.png)
الفيزياء الكمية .. ميكانيك الكم ثورة الفيزياء في العصر الحديث
.png)
مع مطلع القرن العشرين شهدت الفيزياء تغيرا ثوريا يتمثل في الفيزياء الكمية , نظرا لما عرفته الفيزياء من ركود في مجالاتها الكلاسيكية المعروفة ( الكهرومغناطيسية , الميكانيك , الحرارة ,....) وبسبب عجز الفيزياء انذاك عن تفسير بعض الظواهر كاشعاع الجسم الاسود والمواد الساخنة وتوجها مثلا , ظهرت الفيزياء الكمية لتضع التفسيرات والنماذج للظواهر الفيزيائية الشائكة وتحيي الفيزياء من جديد لتدور عجلة العلم وتبدأ حركة الاكتشافات والاختراعات مع ذلك .
الفيزياء الكمية هي الفيزياء التي تهتم بكل ماهو ذري وتحت ذري من جيسمات ودقائق , حيث تهتم الفيزياء الكمية بدراسة حركة وسلوك الجسيمات الدقيقة عبر المنهاج العلمي التجريبي وصياغة معادلات ونمادج تفسر الظواهر الكمية في العالم الكمي الاخير الذي يطغى عليه الاحتمال واللايقين نظرا لصغر الجسم المدروس المتمثل في الاليكترون مثلا لسرعته وعدم قدرة تتبعه بالعين المجردة .
شكلت الفيزياء الكمية ثورة في الفيزياء بمفاهيمها وتفسيراتها التي تخالف المعتاد حيث اظهرت ان العالم الكمي عالم غريب ولا تنطبق عليه القوانين كالعالم الواقعي المعاش مما شكل صدمة واصطدام مع المجتمع الفيزيائي حينها , ولهذا الفيزياء الكمية تتميز بادواتها الخاصة ونهجها ورياضياتها واسسها التي سوف يتم التطرق اليها فيما بعد في هذا المقال .
أسس الفيزياء الكمية
- لايمكن تطبيق ميكانيك وقوانين نيوتن في العالم الكمي حيث على المستوى الذري وتحت الذري أتبثت فشلها ومحدوديتها في وصف السلوك الكمي مثال دراسة ذره الهيدروجين ودوران البروتون حول نواة ذرة الهيدروجين .
- الطاقة تكون مكماة أي مجزئة ومنفصلة وبكمية حيث عندما يمتص الاليكترون مثلا الضوء فوتون ينتقل الى مستوى اخر للطاقة داخل الذرة ثم يبعث تلك الطاقة المكتسبة ويرجع للموضع البدئي له .
- تتصرف الجسيمات سلوك موجي وجسيمي وفق وحسب طريقة تتبعها .
- مبدأ الارتياب او اللايقين لهايزنبرغ حيث ينص انه لا يمكن معرفة سرعة وموضع الجسيم في نفس اللحظة و بالمقابل يمكن تحديد كل واحد بشكل منفصل عن الاخر .
تعتبر هذه الاسس للفيزياء الكمية ثورة في فكر ومنهج الفيزياء بشكل كبير حيث فتحت سبل وطرق وعوالم جديدة تستحق الاستكشاف والبحث فيها .
لمحة عن تاريخ الفيزياء الكمية
بنيت الفيزياء الكمية على أفكار مجموعة من العلماء واكتشافاتهم حيث بتراكمها وتتابعها تم ربط هذه الافكار والابحاث وصياغة الفيزياء الكمية في العشرينات من القرن الماضي .
عام 1905 استطاع العالم الفيزيائي ألبرت أينشتاين تفسير ظاهرة التأثير الكهرومغناطيسي وتأثيرات طاقة الضوء حسب لونه على احداث تيار كهربائي ضعيف داخل موصل , كما من قبل استطاع ألبرت اينشتاين ان يؤكد وجود الذرة بواسطة مراقبة حبات غبار الطلع على سطح الماء ليشكل اكتشافه قفزة وتأكيد لافكار علماء سابقين كبولتزمان الذي تعرض للسخرية من قبل المجتمع الفيزيائي انذاك حول افكاره عن وجود الذرة وابحاثه في سلوكها .
في نفس الفترة الزمنية أكد العالم الالماني ماكس بلانك وجود تبادل بين بين الضوء والمادة على شكل مكماة يعني بكمية وان الضوء عبارة عن طاقة اشعاعية من الفوتونات وكل فوتون ماهو الا طاقة معينة بحد ذاته .
تتوالى وتتراكم الابحاث حيث قام الفيزيائي الفرنسي لويس دي بروجلي عام 1923 باقتراح ان الجسيمات لها خصائص موجية , الشيء الذي تبناه العالم النمساوي شرودينغر سنة 1926 واقترح معادلته الشهيرة والتي تحمل اسمه والتي تعد المبدأ الاساسي للفيزياء الكمية حيث تمكن هذة المعادلة بدراسة حركة اي جسيم كمي .
