تصف الفيزياء الكلاسيكية، التي كانت موجودة قبل اختراع ميكانيكا الكم، الطبيعة على نطاق عادي (مجهري). يمكن استخلاص معظم النظريات في الفيزياء الكلاسيكية كتقريبات تعمل على مقاييس مألوفة لدينا. فيزياء الكم(وهي أيضا ميكانيكا الكم) يختلف عن العلوم الكلاسيكيةوالحقيقة أن الطاقة والزخم والزخم الزاوي وكميات أخرى نظام متصليقتصر على القيم المنفصلة (التكميم). الكائنات لديها خصائص خاصةسواء على شكل جسيمات أو على شكل أمواج (ازدواجية جسيم الموجة). وفي هذا العلم أيضًا هناك حدود للدقة التي يمكن قياس الكميات بها (مبدأ عدم اليقين).
يمكننا القول أنه بعد ظهور فيزياء الكم في العلوم الدقيقةآه، حدث نوع من الثورة، مما جعل من الممكن إعادة النظر وتحليل جميع القوانين القديمة التي كانت تعتبر في السابق حقائق ثابتة. هل هذا جيد أم سيء؟ ربما يكون هذا أمرًا جيدًا، لأن العلم الحقيقي لا يجب أن يقف ساكنًا أبدًا.
ومع ذلك، أصبحت "الثورة الكمومية" بمثابة ضربة للفيزيائيين المدرسة القديمةالذين كان عليهم أن يتصالحوا مع حقيقة أن ما كانوا يؤمنون به سابقًا تبين أنه مجرد مجموعة من النظريات الخاطئة والقديمة التي تحتاج إلى مراجعة عاجلة وتكييفها مع واقع جديد. قبل معظم الفيزيائيين بحماس هذه الأفكار الجديدة حول علم معروف، وساهموا في دراسته وتطويره وتنفيذه. واليوم، تحدد فيزياء الكم الديناميكيات لكل العلوم ككل. نشأت المشاريع التجريبية المتقدمة (مثل مصادم الهادرونات الكبير) بفضلها على وجه التحديد.
افتتاح
ماذا يمكن أن يقال عن أسس فيزياء الكم؟ وظهرت تدريجيا من نظريات مختلفة، مصممة لتفسير الظواهر التي لا يمكن أن تكون متسقة معها الفيزياء الكلاسيكيةعلى سبيل المثال، حل ماكس بلانك عام 1900 ومنهجه في معالجة مشكلة الإشعاع الكثيرة مشاكل علميةبالإضافة إلى المراسلات بين الطاقة والتردد في ورقة ألبرت أينشتاين عام 1905 التي تشرح التأثيرات الكهروضوئية. تمت مراجعة النظرية المبكرة لفيزياء الكم بشكل كامل في منتصف عشرينيات القرن العشرين على يد فيرنر هايزنبرغ وماكس بورن وآخرين. النظرية الحديثةصيغت في مختلف المفاهيم الرياضية المتقدمة خصيصا. في واحد منهم وظيفة حسابية(أو الدالة الموجية) تعطينا معلومات شاملة حول السعة الاحتمالية لموقع النبضة.
بحثبدأت موجة الجوهر الضوئي منذ أكثر من 200 عام، عندما كانت عظيمة ومعترف بها العلماء من ذلكبمرور الوقت، اقترحوا وطوروا وأثبتوا نظرية الضوء بناءً على ملاحظاتهم التجريبية الخاصة. أطلقوا عليها اسم الموجة.
في عام 1803، أجرى العالم الإنجليزي الشهير توماس يونغ تجربته المزدوجة الشهيرة، والتي نتج عنها كتابة العمل الشهير “عن طبيعة الضوء واللون”، والذي كان له دور كبير في تكوين الأفكار الحديثةحول هذه الظواهر المألوفة لنا جميعا. لعبت هذه التجربة دور حيويفي القبول العام لهذه النظرية.
غالبًا ما يتم وصف مثل هذه التجارب في كتب مختلفة، على سبيل المثال، "أساسيات فيزياء الكم للدمى". التجارب الحديثةمع رفع تردد التشغيل الجسيمات الأوليةعلى سبيل المثال، يتم البحث عن بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير (المختصر LHC) على وجه التحديد من أجل العثور عليه تأكيد عمليالعديد من نظريات الكم النظرية البحتة.
قصة
في عام 1838، اكتشف مايكل فاراداي أشعة الكاثود مما أسعد العالم أجمع. أعقب هذه الدراسات المثيرة بيان حول مشكلة ما يسمى بإشعاع "الجسم الأسود" (1859)، قدمه غوستاف كيرشوف، بالإضافة إلى الافتراض الشهير للودفيغ بولتزمان بأن حالات الطاقة لأي جسم النظام الماديويمكن أيضًا أن تكون منفصلة (1877). عندها فقط ظهرت فرضية الكم، التي طورها ماكس بلانك (1900). ويعتبر أحد أسس فيزياء الكم. إن الفكرة الجريئة القائلة بأن الطاقة يمكن انبعاثها وامتصاصها في "كميات" منفصلة (أو حزم من الطاقة) تتطابق تمامًا مع الأنماط المرصودة لإشعاع الجسم الأسود.
ألبرت أينشتاين، الشهير في جميع أنحاء العالم، قدم مساهمة كبيرة في فيزياء الكم. أعجب بنظريات الكم، فطوّر نظريته الخاصة. النظرية العامةالنسبية - هذا ما يطلق عليه. كما أثرت الاكتشافات في فيزياء الكم على التطور نظرية خاصةالنسبية. بدأ العديد من العلماء في النصف الأول من القرن الماضي بدراسة هذا العلم بناءً على اقتراح أينشتاين. في ذلك الوقت كانت متقدمة، الجميع أحبها، كان الجميع مهتمين بها. ليس من المستغرب، لأنه غطى الكثير من "الثغرات" في الكلاسيكية العلوم الفيزيائية(على الرغم من أنها أنشأت أيضًا رحلات جديدة)، فقد قدمت أساسًا علميًا للسفر عبر الزمن، والتحريك الذهني، والتخاطر، و عوالم موازية.
