مقدمة شاملة في ميكانيك الكمّ

ميكانيك الكمّ او الكوانتم، كابوس للبعض نظرا لنقص المراجع التي تشرح مبادئه من جهة، و لامنطقيته بالأساس من جهةٍ أخرى، ما هي أهم مبادئه؟

مقدمة شاملة في ميكانيك الكمّ

ميكانيك الكمّ او الكوانتم، كابوس للبعض نظرا لنقص المراجع التي تشرح مبادئه من جهة، و لامنطقيته بالأساس من جهةٍ أخرى. و لأنه كذلك، سنطرق باباه و ندخل من باب الضوء، و نخرج من بوابة الأكوان المتعددة، بنحوٍ تسلسلي مترابط يسهُل بعده إستعابه في نهاية المقالة، فهل الضوء جسيم أم موجة؟

من أوائل التجارب التي حاولت الإجابة علي هذا السؤال هي تجربة أجراها العالم (ألبرت أينشتاين - Albert Einstein) عام 1905، درس فيها (الظاهرة الكهروضوئية - photoelectric effect) واكتشف من خلالها أن الضوء عبارة عن جزيئات طاقة تسمي فوتونات.

لكن كانت هناك مشكلة صغيرة، فقد كانت هناك تجارب مسبقة أثبتت أن الضوء عبارة عن موجات، و ليس جزيئات. فأين الحقيقة؟

الحقيقة، أن كلا التجربتين صحيح، مما يعني أن الضوء عبارة عن موجة و جزيء بنفس الوقت، فأحيانًا يتصرف الضوء كجزئ أثناء التجربة، و أحيانًا يتصرف كموجة بتجربة أخري، و تلك هي الفكرة الأساسية لنظرية (الطبيعة المزدوجة للمادة الجسيم -Wave Particle Dduality).

بعام 1924، اكتشف العالم (لويس فيكتور دي بروغلي - Louis-Victor De Broglie) أن الإلكترونات كذلك، تمامًا مثل الضوء، أحيانًا تكون موجات وأحيانًا تكون جسيمات.

المفاجأة الكبرى كانت بعام 1988، حين تم اكتشاف أن ذرات الصوديوم كذلك، تمتلك هذا الخاصية، مما أدي إلي الاستنتاج بأن جميع الذرات التي تُكوِن المادة، لها نفس تلك الخاصية. والسؤال الذي سأله المجتمع العلمي وقتها (وأكيد عزيزي القارئ أنت تسأله الآن)، لماذا؟ لماذا تتصرف الذرات بهذه الطريقة ؟ لماذا لها حالات مختلفة؟

العالم النمساوي (إروين شرودنجر- Erwin Schrodinger) أنشئ معادلة شرحت هذه الظاهرة. وهذه المعادلة هي أساس (ميكانيكا الكم – Quantum Mechanics).

باختصار شديد، سنفترض أن إلكترون ما يمتلك خاصية الدوران إما إلى اليمين إما إلى اليسار. حل معادلة شرودنجر يقول أنك إذا لم تكن ترى الإلكترون فهو يلتف ناحية اليمين وناحية اليسار، أي أنه هو بمكانين مختلفين 《بنفس الوقت》. وعندما تقرر أن تراه، سيظهر لك أنه يدور لإتجاه واحد فقط، إما اليمين أو اليسار، و ليس كلاهما. بعض العلماء يسمون تلك الحالة (الحالة الشبحية – Ghost-Like State)، لأن الجزيء يفعل شيئين معاكسين ومتناقضين تمامًا 《بنفس الوقت》.

إذًا كيف يقرر الإلكترون إتجاه دورانه عندما أنظر (ألاحظ حركته) إليه؟ وفقط عندما أنظر إليه؟ هذا يسمى (تفسير كوبنهاجن – copenhagen Interpretation). الفكرة الأساسية وراء هذا التفسير، أن الإلكترون يفقد إحدى حالاته عندما "تنظر" إليه, فيفقد إحدى الاحتمالين ( السرعة - الموضع )، و ملاحظته (النظر إليه) أصبح يشار إليها لاحقا بمبدأ عدم اليقين، والذي ينص إلى أنه كلما حاولنا رفع دقة القياس في تحديد السرعة نزيد من خطأنا في تحديد الموضع.(والعكس صحيح)

شرودنجر اكتشف مشكلةً ما في نظريته، و لكي يشرحها قام بتجربة ذهنية، تسمي (قطة شرودنجر - Schrödinger's cat). التجربة بطريقة مبسطة، يتم حبس قطة بصندوق مغلق به إلكترون متصل بجهاز قياس دوران، متصل بدوره بأنبوب غاز سام.
إذا دار الإلكترون لليمين، سيلتقط جهاز قياس الدوران هذه الحركة، و يفتح أنبوب الغاز السام، فتموت القطة. أما إذا دار الإلكترون لليسار، سيلتقط جهاز قياس الدوران هذه الحركة، ولن يفتح أنبوب الغاز السام، فبالتالي لن تموت القطة. ووفقًا لميكانيكا الكم، فإن الإلكترون يكون في حالة شبحية حين لا ننظر إليه، فهو يدور لليمين و اليسار بنفس الوقت كما سبق و أن تطرقنا أعلاه، مما يعني أن الغاز السام موجود وغير موجود بنفس الوقت، مما يعني أيضًا، أن القطة حية و ميتة بنفس الوقت! إلى أن تفتح الصندوق، أنت لاتعلم إذا كانت القطة علي قيد الحياة أم لا. هي كلاهما، جنون؟ ما زال هناك المزيد.

كل ما سبق، كان على المستوى الماكروسكوبي، و هذا هو ميكانيك الكمّ أو الكوانتم، و الذي يفرض قوانين غير منطقية نسبيا لشرح ظواهر غير منطقية فعلا، فإذا تعاملنا مع المستوى العياني، سنعود إلى الميكانيك الكلاسيكي المقورن بنيوتين.
و بالرجوع إلى تجربة شرودنڨر ‏تبقى هناك مفارقة! ماذا عن جميع الكائنات التي تتكون من ملايير الإلكترونات؟ القطط؟ أنا، وأنت؟ هل نحن كذلك أحياء وأموات بنفس الوقت؟

منطق (التموضع الكمي – Quantum Superpostin Theory) يشرح هذا الأمر. بما أن كل شيء في الكون مكون من ذرات، و جميع الذرات يمكنها التواجد بحالتين بنفس الوقت، هذا يعني أن كل ما هو مكون من ذرات هو عبارة عن عدد لا نهائي من الإحتمالات. الإنسان يتكون من 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000 ذرة، يعطينا هذا احتمالات لا نهائية من الحالات. مما يعني أن هناك عدد لا نهائي من النسخ الموجودة بعدة أماكن بنفس الوقت، نُسخُك أنت، و أنا و حتى المعادن و كل شيء.. ، و هذه هي الفكرة الأساسية لنظرية (الأكوان المتعددة – Many Worlds Interpretation).

المصادر : https://goo.gl/mJG5LS
https://goo.gl/DUy2wp
Paradox book by Jim Al-Khalili
عن براء رحمي #بتصرف