المفاهيم الأساسية في فيزياء الكم: ما هو الدوران؟

ما هو الدوران؟ ومن أين جاءت الفكرة؟ هذه قصة عن الخطوات الصغيرة والتخمينات الذكية والنضال ضد العمالقة

إذا سألت طلاب الفيزياء ما هو الدوران، فليس من المؤكد أن الجميع سيعرفون الإجابة. ليس لأنهم لم يسمعوا عنها من قبل، ولكن لأن حدس الدوران في ميكانيكا الكم ليس هو نفسه نظيره الكلاسيكي. بدأت قصة الدوران في بداية القرن العشرين عندما تراكمت الأدلة على أن الذرات التي تحتوي على عدد زوجي من الإلكترونات تكون أكثر استقرارًا كيميائيًا من تلك التي تحتوي على عدد فردي من الإلكترونات. في عام 20، جادل إيرفينغ لانجموير بأن الجدول الدوري يمكن أن يفسر الاستقرار الكيميائي طالما أن الإلكترونات كانت مقيدة أو مجمعة بطريقة لم تكن واضحة في ذلك الوقت. وتعتمد الخواص الكيميائية على بنية الذرة التي كانت لا تزال في مهدها ولكن في عام 1919 بدأت الصورة تتضح أكثر. اقترح نيلز بور، أحد رواد نظرية الكم، فكرة أن الإلكترونات تدور حول النواة الذرية في مدارات منفصلة. تم استقبال الفكرة بتعاطف في المجتمع العلمي وتنبأت لأول مرة بالطبيعة الكمومية لجسيمات المادة. وعلى الرغم من النجاح، أشارت تجارب الفيزياء النووية إلى ضعف عدد الحالات المحتملة في الذرة لكل إلكترون على عكس التوقعات النظرية. تم التنبؤ بهذه الظاهرة في التجربة الشهيرة لأوتو ستيرن ووالتر جيرلاخ عام 1920. حيث مرر الفيزيائيون ذرات الفضة (محايدة كهربائيا) من خلال مجال مغناطيسي متغير ولاحظوا كيف ينقسم شعاع الفضة إلى شعاعين منفصلين، أحدهما يتحرك لأعلى والآخر لأسفل . في ذلك الوقت، نُسبت التجربة كدليل على الطبيعة المنفصلة التي تنبأ بها بور وسومرفلد، ولكن في المستقبل سيتم الاعتراف بها كتجربة أثبتت وجود الدوران الكمي. لفهم تجربة ستيرن جيرلاخ، عليك أن تعرف بعض الحقائق العلمية: الإلكترونات التي تتحرك في دوائر تولد مجالًا مغناطيسيًا بقوة تعتمد على مسار الإلكترون. يتفاعل المجال المغناطيسي الناتج مع المجالات المغناطيسية الخارجية وفي وجودها تمارس قوة على الجزيئات. نظرًا لأن المجال في تجربة ستيرن جيرلاخ ليس منتظمًا، فإن القوة المؤثرة على الجسيمات ليست صفرًا ونتيجة لذلك فإنها تنحرف مسارها - كلما زاد المجال الخارجي أو المجال الناتج على الجسيمات، زاد الانحراف. من هذه النقطة فصاعدًا، تلعب ميكانيكا الكم دورًا مهمًا - نظرًا لحقيقة أن الإلكترون يتحرك حول النواة في مدارات محددة، فإن المجال المغناطيسي الناتج عن الدوران حول النواة يكون أيضًا كميًا (أو منفصلاً). في حالة وجود مسارات منفصلة، ​​فإن جزيئات الفضة سوف تنحرف فقط على طول مسارات محددة، اعتمادًا على قوة المجال الذي تنتجه. يحدث الانقسام في التجربة لأن الإلكترون يمكن أن يدور في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. بالطبع هناك مشكلة في هذا التفسير: فنحن نعلم أن الإلكترونات لا تدور حول النواة حقًا، ولكنها توصف بأنها سحابة احتمالية في أشكال لا تشبه الدوائر حقًا (على الأقل ليس تلك الموجودة عند أدنى مستوى طاقة). في النهاية، قمنا بخلط الحدس الكلاسيكي والملاحظات من ميكانيكا الكم، وبالتالي فإن الفكرة ليست مطبوخة حقًا (سيتم تقديم تفسير أكثر تعمقًا لاحقًا في المقالة). وبالمناسبة، فقد أجريت التجربة أيضاً على شعاع إلكتروني (بدون نواة) وما زال الانقسام متوقعاً، مع أن قوة لورنتز تتنبأ بحركة الجسيمات المشحونة في اتجاه واحد! كيف؟

