فيزياء الكم و. فيزياء الكم للدمى: الجوهر بكلمات بسيطة. حتى الطفل سوف يفهم. بتعبير أدق ، ولا سيما طفل! تنهار وظيفة الموجة في الفيزياء بعبارات بسيطة

هناك العديد من الأماكن لبدء هذا النقاش ، وهذا جيد مثل الآخرين: كل شيء في كوننا له طبيعة الجسيمات والموجات في نفس الوقت. إذا كان بإمكان المرء أن يقول هذا عن السحر: "كل هذه موجات ، وموجات فقط" ، فسيكون هذا وصفًا شعريًا رائعًا لفيزياء الكم. في الواقع ، كل شيء في هذا الكون له طبيعة موجية.

بالطبع ، كل شيء في الكون له طبيعة الجسيمات. يبدو غريبًا ، لكنه كذلك.

إن وصف الأشياء الحقيقية بأنها جسيمات وموجات في نفس الوقت سيكون غير دقيق إلى حد ما. بالمعنى الدقيق للكلمة ، فإن الأشياء التي وصفتها فيزياء الكم ليست جسيمات وموجات ، ولكنها تنتمي إلى الفئة الثالثة ، التي ترث خصائص الموجات (التردد وطول الموجة ، جنبًا إلى جنب مع الانتشار في الفضاء) وبعض خصائص الجسيمات (يمكن عدها ومترجمة إلى درجة معينة). يؤدي هذا إلى نقاش حيوي في مجتمع الفيزياء حول ما إذا كان من الصحيح حتى الحديث عن الضوء كجسيم. ليس بسبب وجود تناقض في ما إذا كان للضوء طبيعة جسيمية ، ولكن لأن استدعاء الفوتونات "جسيمات" بدلاً من "إثارة المجال الكمي" يُضلل الطلاب. ومع ذلك ، فإن هذا ينطبق أيضًا على ما إذا كان بالإمكان تسمية الإلكترونات بالجسيمات ، لكن مثل هذه الخلافات ستبقى في الدوائر الأكاديمية البحتة.

تنعكس هذه الطبيعة "الثالثة" للأجسام الكمومية في اللغة المربكة أحيانًا للفيزيائيين الذين يناقشون الظواهر الكمومية. تم اكتشاف بوزون هيغز كجسيم في مصادم الهادرون الكبير ، لكنك ربما سمعت عبارة "حقل هيغز" ، مثل هذا الشيء غير المحدد الذي يملأ كل الفضاء. هذا لأنه في ظل ظروف معينة ، مثل تجارب اصطدام الجسيمات ، يكون من الأنسب مناقشة إثارة مجال هيغز بدلاً من وصف الجسيم ، بينما في ظل ظروف أخرى ، مثل المناقشات العامة حول سبب امتلاك جسيمات معينة كتلة ، يكون ذلك أكثر ملاءمة لمناقشة الفيزياء من حيث التفاعلات مع الكم مجالًا ذو أبعاد عالمية. إنها مجرد لغات مختلفة تصف نفس الأشياء الرياضية.

فيزياء الكم منفصلة

كل شيء باسم الفيزياء - تأتي كلمة "كم" من اللاتينية "كم" وتعكس حقيقة أن النماذج الكمومية تتضمن دائمًا شيئًا يأتي بكميات منفصلة. تأتي الطاقة الموجودة في المجال الكمومي في شكل مضاعفات بعض الطاقة الأساسية. بالنسبة للضوء ، يرتبط هذا بالتردد والطول الموجي للضوء - فالضوء عالي التردد وقصير الموجة له ​​طاقة مميزة ضخمة ، بينما الضوء منخفض التردد وطويل الموجة له ​​طاقة مميزة قليلة.

في كلتا الحالتين ، في هذه الأثناء ، إجمالي الطاقة الموجودة في مجال ضوئي منفصل هي عدد صحيح مضاعف لهذه الطاقة - 1 ، 2 ، 14 ، 137 مرة - ولا توجد كسور غريبة مثل واحد ونصف ، "باي" أو المربع جذر اثنين. تُلاحظ هذه الخاصية أيضًا في مستويات الطاقة المنفصلة للذرات ، ونطاقات الطاقة محددة - بعض قيم الطاقة مسموح بها ، والبعض الآخر غير مسموح به. تعمل الساعات الذرية بفضل التحفظ في فيزياء الكم ، باستخدام تردد الضوء المرتبط بالانتقال بين حالتين مسموح بهما في السيزيوم ، مما يسمح لك بالحفاظ على الوقت عند المستوى اللازم "للقفزة الثانية".

يمكن أيضًا استخدام التحليل الطيفي الدقيق للغاية للبحث عن أشياء مثل المادة المظلمة ، ويظل جزءًا من الدافع لعمل المعهد في الفيزياء الأساسية منخفضة الطاقة.

إنه ليس واضحًا دائمًا - حتى بعض الأشياء الكمومية من حيث المبدأ ، مثل إشعاع الجسم الأسود ، ترتبط بالتوزيعات المستمرة. ولكن عند الفحص الدقيق والاتصال بجهاز رياضي عميق ، تصبح نظرية الكم أكثر غرابة.

فيزياء الكم احتمالية

أحد الجوانب الأكثر إثارة للدهشة و (على الأقل تاريخيًا) للفيزياء الكمومية هو أنه من المستحيل التنبؤ على وجه اليقين بنتيجة تجربة واحدة مع نظام كمي. عندما يتنبأ الفيزيائيون بنتيجة تجربة معينة ، يكون تنبؤهم في شكل احتمالية العثور على كل نتيجة من النتائج المحتملة ، والمقارنات بين النظرية والتجربة تتضمن دائمًا اشتقاق توزيع احتمالي من العديد من التجارب المتكررة.

يأخذ الوصف الرياضي للنظام الكمي ، كقاعدة عامة ، شكل "دالة موجية" ، ممثلة في معادلات الزان اليوناني psi: Ψ. هناك العديد من المناقشات حول ماهية وظيفة الموجة بالضبط ، وقد قسموا علماء الفيزياء إلى معسكرين: أولئك الذين يرون وظيفة الموجة كشيء مادي حقيقي (المنظرون الوجوديون) ، وأولئك الذين يعتقدون أن وظيفة الموجة هي مجرد تعبير عن معرفتنا (أو عدم وجودها) بغض النظر عن الحالة الأساسية لجسم كمي معين (المنظرون المعرفيون).

في كل فئة من النموذج الأساسي ، لا يتم تحديد احتمال العثور على نتيجة مباشرة من خلال دالة الموجة ، ولكن من خلال مربع الدالة الموجية (تقريبًا ، لا تزال كما هي ؛ الدالة الموجية هي كائن رياضي معقد ( وبالتالي تتضمن أرقامًا تخيلية مثل الجذر التربيعي أو متغيره السلبي) ، وعملية الاحتمال أكثر تعقيدًا بعض الشيء ، لكن "مربع دالة الموجة" يكفي للحصول على الجوهر الأساسي للفكرة). يُعرف هذا باسم قاعدة بورن ، على اسم الفيزيائي الألماني ماكس بورن ، الذي قام بحسابها لأول مرة (في حاشية لورقة بحثية عام 1926) وفاجأ الكثير من الناس بتطبيقها القبيح. هناك عمل نشط في محاولة اشتقاق قاعدة بورن من مبدأ أكثر جوهرية ؛ ولكن حتى الآن لم ينجح أي منهم ، على الرغم من أنه ولّد الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام للعلم.

يقودنا هذا الجانب من النظرية أيضًا إلى وجود جسيمات في العديد من الحالات في نفس الوقت. كل ما يمكننا توقعه هو الاحتمال ، وقبل القياس بنتيجة معينة ، يكون النظام الذي يتم قياسه في حالة وسيطة - حالة تراكب تتضمن جميع الاحتمالات الممكنة. ولكن ما إذا كان النظام في حالات متعددة حقًا أو غير معروف يعتمد على ما إذا كنت تفضل نموذجًا وجوديًا أو معرفيًا. كلاهما يقودنا إلى النقطة التالية.