دور المراقب
أي حدث أو حالة تعتمد بشكل مباشر على المراقب. هذه هي الطريقة التي يتم بها عادةً شرح أساسيات فيزياء الكم بإيجاز للأشخاص البعيدين عن العلوم الدقيقة. ومع ذلك، في الواقع كل شيء أكثر تعقيدا بكثير.
وهذا يتناسب تمامًا مع العديد من التقاليد الغامضة والدينية، التي أصرت منذ زمن سحيق على قدرة الناس على التأثير على الأحداث من حولهم. في بعض النواحي، هذا هو أيضًا الأساس التفسير العلميالإدراك خارج الحواس، لأن القول بأن الشخص (المراقب) قادر على التأثير على الأحداث الجسدية بقوة الفكر لا يبدو سخيفًا.
كل صافي القيمةالحدث أو الكائن المرصود يتوافق مع المتجه الذاتي للمراقب. إذا كان طيف المشغل (المراقب) منفصلاً، فإن الكائن المرصود يمكنه فقط تحقيق قيم ذاتية منفصلة. وهذا يعني أن موضوع الملاحظة، وكذلك خصائصه، يتم تحديده بالكامل بواسطة هذا المشغل بالذات.
على عكس الميكانيكا الكلاسيكية التقليدية (أو الفيزياء)، لا يمكن إجراء تنبؤات متزامنة للمتغيرات المترافقة مثل الموضع والزخم. على سبيل المثال، قد تكون الإلكترونات (مع احتمال معين) موجودة تقريبًا في منطقة معينة من الفضاء، لكن موقعها الدقيق رياضيًا غير معروف في الواقع.
يمكن رسم خطوط الكثافة الاحتمالية الثابتة، والتي تسمى غالبًا "السحب"، حول نواة الذرة لوضع تصور للمكان الذي يمكن أن يوجد فيه الإلكترون على الأرجح. يثبت مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ عدم القدرة على تحديد موقع الجسيم بدقة بالنظر إلى زخمه المترافق. بعض النماذج في هذه النظرية ذات طبيعة حسابية مجردة ولا تنطوي على أهمية عملية. ومع ذلك، غالبا ما تستخدم لحساب تفاعلات معقدةعلى مستوى الأمور الدقيقة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، سمح هذا الفرع من الفيزياء للعلماء باقتراح إمكانية الوجود الحقيقي للعديد من العوالم. ربما سنكون قادرين على رؤيتهم قريبا.
وظائف الموجة
قوانين فيزياء الكم واسعة جدًا ومتنوعة. إنها تتداخل مع فكرة الدوال الموجية. تخلق بعض الاحتمالات الخاصة نطاقًا من الاحتمالات التي تكون ثابتة بطبيعتها أو مستقلة عن الوقت، على سبيل المثال، عندما يبدو وقت الطاقة في موضع ثابت وكأنه يختفي بالنسبة إلى الدالة الموجية. وهذا أحد تأثيرات فيزياء الكم، وهو أمر أساسي فيها. والحقيقة المثيرة للاهتمام هي أن ظاهرة الزمن قد تم تنقيحها بشكل جذري في هذا العلم غير العادي.
نظرية الاضطراب
ومع ذلك، هناك عدة طرق موثوقة لتطوير الحلول اللازمة للعمل مع الصيغ والنظريات في فيزياء الكم. إحدى هذه الأساليب، المعروفة باسم "نظرية الاضطراب"، تستخدم نتيجة تحليليةلنموذج ميكانيكي الكم الابتدائي. تم إنشاؤه لتحقيق نتائج من التجارب لتطوير المزيد نموذج معقد، والذي يرتبط بنموذج أبسط. هذه هي الطريقة التي تظهر العودية.
هذا النهج مهم بشكل خاص من الناحية النظرية الفوضى الكمومية، والتي تحظى بشعبية كبيرة في تفسير الأحداث المختلفة في الواقع المجهري.
القواعد والقوانين
قواعد ميكانيكا الكم أساسية. يجادلون بأن مساحة نشر النظام أمر أساسي للغاية (لقد منتج نقطة). بيان آخر هو أن التأثيرات التي لاحظها هذا النظام هي في نفس الوقت عوامل فريدة تؤثر على المتجهات في هذه البيئة بالذات. ومع ذلك، فهي لا تخبرنا في أي فضاء هيلبرت أو أي مشغلين موجودون فيه في اللحظة. يمكن اختيارهم وفقا لذلك للحصول عليها الوصف الكميالنظام الكمي.
المعنى والتأثير
منذ نشأة هذا العلم غير العادي، أثارت العديد من الجوانب والنتائج غير البديهية لدراسة ميكانيكا الكم الكثير من النقاش الفلسفي والعديد من التفسيرات. وحتى الأسئلة الأساسية، مثل قواعد حساب السعات المختلفة والتوزيعات الاحتمالية، تستحق الاحترام من الجمهور والعديد من كبار العلماء.
على سبيل المثال، أشار ذات مرة بحزن إلى أنه لم يكن متأكدًا على الإطلاق من أن أي عالم يفهم حتى ميكانيكا الكم. وفقًا لستيفن واينبرج، لا يوجد حاليًا تفسير لميكانيكا الكم يناسب الجميع. يشير هذا إلى أن العلماء قد خلقوا "وحشًا" لا يستطيعون هم أنفسهم فهمه وتفسيره بشكل كامل. ومع ذلك، فإن هذا لا يضر بأهمية وشعبية هذا العلم، ولكنه يجذب المتخصصين الشباب الذين يرغبون في حل المهام المعقدة وغير المفهومة حقا.