هذه التجارب إلى جانب تحليل الضوء المنبعث من الذرات النشطة دفعت فولفغانغ باولي إلى نشر مبدأ الحظر الشهير عام 1925 والذي بموجبه لا يمكن لإلكترونين أن يتقاسما نفس الأرقام الكمومية (وبعبارة أخرى، لا يمكن أن يكون إلكترونين في نفس الحالة الفيزيائية). لفتت هذه الفكرة الرائعة انتباه اثنين من علماء الفيزياء، وهما أولينبيك وجودشميت، وهما طالبا دكتوراه تحت إشراف بول أرنفيست. فكر الطلاب في طريقة بسيطة لشرح مبدأ الحظر، وهي أن الإلكترونات لها دوران داخلي، ليس من الدوران حول النواة ولكن من الدوران حول محورها. لقد شاركوا أفكارهم مع إهرنفيست الذي قرر إرسال رسالة إلى لورينز لمناقشة "الفكرة الذكية" معه. وسرعان ما رفض لورنتز الفكرة، بحجة أن دوران الإلكترون لا يتوافق مع النظرية الكهرومغناطيسية الكلاسيكية.

كان لدى لورينز سبب وجيه لعدم تصديق الشباب. لإنتاج المجال المغناطيسي للإلكترون والزخم الزاوي، وبالنظر إلى الحد الأعلى لحجمه، يجب أن يكون الدوران الداخلي أسرع من سرعة الضوء. بعد رد لورينز، توسل طالب الدكتوراه في أرنفيست بعدم نشر الفكرة، ولكن كان الأوان قد فات بالفعل. حاول إيرنفست تهدئة طلابه من خلال الادعاء بأن "أنتم صغار بما يكفي لتحمل فكرة غبية!". اتضح أنه قبل بضعة أشهر، فكر طالب دكتوراه آخر من جامعة كولومبيا في نفس الفكرة وقرر إرسال خطاب إلى باولي كمرجع. ورأى باولي أن الفكرة سخيفة، وردًا على الطالب قال: "هذه فكرة رائعة بالفعل، لكنها لا علاقة لها بالواقع". لم تنشر الدكتوراه الفكرة ولم تحصل على الفضل خوفا من الخطأ في النشر. ليس من قبيل الصدفة أن يقول أولينبيك إنه كان محظوظًا لأنه كان تلميذًا لإهرنفست وليس لباولي. ولحسن حظهم، أيد بور الفكرة الأصلية، وسرعان ما انضم إليه المجتمع العلمي. وفي وقت قصير نسبيًا، استخدمت عدة أوراق بحثية دوران الإلكترون لشرح تكوين الأقزام البيضاء، وسلوك الإلكترونات في المعادن، والنظرية الكاملة للديناميكا الكهربائية الكمومية.

وبعد تجربة شول التي أجراها تجربة ستيرن جيرلاخ على الإلكترونات، لم يعد هناك شك في وجود السبين الإلكتروني. أشارت التجارب التي أجريت في ستينيات القرن الماضي وما بعدها إلى وجود عدد أكبر من الجسيمات ذات الدوران المغزلي المشابه للإلكترون، ولم يعد المصطلح مقتصرًا على جسيم واحد. إذن ما هو الدوران؟ إذا كان التفسير الكلاسيكي غير كاف، فيجب أن تقدم ميكانيكا الكم إجابة. لنبدأ بالاسم، لماذا تدور؟ الاسم مستوحى من الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية - يؤثر المجال المغناطيسي الخارجي بشكل فريد على حركة الإلكترون المتحرك في مدار دائري (مع زخم زاوي). في تجربة ستيرن جيرلاخ، تتفاعل الإلكترونات بشكل مشابه مع الجسيمات ذات الزخم الزاوي، لكنها لا تدور حول نواة، لذا فإن التفسير الطبيعي هو أن الإلكترونات تدور حول نفسها. كلاسيكيا رأينا أن هذه الفكرة تتعارض مع النسبية الخاصة وبالتالي فإن القياس ليس دقيقا. وعلى الرغم من الجدل الدائر حول التفسير الكلاسيكي، فإن هذا لا يعني أنه لا يمكن ملاحظة ظواهر كمومية مماثلة عندما تدور الجسيمات الكلاسيكية حول نفسها. في المقالة وقد أظهر باحثون من الولايات المتحدة وفرنسا والسويد، منذ بضعة أيام، في مجلة Nature المرموقة، كيف يمكن أن تتصرف القطرات المرتدة بشكل مشابه للجزيئات ذات الدوران. قام الباحثون بترتيب القطرات في مصفوفة حلزونية وسمحوا لها بالدوران في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. من المفترض أن يشبه هيكل الشبكة البلورات والجزيئات الموجودة داخل القطرات. في كل مرة ترتد القطرة على سطح الماء، فإنها تخلق تموجًا تحتها يمكن أن يشعر به جيرانها. وأظهرت التجربة أن الجسيمات المرتدة تتفاعل مع التموجات المحيطة بها وتغير دورانها الداخلي. وعلى غرار المواد المغناطيسية التي تخلق مناطق لها نفس الدوران (أي بنفس الدوران الداخلي - في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة)، تميل القطرات أيضًا إلى ترتيب نفسها وفقًا لجيرانها. وفي ظل ظروف معينة، تمكن الباحثون من جعل جميع القطرات تصطف في نفس الاتجاه. الاتجاهية مهمة في المواد المغناطيسية - إذا كان الدوران يشبه المغناطيس الداخلي (يشبه جسيمًا يدور حول نواة مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا)، فكلما زاد عدد الإلكترونات الموجودة في نفس الاتجاه، زاد المجال المغناطيسي في المادة . ويظهر هذا التزامن في جميع أنواع الأنظمة في الطبيعة، بما في ذلك علم الأحياء. مع حلول الظلام، تومض اليراعات بترددات مختلفة، ولكن مع حلول الليل، يتزامن تردد الومضات في السرب.

في الثمانينيات، حاول مجتمع صغير من الباحثين وصف الدوران بمصطلحات كلاسيكية (تم الاستشهاد بنص حديث כאן). وفقًا لنظرية المجال، يوصف الإلكترون بمجال، وبالتالي لا يتعين عليه تحديد حجم محدود له. وادعى الباحثون أن التدفق الدائري للمجال الإلكتروني المطبق على الفضاء بأكمله يمكن أن يخلق نفس خصائص الدوران لجزيئات الطبيعة وخاصة الإلكترون. على الرغم من هذه الفكرة الرائعة، فإن الفيزياء الحديثة تتعامل مع الدوران بطريقة مختلفة، فهو ببساطة عبارة عن شحنة أخرى تحملها الجسيمات في الطبيعة، على غرار الشحنة الكهربائية أو الزخم الزاوي. وفقا لميكانيكا الكم، تنشأ الشحنات الداخلية من التناظر الذي يتجلى في الطبيعة. ينتج الزخم الزاوي أو الدوران من التماثل الدوراني للمحاور المكانية أو المحاور الداخلية في مجالات الجسيمات. وينطبق الشيء نفسه على الشحنة الكهربائية - فالمجال الكهرومغناطيسي لا يتغير في ظل تناظر المعايرة. ويرتبط هذا التناظر مع الحفاظ على الشحنة الكهربائية. إن العلاقة بين قوانين الحفظ والتناظر تتطلب فصلا خاصا بها، ولكن لتلخيص الأمور في ميكانيكا الكم، ينكسر الفكر الكلاسيكي ويبنى الحدس على أساس الرياضيات المتحررة من التحيز والإدراك البشري. في ميكانيكا الكم، الجسيمات هي في أغلب الأحيان كائنات ذات أرقام كمومية قابلة للقياس - الطاقة، والزخم الزاوي، والكتلة، والشحنة الكهربائية/اللون، والدوران. تؤثر هذه الأرقام الكمومية على ديناميكيات الجسيم، وعلى وجه الخصوص، يؤثر الدوران على سلوك الجسيمات في وجود مجال مغناطيسي خارجي أو جسيمات أخرى ذات دوران.

سأخصص كل أسبوع مقالًا عن فكرة أو مفهوم شائع في الفيزياء الحديثة. إذا كان لديك اقتراحات أو طلبات لهذه الزاوية، فنحن نرحب بك في الاتصال بي على عنوان البريد الإلكتروني: Noamphysics@gmail.com

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• المفاهيم الأساسية في فيزياء الكم: ازدواجية الموجة والجسيم
• تطور في مفارقة اختفاء المعلومات داخل الثقوب السوداء
• جهاز سيجعل من الممكن الإجابة على أحد الأسئلة المركزية في الفيزياء التي لا تزال دون إجابة
• تم اكتشاف حالة جديدة من التجميع في مادة ثنائية الأبعاد
• تمكن الباحثون من كتابة ذاكرة مغناطيسية متعددة الحالات باستخدام تيارات الدوران