فيزياء الكم ليست محلية

لم يتم قبول هذا الأخير على نطاق واسع على هذا النحو ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه كان مخطئًا. في ورقة بحثية صدرت عام 1935 ، جنبًا إلى جنب مع زملائه الشباب بوريس بودولكي وناثان روزين (ورقة EPR) ، قدم أينشتاين بيانًا رياضيًا واضحًا لشيء كان يزعجه لبعض الوقت ، وهو ما نسميه "التشابك".

ادعى عمل EPR أن فيزياء الكم قد أدركت وجود أنظمة يمكن من خلالها ربط القياسات التي تم إجراؤها في مواقع منفصلة على نطاق واسع بحيث تحدد نتيجة أحدهما الآخر. لقد جادلوا بأن هذا يعني أن نتائج القياسات يجب تحديدها مسبقًا بواسطة عامل مشترك ، لأنه بخلاف ذلك يجب نقل نتيجة قياس واحد إلى موقع آخر بسرعة أعلى من سرعة الضوء. لذلك ، يجب أن تكون فيزياء الكم غير مكتملة ، وهو تقريب لنظرية أعمق (نظرية "المتغير المحلي المخفي" ، حيث لا تعتمد نتائج القياسات الفردية على شيء أبعد من موقع القياس عن إشارة تنتقل بسرعة يمكن أن يغطي الضوء (محليًا) ، ولكن يتم تحديده بواسطة بعض العوامل المشتركة لكلا النظامين في زوج متشابك (متغير مخفي).

تم اعتبار الأمر برمته حاشية سفلية غير مفهومة لأكثر من 30 عامًا ، حيث بدا أنه لا توجد طريقة للتحقق منها ، ولكن في منتصف الستينيات ، توصل الفيزيائي الأيرلندي جون بيل إلى عواقب EPR بمزيد من التفصيل. أظهر بيل أنه يمكنك العثور على ظروف تتنبأ في ظلها ميكانيكا الكم بالارتباطات بين القياسات عن بُعد التي تكون أقوى من أي نظرية ممكنة مثل تلك التي اقترحها E و P و R. وقد تم اختبار هذا تجريبيًا في السبعينيات بواسطة John Kloser و Alain Aspect في أوائل الثمانينيات. x - أظهروا أن هذه الأنظمة المعقدة لا يمكن تفسيرها بأي نظرية متغير خفي محلي.

النهج الأكثر شيوعًا لفهم هذه النتيجة هو افتراض أن ميكانيكا الكم ليست محلية: أن نتائج القياسات التي يتم إجراؤها في موقع معين يمكن أن تعتمد على خصائص كائن بعيد بطريقة لا يمكن تفسيرها باستخدام إشارات تنتقل في سرعة الضوء. ومع ذلك ، فإن هذا لا يسمح بنقل المعلومات بسرعة فائقة ، على الرغم من بذل العديد من المحاولات للتحايل على هذا القيد باستخدام عدم التمركز الكمي.

تهتم فيزياء الكم (دائمًا تقريبًا) بالصغير جدًا

تشتهر فيزياء الكم بأنها غريبة لأن تنبؤاتها تختلف اختلافًا جذريًا عن تجربتنا اليومية. هذا لأن تأثيراته تكون أقل وضوحًا كلما زاد حجم الجسم - بالكاد سترى سلوك الموجة للجسيمات وكيف يتناقص الطول الموجي مع زيادة الزخم. الطول الموجي لجسم مجهري مثل كلب يمشي صغير للغاية لدرجة أنه إذا قمت بتكبير كل ذرة في غرفة بحجم النظام الشمسي ، فإن الطول الموجي للكلب سيكون بحجم ذرة واحدة في ذلك النظام الشمسي.

هذا يعني أن الظواهر الكمومية تقتصر في الغالب على مقياس الذرات والجسيمات الأساسية ، التي تكون كتلتها وتسارعاتها صغيرة بما يكفي بحيث يظل الطول الموجي صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن ملاحظته بشكل مباشر. ومع ذلك ، يتم بذل الكثير من الجهود لزيادة حجم النظام الذي يعرض التأثيرات الكمية.

فيزياء الكم ليست سحرًا

تقودنا النقطة السابقة إلى هذا بشكل طبيعي تمامًا: مهما بدت فيزياء الكم غريبة ، فمن الواضح أنها ليست سحرًا. ما يفترضه غريب بمعايير الفيزياء اليومية ، لكنه مقيد بشدة بقواعد ومبادئ رياضية مفهومة جيدًا.

لذا إذا أتى إليك أحدهم بفكرة "كمومية" تبدو مستحيلة - طاقة غير محدودة ، قوة شفاء سحرية ، محركات فضائية مستحيلة - فمن شبه المؤكد أنها مستحيلة. هذا لا يعني أنه لا يمكننا استخدام فيزياء الكم للقيام بأشياء لا تصدق: نحن نكتب باستمرار عن اختراقات مذهلة باستخدام الظواهر الكمومية ، وقد فاجأوا البشرية بالفعل ، وهذا يعني فقط أننا لن نتجاوز قوانين الديناميكا الحرارية والفطرة السليمة.

إذا لم تكن النقاط المذكورة أعلاه كافية بالنسبة لك ، فاعتبر هذه مجرد نقطة بداية مفيدة لمزيد من المناقشة.

WikiHow هو موقع wiki ، مما يعني أن العديد من مقالاتنا كتبها مؤلفون متعددون. عند إنشاء هذه المقالة ، عمل 11 شخصًا على تحريرها وتحسينها ، بما في ذلك عدم الكشف عن هويتهم.

فيزياء الكم (تُعرف أيضًا باسم نظرية الكم أو ميكانيكا الكم) هي فرع منفصل للفيزياء يتعامل مع وصف سلوك وتفاعل المادة والطاقة على مستوى الجسيمات الأولية والفوتونات وبعض المواد عند درجات حرارة منخفضة جدًا. يُعرَّف المجال الكمي بأنه "الإجراء" (أو في بعض الحالات الزخم الزاوي) لجسيم يقع ضمن نطاق حجم ثابت فيزيائي صغير يسمى ثابت بلانك.

خطوات

ثابت بلانك

ابدأ بتعلم المفهوم المادي لثابت بلانك.في ميكانيكا الكم ، ثابت بلانك هو مقدار الفعل ، ويُشار إليه بـ ح. وبالمثل ، لتفاعل الجسيمات الأولية ، فإن الكم الزخم الزاويهو ثابت بلانك المختزل (ثابت بلانك مقسومًا على 2 π) يُشار إليه على أنه ħ ويسمى "h بشرطة". قيمة ثابت بلانك صغيرة للغاية ، فهو يجمع بين تلك اللحظات من الاندفاع وتسميات الأفعال التي لها مفهوم رياضي أكثر عمومية. اسم ميكانيكا الكميعني أن بعض الكميات الفيزيائية ، مثل الزخم الزاوي ، يمكن أن تتغير فقط بتكتم، غير مستمر ( سم.التناظرية) الطريقة.