بالإضافة إلى ذلك، أجبرتنا ميكانيكا الكم على إعادة النظر في الهدف بالكامل القوانين الفيزيائيةالكون الذي لا يسعه إلا أن يفرح.
تفسير كوبنهاجن
ووفقا لهذا التفسير، تعريف قياسيالسببية المعروفة لنا من الفيزياء الكلاسيكية، لم تعد هناك حاجة إليها. وفقا لنظريات الكم، فإن السببية في فهمنا المعتاد غير موجودة على الإطلاق. يتم شرح جميع الظواهر الفيزيائية فيها من وجهة نظر تفاعل أصغر الجزيئات الأولية على المستوى دون الذري. وهذه المنطقة، على الرغم من عدم احتماليتها الواضحة، واعدة للغاية.
علم نفس الكم
ماذا يمكن أن يقال عن العلاقة بين فيزياء الكم والوعي البشري؟ تمت كتابة هذا بشكل جميل في كتاب كتبه روبرت أنطون ويلسون عام 1990 بعنوان علم النفس الكمي.
وفقا للنظرية الموضحة في الكتاب، فإن جميع العمليات التي تحدث في دماغنا يتم تحديدها من خلال القوانين الموضحة في هذه المقالة. أي أن هذا نوع من المحاولة لتكييف نظرية فيزياء الكم مع علم النفس. تعتبر هذه النظرية شبه علمية ولم يتم الاعتراف بها من قبل المجتمع الأكاديمي.
يتميز كتاب ويلسون بأنه يقدم مجموعة من تقنيات مختلفةوالممارسين الذين يثبتون فرضيته بدرجة أو بأخرى. وبطريقة أو بأخرى، يجب على القارئ أن يقرر بنفسه ما إذا كان يعتقد أم لا صحة مثل هذه المحاولات لتطبيق الرياضيات و النماذج الماديةإلى العلوم الإنسانية.
اعتبر البعض كتاب ويلسون بمثابة محاولة لتبرير التفكير الصوفي وربطه بتركيبات فيزيائية جديدة مثبتة علميًا. ظل هذا العمل غير التافه والرائع مطلوبًا منذ أكثر من 100 عام. يتم نشر الكتاب وترجمته وقراءته في جميع أنحاء العالم. من يدري، ربما مع تطور ميكانيكا الكم سيتغير الموقف المجتمع العلميلعلم نفس الكم.
خاتمة
بفضل هذا نظرية رائعة، والذي سرعان ما أصبح علمًا منفصلاً، تمكنا من استكشافه الواقع المحيطعلى المستوى الجسيمات دون الذرية. هذا هو المستوى الأصغر من كل ما هو ممكن، ولا يمكن الوصول إليه على الإطلاق لإدراكنا. إن ما عرفه الفيزيائيون سابقًا عن عالمنا يحتاج إلى مراجعة عاجلة. بالتأكيد الجميع يتفق مع هذا. أصبح من الواضح أن جزيئات مختلفةيمكن أن تتفاعل مع بعضها البعض على مسافات لا يمكن تصورها على الإطلاق، والتي لا يمكننا قياسها إلا باستخدام صيغ رياضية معقدة.
بالإضافة إلى ذلك، أثبتت ميكانيكا الكم (وفيزياء الكم) إمكانية وجود مجموعة حقائق موازيةوالسفر عبر الزمن وغيرها من الأشياء التي كانت تعتبر عبر التاريخ مجرد قدر الخيال العلمي. وهذا بلا شك مساهمة كبيرة ليس فقط للعلم، ولكن أيضًا لمستقبل البشرية.
للعشاق الصورة العلميةفي العالم، هذا العلم يمكن أن يكون صديقًا وعدوًا في نفس الوقت. النقطة هي أن نظرية الكميفتح فرصًا واسعة لتأملات مختلفة حول موضوعات شبه علمية، كما سبق أن ظهر في مثال أحد البدائل النظريات النفسية. يلجأ بعض علماء السحر والتنجيم المعاصرين وعلماء الباطنية ومؤيدي الحركات الدينية والروحية البديلة (غالبًا علماء النفس) إلى الإنشاءات النظريةهذا العلم من أجل إثبات عقلانية وحقيقة نظرياته ومعتقداته وممارساته الصوفية.
هذه حالة غير مسبوقة عندما تكون التكهنات البسيطة للمنظرين والمجردة الصيغ الرياضيةأدى إلى الحقيقي ثورة علميةوخلق علم جديدالذي شطب كل ما كان معروفا من قبل. إلى حد ما، دحضت فيزياء الكم قوانين المنطق الأرسطي، لأنها أظهرت أنه عند اختيار "إما أو" هناك خيار بديل آخر (وربما عدة).
إذا أدركت فجأة أنك نسيت أساسيات ومسلمات ميكانيكا الكم أو لا تعرف حتى نوع الميكانيكا، فقد حان الوقت لتحديث ذاكرتك بهذه المعلومات. ففي نهاية المطاف، لا أحد يعرف متى قد تكون ميكانيكا الكم مفيدة في الحياة.
من العبث أن تبتسم وتسخر، معتقدًا أنك لن تضطر أبدًا إلى التعامل مع هذا الموضوع في حياتك. بعد كل شيء، يمكن أن تكون ميكانيكا الكم مفيدة لكل شخص تقريبًا، حتى أولئك البعيدين عنها بشكل لا نهائي. على سبيل المثال، لديك الأرق. بالنسبة لميكانيكا الكم هذه ليست مشكلة! اقرأ الكتاب المدرسي قبل الذهاب إلى السرير - وسوف تدخل في نوم عميق عند الصفحة الثالثة. أو يمكنك تسمية فرقة الروك الرائعة الخاصة بك بذلك الاسم. ولم لا؟
وبغض النظر عن النكات، فلنبدأ محادثة كمية جادة.
