة من ترتيب الذرة أو كل مقياس طاقة الشبكة بين الذرات؛ على وجه الخصوص، كان الواقع التجريبي للضوء و الإلكترون غير قابل للتفسير. تقتصر قصة القوانين الكلاسيكية على الدافع الرئيسي الذي أدى في النصف الأول من القرن العشرين إلى تطوير فيزياء جديدة تختلف تمامًا عن تلك التي تم تطويرها حتى ذلك الحين، من خلال نظرية تم الحصول عليها من خلال الجمع بين مجموعة و تطويرها.

من هو صاحب نظرية ميكانيكا الكم؟

يعد تاريخ ميكانيكا الكم جزءًا أساسيًا من تاريخ الفيزياء الحديثة. تبدأ الفصول الرئيسية من هذا التاريخ بظهور الأفكار الكمومية لتفسير الظواهر الفردية و إشعاع الجسم الأسود، و التأثير الكهروضوئي، و أطياف الانبعاث الشمسي و هو عصر يسمى نظريات الكم القديمة أو الأقدم.

بناءً على التكنولوجيا التي تم تطويرها في الميكانيكا الكلاسيكية، أدى اختراع إروين شرودنغر لميكانيكا الموجات و التوسع من قبل العديد من الآخرين إلى ظهور العصر الحديث الذي بدأ حوالي عام 1925. و قد قادته أعمال بول ديراك في نظرية الكم النسبية إلى استكشاف نظريات الكم للإشعاع، و التي بلغت ذروتها في نظرية الكم. الديناميكا الكهربائية، أول نظرية المجال الكمي.

يستمر تاريخ ميكانيكا الكم في تاريخ نظرية المجال الكمي. يتشابك تاريخ كيمياء الكم، و الأساس النظري للتركيب الكيميائي، و التفاعل، و الترابط، مع الأحداث التي تمت مناقشتها في هذه المقالة.

تمت صياغة عبارة ميكانيكا الكم باللغة الألمانية (Quantenmechanik) من قبل مجموعة من الفيزيائيين بما في ذلك ماكس بورن، فيرنر هايزنبرغ، و ولفغانغ باولي، في جامعة غوتنغن في أوائل عشرينيات القرن الماضي، واستخدمت لأول مرة عام 1925.

ماذا قال العلماء عن ميكانيكا الكم؟

قال الفيزيائي ريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل: (أعتقد أنني أستطيع أن أقول بأمان إنه لا أحد يفهم حقًا ميكانيكا الكم). هذا ليس مفاجئا، بقدر ما يذهب. يحرز العلم تقدمًا من خلال مواجهة افتقارنا إلى الفهم، و تتمتع بسمعة كونها غامضة بشكل خاص.

إن ميكانيكا الكم، التي تم تجميعها تدريجيًا على يد مجموعة من العقول اللامعة خلال العقود الأولى من القرن العشرين، هي نظرية ناجحة بشكل لا يصدق. نحن بحاجة إليها لتأخذ في الاعتبار كيفية اضمحلال الذرات، و لماذا تتألق النجوم، و كيف تعمل الترانزستورات و أشعة الليزر، و في هذا الصدد، لماذا تكون الطاولات و الكراسي صلبة بدلاً من انهيارها على الأرض فورًا.

يمكن للعلماء استخدام ميكانيكا الكم بثقة تامة. لكنه صندوق أسود. يمكننا إعداد موقف مادي، و التنبؤ بما سيحدث بعد ذلك و التي تم التحقق منها بدقة مذهلة. ما لا نفعله هو الادعاء بفهم ميكانيكا الكم. لا يفهم الفيزيائيون نظريتهم بشكل أفضل من فهم مستخدم الهاتف الذكي العادي لما يحدث داخل الجهاز.

هناك مشكلتان. الأول هو أن ميكانيكا الكم، كما هو منصوص عليه في الكتب المدرسية، يبدو أنها تتطلب قواعد منفصلة لكيفية تصرف الأجسام الكمومية عندما لا ننظر إليها، و كيف تتصرف عندما يتم مراقبتها. عندما لا ننظر، فهي موجودة في تراكبات لاحتمالات مختلفة، مثل وجودها في أي موقع من المواقع المختلفة في الفضاء. و لكن عندما ننظر إليها، نجدها فجأة في مكان واحد فقط، و هو المكان الذي نراها فيه. لا يمكننا التنبؤ بالضبط بما سيكون عليه هذا الموقع؛ أفضل ما يمكننا فعله هو حساب احتمالية النتائج المختلفة.

الأمر برمته غير معقول. لماذا الملاحظات خاصة؟ ما الذي يمكن اعتباره؟ على أية حال؟ متى يحدث ذلك بالضبط؟ هل يجب أن يؤديها شخص؟ هل الوعي منخرط بطريقة أو بأخرى في القواعد الأساسية للواقع؟ تُعرف هذه الأسئلة معًا باسم مشكلة القياس في نظرية الكم.