• على سبيل المثال ، الزخم الزاوي لإلكترون مرتبط بذرة أو جزيء يتم تحديده كميًا ويمكنه فقط أخذ قيم مضاعفة لثابت بلانك المختزل. يزيد هذا التكميم مدار الإلكترون من خلال سلسلة من عدد الكم الأولي الصحيح. في المقابل ، فإن الزخم الزاوي للإلكترونات القريبة غير المرتبطة لا يتم تكميمه. يستخدم ثابت بلانك أيضًا في نظرية الكم للضوء ، حيث يكون كم الضوء عبارة عن فوتون ، وتتفاعل المادة مع الطاقة من خلال نقل الإلكترونات بين الذرات ، أو "القفزة الكمية" للإلكترون المرتبط.
• يمكن أيضًا اعتبار وحدات ثابت بلانك بمثابة لحظة زمنية للطاقة. على سبيل المثال ، في مجال فيزياء الجسيمات ، يتم تمثيل الجسيمات الافتراضية ككتلة من الجسيمات التي تنبثق تلقائيًا من الفراغ على مساحة صغيرة جدًا وتلعب دورًا في تفاعلها. الحد الأقصى لعمر هذه الجسيمات الافتراضية هو طاقة (كتلة) كل جسيم. ميكانيكا الكم لها مجال موضوع كبير ، لكن ثابت بلانك موجود في كل جزء رياضي منه.

1. تعرف على الجسيمات الثقيلة.تنتقل الجسيمات الثقيلة من الكلاسيكية إلى انتقال الطاقة الكمومية. حتى إذا كان الإلكترون الحر ، الذي له بعض الخصائص الكمومية (مثل الدوران) ، كإلكترون غير منضم ، يقترب من الذرة ويبطئ (ربما بسبب انبعاثه للفوتونات) ، فإنه ينتقل من السلوك الكلاسيكي إلى السلوك الكمي حيث تنخفض طاقته إلى الأسفل طاقة التأين. يرتبط الإلكترون بالذرة ويكون زخمه الزاوي فيما يتعلق بالنواة الذرية مقيدًا بالقيمة الكمومية للمدار الذي يمكن أن يشغله. هذا الانتقال مفاجئ. يمكن مقارنتها بنظام ميكانيكي يغير حالته من غير مستقر إلى مستقر ، أو يتغير سلوكه من بسيط إلى فوضوي ، أو حتى يمكن مقارنته بسفينة صاروخية تتباطأ وتقل سرعة الإقلاع ، وتدور حول بعضها نجم أو أي جسم سماوي آخر. على عكسهم ، لا تقوم الفوتونات (عديمة الوزن) بإجراء مثل هذا الانتقال: إنها ببساطة تعبر الفضاء دون تغيير حتى تتفاعل مع الجسيمات الأخرى وتختفي. إذا نظرت إلى السماء ليلاً ، فإن الفوتونات من بعض النجوم تسافر سنوات ضوئية دون تغيير ، ثم تتفاعل مع إلكترون في جزيء شبكتك ، وتنبعث طاقتها ، ثم تختفي.

مرحبا أيها القراء الأعزاء. إذا كنت لا تريد أن تتخلف عن الحياة ، وأن تكون شخصًا سعيدًا وصحيًا حقًا ، فيجب أن تعرف أسرار فيزياء الكم الحديثة ، على الأقل فكرة صغيرة عما حفره العلماء في أعماق الكون اليوم. ليس لديك وقت للخوض في التفاصيل العلمية العميقة ، لكنك تريد أن تفهم الجوهر فقط ، ولكن لترى جمال العالم المجهول ، فهذه المقالة: فيزياء الكم للدمى العادية أو ، كما يمكن للمرء ، لربات البيوت ، مجرد لك. سأحاول أن أشرح ما هي فيزياء الكم ، ولكن بكلمات بسيطة ، لإظهارها بوضوح.

تسأل "ما هي العلاقة بين السعادة والصحة وفيزياء الكم؟"

الحقيقة هي أنه يساعد في الإجابة على العديد من الأسئلة غير المفهومة المتعلقة بالوعي البشري ، وتأثير الوعي على الجسد. لسوء الحظ ، فإن الطب ، بالاعتماد على الفيزياء الكلاسيكية ، لا يساعدنا دائمًا في أن نكون أصحاء. ولا يمكن لعلم النفس أن يخبرك بشكل صحيح كيف تجد السعادة.

فقط المعرفة الأعمق بالعالم ستساعدنا على فهم كيفية التعامل حقًا مع المرض وأين تعيش السعادة. تم العثور على هذه المعرفة في الطبقات العميقة للكون. تأتي فيزياء الكم للإنقاذ. قريبا ستعرف كل شيء.

ماذا تدرس فيزياء الكم بكلمات بسيطة

نعم ، في الواقع ، يصعب فهم فيزياء الكم لأنها تدرس قوانين العالم المجهري. أي ، العالم في طبقاته العميقة ، على مسافات صغيرة جدًا ، حيث يصعب جدًا على الشخص النظر.

واتضح أن العالم يتصرف هناك بشكل غريب وغامض وغير مفهوم ، وليس كما اعتدنا عليه.

ومن هنا تأتي كل التعقيدات وسوء فهم فيزياء الكم.

لكن بعد قراءة هذا المقال ، سوف توسع آفاق معرفتك وتنظر إلى العالم بطريقة مختلفة تمامًا.

باختصار عن تاريخ فيزياء الكم

بدأ كل شيء في بداية القرن العشرين ، عندما لم تستطع الفيزياء النيوتونية تفسير أشياء كثيرة ووصل العلماء إلى طريق مسدود. ثم قدم ماكس بلانك مفهوم الكم. التقط ألبرت أينشتاين هذه الفكرة وأثبت أن الضوء لا ينتشر بشكل مستمر ، ولكن في أجزاء - كوانتا (فوتونات). قبل ذلك ، كان يعتقد أن للضوء طبيعة موجية.

ولكن كما اتضح لاحقًا ، فإن أي جسيم أولي ليس فقط كمًا ، أي جسيم صلب ، ولكنه أيضًا موجة. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها ثنائية الموجة الجسدية في فيزياء الكم ، وهي المفارقة الأولى وبداية اكتشافات الظواهر الغامضة للعالم المجهري.

بدأت المفارقات الأكثر إثارة للاهتمام عندما أجريت تجربة الشق المزدوج الشهيرة ، وبعد ذلك أصبحت الألغاز أكثر من ذلك بكثير. يمكننا القول أن فيزياء الكم بدأت معه. دعونا نلقي نظرة عليه.

تجربة الشق المزدوج في فيزياء الكم

تخيل لوحة ذات فتحتين على شكل خطوط عمودية. سنضع شاشة خلف هذه اللوحة. إذا وجهنا الضوء إلى اللوحة ، فسنرى نمط تداخل على الشاشة. وهذا هو ، بالتناوب خطوط عمودية مظلمة ومشرقة. التداخل هو نتيجة السلوك الموجي لشيء ما ، الضوء في حالتنا.

إذا قمت بتمرير موجة من الماء من خلال فتحتين تقعان جنبًا إلى جنب ، فسوف تفهم ما هو التداخل. وهذا يعني أن الضوء يشبه إلى حد ما طبيعة الموجة. ولكن كما أثبتت الفيزياء ، أو بالأحرى أينشتاين ، يتم نشرها بواسطة جسيمات الفوتون. بالفعل مفارقة. لكن لا بأس ، ثنائية الموجة الجسدية لن تفاجئنا بعد الآن. تخبرنا فيزياء الكم أن الضوء يتصرف مثل الموجة ولكنه يتكون من الفوتونات. لكن المعجزات بدأت للتو.

لنضع مسدسًا أمام صفيحة ذات فتحتين ، والتي لن تصدر ضوءًا ، بل تصدر إلكترونات. لنبدأ في إطلاق النار على الإلكترونات. ماذا سنرى على الشاشة خلف اللوحة؟

بعد كل شيء ، الإلكترونات هي جزيئات ، مما يعني أن تدفق الإلكترونات ، الذي يمر عبر شقين ، يجب أن يترك شريطين فقط على الشاشة ، وهما أثران مقابل الشقين. هل تخيلت أن الحصى تتطاير عبر فتحتين وتضرب الشاشة؟

لكن ماذا نرى حقا؟ كل نفس نمط التداخل. ما هو الاستنتاج: تنتشر الإلكترونات في موجات. إذن الإلكترونات موجات. لكن بعد كل شيء هو جسيم أولي. مرة أخرى ثنائية الموجة الجسدية في الفيزياء.