من أين تبدأ؟ بالطبع، بدءًا من ماهية الكم.
الكم
الكم (من الكم اللاتيني - "كم") هو جزء لا يتجزأ من بعض الكمية الفيزيائية. على سبيل المثال، يقولون - كم الضوء، كم الطاقة أو كم المجال.
ماذا يعني ذلك؟ هذا يعني أنه ببساطة لا يمكن أن يكون أقل. عندما يقولون أن بعض الكمية مكممة، فإنهم يفهمون ذلك قيمة معينةيأخذ عددًا من القيم المحددة المنفصلة. وهكذا، فإن طاقة الإلكترون في الذرة تكون كمية، ويتم توزيع الضوء في "أجزاء"، أي في الكميات.
مصطلح "الكم" في حد ذاته له العديد من الاستخدامات. كم الضوء ( المجال الكهرومغناطيسي) هو الفوتون. وقياسًا على ذلك، الكميات هي جسيمات أو أشباه جسيمات تتوافق مع مجالات التفاعل الأخرى. وهنا يمكننا أن نتذكر بوزون هيغز الشهير، وهو كم من مجال هيغز. لكننا لن نذهب إلى هذه الأدغال بعد.
ميكانيكا الكم للدمى كيف يمكن أن تكون الميكانيكا كمية؟
كما لاحظت بالفعل، في حديثنا ذكرنا الجسيمات عدة مرات. ربما تكون معتادًا على حقيقة أن الضوء عبارة عن موجة تنتشر بسرعة مع . ولكن إذا نظرت إلى كل شيء من وجهة نظر العالم الكميأي عالم الجزيئات، كل شيء يتغير بشكل لا يمكن التعرف عليه.
ميكانيكا الكم هو قسم الفيزياء النظريةوهو أحد مكونات نظرية الكم التي تصف الظواهر الفيزيائية في الواقع المستوى الابتدائي- مستوى الجسيمات.
إن تأثير مثل هذه الظواهر يمكن مقارنته من حيث الحجم بثابت بلانك، و الميكانيكا الكلاسيكيةتبين أن نيوتن والديناميكا الكهربائية غير مناسبين تمامًا لوصفهما. على سبيل المثال، وفقا ل النظرية الكلاسيكيةيجب أن يشع الإلكترون، الذي يدور بسرعة عالية حول النواة، طاقة ويسقط في النهاية على النواة. وهذا، كما نعلم، لا يحدث. ولهذا السبب تم اختراع ميكانيكا الكم - الظواهر المفتوحةكان من الضروري شرحها بطريقة ما، واتضح أنها هي بالضبط النظرية التي كان التفسير من خلالها هو الأكثر قبولًا، و"تقاربت" جميع البيانات التجريبية.
بالمناسبة! لقرائنا هناك الآن خصم 10٪ على
القليل من التاريخ
حدثت ولادة نظرية الكم في عام 1900، عندما تحدث ماكس بلانك في اجتماع للجمعية الفيزيائية الألمانية. ماذا قال بلانك حينها؟ وحقيقة أن إشعاع الذرات منفصل، و أصغر جزءطاقة هذا الإشعاع تساوي
حيث ح - ثابت بلانكنو - التردد.
ثم استخدم ألبرت أينشتاين، الذي قدم مفهوم "كم الضوء"، فرضية بلانك لشرح التأثير الكهروضوئي. افترض نيلز بور وجود ظروف ثابتة في الذرة مستويات الطاقة، وطور لويس دي برولي فكرة ازدواجية الموجة والجسيم، أي أن الجسيم (الجسيم) له أيضًا خصائص الموجة. انضم شرودنغر وهايزنبرغ إلى القضية، وفي عام 1925 تم نشر الصيغة الأولى لميكانيكا الكم. في الواقع، ميكانيكا الكم بعيدة كل البعد عن كونها نظرية كاملة؛ فهي تتطور بنشاط في الوقت الحاضر. كما يجب الاعتراف بأن ميكانيكا الكم بافتراضاتها لا تملك القدرة على تفسير كل الأسئلة التي تواجهها. من الممكن أن يتم استبدالها بنظرية أكثر تقدمًا.
أثناء الانتقال من عالم الكم إلى عالم الأشياء المألوفة لدينا، تتحول قوانين ميكانيكا الكم بطبيعة الحال إلى قوانين الميكانيكا الكلاسيكية. يمكننا أن نقول أن الميكانيكا الكلاسيكية هي حالة خاصةميكانيكا الكم، عندما يحدث الحدث في عالمنا الكبير المألوف والمألوف. هنا تتحرك الأجسام بهدوء في أطر مرجعية غير قصورية وبسرعة أقل بكثير من سرعة الضوء، وبشكل عام يكون كل شيء حولها هادئًا وواضحًا. إذا كنت تريد معرفة موضع الجسم في نظام الإحداثيات، فلا مشكلة؛ إذا كنت تريد قياس النبض، فنحن نرحب بك.
لدى ميكانيكا الكم نهج مختلف تمامًا في التعامل مع هذه القضية. أنه يحتوي على نتائج القياس الكميات الفيزيائيةهي احتمالية في الطبيعة. وهذا يعني أنه عندما تتغير قيمة معينة، فمن الممكن ظهور عدة نتائج، كل منها له احتمال معين. دعونا نعطي مثالا: عملة معدنية تدور على الطاولة. بينما تدور، فهي ليست في نوع ما دولة معينة(heads-tails)، ولكن لديه فقط احتمال أن ينتهي به الأمر في إحدى هذه الحالات.
ونحن هنا نقترب تدريجيا معادلة شرودنغرو مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.
