الرئيسية / العلوم و التكنواوجيا / نظرية الكم … السحر الكوني في عالم مصغر
نظرية الكم
نظرية الكم

نظرية الكم … السحر الكوني في عالم مصغر

نظرية الكم … السحر الكوني في عالم مصغر

 حليمة واصل

يدهشك عالم الفيزياء بدهشة و غرابة عوالمه الغامضة التي تكتشف ، فعندما تغوص في أعماق الكم ، تراجع كل أفكارك السابقة في محاولة للملمة المعرفة الإنسانية المتغيرة في فهم الكون وكشف أسراره .

 دعونا نتعمق و لو قليلا في أعماق الذرة و ما دونها ، ففي اقل من لحظة  وجودية قد ترتعش  فرائصك ، تستغرب فيها او تضطرب  كما حدث مع  العلماء حين اكتشفوا العالم الكمومي الذي ترى جسيماته الدون الذرية تتصل ببعضها بشكل مازال مبهما  و مضطربا .

العالم الكمومي حين اكتشف قلب موازين الفيزياء الكلاسيكية  لا ندري فربما هذا النوع من العلم قد يكتشف يوما ما في العالم الكلاسيكي كما اكتشف  مسبقا في العالم الكمومي .  

الكم فائق الصغر اثبت ان له وجود و انه أساس الطاقة و جوهرها فبدايته كانت  بكتابة نظرية الكم التي غيرت مفاهيم علم الفيزياء  و وسعت افاقه .

 

مؤسس النظرية الكمية  -العالم الألماني ماكس بلانك في عام 1900  –  اثار  جدلا فكريا و ضجة علمية بطرحها في علم الفيزياء  ، حيث قامت نظريته آنذاك بتغيير فهم الطبيعة الذرية و فهم جسيماتها   .   

ترى   ماهي هذه النظرية  ؟ و ما الذي افترضه هذا العالم الفيزيائي لينشئ  مثل هذ العلم المستقل  الفائق الصغر في حجمه  ؟

 لقد كان الاعتقاد العلمي السائد قبيل هذه النظرية يتحدث بان الطاقة تتزايد او تتناقص بشكل متصل لا منفصل  و لتكن الطاقة الكهربائية كمثال على ذلك ،  كان يعتقد بانها عبارة عن جسيمات تسري في السلك بشكل متصل أي عند تخفيض شدة التيار الكهربائي الى اقصى حد فانه لن يحدث أي انقطاع للتيار الكهربائي .

 من هنا ظهرت النظرية الجسيمية التي تقول بان الضوء عبارة عن جسيمات  متصلة  ولكن  للأسف  هذه النظرية لم تدم طويلا ، فقد أتت النظرية الموجية لكريستيان هوجينز التي تناقض نظرية الجسيمات . فهوجينز يعلن ويجزم  فيها ان الضوء عبارة عن موجات وليس جسيمات أي ان نظريته استبدلت الجسيمات بالموجات .

 كريستيان شبه الضوء بموجة  تنبعث من الجسم  الذي يطلقها    ، نظريته  ناقضت النظرية الميكانيكية العامة  المعروفة ان لكل فعل رد فعل ومنها قام العلماء بمعارضتها  .         

هنا يأتي دور  العالم  ماكس  بلانك    كعالم فيزيائي نظري  –  كان مهتما  بدراسة  الميكانيكا الحرارية  و شغوفا  بدراسة الاشعاع الذي يصدر عن الاجسام السوداء عندما يتم تسخينها    –   ليطرح نظريته الكمية .  

بعد دراسات بحثية طويلة قام بلانك  بطرح نظرية  فيزيائية تخلى   فيها  عن كل قناعاته   التقليدية ، فكر بعيدا عن نظريات الفيزياء الكلاسيكية   ليثبت نظريا ان الشعاع لا يبث بصورة مستمرة و انما يبث  على شكل رزم من الطاقة  وكل رزمة سماها بالكم الطاقي   

    هذا العالم  في نظريته بين ان الطاقة تنتقل على هيئة كمات  quanta صغيرة-  ولاوجود لاصغر منها –   كالماء اذا تدفق على شكل نقط صغيرة وليس بشكل مستمر  .  

نظرية الكم
نظرية الكم

  بلانك اثبت  في نظريته ان  مجموع الطاقة المنبعثة من جسم ما كالجسم الأسود- جسم لا تصدر منه  أي طاقة انما يقوم بامتصاص كل الضوء المتجه اليه –  هي مجموع تلك الاعداد الكبيرة و الهائلة من الكم الطاقي المنبعثة على هيئة كمات فائقة الصغر   ، و هذا الجمع الهائل من الكم الطاقي اسماه  بلانك بالكم الفاعل  او ثابت بلانك و رمز اليه بالرمز  (h)  

 وضع بلانك   نظريته القائمة على ان  شعاع الضوء له طاقة و طاقته ماهي الا عبارة عن تردد ذلك الشعاع (  v)  مضروبا بالكم الفاعل (h)   و هذه الطاقة المنبعثة اطلق عليها اسم الفوتون       نظريته اثارت جدلا كبيرا لأنها تنفي نظرية  دالتون القائلة  بان الذرة مصمتة و لا تتجزأ .