لكن يمكننا أن نفترض أنه على مستوى أعمق ، يكون الإلكترون جسيمًا ، وعندما تتجمع هذه الجسيمات ، فإنها تبدأ في التصرف مثل الموجات. على سبيل المثال ، موجة البحر هي موجة ، لكنها تتكون من قطرات الماء ، وعلى مستوى أصغر ، الجزيئات ، ثم الذرات. حسنًا ، المنطق صلب.

ثم دعونا نطلق النار من مسدس ليس بتيار من الإلكترونات ، لكن دعونا نطلق الإلكترونات بشكل منفصل ، بعد فترة زمنية معينة. كأننا نمر عبر الشقوق ليس موجة بحر ، لكن بصق قطرات فردية من مسدس مائي للأطفال.

من المنطقي تمامًا في هذه الحالة أن تسقط قطرات مختلفة من الماء في فتحات مختلفة. على الشاشة خلف اللوحة ، لا يمكن للمرء أن يرى نمط تداخل من الموجة ، ولكن هناك هامشان تصادمان مختلفان مقابل كل شق. سنرى نفس الشيء إذا ألقينا حجارة صغيرة ، فإنها تتطاير عبر شقين ، وتترك أثرًا ، مثل الظل من ثقبين. دعنا الآن نطلق النار على إلكترونات فردية لرؤية هذين الخطين على الشاشة من تأثيرات الإلكترون. أطلقوا سراح أحدهم وانتظروا والثاني انتظروا وهكذا. تمكن علماء فيزياء الكم من إجراء مثل هذه التجربة.

لكن الرعب. بدلاً من هذين الهامشين ، يتم الحصول على نفس بدائل التداخل لعدة أطراف. كيف ذلك؟ يمكن أن يحدث هذا إذا طار إلكترون من خلال شقين في نفس الوقت ، ولكن خلف اللوحة ، مثل الموجة ، يصطدم مع نفسه ويتدخل. لكن هذا لا يمكن أن يكون ، لأن الجسيم لا يمكن أن يكون في مكانين في نفس الوقت. إما أن تطير من خلال الفتحة الأولى أو الثانية.

هذا هو المكان الذي تبدأ فيه الأشياء الرائعة حقًا في فيزياء الكم.

التراكب في فيزياء الكم

من خلال تحليل أعمق ، اكتشف العلماء أن أي جسيم كمي أولي أو نفس الضوء (الفوتون) يمكن أن يتواجد في عدة أماكن في نفس الوقت. وهذه ليست معجزات ، لكنها حقائق حقيقية للعالم المصغر. هذا ما تقوله فيزياء الكم. لهذا السبب ، عند إطلاق جسيم منفصل عن المدفع ، نرى نتيجة التداخل. خلف اللوحة ، يصطدم الإلكترون بنفسه ويخلق نمط تداخل.

الكائنات العادية للعالم الكبير دائمًا في مكان واحد ، لها حالة واحدة. على سبيل المثال ، أنت الآن جالس على كرسي ، وزنك ، على سبيل المثال ، 50 كجم ، ومعدل النبض 60 نبضة في الدقيقة. بالطبع هذه المؤشرات ستتغير لكنها ستتغير بعد فترة. بعد كل شيء ، لا يمكنك أن تكون في المنزل والعمل في نفس الوقت ، بوزن 50 و 100 كجم. كل هذا مفهوم ، هذا هو الفطرة السليمة.

كل شيء مختلف في فيزياء العالم المصغر.

تدعي ميكانيكا الكم ، وقد تم تأكيد ذلك بالفعل تجريبيًا ، أن أي جسيم أولي يمكن أن يكون في نفس الوقت ليس فقط في عدة نقاط في الفضاء ، ولكن أيضًا له عدة حالات في نفس الوقت ، مثل الدوران.

كل هذا لا يتناسب مع الرأس ، يقوض الفكرة المعتادة للعالم ، قوانين الفيزياء القديمة ، يحول التفكير ، يمكن للمرء أن يقول بأمان أنه يدفعك للجنون.

هذه هي الطريقة التي نفهم بها مصطلح "التراكب" في ميكانيكا الكم.

يعني التراكب أن كائنًا من العالم المصغر يمكن أن يكون في نفس الوقت في نقاط مختلفة من الفضاء ، وله أيضًا عدة حالات في نفس الوقت. وهذا طبيعي للجسيمات الأولية. هذا هو قانون العالم المجهري ، مهما بدا غريباً ورائعاً.

أنت متفاجئ ، لكن هذه مجرد زهور ، أكثر المعجزات التي لا يمكن تفسيرها ، الألغاز والمفارقات في فيزياء الكم لم تأت بعد.

تنهار وظيفة الموجة في الفيزياء بعبارات بسيطة

ثم قرر العلماء أن يكتشفوا ويروا بدقة أكبر ما إذا كان الإلكترون يمر بالفعل عبر كلا الشقين. فجأة يمر عبر شق واحد ثم يفصل بطريقة ما ويخلق نمط تداخل أثناء مروره. حسنًا ، أنت لا تعرف أبدًا. أي أنك تحتاج إلى وضع جهاز بالقرب من الشق ، والذي من شأنه أن يسجل بدقة مرور الإلكترون من خلاله. سيتم التنفيذ قبل الانتهاء من سرد طلبك. بالطبع هذا صعب التنفيذ ، فأنت لست بحاجة إلى جهاز ، بل إلى شيء آخر لرؤية مرور الإلكترون. لكن العلماء فعلوها.

لكن في النهاية أذهلت النتيجة الجميع.

بمجرد أن نبدأ في البحث عن الشق الذي يمر عبره الإلكترون ، يبدأ في التصرف ليس مثل الموجة ، وليس مثل مادة غريبة تقع في نقاط مختلفة في الفضاء في نفس الوقت ، ولكن مثل الجسيم العادي. أي أنه يبدأ في إظهار الخصائص المحددة للكم: إنه يقع في مكان واحد فقط ، ويمر عبر فتحة واحدة ، وله قيمة دوران واحدة. ما يظهر على الشاشة ليس نمط تداخل ، ولكنه أثر بسيط مقابل الشق.

ولكن كيف يكون ذلك ممكنا. كأن الإلكترون يمزح ، يلعب معنا. في البداية ، يتصرف مثل الموجة ، وبعد ذلك ، بعد أن قررنا النظر إلى مروره عبر شق ، فإنه يعرض خصائص الجسيم الصلب ويمر عبر شق واحد فقط. ولكن هذا هو الحال في العالم المصغر. هذه هي قوانين فيزياء الكم.

لقد رأى العلماء خاصية غامضة أخرى للجسيمات الأولية. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها مفاهيم عدم اليقين وانهيار الدالة الموجية في فيزياء الكم.

عندما يطير الإلكترون نحو الفجوة ، يكون في حالة غير محددة أو ، كما قلنا أعلاه ، في حالة تراكب. أي أنها تتصرف مثل الموجة ، فهي تقع في وقت واحد في نقاط مختلفة في الفضاء ، ولها قيمتان تدور (الدوران له قيمتان فقط). إذا لم نلمسه ، ولم نحاول النظر إليه ، ولم نكتشف مكانه بالضبط ، وإذا لم نقيس قيمة دورانه ، فسوف يطير مثل الموجة عبر شقين في نفس الوقت ، مما يعني أنه سيخلق نمط تداخل. تصف فيزياء الكم مسارها ومعلماتها باستخدام دالة الموجة.

بعد إجراء القياس (ومن الممكن قياس جسيم من العالم المجهري فقط من خلال التفاعل معه ، على سبيل المثال ، عن طريق اصطدام جسيم آخر به) ، تنهار وظيفة الموجة.