وفقًا للأسطورة، تعرض إروين شرودنجر، في عام 1926، أثناء حديثه في ندوة علمية حول موضوع ازدواجية الموجة والجسيم، لانتقادات من قبل أحد كبار العلماء. رفض شرودنغر الاستماع إلى من هم أكبر منه، وبعد هذه الحادثة بدأ شرودنغر بنشاط في تطوير معادلة الموجة لوصف الجسيمات في إطار ميكانيكا الكم. وقد فعل ذلك ببراعة! معادلة شرودنغر (المعادلة الأساسية لميكانيكا الكم) هي:
هذا النوعالمعادلات - معادلة شرودنغر الثابتة ذات البعد الواحد - الأبسط.
هنا x هي المسافة أو إحداثيات الجسيم، m هي كتلة الجسيم، E و U هما إجماليها و الطاقة المحتملة. حل هذه المعادلة هو الدالة الموجية (psi)
الدالة الموجية هي مفهوم أساسي آخر في ميكانيكا الكم. لذا، فإن أي نظام كمي يكون في حالة معينة لديه دالة موجية تصف هذه الحالة.
على سبيل المثال، عند حل معادلة شرودنجر الثابتة أحادية البعد، تصف الدالة الموجية موضع الجسيم في الفضاء. بتعبير أدق، احتمال العثور على جسيم في نقطة معينة في الفضاء.وبعبارة أخرى، أظهر شرودنغر أنه يمكن وصف الاحتمالية بواسطة معادلة موجية! أوافق، كان ينبغي لنا أن نفكر في هذا من قبل!
لكن لماذا؟ لماذا يتعين علينا التعامل مع هذه الاحتمالات الغريبة و وظائف الموجة، عندما يبدو أنه لا يوجد شيء أسهل من مجرد أخذ وقياس المسافة إلى الجسيم أو سرعته.
انها بسيطة جدا! في الواقع، هذا هو الحال بالفعل في العالم الكبير - فنحن نقيس المسافات بدقة معينة باستخدام شريط قياس، ويتم تحديد خطأ القياس من خلال خصائص الجهاز. من ناحية أخرى، يمكننا أن نحدد بدقة تقريبًا المسافة إلى كائن ما، على سبيل المثال، إلى الطاولة. على أية حال، نحن نفرق بدقة موقعه في الغرفة بالنسبة لنا وللأشياء الأخرى. في عالم الجسيمات، يختلف الوضع جذريًا - فنحن ببساطة لا نملك أدوات قياس لقياس الكميات المطلوبة بدقة. بعد كل شيء، تتلامس أداة القياس بشكل مباشر مع الجسم الذي يتم قياسه، وفي حالتنا، يكون كل من الجسم والأداة عبارة عن جزيئات. إن هذا النقص، والاستحالة الأساسية لمراعاة جميع العوامل المؤثرة على الجسيم، فضلاً عن حقيقة التغيرات في حالة النظام تحت تأثير القياس، هو الذي يكمن وراء مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.
دعونا نعطي أبسط صياغة لها. لنتخيل أن هناك جسيمًا معينًا، ونريد معرفة سرعته وتنسيقه.
في هذا السياق، ينص مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ على أنه من المستحيل قياس موضع وسرعة الجسيم بدقة في نفس الوقت. . رياضيا يتم كتابته على النحو التالي:
هنا delta x هو الخطأ في تحديد الإحداثيات، و delta v هو الخطأ في تحديد السرعة. دعونا نؤكد – هذا المبدأيشير إلى أنه كلما زاد دقة تحديد الإحداثيات، كلما قلت دقة معرفتنا للسرعة. وإذا حددنا السرعة، فلن يكون لدينا أي منها أدنى فكرةحول مكان وجود الجسيم.
هناك العديد من النكات والحكايات حول موضوع مبدأ عدم اليقين. هنا واحد منهم:
شرطي يوقف عالم فيزياء الكم.
- سيدي، هل تعرف مدى السرعة التي كنت تتحرك بها؟
- لا، ولكنني أعرف بالضبط أين أنا.
وبالطبع نذكرك! إذا حدث فجأة، لسبب ما، أن حل معادلة شرودنغر لجسيم في بئر محتمل لا يسمح لك بالنوم، فاتصل بالمتخصصين الذين نشأوا مع ميكانيكا الكمعلى الشفاه!
الفيزياء هي الأكثر غموضا بين جميع العلوم. تمنحنا الفيزياء فهمًا للعالم من حولنا. قوانين الفيزياء مطلقة وتنطبق على الجميع دون استثناء، بغض النظر عن الشخص أو الوضع الاجتماعي.
هذه المقالة مخصصة للأشخاص الذين تزيد أعمارهم عن 18 عامًا
هل بلغت بالفعل 18 عامًا؟
الاكتشافات الأساسية في مجال فيزياء الكم
إسحاق نيوتن ونيكولا تيسلا وألبرت أينشتاين وغيرهم كثيرون هم المرشدون العظماء للإنسانية عالم مذهلعلماء الفيزياء الذين، مثل الأنبياء، كشفوا للبشرية أعظم أسرار الكون وإمكانيات السيطرة على الظواهر الفيزيائية. لقد قطعت رؤوسهم المشرقة ظلام جهل الأغلبية غير المعقولة، وكنجم مرشد، أظهرت الطريق للإنسانية في ظلام الليل. أحد هؤلاء المرشدين في عالم الفيزياء كان ماكس بلانك، أبو فيزياء الكم.
ماكس بلانك ليس مؤسس فيزياء الكم فحسب، بل هو أيضًا مؤلف نظرية الكم المشهورة عالميًا. نظرية الكم هي العنصر الأكثر أهمية في فيزياء الكم. بكلمات بسيطة، تصف هذه النظرية حركة وسلوك وتفاعل الجسيمات الدقيقة. كما جلب لنا مؤسس فيزياء الكم العديد من الأشياء الأخرى الأعمال العلميةوالتي أصبحت حجر الزاوية في الفيزياء الحديثة:
- نظرية الإشعاع الحراري.
