عالم الصغير جدًا هو أرض العجائب من الغرابة. الجزيئات والذرات والجسيمات المكونة لها لم تكشف بسهولة عن أسرارها للعلماء الذين تصارعوا مع فيزياء الذرات في أوائل القرن العشرين. كثرت الدراما والإحباط والغضب والحيرة والانهيارات العصبية ، ومن الصعب علينا الآن ، بعد قرن كامل ، أن نفهم ما كان على المحك. ما حدث كان عملية مستمرة لهدم النظرة العالمية. قد تضطر إلى التخلي عن تصديق كل ما تعتقد أنه صحيح بشأن شيء ما. في حالة رواد فيزياء الكم ، كان هذا يعني تغيير فهمهم للقواعد التي تملي سلوك المادة.

 

سلسلة الطاقة

في عام 1913 ، ابتكر بور نموذجًا للذرة يشبه إلى حد ما نظامًا شمسيًا في صورة مصغرة. تحركت الإلكترونات حول نواة الذرة في مدارات دائرية. أضاف بور بعض التقلبات إلى نموذجه - التقلبات التي أعطتهم مجموعة من الخصائص الغريبة والغامضة. كانت التقلبات ضرورية لنموذج بوهر ليكون له قوة تفسيرية - أي أنه قادر على وصف نتائج القياسات التجريبية. على سبيل المثال ، تم إصلاح مدارات الإلكترونات مثل مسارات السكك الحديدية حول النواة. لا يمكن أن يكون الإلكترون بين المدارات ، وإلا فقد يقع في النواة. بمجرد وصوله إلى أدنى درجة في السلم المداري ، بقي الإلكترون هناك ما لم يقفز إلى مدار أعلى.

 

بدأ الوضوح حول سبب حدوث ذلك يأتي مع فكرة دي برولي القائلة بأن الإلكترونات يمكن رؤيتها كجسيمات وموجات. كانت ازدواجية الضوء والمادة الموجة هذه مذهلة ، وقد أعطاها مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ الدقة. كلما زادت الدقة في تحديد موضع الجسيم ، قلت دقة معرفتك بمدى سرعة تحركه. كان لدى هايزنبرغ نظريته في ميكانيكا الكم ، وهي جهاز معقد لحساب النتائج المحتملة للتجارب. كانت جميلة ولكن من الصعب للغاية حساب الأشياء بها.

 

بعد ذلك بقليل ، في عام 1926 ، خطرت للفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر فكرة ضخمة. ماذا لو تمكنا من كتابة معادلة لما يفعله الإلكترون حول النواة؟ نظرًا لأن دي برولي اقترح أن الإلكترونات تتصرف مثل الموجات ، فإن هذا سيكون مثل معادلة الموجة. لقد كانت فكرة ثورية حقًا ، وأعادت صياغة فهمنا لميكانيكا الكم.

 

انطلاقاً من روح كهرومغناطيسية ماكسويل ، التي تصف الضوء بأنه يلوح بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية ، اتبع شرودنجر ميكانيكا الموجات التي يمكن أن تصف موجات المادة لدي بروجلي. كانت إحدى نتائج فكرة دي بروي أنه إذا كانت الإلكترونات موجات ، فمن الممكن تفسير سبب السماح بمدارات معينة فقط. لمعرفة سبب صحة ذلك ، تخيل سلسلة ممسكة بشخصين ، آنا وبوب. تهزها آنا بسرعة ، مما يخلق موجة تتحرك نحو بوب. إذا فعل بوب الشيء نفسه ، تتحرك الموجة نحو آنا. إذا قام Ana و Bob بمزامنة أفعالهما ، تظهر موجة واقفة ، نمط لا يتحرك يسارًا أو يمينًا ويعرض نقطة ثابتة بينهما تسمى عقدة. إذا حركت آنا وبوب أيديهما بشكل أسرع ، فسيجدان موجات واقفة جديدة ذات عقدتين ، ثم ثلاث عقد ، وهكذا. يمكنك أيضًا إنشاء موجات ثابتة عن طريق نتف وتر جيتار بقوى متفاوتة حتى تجد موجات واقفة بأعداد مختلفة من العقد. هناك تطابق واحد لواحد بين طاقة الموجة الواقفة وعدد العقد.

 

تراث ولد

تصور دي برولي الإلكترون كموجة ثابتة حول النواة. على هذا النحو ، فإن أنماط اهتزاز معينة فقط ستلائم دائرة مغلقة - المدارات ، كل منها يتميز بعدد معين من العقد. تم تحديد المدارات المسموح بها من خلال عدد عقد الموجة الإلكترونية ، ولكل منها طاقتها الخاصة. أوضحت ميكانيكا موجات شرودنجر سبب دقة صورة دي برولي للإلكترون كموجة واقفة. لكنها ذهبت إلى أبعد من ذلك بكثير ، حيث عممت هذه الصورة المبسطة إلى ثلاثة أبعاد مكانية.

 

في سلسلة من ستة أوراق رائعة ، صاغ شرودنجر ميكانيكاه الجديدة ، وطبقها بنجاح على ذرة الهيدروجين ، وشرح كيف يمكن تطبيقها لإنتاج إجابات تقريبية لحالات أكثر تعقيدًا ، وأثبت توافق ميكانيكاه مع ميكانيكا هايزنبرغ.

 

عُرف حل معادلة شرودنجر باسم دالة الموجة. في البداية ، فكر في الأمر على أنه يصف موجة الإلكترون نفسها. كان هذا متوافقًا مع المفاهيم الكلاسيكية لكيفية تطور الموجات في الوقت المناسب ، مع مراعاة الحتمية. بالنظر إلى موضعها الأولي وسرعتها ، يمكننا استخدام معادلة الحركة للتنبؤ بما سيحدث في المستقبل. كان شرودنجر فخورًا بشكل خاص بهذه الحقيقة - أن معادلته أعادت بعض الترتيب إلى الفوضى المفاهيمية التي تسببها الفيزياء الذرية. لم يعجبه أبدًا فكرة "قفز" الإلكترون بين مدارات منفصلة.

 

ومع ذلك ، فإن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج قد دمر هذا التفسير الحتمي لوظيفة الموجة. في عالم الكم ، كان كل شيء غامضًا ، وكان من المستحيل التنبؤ بالضبط بالتطور الزمني للإلكترون ، سواء كان جسيمًا أو موجة. أصبح السؤال: إذن ماذا تعني هذه الدالة الموجية؟

فقد علماء الفيزياء. كيف يمكن التوفيق بين ثنائية الموجة والجسيم للمادة والضوء ومبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ مع ميكانيكا الموجة الجميلة (والمستمرة) لشرودنغر؟ مرة أخرى ، كانت هناك حاجة إلى فكرة جديدة جذرية ، ومرة ​​أخرى كان لدى شخص ما. هذه المرة جاء دور ماكس بورن ، الذي كان أيضًا جد نجمة الروك أوليفيا نيوتن جون في السبعينيات ، إلى جانب كونه أحد المهندسين المعماريين الرئيسيين لميكانيكا الكم.

 

اقترح بورن ، بشكل صحيح ، أن ميكانيكا موجات شرودنجر لم تصف تطور موجة الإلكترون ، ولكن احتمالية العثور على الإلكترون في هذا الموضع أو ذاك في الفضاء. لحل معادلة شرودنجر ، يحسب الفيزيائيون كيف يتطور هذا الاحتمال بمرور الوقت. لا يمكننا التنبؤ بأي قدر من اليقين بما إذا كان سيتم العثور على الإلكترون هنا أم هناك. يمكننا فقط إعطاء احتمالات العثور عليها هنا أو هناك بمجرد إجراء القياس. في ميكانيكا الكم ، يتطور الاحتمال بشكل حتمي وفقًا لمعادلة الموجة ، لكن الإلكترون نفسه لا يتطور. نفس التجربة ، التي تكررت عدة مرات في ظل نفس الظروف ، يمكن أن تعطي نتائج مختلفة.

 

تراكب الكم

هذا غريب جدا. لأول مرة ، تمتلك الفيزياء معادلة لا تصف سلوك شيء مادي ينتمي إلى كائن - مثل الموضع أو الزخم أو الطاقة للكرة أو الكوكب. الدالة الموجية ليست شيئًا حقيقيًا في العالم. (على الأقل ، الأمر ليس كذلك بالنسبة لهذا الفيزيائي. سنقوم بمعالجة هذه المشكلة المرهقة قريبًا.) إنها مربعة - قيمتها المطلقة ، نظرًا لأنها كمية معقدة - تعطي احتمالية العثور على الجسيم في نقطة معينة في الفضاء مرة واحدة يتم إجراء القياس. لكن ماذا يحدث قبل القياس؟ لا يمكننا القول. ما نقوله هو أن الدالة الموجية هي تراكب للعديد من الحالات الممكنة للإلكترون. تمثل كل حالة موضعًا يمكن العثور فيه على الإلكترون مرة واحدة يتم إجراء القياس.

 

من المحتمل أن تكون الصورة المفيدة (كلها مشكوك فيها) هي أن تتخيل نفسك في غرفة مظلمة ، تسير باتجاه جدار حيث تتدلى العديد من الصور. تضيء الأضواء عندما تصل إلى موقع معين على الحائط ، أمام اللوحة. بالطبع ، أنت تعلم أنك شخص واحد يسير باتجاه إحدى اللوحات. لكن إذا كنت جسيمًا دون ذري مثل الإلكترون أو الفوتون ، فستكون هناك نسخ عديدة منك تسير باتجاه الجدار في وقت واحد. ستكون في حالة تراكب لكثير منكم ، وستصل نسخة واحدة فقط إلى الحائط وتتسبب في إضاءة الأضواء. سيكون لكل نسخة منك احتمال مختلف للوصول إلى الحائط. بتكرار التجربة عدة مرات ، يتم الكشف عن هذه الاحتمالات المختلفة.

 

هل كل النسخ تتحرك في الغرفة المظلمة حقيقية أم هي فقط التي تضرب الحائط وتضيء الأنوار؟ إذا كان هذا فقط حقيقيًا ، فكيف يمكن للآخرين أيضًا أن يصطدموا بالحائط؟ هذا التأثير ، المعروف باسم التراكب الكمومي ، ربما يكون أغربهم جميعًا. غريب جدًا ورائع لدرجة أنه يستحق مقالًا كاملاً.

ترجمه "