أي أن الإلكترون الآن موجود بالضبط في مكان واحد في الفضاء ، وله قيمة دوران واحدة.

يمكن للمرء أن يقول أن الجسيم الأولي يشبه الشبح ، ويبدو أنه موجود ، لكنه في نفس الوقت ليس في مكان واحد ، ومع وجود احتمال معين يمكن أن يكون في أي مكان ضمن وصف الدالة الموجية. ولكن بمجرد أن نبدأ في الاتصال به ، فإنه يتحول من كائن شبحي إلى مادة ملموسة حقيقية تتصرف مثل الأشياء العادية في العالم الكلاسيكي المألوفة لنا.

تقولون "هذا رائع". بالتأكيد ، لكن عجائب فيزياء الكم قد بدأت للتو. الأكثر روعة لم يأت بعد. لكن دعنا نأخذ استراحة من وفرة المعلومات ونعود إلى مغامرات الكم مرة أخرى ، في مقال آخر. في غضون ذلك ، فكر فيما تعلمته اليوم. ما الذي يمكن أن تؤدي إليه مثل هذه المعجزات؟ بعد كل شيء ، هم يحيطون بنا ، هذه ملكية لعالمنا ، وإن كان ذلك على مستوى أعمق. هل ما زلنا نعتقد أننا نعيش في عالم ممل؟ لكننا سوف نستخلص النتائج في وقت لاحق.

حاولت أن أتحدث عن أساسيات فيزياء الكم باختصار وبشكل واضح.

لكن إذا كنت لا تفهم شيئًا ما ، فقم بمشاهدة هذا الكارتون حول فيزياء الكم ، حول التجربة ذات الشقين ، كل شيء يُقال أيضًا بلغة بسيطة ومفهومة.

كارتون عن فيزياء الكم:

أو يمكنك مشاهدة هذا الفيديو ، كل شيء سيقع في مكانه ، فيزياء الكم مثيرة جدًا للاهتمام.

فيديو عن فيزياء الكم:

كيف لم تعرف عن هذا من قبل؟

تعمل الاكتشافات الحديثة في فيزياء الكم على تغيير عالمنا المادي المألوف.

لقد غيرت فيزياء الكم بشكل جذري فهمنا للعالم. وفقًا لفيزياء الكم ، يمكننا التأثير في عملية التجديد بوعينا!

لماذا هذا ممكن؟من وجهة نظر فيزياء الكم ، فإن واقعنا هو مصدر إمكانات خالصة ، ومصدر للمواد الخام التي تتكون منها أجسامنا وعقلنا والكون بأكمله. لا يتوقف مجال الطاقة والمعلومات العالمي أبدًا عن التغير والتحول ، بل يتحول إلى شيء جديد كل ثانية.

في القرن العشرين ، أثناء التجارب الفيزيائية على الجسيمات دون الذرية والفوتونات ، تم اكتشاف أن حقيقة مراقبة مسار التجربة تغير نتائجها. ما نركز اهتمامنا عليه يمكن أن يتفاعل.

تم تأكيد هذه الحقيقة من خلال تجربة كلاسيكية تفاجئ العلماء في كل مرة. تم تكرارها في العديد من المعامل وتم الحصول على نفس النتائج دائمًا.

لهذه التجربة ، تم تجهيز مصدر ضوء وشاشة ذات شقين. كمصدر للضوء ، تم استخدام جهاز "يطلق" الفوتونات على شكل نبضات مفردة.

تم رصد مسار التجربة. بعد انتهاء التجربة ، ظهر خطان عموديان على ورق التصوير الفوتوغرافي الذي كان خلف الشقوق. هذه هي آثار الفوتونات التي مرت عبر الشقوق وأضاءت ورقة التصوير.

عندما تكررت هذه التجربة في الوضع التلقائي ، دون تدخل بشري ، تغيرت الصورة على ورق التصوير:

إذا قام الباحث بتشغيل الجهاز وغادر ، وبعد 20 دقيقة تطورت الورقة الفوتوغرافية ، لم يتم العثور على ورقين ، ولكن تم العثور على العديد من الخطوط الرأسية. كانت هذه آثار إشعاع. لكن الرسم كان مختلفا.

تشبه بنية الأثر على ورق التصوير أثر الموجة التي مرت عبر الشقوق ، ويمكن للضوء أن يُظهر خصائص الموجة أو الجسيم.

نتيجة لحقيقة الملاحظة البسيطة ، تختفي الموجة وتتحول إلى جزيئات. إذا لم تلاحظ ، فسيظهر أثر للموجة على ورق التصوير. تسمى هذه الظاهرة الفيزيائية بتأثير المراقب.

تم الحصول على نفس النتائج مع الجسيمات الأخرى. تكررت التجارب عدة مرات ، لكنها فاجأت العلماء في كل مرة. لذلك تم اكتشاف أنه على المستوى الكمي ، تتفاعل المادة مع انتباه الشخص. كان هذا جديدًا في الفيزياء.

وفقًا لمفاهيم الفيزياء الحديثة ، فإن كل شيء يتجسد من الفراغ. يسمى هذا الفراغ "المجال الكمومي" أو "المجال الصفري" أو "المصفوفة". يحتوي الفراغ على طاقة يمكن أن تتحول إلى مادة.

تتكون المادة من طاقة مركزة - هذا هو الاكتشاف الأساسي لفيزياء القرن العشرين.

لا توجد أجزاء صلبة في الذرة. تتكون الأجسام من ذرات. لكن لماذا الأشياء صلبة؟ لا يمر إصبع متصل بجدار من الطوب. لماذا ا؟ هذا بسبب الاختلافات في خصائص تردد الذرات والشحنات الكهربائية. كل نوع من الذرات له تردد اهتزاز خاص به. هذا يحدد الاختلافات في الخصائص الفيزيائية للأشياء. إذا كان من الممكن تغيير تردد اهتزاز الذرات التي يتكون منها الجسم ، فيمكن للشخص أن يمر عبر الجدران. لكن الترددات الاهتزازية لذرات اليد وذرات الجدار متقاربة. لذلك ، فإن الإصبع يقع على الحائط.

لأي نوع من التفاعل ، الرنين الترددي ضروري.

هذا سهل الفهم بمثال بسيط. إذا أضاءت جدارًا حجريًا بضوء مصباح يدوي ، فسيتم حظر الضوء بواسطة الحائط. ومع ذلك ، سوف يمر إشعاع الهاتف المحمول بسهولة عبر هذا الجدار. يتعلق الأمر برمته بالاختلافات في التردد بين إشعاع المصباح اليدوي والهاتف المحمول. أثناء قيامك بقراءة هذا النص ، تمر تدفقات مختلفة جدًا من الإشعاع عبر جسمك. هذه هي الإشعاع الكوني ، إشارات الراديو ، إشارات من ملايين الهواتف المحمولة ، الإشعاع القادم من الأرض ، الإشعاع الشمسي ، الإشعاع الناتج عن الأجهزة المنزلية ، إلخ.

لا تشعر به لأنه يمكنك فقط رؤية الضوء وسماع الصوت فقط.حتى لو جلست في صمت وعيناك مغمضتان ، فإن ملايين المحادثات الهاتفية وصور الأخبار التلفزيونية والرسائل الإذاعية تمر عبر رأسك. أنت لا تدرك ذلك ، لأنه لا يوجد صدى للترددات بين الذرات التي يتكون منها جسمك والإشعاع. ولكن إذا كان هناك صدى ، فأنت تتفاعل على الفور. على سبيل المثال ، عندما تتذكر أحد أفراد أسرته الذي فكر فيك للتو. كل شيء في الكون يخضع لقوانين الرنين.

يتكون العالم من الطاقة والمعلومات.قال أينشتاين ، بعد الكثير من التفكير في بنية العالم: "الحقيقة الوحيدة الموجودة في الكون هي الحقل". كما أن الأمواج هي من صنع البحر ، فإن كل مظاهر المادة: الكائنات الحية ، والكواكب ، والنجوم ، والمجرات هي من ابتكارات المجال.