سنة 1925 اقترح الفيزيائي الالماني هايزنبرغ مبدأ اللايقين الذي ينص على عدم وقدرة استطاعة ومعرفة موضع وسرعة الاليكترون في نفس اللحظة , لتستمر الابحاث فيما بعد بانعقاد مؤتمرات بين علماء الفيزياء من اجل الاتفاق على نموذج للفيزياء الجديدة التي سوف تسمى الفيزياء الكمية .
توالت الاكتشافات عبر اكتشاف الاجسام المضادة كالاليكترون الموجب وذلك انطلاقا من معادلة ديراك واكتشاف جسيمات تحت ذرية الكوارك والنيوترينو مثلا , وابحاث العالم الكبير ريتشار فاينمان الذي يعد مطور الفيزياء الكمية الحديثة .
شهدت الفيزياء الكمية تراكم مجموعة من الابحاث والاقتراحات والصياغات من أجل بنائها على ظهر عمالقة الفيزياء القرن العشرين لنصل الى فيزياء الكمية التي نعرفها اليوم واسهاماتها في التكنولوجيا والفكر الانساني بشكل عام .
معادلات وقوانين الفيزياء الكمية
.png)
معادلة شرودينغر : معادلة شرودينغر هي معادلة صاغها العالم النمساوي شرودينغر سنة 1926 م وتعد المبدا الاساسي في الفيزياء الكمية لدورها المهم في دراسة سلوك الاليكترون , فهي دالة موجية تصف الحالة الكمية للجسيم الكمي .
.png)
معادلة بول ديراك : معادلة صاغها العالم البريطاني ديراك سنة 1928 م جمعت بين فيزياء الكم والنسبية الخاصة ولهذا تسمى معادلة موجية نسبية وكانت السبب في تنبا وجود المادة المضادة .
مبدأ هايزنبرغ : هو من اشهر افكار ومبادئ الفيزياء الكمية وينص على عدم قدرة حساب موضع الاليكترون وسرعته عي نفس اللحظة فهو مبدا الارتياب او اللايقين للعالم الالماني هايزنبرغ الذي صاغه سنة 1927 م .
.png)
وهناك ايضا بعض الصيغ الرياضية والتعابير الخاصة بفيزياء الكمية تفسر وتدرس سلوك الجسيمات في العالم الكمي المصاغة على سبيل المثال من العالم باولي وريتشارد فينمان .
قوانين و مسلمات الفيزياء الكمية
-- لايمكن الحصول على نفس النتائج للتجارب التي تم تكرارها بنفس الطريقة والمراحل المتبعة , حيث الجسيم يكون في موقع مختلف عن الموقع الذي كان فيه في التجربة السابقة , بحيث ان الجسيم يوجد في كل مكان في نفس اللحظة وتعرف هذه الظاهرة في الفيزياء الكمية بمعضلة القياس .
-- لايمكن تطبيق مفاهيم الفيزياء الكمية على الاجسام الكبيرة وفي عالمنا الواقعي الاعتيادي حيث في هذا المستوى تطبق تطبق ويخضع لقوانين الفيزياء الكلاسيكية التي تعطي نتائج جد دقيقة , وبالعكس لا يمكن تطبيق قوانين نيوتن مثلا في العالم الكمي .
-- غرابة نتائج فيزياء الكمية واستنتاجاتها وخصوصا على الاليكترون حيث حسب الفيزياء الكمية يوجد في كل مكان في نفس اللحظة ما يعرف كميا بالتراكب الكمي .
حيث بناءا على تجربة الشق أظهرت ان الاليكترون وبعد مروره عبر الشق يتصرف كموجة بناءا على ظاهرة الحيود ونتائجها المعروفة في الفيزياء , اما عند رصده ومراقبته يتصرف كجسيمات وهنا الغرابة والمفارقة حيث القيام بالرصد منع الخاصية الموجية للاليكترون من الظهور .
هذه المفارقة ميزت الفيزياء الكمية وان عالم الكم عالم احتمالات ونشير لقول البرت اينشتاين في هذا الصدد قوله لنيلز بور ان الله لايلعب النرد تعبير مجاز ومختصر لعالم الكم الغريب وفي السياق نفسه وفي نفس المبدأ اقترح العالم شرودينغر تجربته الخيالية المعروفة بقطة شرودينغر والمقصد من هذه التجربة ان الاحداث في العالم الكمي تحدث هي ونقيضها في نفس اللحظة يعني كل شيء محتمل في الفيزياء الكمية .
اسهامات الفيزياء الكمية في حياتنا اليومية
للفيزياء الكمية اسهامات مهمة في حياتنا اليومية حيث بفضلها تتطورت التكنولوجيا ولاسيما اسهامات النانو تكنولوجي وايضا اختراع التروزيستور الذي شكل ثورة في عالم الاليكترونيات وتمكن من صناعة حاسوب كمي يسهل القيام بمك هائل من المهام والحسابات في وقت وجيز هذه امثلة صغيرة من اسهامات الفيزياء الكمية وتطبيقاتها في حياتنا اليومية .
كما لها ايضا اسهامات في تطور علوم اخرى البيولوجيا وعلوم الفلك والمادة وصناعتها , وايضا منحنا فهما وتفاسير للعالم الذري الذن نتشكل منه نحن البشر .