الافتراض العام هو أن نظرية الكم تتعامل مع ظواهر ذات حجم ذري وما دونه، ولكن هل لها تأثيرات على الأنظمة العيانية؟
الجواب هو نعم على الاطلاق.
امير سيجال
الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/quantfuture.html
الافتراض العام هو أن نظرية الكم تتعامل مع ظواهر ذات حجم ذري وما دونه، ولكن هل لها تأثيرات على الأنظمة العيانية؟
الجواب هو نعم على الاطلاق.
التأثير على العالم العياني يأتي من خلال الاحتمال. إن الاحتمال الكلاسيكي لوجود جسيم عند طاقة معينة يختلف تمامًا عن الاحتمال الكمي. هناك اختلافان رئيسيان بين احتمالية وجود الجسيم في النظرية الكلاسيكية ونظرية الكم:
تسمح التوراة الكلاسيكية للجسيم بالحصول على أي طاقة من سلسلة من الأرقام.
تسمح نظرية الكم بوجود الجسيم فقط في طاقات منفصلة (أرقام معينة من القائمة).
هناك اختلاف آخر مهم جدًا في الإحصائيات يتمثل في تعريف الجسيمات الكمومية المتطابقة:
أولاً سوف نتخيل جسيمين في الفضاء الفارغ. يقول الوصف الكلاسيكي أنه يمكن تمييز الجزيئات، ويمكن إعطاء كل منها رقمًا تسلسليًا. تقول نظرية الكم شيئًا مختلفًا: الجسيمات متطابقة تمامًا بحيث لا يمكن التمييز بينها على الإطلاق. إذا تم تبادل الجسيمين، فلن نتمكن من معرفة حدوث مثل هذا التبادل. ولذلك لا يمكن إعطاء رقم تسلسلي لكل منهم.
سنقوم الآن بفصل نوعين من الجسيمات الكمومية - البوزونات والفرميونات (كل جسيم أولي ينتمي إلى إحدى هذه المجموعات):
سوف نستخدم حقيقة أن تبادل الجسيمين مع بعضهما البعض هو نفس عملية النسخ في الفضاء.
البوزونات - البوزونات هي جسيمات لا تتغير وظيفتها الموجية عند الانعكاس في الفضاء (تماثل الانعكاس).
الفرميونات - الفرميونات تتغير بالفعل تحت الانعكاس في الفضاء، وتحصل دالتها الموجية على علامة ناقص (مضادة للتماثل للانعكاس).
لنفترض الآن أن لدينا فرميونين في نفس الحالة الكمومية: إذا أجرينا انعكاسًا في الفضاء، فإن الوظائف الموجية للفرميونات ستحصل على علامة سالب، لكننا قلنا أن عملية الانعكاس هي نفس عملية تبادل الجسيمات المتطابقة مع بعضها البعض لذلك لا ينبغي أن يكون هناك أي تغيير في وظائف الموجة. الدالة الوحيدة التي تساوي سالب نفسها هي... صفر!
الخلاصة: لا يمكن أن يكون هناك فرميونان (أو أكثر) في نفس الحالة الكمومية. هذا هو قانون الاستبعاد لباولي.
مثال:
الإلكترونات هي فرميونات، لذلك لا يمكن أن يكون هناك إلكترونين في صندوق لهما نفس الدوران ونفس السرعة.
ومن هذه الاختلافات يتضح عدد الحالات المحتملة للنظام العياني، واحتمالية الحالة
عيانية معينة، مختلفة تمامًا عن الفيزياء الكلاسيكية. البلورة الصغيرة لها قيمة مقدارها 10 أس 20 للجسيمات، لذلك يصبح الانحراف الاحتمالي لجسيم واحد ظاهرة قابلة للقياس.
وهنا بعض الأمثلة:
التوصيل الكهربائي: ينشأ تيار كهربائي في سلك عادي عن طريق حركة الإلكترونات في السلك. وكما ذكرت فإن قانون باولي للحظر لا يسمح لجميع الإلكترونات بالتحرك بنفس السرعة، وبالتالي فإن شدة التيار التي تتنبأ بها النظرية الكلاسيكية تختلف كثيرا عن الشدة التي تتنبأ بها نظرية الكم. في الواقع، لا بد من حساب التصادمات المختلفة للإلكترونات مع المادة، وهنا أيضًا يوجد فرق بين النظرية الكلاسيكية ونظرية الكم. تعطي نظرية الكم تنبؤات تتوافق بشكل جيد مع التجربة (على عكس التنبؤات الكلاسيكية).
الموصلية الفائقة: تصبح العديد من المواد موصلة فائقة عند درجات حرارة منخفضة (تنخفض مقاومتها الكهربائية إلى الصفر عند درجة حرارة بضع درجات فوق الصفر المطلق). تم اكتشاف ظاهرة الموصلية الفائقة في بداية القرن العشرين، فقط في الخمسينيات تم اقتراح نموذج كمي لتفسير الظاهرة (نموذج BCS للجذب بين أزواج الإلكترونات، يتأثر النموذج بحقيقة أن الإلكترونات هي فرميونات). هذه الظاهرة ليس لها تفسير كلاسيكي.
في الواقع، الإلكترونات الموجودة في الذرة هي أيضًا موصلات فائقة، ولكن بمعنى مختلف قليلاً (بغض النظر عن نموذج BCS). ووفقًا للنموذج الكلاسيكي، ينبغي أن تطلق إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، وتصل إلى نواة الذرة خلال جزء من مليار من الثانية. حقيقة أنها لا تسقط ولكنها تستمر في إحاطة نواة الذرة بأمانة تم شرحها في النموذج الكمي.
السيولة الفائقة: مثل الموصلات الفائقة، هناك سوائل ينخفض احتكاكها الداخلي إلى الصفر عند درجات حرارة منخفضة جدًا. السوائل مثل البيرة لها خصائص غريبة، إذا قمنا بتحريك السائل، فإنه سيستمر في الخلط ولن يتوقف. وهنا أيضًا يكون التفسير كميًا. تعتبر ظواهر الموصلية الفائقة والسائلة أمثلة على "تكثيف بوزون آينشتاين"، وهو تأثير كمي تنخفض فيه العديد من جزيئات البوزون إلى حالة طاقة منخفضة عند درجة حرارة منخفضة. فكرة الموصلية الفائقة هي أن زوجًا من الإلكترونات (تذكر أن الإلكترونات عبارة عن فرميونات) يمكن اعتباره تقريبًا جسيمًا جديدًا يتصرف مثل البوزون.
المواد الفيرومغناطيسية: هناك مواد (مثل النيكل Ni) ينشر حولها مجال مغناطيسي، دون أن يطبق عليها مجال مغناطيسي خارجي. تسمى المواد مثل الحديد بالمغناطيسات الحديدية. يتم إنشاء مجال مغناطيسي بسبب التيارات الكهربائية. تتنبأ النظرية الكلاسيكية أنه داخل مادة في حالة توازن حراري، سوف تلغي التيارات بعضها البعض بحيث لا يتم إنشاء أي مجال مغناطيسي. لا تسمح نظرية الكم بتدفق الإلكترونات في كل المسارات الممكنة، ولكن فقط في مسارات معينة، وبالتالي فإن المسارات لن تلغي بعضها البعض دائمًا. بالإضافة إلى ذلك، تقدم نظرية الكم خاصية جديدة للإلكترون - الدوران. يمكن أن يساهم دوران الإلكترون (كما لو كان يدور حول نفسه) في مغناطيسية المادة.
إشعاع الجسم الأسود: الإشعاع الكهرومغناطيسي المحصور في صندوق، لا يمكن وصفه بشكل كلاسيكي. يعطي الحساب الكلاسيكي نتيجة لا نهائية لطاقة الإشعاع (كارثة الأشعة فوق البنفسجية). نظرية الكم تعطي نتيجة نهائية. إن توزيع الإشعاع الذي تتنبأ به نظرية الكم يتوافق تمامًا مع إشعاع الخلفية الكونية (الإشعاع الذي انتشر بعد حوالي 300,000 ألف سنة من الانفجار الأعظم). يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي من فوتونات، والفوتونات هي بوزونات.
الليزر: تم تفعيل أول ليزر في الستينيات، بعد أن اقترح الباحثون في نظرية الكم إمكانية إنتاج مثل هذا الشعاع الضوئي. الليزر عبارة عن شعاع من الفوتونات ذات طول موجي موحد للغاية وتماسك عالي. يتم إنشاء شعاع الليزر نتيجة لنظام كمي (غازي أو بلوري) بمستويات طاقة منفصلة. من الضروري حقن الكثير من الطاقة في النظام، ونتيجة لذلك ترتفع الإلكترونات الموجودة في ذرات النظام إلى مستوى طاقة مرتفع.
وعندما تهبط مرة أخرى إلى مستوى منخفض، فإنها تبعث فوتونات ذات طول موجي محدد للغاية. هذا هو الليزر.
هناك العديد من الظواهر العيانية الأخرى التي يكون تفسيرها كميًا. لقد اعتدنا على التفكير في نظرية الكم باعتبارها دراسة أساسية للجسيمات الأولية (وهي دراسة أحترمها كثيرًا)، ولكن من المهم أن نفهم أن يد نظرية الكم تصل إلى كل ركن من أركان حياتنا. بدءًا من المغناطيس المتصل بالثلاجة في المطبخ، مرورًا بالأسلاك الكهربائية في منازلنا، وحتى إشعاع الخلفية الكونية الذي يحيط بنا.
امير سيجال
خبير فيزياء
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~915148639~~~95&SiteName=hayadan