السؤال الذي يطرح نفسه ، كيف يتم إنشاء المادة من الميدان؟ ما القوة التي تتحكم في حركة المادة؟

قادهم علماء البحث إلى إجابة غير متوقعة. قال مؤسس فيزياء الكم ، ماكس بلانك ، ما يلي خلال خطابه على جائزة نوبل:

"كل شيء في الكون مخلوق وموجود بسبب القوة. يجب أن نفترض أن وراء هذه القوة يوجد عقل واع ، وهو مصفوفة كل مادة.

يحكم الأمر بالوعي

في مطلع القرنين العشرين والحادي والعشرين ، ظهرت أفكار جديدة في الفيزياء النظرية تجعل من الممكن تفسير الخصائص الغريبة للجسيمات الأولية. يمكن أن تظهر الجسيمات من الفراغ وتختفي فجأة. يعترف العلماء بإمكانية وجود أكوان موازية.ربما تنتقل الجسيمات من طبقة من الكون إلى طبقة أخرى. يشارك مشاهير مثل ستيفن هوكينج وإدوارد ويتن وخوان مالداسينا وليونارد سسكيند في تطوير هذه الأفكار.

وفقًا لمفاهيم الفيزياء النظرية ، يشبه الكون دمية التعشيش ، والتي تتكون من العديد من دمى التعشيش - طبقات. هذه أشكال مختلفة من الأكوان - عوالم متوازية. تلك الموجودة بجانب بعضها البعض متشابهة جدًا. ولكن كلما ابتعدت الطبقات عن بعضها البعض ، قل التشابه بينها. نظريًا ، من أجل الانتقال من كون إلى آخر ، فإن سفن الفضاء ليست مطلوبة. تقع جميع الخيارات الممكنة واحدة داخل الأخرى. لأول مرة تم التعبير عن هذه الأفكار من قبل العلماء في منتصف القرن العشرين. في مطلع القرنين العشرين والحادي والعشرين ، تلقوا تأكيدًا رياضيًا. اليوم ، هذه المعلومات مقبولة بسهولة من قبل الجمهور. ومع ذلك ، قبل بضع مئات من السنين ، لمثل هذه التصريحات يمكن حرقها على المحك أو اعتبارها مجنونة.

كل شيء ينشأ من الفراغ. كل شيء في حالة حركة. العناصر مجرد وهم. تتكون المادة من الطاقة. كل شيء تم إنشاؤه بالفكر. اكتشافات فيزياء الكم لا تحتوي على أي جديد. كل هذا كان معروفا للحكماء القدماء. في العديد من التعاليم الصوفية ، التي كانت تعتبر سرية وكانت متاحة فقط للمبتدئين ، قيل أنه لا يوجد فرق بين الأفكار والأشياء.كل شيء في العالم مليء بالطاقة. الكون يستجيب للفكر. الطاقة تتبع الاهتمام.

يبدأ التغيير الذي تركز عليه انتباهك. ترد هذه الأفكار في صيغ مختلفة في الكتاب المقدس ، النصوص الغنوصية القديمة ، في التعاليم الصوفية التي نشأت في الهند وأمريكا الجنوبية. هذا ما توقعه بناة الأهرامات القديمة. هذه المعرفة هي مفتاح التقنيات الجديدة التي يتم استخدامها اليوم للتلاعب بالواقع.

جسدنا هو مجال للطاقة والمعلومات والذكاء ، وهو في حالة من التبادل الديناميكي المستمر مع البيئة. نبضات العقل باستمرار ، كل ثانية ، تمنح الجسم أشكالًا جديدة للتكيف مع متطلبات الحياة المتغيرة.

من وجهة نظر فيزياء الكم ، فإن جسدنا المادي ، تحت تأثير أذهاننا ، قادر على تحقيق قفزة نوعية من عصر بيولوجي إلى آخر دون المرور بكل العصور الوسيطة. نشرت

ملاحظة. وتذكر ، بمجرد تغيير استهلاكك ، فإننا نغير العالم معًا! © econet

مرحبا بكم في المدونة! أنا سعيد جدا لك!

بالتأكيد سمعت مرات عديدة حول الألغاز التي لا يمكن تفسيرها لفيزياء الكم وميكانيكا الكم. قوانينها مبهرة بالتصوف ، وحتى الفيزيائيون أنفسهم يعترفون بأنهم لا يفهمونها تمامًا. من ناحية ، من الغريب فهم هذه القوانين ، ولكن من ناحية أخرى ، لا يوجد وقت لقراءة الكتب متعددة المجلدات والمعقدة في الفيزياء. أفهمك كثيرًا ، لأنني أيضًا أحب المعرفة والبحث عن الحقيقة ، لكن لا يوجد وقت كافٍ لجميع الكتب. لست وحدك ، فالكثير من الأشخاص الفضوليين يكتبون في سطر البحث: "فيزياء الكم للدمى ، ميكانيكا الكم للمبتدئين ، فيزياء الكم للمبتدئين ، ميكانيكا الكم للمبتدئين ، أساسيات فيزياء الكم ، أساسيات ميكانيكا الكم ، فيزياء الكم للأطفال ، ما هي ميكانيكا الكم ". هذا المنشور لك.

سوف تفهم المفاهيم الأساسية ومفارقات فيزياء الكم. من المقال سوف تتعلم:

• ما هو التدخل؟
• ما هو الدوران والتراكب؟
• ما هو "القياس" أو "انهيار الدالة الموجية"؟
• ما هو التشابك الكمي (أو النقل الآني الكمي للدمى)؟ (انظر المقال)
• ما هي تجربة شرودنجر الفكرية؟ (انظر المقال)

ما هي فيزياء الكم وميكانيكا الكم؟

ميكانيكا الكم جزء من فيزياء الكم.

لماذا يصعب فهم هذه العلوم؟ الجواب بسيط: فيزياء الكم وميكانيكا الكم (جزء من فيزياء الكم) تدرس قوانين العالم المجهري. وهذه القوانين تختلف تمامًا عن قوانين عالمنا الكبير. لذلك ، يصعب علينا تخيل ما يحدث للإلكترونات والفوتونات في العالم المصغر.

مثال على الاختلاف بين قوانين العوالم الكبيرة والعوالم الدقيقة: في عالمنا الكبير ، إذا وضعت كرة في أحد الصندوقين ، فسيكون أحدهما فارغًا ، والآخر - كرة. لكن في العالم المصغر (إذا كان بدلاً من الكرة - الذرة) ، يمكن أن تكون الذرة في صندوقين في نفس الوقت. تم تأكيد هذا مرارا وتكرارا تجريبيا. أليس من الصعب وضعها في رأسك؟ لكن لا يمكنك المجادلة مع الحقائق.

مثال آخر.لقد صورت سيارة رياضية حمراء سريعة السباق وفي الصورة رأيت شريطًا أفقيًا ضبابيًا ، كما لو كانت السيارة في وقت الصورة من عدة نقاط في الفضاء. على الرغم مما تراه في الصورة ، فأنت لا تزال متأكدًا من أن السيارة كانت في الوقت الحالي عندما قمت بتصويرها. في مكان واحد محدد في الفضاء. ليس الأمر كذلك في العالم الجزئي. الإلكترون الذي يدور حول نواة الذرة لا يدور في الواقع ، ولكن تقع في وقت واحد في جميع نقاط الكرةحول نواة الذرة. مثل كرة من الصوف الناعم ملفوفة بشكل فضفاض. يسمى هذا المفهوم في الفيزياء "السحابة الإلكترونية" .