و المشكلة الأخرى هي أننا لا نتفق على ما تصفه نظرية الكم في الواقع، حتى عندما لا نقوم بإجراء القياسات. نحن نصف جسمًا كميًا مثل الإلكترون من حيث الدالة الموجية التي تجمع تراكب كل نتائج القياس المحتملة في كائن رياضي واحد. عندما لا يتم ملاحظتها، تتطور الدوال الموجية وفقًا لمعادلة شهيرة كتبها إيروين شرودنغر.

و لكن ما هي الدالة الموجية؟ هل هو تمثيل كامل و شامل للعالم؟ أم أننا بحاجة إلى كميات فيزيائية إضافية لفهم الواقع بشكل كامل، كما توقع ألبرت أينشتاين و آخرون؟ أم أن الدالة الموجية ليس لها علاقة مباشرة بالواقع على الإطلاق، فهي مجرد وصف لجهلنا الشخصي بما سنقيسه في النهاية في تجاربنا؟

و إلى أن يجيب الفيزيائيون بشكل قاطع على هذه الأسئلة، لا يمكن القول أنهم يفهمون ميكانيكا الكم وهذا ما قاله فاينمان. وهذا أمر سيئ، لأن ميكانيكا الكم هي النظرية الأساسية لدينا، و تقع مباشرة في مركز كل محاولة جادة لصياغة قوانين عميقة للطبيعة. إذا لم يكن أحد يفهم ميكانيكا الكم، فلن يفهم أحد الكون.

من الطبيعي أن تعتقد أن فهم ميكانيكا الكم سيكون الأولوية القصوى المطلقة بين الفيزيائيين في جميع أنحاء العالم. يجب أن يكون البحث في أسس نظرية الكم تخصصًا ساحرًا داخل هذا المجال، يجذب ألمع العقول، و يحصل على أعلى الرواتب و أرفع الجوائز المرموقة. قد تتخيل أن الفيزيائيين لن يتوقفوا عند أي شيء حتى يفهموا ميكانيكا الكم حقًا.

ما الفرق بين فيزياء الكم و ميكانيكا الكم؟

يفتح السؤال حتما عالما بدأ منذ أكثر من قرن من الزمان، عندما قدم ماكس بلانك في عام 1899 الثابت الذي يحمل اليوم اسمه (ثابت بلانك) لتفسير انبعاثات جسم أسود يتجنب ما يسمى بكارثة الأشعة فوق البنفسجية. و مع ذلك، سأحاول تقديم النقاط الأساسية لفهم المشكلة بشكل أفضل.

النقطة المركزية هي أن التمييز الحقيقي بين فيزياء الكم و ميكانيكا الكم لا يتم توفيره من خلال الماكرو أو الجزئي، و لكن من خلال نوع الديناميكا الحرارية المستخدمة لدراسة نظام معين.

المثال الأكثر وضوحا الذي أمام أعيننا كل يوم حتى لو يجب ألا ننسى ألا نراقبها بشكل مباشر أبدا هو الشمس.

النجم الذي ينير كوكبنا، في الواقع، هو فرن نووي حقيقي و بالتالي تطوره و يتم وصف حركات الجسيمات (الفوتونات و الإلكترونات و النيوكليونات) باستخدام معادلات ميكانيكا الكم، و مع ذلك لا يمكن تعريف الشمس بالتأكيد على أنها نظام مجهري.

و من ناحية أخرى، لوصف حركة الشمس داخل المجرة نستخدم قوانين الجاذبية التي اكتشفها إسحاق نيوتن في التقريب الأول أو النسبية العامة لألبرت أينشتاين لتقديم وصف أكثر دقة. أي أنه اعتمادًا على ما يهمنا فهمه عن الشمس، فإننا نصفها الآن بقوانين ميكانيكا الكم، و تارة بقوانين فيزياء الكم.

في الختام

تظل ميكانيكا الكم بوابةً مثيرة و مدهشة نحو فهم الكون الصغير و المعقد الذي نعيش فيه. إنها تذكيرٌ بعمق الغموض الذي يحيط بالطبيعة و تعقيداتها التي لا تزال تتحدانا لاكتشافها و فهمها.

في عالم ميكانيكا الكم، نجد نفسنا مواجهين لتحديات مذهلة و أسئلة فلسفية تتعلق بطبيعة الحقيقة و الوجود ذاته. و مع ذلك، فإن كل نجاح يتحقق في فهم هذا العالم الصغير يمثل نقطة تحول هامة في تطور العلم و التكنولوجيا.

بفضل تقدم العلماء و الباحثين في ميدان ميكانيكا الكم، نتوقع أن نشهد المزيد من الاكتشافات الرائعة و التطبيقات الثورية التي ستغير وجه العالم و تجعلنا نفهمه بشكل أعمق و أوسع.

تظل رحلة مستمرة لاكتشاف أعمق في أسرار الكون و تحقيق تطورات تكنولوجية تأخذنا إلى عوالم جديدة. إنها تذكير بأن العالم لا يزال مليئًا بالألغاز و التحديات، و لكن مع العلم و الاستكشاف المستمرين، يمكننا أن نكتشف المزيد و نفهم أكثر.