فتلك الكمات المنبعثة ماهي الا  جسيمات  أولية  فائقة الصغر تجزأت من الذرة  . هذه النظرية  الكمية فتحت افاقا جديدة في علم الفيزياء حيث اتاحت للعلماء الاخرين ان يفهموا علم الطاقة و ماهية الضوء .

على سبيل المثال لا الحصر استخدم انيشتاين قانون بلانك ليثبت ان الضوء ما هو الا طاقة تمتلك خصائص الجزيء وخصائص الموجة ،  وقام كل من العالم الفيزيائي نيلز بور والعالم الفيزيائي اينشتاين أيضا   بتفسير عالم  الذرات  و  وما هو اصغر منها كالإلكترونات والبروتونات و النيوترونات      .

  هذه النظرية الكمية قادت نيلز بور ، اروين شرودنغر  ، ورنر هيسنبرغ ، ماكس بورن ، بول ديراك  وغيرهم الى ميكانيكا الكم في منتصف عشرينات القرن الماضي

نظرية  الكم ليست بنظرية مجردة عبثية أضيفت الى علم الفيزياء  بل هي نظرية افترضها العلماء لينبثق منها علم مستقل عن  علم الفيزياء الكلاسيكية    هي  جزء من الفيزياء الحديثة  التي  تهتم بسلوك المادة والضوء وتفاعلهما معا  تبحث  هذه الفيزياء في الذرة و ما دون الذرة -كالبروتونات والالكترونات و النيوترونات التي تتكون منها الذرة  ويوجد منها أيضا جسيمات تنتج من التفاعلات النووية   هذا النوع من الجسيمات يتجسد  الى جسيمات اخرى او يتحول الى  طاقة اشعاعية   هذه الجسيمات دون الذرية  والتي اطلق عليها  العلماء اسم الجسيمات الأولية .

لم يثبت تكونها من جسيمات اصغر منها لكنها تدخل في تكوين جسيمات أخرى     حجمها اصغر بمئة مليون مرة بالنسبة  لحجم  الذرة  ولك ان تتخيل ما لا تستطيع تخيله    اما ان تحدثنا عن  عمر بعض من هذه الجسيمات   فعمرها لا يصل الى جزء من الثانية      اللبتونات  والكواركات واللوبزونات هي الاقسام الرئيسية للجسيمات دون الذرية  – تبحث عن سلوكهما  وتقيس  المستوى الذري  وما دون الذري بالة قياس تسمى بالنانومتر                   

 نظرية الكم كانت كزوبعة ضربت جذور علم الفيزياء  وقوانينه التقليدية وانشات علما جديدا منفصلا عن الفيزياء التقليدية الكلاسيكية  أعطاه العلماء اسم  ميكانيكا الكم

ان ميكانيكا الكم هي نظرية أساسية في علم الفيزياء . تقوم مثل هذه النظرية بوصف الخصائص الفيزيائية للطبيعة على مقياس الذرات و الجسيمات دون الذرية  . كيمياء  الكم و كل ما يخص الكمات و ما يتبعها من علم  كنظرية الحقل الكموكي وغيرها من العلوم المتعلقة بالكمات هو جزء من ميكانيكا الكم .

 

لكن  ما هو الجانب المبهم في ميكانيكا الكم؟ ما  هو  الجانب الذي يجعلك محتارا عند محاولة فهمه او شرحه ؟وهل كانت نظرية الكم  هي النظرية الأكثر غرابة في ميكانيكا الكم؟

 بالطبع  لا ،   فميكانيكا الكم بحر لانهاية لأفقه و لا ادراك لعمقه  .  فدراسة الكمات لم   و لن تنته عند هذا الاكتشاف ، العلماء  وجدوا ان كما في الأرض قد يتصل مع كم اخر  في زحل ليرتبطوا في خواصهما الفيزيائية  ، نعم  لا تستغرب  فان هذا الكم الفائق الصغر له عجائبه أيضا    .ان هذا النوع من الارتباط المحير -النوع الذي اسماه اينشتاين- -spooky action at a distance سمي بالتشابك الكمي  quantum entanglement .

التشابك الكمي هو  ظاهرة فيزيائية ترتبط  فيها الجسيمات الكمية ببعضها البعض رغم بعد المسافات لتؤدي الى ارتباط في خواصها الفيزيائية .

العالم الفيزيائي اروين شرودنغر كان  اول عالم فيزيائي استخدم كلمة تشابك entanglement  حيث وصف التشابك بانه الجانب الأكثر أهمية في ميكانيكا الكم  قائلا ان وجوده هو خروج كامل عن خطوط الفكر التقليدي الكلاسيكي

 

السؤال هنا   ما هي الية  هذا التشابك؟     وهل هو  محض افتراض  و مجرد قول و لا دليل على وجوده ؟ ام ان العالم  الكمومي  فعلا  هو عالم عميق و له جذوره  التي لم تكشف بعد ؟

في عالمنا المرئي يحصل ان يجول بخاطرك   صديق او زميل   لم تره منذ سنين  مضت لتجده على سبيل  الصدفة ،يتبضع بجانبك او يعطيك الموبيل اشعارا  بمكالمة مفقودة  منه عند استيقاظك من النوم ، قد تتحدث مع زميلك في العمل عن موضوع اثار فضولكما لتسمعه يناقش على احدى القنوات الاذاعية    ،  او عمرك طويل لسه بنجيب في سيرتك و غيرها الكثير من المصادفات الغير المخطط لها  . شيء من التخاطر مبهم  و غير مفهوم  ، تخاطر عقلي   مرتبط مع هذا الكون برابط خفي و من يدري …   ربما !   

 

التشابك في العالم االكمومي اعمق مما ذكر سابقا  فلكي يتم  وصف جسيم دون ذري  فالحالة الكمومية  تصفه وتوضحه  الحالة الكمومية استخدمها العلماء لقياس خاصية معينة للجسيم الاولي كإيجاد مكانه او تحليل نشاطه- و للعلم فانه في العالم الكمومي لا نستطيع إيجاد مكان ذلك الجسيم بشكل دقيق قد نجده في محيط معين دون معرفة المكان ذاته – يحدث في العالم الكمومي ان نجد حالة كمومية نقية أي لا يمكن التعبير عنها بحالات كمومية أخرى و حالة كمومية مختلطة مكونة من عدة حالات كمومية اخرى و من هنا عند دراسة الحالات الكمومية للجسيمات وجد العلماء انه عند قياس  اللف المغزلي لجسيمين   يسيران في نفس الاتجاه  فان احدهما يلف بطريقة مغزلية  الى اعلى -باتجاه عقارب الساعة – و الاخر يلف الى اسفل -باتجاه عكس عقارب الساعة-  أيضا بالطريقة المغزلية نفسها   .

 مثل هذه التجربة ظلت قائمة حتى في حالة ابتعاد الجسيمين عن بعضهما لمسافة بعيدة   فمهما ابتعد هذين الجسيمين فالتخاطب بينهما قائم لايزال ولا ينتهي و بسرعة تفوق سرعة الضوء بمرات و مرات  بل ان كل من الجسيمين اكتسب الخواص الفيزيائية للجسيم الاخر و من الممكن لمعادلة رياضية واحدة ان تصف جميع الجسيمات دون الذرية  في وقت واحد  هذه الحالة التي يتم فيها وصف جميع الجسيمات في ان واحد سميت بالتشابك الكمي .

ففي حالة التشابك الكمي عندما يتم  رصد جسيم  ما  ومعرفة اتجاه حركته فالجسيم الاخر المرتبط به يحمل نفس  صفاته الفيزيائية مع اختلاف اتجاه اللف المغزلي  .هذا التخاطب  و هذا التراكب   الذي يحدث بين هذه الجسيمات دون الذرية هو تخاطب مازال  العلماء يجهلون  حقيقته و يستغربون حدوثه ،  فقد  لا يكون تخاطبا بحد ذاته   كما زعموا و انما حقيقة علمية أخرى  مجهولة غير معروفة .

 لعل سلسلة مسلسلا ت star trek  هي واحدة  من ابرز مسلسلات الخيال العلمي التي استخدم فيها التشابك الكمي  بلغة أخرى  و هي  لغة الانتقال الاني بحيث ينتقل جسم ما من مكان لآخر و ذلك بتحوله لطاقة مكونة من جسيمات دقيقة تنتقل الى الوجهة المطلوبة لتتحول ثانية لذات  الجسم  المذكور،    نسخة انية فريدة و تشابك كمي  استخدمه اهل الدراما و محبي العلم  بكل ذكاء  ليدهشونا بمدى قدرة العالم دون الذري ان يكون عالما غامضا   عالم مبهم لم  يستطع العلماء بعد حصره و تأكيده  حتى هذه اللحظة .

شاهد أيضاً

World Science Forum 2022

إنطلاق أعمال المنتدى العلمي العالمي WSF2022

كيب تاون – خاص يمن ساينس عبدالرحمن أبوطالب انطلقت اليوم الثلاثاء ٦ ديسمبر ٢٠٢٢ فعاليات …