استطرادية صغيرة في التاريخ.لأول مرة ، فكر العلماء في عالم الكم عندما حاول الفيزيائي الألماني ماكس بلانك في عام 1900 اكتشاف سبب تغير لون المعادن عند تسخينها. كان هو الذي قدم مفهوم الكم. قبل ذلك ، اعتقد العلماء أن الضوء يسافر باستمرار. كان أول شخص أخذ اكتشاف بلانك على محمل الجد هو ألبرت أينشتاين المجهول آنذاك. لقد أدرك أن الضوء ليس مجرد موجة. في بعض الأحيان يتصرف مثل الجسيم. حصل أينشتاين على جائزة نوبل لاكتشافه أن الضوء ينبعث في أجزاء ، كوانتا. كمية الضوء تسمى الفوتون ( الفوتون ، ويكيبيديا) .

من أجل تسهيل فهم قوانين الكم الفيزياءو ميكانيكا (ويكيبيديا)، من الضروري ، بمعنى ما ، التجريد من قوانين الفيزياء الكلاسيكية المألوفة لدينا. وتخيل أنك غاصت ، مثل أليس ، في جحر الأرانب ، في بلاد العجائب.

وهنا رسم كاريكاتوري للأطفال والكبار.يتحدث عن التجربة الأساسية لميكانيكا الكم ذات الشقين والمراقب. تدوم 5 دقائق فقط. شاهده قبل الخوض في الأسئلة والمفاهيم الأساسية لفيزياء الكم.

فيزياء الكم للدمى فيديو. في الكارتون انتبه إلى "عين" المراقب. لقد أصبح لغزًا خطيرًا لعلماء الفيزياء.

ما هو التدخل؟

في بداية الرسوم الكاريكاتورية ، باستخدام مثال السائل ، تم توضيح كيف تتصرف الموجات - تظهر خطوط عمودية مظلمة وخفيفة بالتناوب على الشاشة خلف لوحة بها فتحات. وفي حالة "إطلاق" الجسيمات المنفصلة (على سبيل المثال ، الحصى) على اللوحة ، فإنها تطير عبر فتحتين وتضرب الشاشة المقابلة للفتحات مباشرةً. و "ارسم" على الشاشة شريطين عموديين فقط.

تدخل الضوء- هذا هو سلوك "الموجة" للضوء ، عندما يتم عرض الكثير من الخطوط العمودية الساطعة والداكنة بالتناوب على الشاشة. وتلك الخطوط العمودية يسمى نمط التداخل.

في عالمنا الكبير ، غالبًا ما نلاحظ أن الضوء يتصرف مثل الموجة. إذا وضعت يدك أمام الشمعة ، فلن يكون هناك ظل واضح من اليد على الحائط ، ولكن مع خطوط ضبابية.

لذلك ، ليس الأمر بهذه الصعوبة! من الواضح تمامًا الآن أن للضوء طبيعة موجية ، وإذا أُضيء شقان بالضوء ، فسنرى على الشاشة خلفهما نمط تداخل. الآن فكر في التجربة الثانية. هذه هي تجربة Stern-Gerlach الشهيرة (التي أجريت في العشرينات من القرن الماضي).

في التركيب الموصوف في الرسوم المتحركة ، لم يلمعوا بالضوء ، لكن "أطلقوا" الإلكترونات (كجزيئات منفصلة). بعد ذلك ، في بداية القرن الماضي ، اعتقد الفيزيائيون حول العالم أن الإلكترونات هي جسيمات أولية للمادة ولا ينبغي أن يكون لها طبيعة موجية ، ولكن مثل الحصى. بعد كل شيء ، الإلكترونات هي جسيمات أولية للمادة ، أليس كذلك؟ أي ، إذا تم "رميها" في فتحتين ، مثل الحصى ، فعندئذٍ على الشاشة خلف الفتحات يجب أن نرى خطين عموديين.

لكن ... كانت النتيجة مذهلة. رأى العلماء نمط تداخل - الكثير من الخطوط العمودية. وهذا يعني أن الإلكترونات ، مثل الضوء ، يمكن أن يكون لها أيضًا طبيعة موجية ، ويمكنها أن تتدخل. من ناحية أخرى ، أصبح من الواضح أن الضوء ليس مجرد موجة ، ولكنه أيضًا جسيم - فوتون (من الخلفية التاريخية في بداية المقال ، علمنا أن أينشتاين حصل على جائزة نوبل لهذا الاكتشاف).

قد تتذكر أنه في المدرسة قيل لنا في الفيزياء "ثنائية موجة الجسيمات"؟ هذا يعني أنه عندما يتعلق الأمر بجزيئات صغيرة جدًا (ذرات ، إلكترونات) في العالم الصغير ، إذن كلاهما موجات وجزيئات

اليوم أنا وأنت أذكياء جدًا ونفهم أن التجربتين الموصوفتين أعلاه - إطلاق الإلكترونات وإضاءة الفتحات بالضوء - هي واحدة واحدة. لأننا نطلق جسيمات كمومية في الشقوق. نحن نعلم الآن أن كلا من الضوء والإلكترونات ذات طبيعة كمومية ، فهما موجات وجزيئات في نفس الوقت. وفي بداية القرن العشرين ، كانت نتائج هذه التجربة ضجة كبيرة.

انتباه! الآن دعنا ننتقل إلى قضية أكثر دقة.

نلمع على شقوقنا بدفق من الفوتونات (الإلكترونات) - ونرى نمط تداخل (خطوط عمودية) خلف الشقوق على الشاشة. الأمر الواضح. لكننا مهتمون برؤية كيف يطير كل من الإلكترونات عبر الشق.

من المفترض أن إلكترونًا يطير إلى الشق الأيسر والآخر إلى اليمين. ولكن بعد ذلك يجب أن يظهر خطان عموديان على الشاشة مقابل الفتحات مباشرة. لماذا يتم الحصول على نمط التداخل؟ ربما تتفاعل الإلكترونات بطريقة ما مع بعضها البعض بالفعل على الشاشة بعد الطيران عبر الشقوق. والنتيجة هي مثل هذا النمط الموجي. كيف يمكننا متابعة هذا؟

سوف نرمي الإلكترونات ليس في شعاع ، ولكن واحدًا تلو الآخر. قم بإسقاطها ، انتظر ، قم بإسقاط التالي. الآن ، عندما يطير الإلكترون بمفرده ، فلن يكون قادرًا على التفاعل على الشاشة مع الإلكترونات الأخرى. سوف نسجل على الشاشة كل إلكترون بعد الرمية. واحد أو اثنان ، بالطبع ، لن "ترسم" صورة واضحة لنا. ولكن عندما نرسل الكثير منهم واحدًا تلو الآخر إلى الفتحات ، سنلاحظ ... يا رعب - لقد "رسموا" مرة أخرى نمط موجة تداخل!

نبدأ بالجنون ببطء. بعد كل شيء ، توقعنا أنه سيكون هناك خطين عموديين مقابل الفتحات! اتضح أنه عندما ألقينا الفوتونات واحدًا تلو الآخر ، مر كل واحد منهم ، كما كان ، من خلال شقين في نفس الوقت ويتدخل في نفسه. خيال! وسنعود إلى شرح هذه الظاهرة في القسم التالي.

ما هو الدوران والتراكب؟

نحن نعرف الآن ما هو التدخل. هذا هو السلوك الموجي للجسيمات الدقيقة - الفوتونات والإلكترونات والجسيمات الدقيقة الأخرى (دعنا نسميها الفوتونات للتبسيط من الآن فصاعدًا).

نتيجة للتجربة ، عندما ألقينا فوتونًا واحدًا في شقين ، أدركنا أنه يطير كما لو كان يمر عبر شقين في نفس الوقت. وإلا كيف تشرح نمط التداخل على الشاشة؟

ولكن كيف تتخيل صورة يطير فيها فوتون عبر شقين في نفس الوقت؟ هناك خياران.