- النظرية النسبية الخاصة؛
- البحث في الديناميكا الحرارية.
- الأبحاث في مجال البصريات.
أصبحت نظريات فيزياء الكم حول سلوك وتفاعلات الجسيمات الدقيقة الأساس لفيزياء المادة المكثفة، وفيزياء الجسيمات، وفيزياء الكم. طاقات عالية. تشرح لنا نظرية الكم جوهر العديد من الظواهر في عالمنا - من عمل الإلكترونيات أجهزة الكمبيوترلبنية وسلوك الأجرام السماوية. ماكس بلانك، مبتكر هذه النظرية، بفضل اكتشافه سمح لنا بالفهم الجوهر الحقيقيأشياء كثيرة على مستوى الجسيمات الأولية. لكن إنشاء هذه النظرية ليس الميزة الوحيدة للعالم. أصبح أول من اكتشف القانون الأساسي للكون - قانون الحفاظ على الطاقة. من الصعب المبالغة في تقدير مساهمة ماكس بلانك في العلوم. باختصار، اكتشافاته لا تقدر بثمن بالنسبة للفيزياء والكيمياء والتاريخ والمنهجية والفلسفة.
نظرية المجال الكمي
باختصار، نظرية المجال الكمي هي نظرية لوصف الجسيمات الدقيقة، وكذلك سلوكها في الفضاء، والتفاعل مع بعضها البعض والتحويل البيني. هذه النظريةيدرس سلوك الأنظمة الكمومية ضمن ما يسمى بدرجات الحرية. هذا الاسم الجميل والرومانسي لا يعني شيئًا للكثير منا. بالنسبة للدمى، درجات الحرية هي عدد الإحداثيات المستقلة اللازمة للإشارة إلى الحركة النظام الميكانيكي. بعبارات بسيطة، درجات الحرية هي خصائص الحركة. اكتشافات مثيرة للاهتمامفي مجال تفاعل الجسيمات الأولية تم إنجازه بواسطة ستيفن واينبرج. اكتشف ما يسمى بالتيار المحايد - وهو مبدأ التفاعل بين الكواركات واللبتونات، والذي حصل عليه جائزة نوبلفي عام 1979.
نظرية الكم ماكس بلانك
في تسعينيات القرن الثامن عشر عالم فيزياء ألمانيبدأ ماكس بلانك بدراسة الإشعاع الحراري وحصل في النهاية على صيغة لتوزيع الطاقة. وضعت فرضية الكم، التي ولدت في سياق هذه الدراسات، الأساس لفيزياء الكم، وكذلك نظرية المجال الكمي، التي تم اكتشافها في عام 1900. نظرية الكم بلانك هي أنه متى الإشعاع الحراريلا تنبعث الطاقة المنتجة ويتم امتصاصها بشكل مستمر، ولكن بشكل عرضي وكمي. 1900، شكرا هذا الاكتشافالذي أنجزه ماكس بلانك، أصبح عام ميلاد ميكانيكا الكم. ومن الجدير بالذكر أيضًا صيغة بلانك. باختصار، جوهرها هو كما يلي - يعتمد على العلاقة بين درجة حرارة الجسم وإشعاعه.
نظرية ميكانيكا الكم للتركيب الذري
تعتبر نظرية ميكانيكا الكم للبنية الذرية واحدة من النظريات الأساسيةالمفاهيم في فيزياء الكم، وفي الفيزياء بشكل عام. تسمح لنا هذه النظرية بفهم بنية جميع الأشياء المادية وترفع حجاب السرية حول ما تتكون منه الأشياء بالفعل. والاستنتاجات المبنية على هذه النظرية غير متوقعة على الإطلاق. دعونا نفكر بإيجاز في بنية الذرة. إذًا، مما تتكون الذرة بالفعل؟ تتكون الذرة من نواة وسحابة من الإلكترونات. يحتوي أساس الذرة، أي نواتها، على كتلة الذرة نفسها تقريبًا - أكثر من 99 بالمائة. النواة دائما شحنة موجبة، ويحدد عنصر كيميائيوالتي الذرة جزء منها. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام في نواة الذرة هو أنها تحتوي على كتلة الذرة بأكملها تقريبًا، ولكنها في الوقت نفسه تشغل جزءًا واحدًا فقط من عشرة آلاف من حجمها. ماذا يتبع من هذا؟ والاستنتاج الذي يظهر غير متوقع على الإطلاق. وهذا يعني أنه لا يوجد سوى جزء من عشرة آلاف من المادة الكثيفة في الذرة. وما الذي يأخذ كل شيء آخر؟ وكل شيء آخر في الذرة هو سحابة إلكترونية.
السحابة الإلكترونية ليست ثابتة، وفي الواقع ليست متساوية مادة مادية. السحابة الإلكترونية هي مجرد احتمال ظهور الإلكترونات في الذرة. أي أن النواة لا تشغل سوى جزء من عشرة آلاف من الذرة، والباقي فراغ. وإذا اعتبرنا أن كل الأشياء من حولنا، من ذرات الغبار إلى الأجرام السماويةوالكواكب والنجوم مكونة من ذرات، فقد تبين أن كل المواد هي في الواقع فارغة بنسبة تزيد عن 99 بالمائة. تبدو هذه النظرية غير قابلة للتصديق تمامًا، وصاحبها على أقل تقدير شخص مخطئ، لأن الأشياء الموجودة حولها لها تماسك متين، ولها وزن ويمكن لمسها. كيف يمكن أن تتكون من الفراغ؟ فهل تسلل خطأ إلى هذه النظرية الخاصة ببنية المادة؟ ولكن ليس هناك خطأ هنا.
