ميكانيكا الكم — لماذا ستذهلك أنت كشخص عادي

في حال كنت مثلي لا تعرف عن ميكانيكا الكم سوى الجملتين اللتين درسناهما في مادة الكيمياء في الصف الثالث الثانوي “لا يمكن تحديد مكان جزيء صغير -كإلكترون مثلاً- في زمن محدد بدقة، و لكن يمكن وضع إحتمالات لمكان ذلك الجزيء.” و “الفوتونات تسلك أحياناً سلوك المادة و أحياناً سلوك الموجة” و لم تفهم شيئاً مما عنته الجملتين السابقتين فأنت لست وحيداً، و الخطأ ليس خطأك.

على أية حال، فلتنسى ما تعلمته في المدرسة. نظريات ميكانيكا الكم نظريات مذهلة و صادمة. و ستجعلك تغير نظرتك لهذا العالم العجيب الذي نعيش فيه.

“إن لم تكن ميكانيكا الكم قد صدمتكَ بعمق فأنت لم تفهمها بعد” — نيلس بور

تجربة “الشق المزدوج”

سنتحدث بداية عن تجربة “الشق المزدوج” أو Double Slit Experiment، إحدى أقدم التجارب في علم ميكانيكا الكم. شاهد الفيديو التالي:

ما يلي شرحٌ لما ورد في الفيديو، يمكنك تجاوزه إلى الخاتمة في حال كنت قد فهمته كلياً.

تتحدث مقدمة الفيديو عن سلوك المادة و الموجة عند المرور بحاجز. في حال وضعنا مدفعاً لأجزاء من المادة -كرات الدهان مثلاً!- موجهاً نحو لوح ليستقبل هذه الطلقات، و وضعنا بين اللوح و المدفع لوحاً آخر فيه شق صغير على شكل مستطيل طولي، و أطلقنا الطلقات من المدفع، فإن بعضها سيصطدم باللوح الذي في المنتصف (الحاجز الأول) و يرتد، و بعضها الآخر سيمر من الشق و يكمل طريقه إلى اللوح الثاني ليرسم شكلاً مطابقاً لشكل الشق في اللوح الذي في المنتصف.

إطلاق مادة من مدفع على لوح ذو شق واحد

أما في حال كان اللوح الأول يحوي شقين اثنين، فسنحصل على نتيجة مشابهة، ظللين يمثلان الشقين.

إطلاق مادة من مدفع على لوح ذو شق مزدوج

400px-Two-Slit_Experiment_Particles.svg

كان هذا سلوك المادة، أما في حال أعدنا التجربة السابقة للأمواج -مثل أمواج الماء أو الضوء- و قمنا بقياس شدة الموجة عند وصولها إلى اللوح الثاني سنصل لنتيجة مختلفة. في حالة الشق الواحد سنحصل على تدرج يبلغ شدة عظمى في المنصف -مقابل الشق- و يختفي تدريجياً كلما ابتعدنا عن المركز، هذا بسبب طبيعة الموجة و آلية انتشارها.

إطلاق موجة من مدفع على لوح ذو شق واحد

و في حالة الشقين فسنحصل على أمر جديد، بسبب انتشار موجتين من شقين مختلفين فستتقاطع الموجتان. عندما تتقاطع قمة الموجة الأولى مع قاع الموجة الثانية سيخفيان بعضهما، و عندما تتقاطع قمتا الموجتين فسنحصل على شدة مضاعفة. بالتالي فالنتيجة خطوط متناوبة و متدرجة كما في الصورة.

إطلاق موجة من مدفع على لوح ذو شق مزدوج

Double-Slit - Second Slit Wave 2

كان هذا تعريفاً لسلوك كلٍ من المادة و الموجة. الآن لو توجهنا ناحية الجسيمات الصغيرة، كالإلكترونات مثلاً -التي هي أجزاء صغيرة من المادة-، فهل تراها ستسلك سلوك الموجة أم سلوك المادة؟

في حالة الشق الواحد فقد وجد أن الإلكترون يسلك سلوك المادة. إذا فالإلكترون هو جسيم مادي، أليس كذلك؟

حسناً، عند إعادة التجربة مع شقين وجد أن النتيجة هي خطوط متناوبة و بالتالي فالإلكترون يسلك سلوك الموجة، غريب!

YoungScientistsJ_2012_5_11_11_97661_u4

توقع العلماء أن الإلكترونات تصطدم ببعضها و هذا ما يسبب ارتدادها و سلوكها سلوك الموجات، و لذلك حاولوا إعادة التجربة مع إطلاق إلكترون واحد فقط كل مرة. بالتالي فمن المستحيل اصطدام أي الكترون بآخر. و النتيجة؟ بعد بعض الوقت تشكل نفس الشكل في التجربة السابقة على اللوح الثاني، خطوط متناوبة! معنى هذا؟ أن الإلكترون نفسه سلك سلوك موجة، و مر من كلتا الفتحتين سوياً، و اصطدم بنفسه. أجل أمر لا يصدق. لقد مر إلكترون واحد في جميع الإحتمالات في الوقت نفسه، و هذا ما يسمى بالموجة الإحتمالية.

هذا الأمر حير العلماء بشكل كبير، و لذلك لم يعجبهم الأمر. هذه المرة قاموا بإعادة التجربة و مع وضع عدسة راصدة عند إحدى الفتحتين، و بالتالي يمكنهم رؤية ما إذا كان الإلكترون قد مر من هذه الفتحة أم لا، و هنا كانت المفاجئة! استطاع العلماء رصد مرور الإلكترون  من الفتحة أو عدمه، و لكن تشكل على اللوح الثاني في تلك التجربة خطان متوازيان فقط يمثلان الشقين. لقد توقف الإلكترون عن سلوك الموجة و تحول إلى سلوك المادة عند مراقبته! بعبارة أخرى، لقد إنهارت موجته الإحتمالية.

double-slit-bullets

الخلاصة

هل من المعقول أن الإلكترون استطاع أن يكون في أكثر من مكان في الوقت نفسه و يصطدم بنفسه؟ بل هل من المعقول أنه أحس أن هنالك من يراقبه و سلك سلوك المادة بدلاً من سلوك الموجة حينها؟ هل هذا يعني أن المادة تسلك سلوكها فقط لأن هنالك من يراقبها؟ و ما مدى تأثير المراقبة فعلاً على سلوك الجسيمات؟ ما معنى المراقبة أساساً و من هو المراقب؟ أسئلة كثيرة لا نمتلك إجابة على معظمها، و كلما امتلكنا إجابات أكثر كلما أثرنا أسئلة أكثر.

هذه كانت بداية علم ميكانيكا الكم فقط. أنت لم ترى من الإعجاز بعد إلا القليل 🙂 ترقب الجزء الثاني من هذه التدوينة.

Advertisements

6 thoughts on “ميكانيكا الكم — لماذا ستذهلك أنت كشخص عادي”

  1. ممتاز
    يا ليت يوجد مقدمة صغيرة عن ميكانيكا الكم
    علم مهم جدا

اترك رداً

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

WordPress.com Logo

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   / تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   / تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   / تغيير )

Google+ photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google+. تسجيل خروج   / تغيير )

Connecting to %s