جدول المحتويات
- ما هي نظرية الكم؟
- الحاجة إلى ميكانيكا الكم وحدود الميكانيكا الكلاسيكية
- إشعاع الجسم الأسود
- تأثير كومبتون
- بعض الأفكار الأساسية في ميكانيكا الكم
ما هي نظرية الكم؟
تُعرف نظرية الكم، أو ميكانيكا الكم، بأنها أحد فروع الفيزياء الحديثة، والتي تُعنى بدراسة سلوك المادة والضوء على المستوى الذري ودون الذري. تُقاس هذه الأبعاد بالنانومتر، حيث يساوي واحد نانومتر 1×10-9 متر.
تهدف ميكانيكا الكم إلى فهم سلوك الذرة ومكوناتها الأساسية، مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، بالإضافة إلى المكونات الأساسية الأصغر حجماً، مثل الكواركات. تُقدم نظرية الكم تفسيرًا لسلوك هذه الجسيمات إما مجتمعة أو على حدة.
الحاجة إلى ميكانيكا الكم وحدود الميكانيكا الكلاسيكية
في الفيزياء الكلاسيكية، نُركز على وصف الأجسام التي نتعامل معها يوميًا، مما يُسهل فهمها وتحديدها. لكن الأمر يختلف تمامًا في ميكانيكا الكم. عند دراسة نظام كلاسيكي، نقوم بتحديد موقعه وزخمه الابتدائيين، ثم نحسب القوى المؤثرة عليه، مما يسمح لنا بالتنبؤ بسلوك النظام. يُمكننا حساب موقعه بعد زمن معين، أو سرعته، أو تسارعه، بل وحتى التنبؤ بهذه الكميات في الماضي.
تُركز ميكانيكا الكم أيضًا على دراسة الكميات القابلة للرصد مثل الزخم والموقع، لكن بطريقة مختلفة. فمن المستحيل التنبؤ بسلوك النظام الذري أو دون الذري في المستقبل أو الماضي، لأن تحديد حالته الابتدائية بدقة أمر مستحيل. لا يُمكن تحديد موقع الجسيم وزخمه معًا بشكلٍ دقيق، مما يؤدي إلى وجود نسبة من الريبة عند محاولة تحديد هاتين الكميتين في الوقت نفسه.
مثلاً، إذا حددنا موقع جسيم بدقة عالية، فإنه لن يكون بالإمكان تحديد زخمه، وبالتالي لن نتمكن من تحديد موقعه في المستقبل.
إشعاع الجسم الأسود
كل جسم في الطبيعة يشع أمواجًا كهرومغناطيسية بأطوال موجية مختلفة. يُسمى الجسم الذي يعيد إشعاع جميع الأشعة الساقطة عليه بشكلٍ كامل “بالجسم الأسود”.
يُظهر منحنى إشعاع الجسم الأسود أن بعض الأطوال الموجية التي يشعها الجسم تمتلك طاقة أعلى من غيرها. يعتمد هذا المنحنى، أو الطيف الذي يُشعّه الجسم الأسود، فقط على درجة حرارة الجسم.
تُقدم الفيزياء الكلاسيكية تفسيرًا لهذه الظاهرة عبر القول بأن الطيف الكهرومغناطيسي يُولد من اهتزاز الشحنات الكهربائية، مما يعني تغيير حالتها الحركية، إما بتغيير سرعتها أو اتجاهها. يُعرف أن الجسم الأسود يشع عند تسخينه، مما يؤدي إلى اهتزاز الإلكترونات الموجودة فيه. وبما أن الإلكترونات هي أجسام مشحونة، فإن الجسم الأسود يُشع طيفًا كهرومغناطيسيًا نتيجة التسخين. كلما زادت درجة حرارة الجسم، زادت قوة إشعاعه.
على الرغم من أن هذا التفسير لعملية الإشعاع جيد جدًا، لم تتمكن الفيزياء الكلاسيكية من تفسير شكل منحنى الجسم الأسود.
بعد عدة محاولات كلاسيكية فاشلة لتفسير شكل المنحنى، جاء العالم ماكس بلانك، وفسّر شكل المنحنى عن طريق افتراض أن الطاقة تأتي على شكل حزم متقطعة تتناسب مع تردد هذه الاهتزازات. سمى بلانك هذه الحزم المتقطعة بالكمّات.
تأثير كومبتون
يُؤكد تأثير كومبتون أن الضوء يمكن معاملته كجسيم يُعرف بالفوتون، ويتم إثبات ذلك من خلال تجربة محددة. تتعارض هذه الظاهرة مع الفيزياء الكلاسيكية التي تُعامل الضوء وكأنه موجة فقط، وتستبعد إمكانية معاملته كجسيم.
إذا أطلقنا شعاعًا ضوئياً على إلكترون ساكن، فإن الضوء سيتشتت عن الإلكترون، لكن الإلكترون سيُصبح متحركًا. وفقًا لقانون حفظ الزخم الخطي، يجب أن يساوي الزخم قبل التصادم الزخم بعد التصادم.
بقولنا “تصادم”، فإننا نقصد تصادم جسيمات، لأن الأمواج لا تتصادم. دليل قاطع على حدوث تصادم هو حصول الإلكترون على زخم خطي عند سقوط الفوتون عليه. بما أن الزخم كان صفراً قبل التصادم وأصبح له قيمة غير صفرية بعد التصادم، فإنه يمكن الجزم بأن الضوء يمكن معاملته كجسيم.
بعض الأفكار الأساسية في ميكانيكا الكم
يعتمد علم ميكانيكا الكم على العديد من الأفكار الأساسية الهامة، نذكر منها:
- الطاقة تأتي على شكل حزم منفصلة تُعرف بالكمّات ولا يمكن أن تأتي على شكل حزمة متصلة.
- لا يمكن تطبيق الفيزياء الكلاسيكية على المستوى الذري للظواهر الطبيعية، مثل قوانين نيوتن، لأنها ستفشل في تفسير الظاهرة.
- مبدأ عدم التحديد: هذا المبدأ ينص على عدم قدرتنا على تحديد موقع الجسيم وزخمه بدقة عالية بشكلٍ متزامن. يمكن تطبيقه أيضًا على الطاقة والزمن، حيث لا يمكن تحديد طاقة النظام بدقة وكم من الوقت سيحافظ على هذه الطاقة.
بفضل ميكانيكا الكم، تمكن العلماء من فهم العديد من الظواهر الطبيعية المعقدة، والتي لربما لم نتمكن من ملاحظتها لولا ظهور ميكانيكا الكم.