جميع الأشياء المادية تبدو كثيفة فقط بسبب التفاعل بين الذرات. لا تتمتع الأشياء بقوام صلب وكثيف إلا بسبب التجاذب أو التنافر بين الذرات. وهذا يوفر الكثافة والصلابة شعرية الكريستال المواد الكيميائيةوالتي تتكون منها كل المواد. لكن، نقطة مثيرة للاهتمام، عند تغيير، على سبيل المثال، ظروف درجة الحرارة بيئة، الروابط بين الذرات، أي أن جاذبيتها وتنافرها يمكن أن تضعف، مما يؤدي إلى إضعاف الشبكة البلورية وحتى تدميرها. وهذا ما يفسر التغيير الخصائص الفيزيائيةالمواد عند تسخينها. على سبيل المثال، عندما يتم تسخين الحديد، فإنه يصبح سائلاً ويمكن تشكيله بأي شكل. وعندما يذوب الجليد فإن تدمير الشبكة البلورية يؤدي إلى تغير حالة المادة، ومن الحالة الصلبة إلى السائل. هذا أمثلة حيةإضعاف الروابط بين الذرات، ونتيجة لذلك، إضعاف أو تدمير الشبكة البلورية، والسماح للمادة بأن تصبح غير متبلورة. والسبب في مثل هذه التحولات الغامضة هو أن المواد تتكون من جزء واحد فقط من عشرة آلاف من المادة الكثيفة، والباقي هو الفراغ.
والمواد تبدو صلبة فقط لسبب ما علاقات قويةبين الذرات، عندما تضعف تتغير المادة. وبالتالي، فإن نظرية الكم للبنية الذرية تسمح لنا بالنظر إلى العالم من حولنا بطريقة مختلفة تمامًا.
طرح مؤسس النظرية الذرية نيلز بور مفهوما مثيرا للاهتمام مفاده أن الإلكترونات الموجودة في الذرة لا تبعث طاقة باستمرار، ولكن فقط في لحظة الانتقال بين مسارات حركتها. ساعدت نظرية بور في تفسير العديد من العمليات داخل الذرة، كما حققت اختراقات في مجال العلوم مثل الكيمياء، وشرحت حدود الجدول الذي أنشأه مندليف. وفقا لذلك، فإن العنصر الأخير القادر على الوجود في الزمان والمكان لديه رقم سريمائة وسبعة وثلاثون، والعناصر التي تبدأ من مائة وثمانية وثلاثين لا يمكن أن توجد، لأن وجودها يتعارض مع النظرية النسبية. كما أوضحت نظرية بور طبيعة ذلك ظاهرة فيزيائية، مثل الأطياف الذرية.
هذه هي أطياف تفاعل الذرات الحرة التي تنشأ عندما تنبعث الطاقة بينها. هذه الظواهر هي سمة من سمات المواد الغازية والبخارية والمواد الموجودة في حالة البلازما. وهكذا أحدثت نظرية الكم ثورة في عالم الفيزياء وأتاحت للعلماء التقدم ليس فقط في مجال هذا العلم، بل أيضا في مجال العديد من العلوم. العلوم ذات الصلة: الكيمياء والديناميكا الحرارية والبصريات والفلسفة. كما أتاح للبشرية الولوج إلى أسرار طبيعة الأشياء.
ولا يزال هناك الكثير الذي تحتاج البشرية إلى أن تقلبه في وعيها حتى تدرك طبيعة الذرات وتفهم مبادئ سلوكها وتفاعلها. بعد أن فهمنا ذلك، سنكون قادرين على فهم طبيعة العالم من حولنا، لأن كل ما يحيط بنا، من ذرات الغبار إلى الشمس نفسها، ونحن أنفسنا، كل ذلك يتكون من ذرات، طبيعتها غامضة ومذهلة ويخفي الكثير من الأسرار.
في هذه المقالة سنقدم نصائح مفيدةعلى الدراسة فيزياء الكم للدمى. دعونا نجيب على ما ينبغي أن يكون النهج فيه تعلم فيزياء الكم للمبتدئين.
فيزياء الكم- هذا نظام معقد إلى حد ما، وليس من السهل على الجميع إتقانه. ومع ذلك، فإن الفيزياء كموضوع مثير للاهتمام ومفيد، ولهذا السبب تجد فيزياء الكم (http://www.cyberforum.ru/quantum-physics/) معجبيها المستعدين لدراستها والحصول في النهاية على فوائد عملية. لتسهيل تعلم المادة، عليك أن تبدأ من البداية، أي بأبسط كتب فيزياء الكم للمبتدئين. هذا سوف يسمح لك بالحصول على قاعدة جيدةللمعرفة، وفي الوقت نفسه، من الجيد أن تنظم معرفتك في رأسك.
ابدأ الدراسة الذاتيةأنت بحاجة إلى أدب جيد. إنه الأدب عامل حاسمفي عملية الحصول على المعرفة والتأكد من جودتها. اهتمام خاصتستحضر ميكانيكا الكم، ويبدأ الكثيرون دراستهم بها. يجب على الجميع أن يعرفوا الفيزياء، لأنها علم الحياة، الذي يفسر العديد من العمليات ويجعلها مفهومة للآخرين.
يرجى ملاحظة أنه عند البدء في دراسة فيزياء الكم، يجب أن يكون لديك معرفة بالرياضيات والفيزياء، فبدونهما لن تتمكن ببساطة من التعامل. سيكون من الجيد أن تتاح لك الفرصة للاتصال بمعلمك للعثور على إجابات لأسئلتك. إذا لم يكن هناك أي احتمال، يمكنك محاولة توضيح الوضع في المنتديات المتخصصة. يمكن أن تكون المنتديات أيضًا مفيدة جدًا في التعلم.
