مدخل إلى ميكانيكيا الكم

تم جمع المعلومات الواردة في هذه المدونة من عدة كتب ومجلات علمية ومصادر على الانترنت، حتى نعرف مدخل الميكانيكيا الكم

"مدخل إلى ميكانيكيا الكم 1
""الشيء الجديد الكبير هو صغير حقًّا""، هذه العبارة تلخّص أهمية الفهم الأساسي للمفاهيم وراء كل الصيغ الرياضية لميكانيكا الكم. في هذه المدونة، أنوي تغطية مبادئ ميكانيكا الكم محاولًا تجنب استخدام حساب التفاضل والتكامل المعقد والمعادلات التفاضلية، مركّزًا على مقاربة هذه المفاهيم بطريقة أكثر ""لطافة"".
تم جمع المعلومات الواردة في هذه المدونة من عدة كتب ومجلات علمية ومصادر على الانترنت، ولا أزعم الملكية لأي منهم.
عن أصل ""Quanta""
تبدأ قصتنا في عام 1900 عندما أعلن الفيزيائي الألماني الشهير ماكس بلانك عن النتائج المذهلة لتجربته ""الكارثة فوق البنفسجية"". النتائج التي قدّمها كانت في تناقض تام مع القوانين الفيزيائية السائدة في ذلك الحين (تسمّى تلك القوانين ""الميكانيكا الكلاسيكية"" أو ""الفيزياء الكلاسيكية""). وأشار بلانك إلى أن التفسير الوحيد لنتائجه كان أنه يمكن للطاقة أن تنوجد في القيم المنفصلة فقط، أو بكلمات أخرى، يُسمح لقيم معينة من الطاقات فقط. ومن هنا تم استخدام كلمة ""quanta"" لوصف قيم الطاقة هذه.
تمثّل هذه النتائج بداية ثورية في الفيزياء الحديثة، ببساطة لأن هذه الفكرة كانت غير مألوفة للمجتمع العلمي في القرن العشرين. فالفيزياء الكلاسيكية دائمًا ما وصفت الطاقة على أنها مستمرة ويمكنها أن تأخذ أي قيمة، كما أثبتت القوانين الكلاسيكية على التنبؤ بدقة قوانين حركة الأشياء من الحياة اليومية؛ من السيارات إلى الأجسام الفلكية. فكيف يمكن أن يكون ذلك على خطأ؟
دعونا نأخذ مثلًا بسيطًا: يمكن لأي شخص أن يذهب بسهولة إلى السوبر ماركت ويشتري أي كمية يريدها من السكر. لنفترض أننا اشترينا كيلوغرامًا من السكر الأبيض. يتكوّن هذا الكيلوغرام من عدد كبير جدًّا من حبوب السكر الصغيرة، ولكل واحدة منها كتلة محددة (لنفترض أنها 1 ميكروغرام). لذا، بالتالي، يتكوّن كيلوغرام السكر من مليار حبوب السكر. بالطبع، أي تغيير صغير في كمية حبوب السكر لا يوثّر على الكيلوغرام، لذلك يمكننا شراء أي كمية نريدها. ولكن هذا ليس هو الحال عندما نذهب إلى مستوى حبوب السكر المعدودة! فكما افترضنا سابقًا، الكتلة الواحدة من حبوب السكر هي 1 ميكروغرام، لذلك يجب علينا أن نحصل على عدد كبير من حبوب السكر. فلا يمكننا، مثلًا، أن نحصل على على 2.35 ميكروغرام من السكر (لا يمكننا امتلاك 2.35 حبة من السكر).
مثال حبوب السكر هو تشبيه لقيم الطاقة المنفصلة التي وصفها ماكس بلانك عام 1900. هذا الاكتشاف الثوري - الذي سوف ينطبق لاحقًا على كل ما يحكم العالم المجهري - سوف يكون حجر البناء لإقامة منظور جديد كليًّا من شأنها أن تمهّد الطريق لمجموعة جديدة وكاملة من القوانين الفيزيائية المعروفة بميكانيكا الكم.
إعداد: حسن حرب
ترجمة: راجي كيروز"