• الخيار الأول:الفوتون ، مثل الموجة (مثل الماء) "يطفو" خلال شقين في نفس الوقت
• الخيار الثاني:الفوتون ، مثل الجسيم ، يطير في وقت واحد على طول مسارين (ليس حتى مسارين ، ولكن كل ذلك في وقت واحد)

من حيث المبدأ ، هذه العبارات متكافئة. لقد وصلنا إلى "مسار متكامل". هذه هي صياغة ريتشارد فاينمان لميكانيكا الكم.

بالمناسبة بالضبط ريتشارد فاينمانينتمي إلى التعبير المعروف أن يمكننا أن نقول بثقة أنه لا أحد يفهم ميكانيكا الكم

لكن هذا التعبير عن عمله في بداية القرن. لكننا الآن أذكياء ونعلم أن الفوتون يمكن أن يتصرف كجسيم وكموجة. يمكنه ، بطريقة غير مفهومة لنا ، الطيران في وقت واحد عبر فتحتين. لذلك ، سيكون من السهل علينا فهم البيان المهم التالي لميكانيكا الكم:

بالمعنى الدقيق للكلمة ، تخبرنا ميكانيكا الكم أن سلوك الفوتون هذا هو القاعدة وليس الاستثناء. أي جسيم كمي ، كقاعدة عامة ، يوجد في عدة حالات أو في عدة نقاط في الفضاء في وقت واحد.

لا يمكن أن تكون كائنات macroworld إلا في مكان واحد محدد وفي حالة واحدة محددة. لكن الجسيم الكمومي موجود وفقًا لقوانينه الخاصة. وهي لا تهتم لأننا لا نفهمهم. هذا هو المقصد.

يبقى لنا أن نقبل ببساطة كبديهية أن "التراكب" لجسم كمي يعني أنه يمكن أن يكون على مسارين أو أكثر في نفس الوقت ، عند نقطتين أو أكثر في نفس الوقت

الأمر نفسه ينطبق على معلمة فوتون أخرى - الدوران (الزخم الزاوي الخاص به). السبين هو ناقل. يمكن اعتبار الجسم الكمومي كمغناطيس مجهري. لقد اعتدنا على حقيقة أن متجه المغناطيس (الدوران) إما موجه لأعلى أو لأسفل. لكن الإلكترون أو الفوتون يخبرنا مرة أخرى: "يا رفاق ، نحن لا نهتم بما اعتدت عليه ، يمكننا أن نكون في كلتا حالتي الدوران في وقت واحد (متجه لأعلى ، متجه لأسفل) ، تمامًا كما يمكننا أن نكون على مسارين في نفس الوقت أو عند نقطتين في نفس الوقت!

ما هو "القياس" أو "انهيار الدالة الموجية"؟

يتبقى لنا القليل - لفهم ما هو "القياس" وما هو "انهيار دالة الموجة".

وظيفة الموجةهو وصف لحالة الجسم الكمومي (الفوتون أو الإلكترون).

لنفترض أن لدينا إلكترونًا ، فإنه يطير على نفسه في حالة غير محددة ، يتم توجيه دورانها لأعلى ولأسفل في نفس الوقت. نحن بحاجة إلى قياس حالته.

دعونا نقيس باستخدام مجال مغناطيسي: الإلكترونات التي يتم توجيه دورانها في اتجاه المجال سوف تنحرف في اتجاه واحد ، والإلكترونات التي يتم توجيه دورانها ضد المجال سوف تنحرف في الاتجاه الآخر. يمكن أيضًا إرسال الفوتونات إلى مرشح استقطاب. إذا كان اللف المغزلي (الاستقطاب) للفوتون يساوي +1 ، فإنه يمر عبر المرشح ، وإذا كان -1 ، فإنه لا يمر.

قف! هذا هو المكان الذي يطرح فيه السؤال حتماً:قبل القياس ، بعد كل شيء ، لم يكن للإلكترون اتجاه دوران معين ، أليس كذلك؟ هل كان في جميع الولايات في نفس الوقت؟

هذه هي الحيلة والإحساس في ميكانيكا الكم.. طالما أنك لا تقيس حالة الجسم الكمومي ، فيمكنه الدوران في أي اتجاه (يكون له أي اتجاه لمتجه الزخم الزاوي الخاص به - الدوران). لكن في الوقت الذي قمت فيه بقياس حالته ، يبدو أنه يقرر أي متجه للدوران يجب أن يتخذه.

هذا الجسم الكمومي رائع جدًا - فهو يتخذ قرارًا بشأن حالته.ولا يمكننا التنبؤ مسبقًا بالقرار الذي ستتخذه عندما تطير في المجال المغناطيسي الذي نقيسه فيه. احتمال أن يقرر أن يكون له متجه دوراني "لأعلى" أو "لأسفل" هو 50 إلى 50٪. ولكن بمجرد أن يقرر ، يكون في حالة معينة مع اتجاه دوران محدد. سبب قراره "بعدنا"!

هذا يسمي " انهيار وظيفة الموجة ". كانت وظيفة الموجة قبل القياس غير محددة ، أي كان متجه دوران الإلكترون في نفس الوقت في جميع الاتجاهات ، بعد القياس ، حدد الإلكترون اتجاهًا معينًا لمتجه الدوران.

انتباه! مثال ممتاز على ارتباط من عالمنا الكبير للفهم:

قم بتدوير عملة معدنية على الطاولة مثل القمة. أثناء دوران العملة المعدنية ، ليس لها معنى محدد - رؤوس أو ذيول. ولكن بمجرد أن تقرر "قياس" هذه القيمة وضرب العملة بيدك ، فهذا هو المكان الذي تحصل فيه على الحالة المحددة للعملة - رؤوس أو ذيول. تخيل الآن أن هذه العملة تحدد القيمة التي "تظهر لك" - الرؤوس أو الذيل. يتصرف الإلكترون بنفس الطريقة تقريبًا.

الآن تذكر التجربة التي ظهرت في نهاية الرسوم المتحركة. عندما تم تمرير الفوتونات عبر الشقوق ، فإنها تتصرف مثل الموجة وتظهر نمط تداخل على الشاشة. وعندما أراد العلماء تحديد (قياس) اللحظة التي تمر فيها الفوتونات عبر الشق وتضع "مراقبًا" خلف الشاشة ، بدأت الفوتونات تتصرف ليس مثل الموجات ، ولكن مثل الجسيمات. و "رسم" شريطين عموديين على الشاشة. هؤلاء. في لحظة القياس أو الملاحظة ، تختار الكائنات الكمية نفسها الحالة التي يجب أن تكون فيها.

خيال! أليس كذلك؟

ولكن هذا ليس كل شيء. أخيرا نحن حصلت على الأكثر إثارة للاهتمام.

لكن ... يبدو لي أنه سيكون هناك الكثير من المعلومات ، لذلك سننظر في هذين المفهومين في منشورات منفصلة:

• ماذا او ما ؟
• ما هي التجربة الفكرية.

والآن ، هل تريد أن توضع المعلومات على الرفوف؟ شاهد فيلمًا وثائقيًا من إنتاج المعهد الكندي للفيزياء النظرية. في غضون 20 دقيقة ، سيخبرك باختصار شديد وبترتيب زمني عن جميع اكتشافات فيزياء الكم ، بدءًا من اكتشاف بلانك في عام 1900. وبعد ذلك سيخبرونك بالتطورات العملية التي يتم إجراؤها حاليًا على أساس معرفة فيزياء الكم: من الساعات الذرية الأكثر دقة إلى الحسابات فائقة السرعة للحاسوب الكمومي. أوصي بشدة بمشاهدة هذا الفيلم.

أرك لاحقًا!

أتمنى لك كل الإلهام لجميع خططك ومشاريعك!

ملاحظة 2 اكتب أسئلتك وأفكارك في التعليقات. اكتب ، ما هي الأسئلة الأخرى حول فيزياء الكم التي تهتم بها؟

ملاحظة 3 الاشتراك في المدونة - نموذج الاشتراك الموجود أسفل المقال.