عندما تقرر اختيار كتاب مدرسي، يجب أن تكون مستعدا لحقيقة أنه معقد للغاية وسيتعين عليك عدم قراءته فحسب، بل الخوض في كل ما هو مكتوب فيه. لكي لا تعتقد في نهاية تدريبك أن هذه كلها معرفة غير ضرورية، حاول ربط النظرية بالممارسة في كل مرة. من المهم أيضًا أن تحدد مسبقًا الغرض الذي بدأت من أجله تعلم فيزياء الكم، وذلك لمنع ظهور أفكار حول عدم جدوى المعرفة المكتسبة. ينقسم الناس إلى فئتين: الأشخاص الذين يعتقدون أن فيزياء الكم موضوع مثير للاهتمام ومفيد وأولئك الذين لا يعتقدون ذلك. اختر لنفسك الفئة التي تنتمي إليها وحدد بناءً على ذلك هل لفيزياء الكم مكان في حياتك أم لا. يمكنك دائمًا البقاء على مستوى المبتدئين في دراسة فيزياء الكم، أو يمكنك تحقيق ذلك النجاح الحقيقي، كل شيء بين يديك.
بادئ ذي بدء، اختر مواد مثيرة للاهتمام وعالية الجودة في الفيزياء. يمكنك العثور على بعضها باستخدام الروابط أدناه.
وهذا كل شيء الآن! ادرس فيزياء الكم بطريقة مثيرة للاهتمام ولا تكن دمية!
بالنسبة للعديد من الناس، تبدو الفيزياء بعيدة جدًا ومربكة، وفيزياء الكم أكثر من ذلك. لكني أريد أن أفتح لك حجاب هذا سر عظيم، لأنه في الواقع يتبين أن كل شيء غريب، لكنه يتفكك.
وأيضًا تعتبر فيزياء الكم موضوعًا رائعًا للتحدث عنه مع الأشخاص الأذكياء.
أصبحت فيزياء الكم سهلة
تحتاج أولاً إلى رسم واحدة في رأسك خط كبيربين العالم الصغير والعالم الكبير، لأن هذه العوالم مختلفة تمامًا. كل ما تعرفه عن الفضاء الذي تعرفه والأشياء الموجودة فيه زائف وغير مقبول في فيزياء الكم.
وفي الواقع فإن الجسيمات الدقيقة ليس لها سرعة ولا موقع محدد حتى ينظر إليها العلماء. يبدو هذا البيان سخيفًا بالنسبة لنا، وقد بدا كذلك لألبرت أينشتاين، ولكن حتى فيزيائي عظيمتراجعت.
والحقيقة هي أن الأبحاث أثبتت أنه إذا نظرت مرة واحدة إلى الجسيم الذي احتل موضعًا معينًا، ثم ابتعدت ونظرت مرة أخرى، فسترى أن هذا الجسيم قد اتخذ بالفعل موضعًا مختلفًا تمامًا.
هذه الجزيئات المشاغب
يبدو كل شيء بسيطًا، ولكن عندما ننظر إلى نفس الجسيم، فإنه يظل ثابتًا. أي أن هذه الجسيمات تتحرك فقط عندما لا نستطيع رؤيتها.
الجوهر هو أن كل جسيم (وفقًا لنظرية الاحتمالات) لديه مقياس احتمالات وجوده في موضع أو آخر. وعندما نبتعد ثم نلتفت مرة أخرى، يمكننا الإمساك بالجسيم في أي من مواضعه المحتملة بدقة وفقًا لمقياس الاحتمال.
ووفقا للدراسة، تم البحث عن الجسيم في أماكن مختلفة، ثم توقف عن مراقبتها، ثم شاهدها مرة أخرى عندما تغير وضعها. وكانت النتيجة ببساطة مذهلة. تلخيصًا، كان العلماء قادرين حقًا على إنشاء نطاق من الاحتمالات حيث يمكن تحديد موقع هذا الجسيم أو ذاك.
على سبيل المثال، النيوترون لديه القدرة على أن يكون في ثلاثة مواقع. بعد إجراء البحث، قد تجد أنه في المركز الأول سيكون باحتمال 15٪، في الثاني - 60٪، في الثالث - 25٪.
لم يتمكن أحد حتى الآن من دحض هذه النظرية، لذا فهي الأصح بشكل غريب.
العالم الكبير والعالم الصغير
إذا أخذنا كائنًا من العالم الكبير، فسنرى أن له أيضًا مقياس احتمالية، لكنه مختلف تمامًا. على سبيل المثال، احتمالية أن تبتعد وتجد هاتفك على الجانب الآخر من العالم تكاد تكون معدومة، لكنها لا تزال موجودة.
والسؤال الذي يطرح نفسه: لماذا لم يتم تسجيل مثل هذه الحالات حتى الآن؟ ويفسر ذلك حقيقة أن الاحتمال ضئيل للغاية لدرجة أن البشرية ستضطر إلى الانتظار لسنوات عديدة مثل كوكبنا والكون بأكمله لم يعش بعد لرؤية مثل هذا الحدث. اتضح أن هاتفك من المحتمل بنسبة 100% تقريبًا أن ينتهي به الأمر في المكان الذي رأيته فيه بالضبط.
نفق الكم
من هنا يمكننا أن نصل إلى مفهوم نفق الكم. هذا هو مفهوم الانتقال التدريجي لجسم واحد (بتعبير تقريبي) إلى مكان مختلف تمامًا دون أي تأثيرات خارجية.
وهذا يعني أن كل شيء يمكن أن يبدأ بنيوترون واحد، والذي يقع عند نقطة ما ضمن احتمالية وجوده في مكان مختلف تمامًا، والتي تقترب من الصفر، وكلما زاد عدد النيوترونات في مكان مختلف، زاد الاحتمال.
بالطبع، سيستغرق مثل هذا التحول سنوات عديدة لم يعيشها كوكبنا بعد، ولكن وفقًا لنظرية فيزياء الكم، نفق الكميحدث.
إقرأ أيضاً: