الميكانيكية الكمية 1

الحقيقة العلمية الجديدة لا تنتصر بإقناع مناوئيها وتجعلهم يرون ضوء <الحقيقة>، ولكن لأن مناوئيها يموتون في نهاية المطاف،
ونسل جديد يألفها يكبر.

ماكس بلانك

تكلمنا في السابق عن النظرية النسبية الخاصة والنظرية النسبية العامة، ورأينا كيف غيرت هاتين النظريتين نظرتنا لما يدور حولنا في هذا العالم، انتقل آينشتاين من نظريات نيوتون حول الفضاء وطورها ليدمجها مع الوقت، ثم انتقل للجاذبية وجعلها نسبية أيضا، ولكن لم يعتبر آينشتين النظرية النسبية الخاصة بالنظرية الثورية، بل اعتبرها تعديلا لنظريات نيوتن، ولكنه اعتبر ذلك العلم الجديد الذي نسميه اليوم بالميكانيكة الكمية بأنه هو العلم الثوري. كما ذكر ذلك مانجيت كومار (Manjit Kumar) في كتابه كوانتم Quantum ^[1]Quantum أو الكمية، حيث ولدت المكانيكة الكمية قبل نشر آينشتين للنظرية النسبية بـ 5 سنوات. هذه النظرية، المكانيكية الكمية، نظرية معقدة، ولا يمكن حتى مقارنتها بالنظرية النسبية، فصحيح أن النظرية النسبية تخالف المتعارف عليه، ولكن بعد تعلمها بالإمكان فهمها وقبولها، في المقابل فإن الميكانكية الكمية نظرية لا تتمشى مع العقل، وتخالف أبسط مبادئ المنطق، ولا يمكن فهمها، ولكن العلماء قبلوا بها، قبلوا بها رياضيا، ووضعوا لها شروحا وتفسيرات تتماشى مع القوانين الرياضية وإن كانت غريبة، وغرابة هذه التفاسير وتعارضها مع المنطق فتح الباب للفلاسفة والروحانيين للاستفادة منها، وفتح الباب للمؤمنين والملحدين على حد سواء لدعم وجهات نظرهم، وإلى يومنا هذا لا يوجد من يستطيع أن يفسر العالم الصغير عالم المكانيكية الكمية بالشكل الذي يرفع هذه الغرابة، بل في كل مرحلة من مراحل تطور الفيزياء ازدادت اللامنطقية فيه.

لا تنسى أن تدعم السايوير بودكاست من خلال Patreon، كن مع الداعمين.
Become a Patron!

بداية علم الميكانيكية الكمية

بدأ علم المكانيكية الكمية مع العالم الألماني الكبير ماكس بلانك Max Planck ^[2]Max Planck في سنة 1900 في شهر ديسمبر بعد صراع طويل عريض على مدى سنوات مع إشعاعات الجسم الأسود Black Body Radiation ^[3]Black Body Radiation ، كانت له محاولات عدة في تفسير الإشعاعات الناجمة من الجسم الأسود والذي أسس فكرته العالم غاستوف كريتشوف Gustav Kirchhoff ^[4]Gustav Kirchhoff في سنة 1859، وبعد أن محاولات لعلاج موجات الإشعاعات ونشر عدة أوراق علمية ومناقشتها وإقامة التجارب عليها وفشلها، أتت هذه المحاولات بنجاح، ففتح بابا جديدا للعلم خالف فيه المنطق العلمي السائد آنذاك، الفكرة بشكل عام (لن أخوض في تفصيلها) أن السائد في ذلك الوقت أن الطاقة مستمرة في قيمها، ويمكن تقسيمها وتجزيئها إلى ما لا نهاية، ولكن التغيير الثوري الذي أحدثه بلانك أنه حول الطاقة إلى قيم محددة منفردة لا تتجزأ، فالمواد تمتص أو تصدر طاقة بكميات محددة، أو كَمية، وهذه الطاقة الكمية تكون كما لو كنت تتعامل في العملة، فمثلا في العملة الكويتية المعدينة هناك 100 فلس و 50 و 20 و 10و 5، أو مثل العملة المعدنية المصرية، جينه فضة، نصف جنيه، ربع جنيه، 20 قرش، 10 قرش، 5 قروش، لا يمكن تقسيم هذه للحصول على قيم مثل 2.5 قرش أو 15 قرش مثلا، هذه الفكرة كانت غريبة في عالم الفيزياء، وتعارض كل الأفكار الموجودة قبلها.

بعد أن وضع بلانك القاعدة الابتدائية للمكانيكية الكمية خرج المارد من القمقم، فبعد وضع المعادلات الرياضية، وبعد 5 سنوات وفي سنة 1905 أرسل آينشتين رسالة لصديقه يخبره بنيته نشر 4 أوراق علميه، وكل منها في موضوع مختلف، الأولى كانت عن طريقة لقياس حجم الذرة، الثانية عن الحركة البراونية، والثالثة في الكم، والرابعة كانت في نظرية ستغير الفضاء والوقت، وإن كانت الورقة الأخيرة في ذلك الوقت مسودة، فنشرها كلها في المجلة آنالين دير فيزيك (Annalen der Physik)، ما يهمنا هنا أنه كتب بحثا اعتمد فيه على فكرة الكم لبلانك حيث توصل إلى أن الضوء ينطلق بكم، أو فتونات، ومنها فسر انطلاق الإلكترونات في الظاهرة الكهروضوئية Photoelectric Effect ^[5]Photoelectric Effect . والغريب أن ماكس بلانك كان وقتها مستشارا للمجلة، وقرأ مقالات آينشتين ومباشرة قَبِل بالنظرية النسبية ولكنه لم يقبل بالفوتونات، وبالرغم من ذلك لم يرفض الأوراق، لتكون ورقة آينشتين في علاج الضوء سببا في حصوله على جائزة النوبل.

تفسير نيوتن

لنبدأ بالقصة من البداية، نيتون بدأ المشوار في تفسير الضوء على أنه جسيمات كورباسلز (corpuscles)، وفسر الكثير من خصائص الضوء بها، ولكن المشكلة أنه لم يستطع تفسير جميع خصائص الضوء وإن التف عليها التفاها ذكيا، في ذلك الوقت كانت أي محاولة للإعتراض على فكرة الجسيمات كانت تقابل بالرفض، وذلك لمكانته العلمية، فالكثير من العلماء حاول أن يفسر الضوء على أنه موجات ولكنه فشل أن يصمد أمام سمعة نيوتن، وخير دليل على سمعة نيوتن في ذلك الوقت ما قاله آليكزاندر بوب Alexander Pope ^[6]Alexander Pope ، “الطبيعة وقوانين الطبيعة تختبئ في الظلام، قال الله: ليكن نيوتن، فأنار كل شيء”.

في ذلك الوقت لم تكن الأدوات المناسبة للتجارب متوفرة، فلم يكن بالإمكان معارضة نيوتن بما فيه الكفاية، ولكن حتى بعد وفاته بأكثر من 50 عاما حينما قام العالم توماس يونج Tomas Young ^[7]Tomas Young بتجربة الشقين على الضوء (سأشرحها بعد قليل)، لم يستطع أن يقنع أحدا بأن الضوء عبارة عن موجات، فبعد أن نشر فكرته في كتاب قوبل كتابة بالرفض والهجوم اللاذع لأنه تحدى آراء نيوتن، فاضطر للرد بقوله، “مع كل تقديري لاسم نيوتن إني لست مرغما للاعتقاد أنه معصوم، لا أقولها بابتهاج ولكن بأسف أنه قد يكون مخطأ، وأن سلطته قد تكون وفي أوقات معينة أخرت تقدم العلم.” ولكن لم يباع من كتابه سوى نسخة واحدة. وبعده أتى مجموعة من العلماء والذي دعموا فكرة موجية الضوء فلم تصمد فكرة نيوتن، وأسس بعدها العالم الكبير مكاسويل Maxwell ^[8]Maxwell القوانين الأربع التي تحكم الموجات الكهرومغناطيسية لتدق هذه القوانين المسمار الأخير في نعش فكرة الجسميات لنيوتن، وخصوصا بعد أن أثبتت التجارب في أيام العالم الألماني هنريك هرتز Heinrich Hertz ^[9]Heinrich Hertz بما لا يدعو للشك أن الضوء هو موجات كهرومغناطيسية.

ولكن هل فعلا الضوء كذلك؟؟

اكتشف العلماء أنه حينما تسلط ضوءا على مادة ما فأن الإلكترونات في هذه المادة تمتص الضوء وتنطلق منه، اكتشف هذا الأمر هرتز نفسه، حيث لاحظ أن الشرارة بين جسمين معدنيين يزداد توهجهما حينما يسلط عليها الضوء الفوق بنفسجي عليهما، في حينها لم يعرف كيف يفسرها، وبعدها أتى فيليب لينورد Philipp Lenard ^[10]Philipp Lenard ، وقام بتجارب مقاربة حيث بين أن الطاقة التي تطلق الإلكترونات كانت تعتمد على تردد الضوء (ولنقل لون الضوء لأن لون الضوء يعتمد على تردده). ولكن كانت هناك مجموعة من التناقضات أدت إلى مشاكل في تفاعل الضوء مع الإلكترونات، فمثلا، حينما زاد العلماء من شدة الضوء المسلط على معدن لاحظوا أن الإلكترونات لم تزداد طاقتها، ما حدث هو أن عدد الإلكترونات المنطلقة من سطح المعدن إزدادت، في المقابل حينما يتم تغير لون الأضاءة تغيرت طاقة الألكترونات.

ما فعله آينشتين كان رائعا، فقد دمج فكرتي الموجة للضوء مع الكم، فقال أن الضوء عبارة الإثنين، في ما يسمى بـ: ثنائية الموجة-جسيم Wave-Particle Duality ^[11]Wave-Particle Duality ، وسميت بالفوتونات Photons ^[12]Photons ، والفوتون هو وحدة واحدة من الضوء، فلذلك حينما يسقط الضوء على جسم فيكون له لون معين تنطلق الألكترونات، فإذا زادت شدة الضوء من غير تغيير اللون ازداد عدد الفوتونات، لذلك يزداد عدد الألكترونات التي تمتص هذه الفتونات، وتنطلق بكميات أكبر، ولكن من غير أن تتغير قدر الطاقة التي تحملها هذه الإلكترونات، في المقابل إذا تغير لون الضوء (أو التردد) تغير تردد الضوء عندها تتغير الطاقة من غير تغير عدد الإلكترونات، فعالج آينشتين المشكلة رياضيا، وتوافقت الرياضيات مع الواقع توافقا صحيحا، ولكن تفسير آينشتين لم يقبل، ورفضت التفسير، إلى درجة أنه حينما رشح لعضوية الأكاديمية البروسية للعلوم Prussian Academy of Sciences ^[13]Prussian Academy of Sciences صرحوا فيه في نهاية الإعتراف فيه بالقول، “باختصار، في وسط أهم المعاضل – وهي وفيرة في الفيزياء المعاصرة – لا توجد واحدة منها لم يتخذ آينشتين موقفا غير إعتيادي منها، لدرجة أنه أحيانا يتخطى الهدف في تكهناته كما في مثال فرضية الضوء الكم، لا تؤاخذوه عليها بشكل كبير، لأنه من غير أن يخاطر من وقت لوقت سيكون من المستحيل حتى في العلوم المتقنة إدخال أفكار إبداعية.”

تجربة الشقين Double Slit Experiment

لنأتي الآن إلى تجربة الشقين Double Slit Experiment ^[14]Double Slit Experiment لنفهم معا ثنائية الموجة-جسيم، لنفترض أن لديك رشاش يطلق رصاص، ضع أمام هذا الرشاش على مسافة قطعة معدنية مستطيلة، وشق القطعة المعدنية شقين من الأعلى إلى الأسفل بجنب بعضهما البعض، ليكن بعد القطعة المعدنية حائط، الآن، غط إحدى الشقين وابدأ بإطلاق الرصاص من الرشاش ليمر بالشق الغير مغطى ويصطدم بالحائط الخلفي، سيبدأ الرصاص بتكوين نقاط على الحائط، وهذه النقاط مع مرور الوقت ستكوّن خطا على ذلك الحائط، لو أنك تغطي الشق المفتوح وتفتح المغطى لتعيد إطلاق الطلقات ستلاحظ خطا ثانيا بالطول بجانب الخط الأول، ماذا سيحدث لو أنك فتحت الفتحتين وبدأت بإطلاق الرصاص، ستمر الطلقات خلال الشقين، ومنهما إلى الحائط ليكونا خطين بالطول من الأعلى إلى الأسفل. أليس كذلك، هذا ما هو متوقع، هكذا يكون مرور الجسيمات من خلال الشقوق.

الأن لنجرب تجربة أخرى ولكن هذه المرة مع موجات الماء، لنتفرض أن لديك حوضا من الماء، وأدخلت تلك القطعة المعدنية في الماء، ليكون الشق منغمسان في الماء إلى النصف، لو أنك الآن رميت بحصى في الماء في مقابل الشقين ماذا سيحدث، سترى أن الماء يتموج، وستحرك الموج الدائرية لتصطدم بالمعدن، وسيسمح المعدن بمرور الماء من خلال الشقين، وستتكون لدينا موجتين كل موجة تخرج من شق، وسيكملان مسيرتهما، إلى الحائط بشكل دائري أو نصف دائري، وفي أثناء مسريتهما تتداخل الموجتين مع بعضهما البعض.

الموجة تتكون من قمة وقاع، وحينما تلتقي قمة من موجة مع قمة أخرى ستتكون عندنا قمة واحدة، وستساهم كل منهما في رفع القمة إلى ما هو أعلى من القمتين، وفي نفس الوقت لو أن قاعا لموجة التحمت بأخرى ستساهمان في خفض مستوى الموجة إلى ما هو أقل من القاعين، ولكن لو أن قاعا وقمة تداخلا، فإنهما يعادلان بعضهما البعض وفي هذه النقطة ستختفي الموجة، أي أنهما يلغيان بعضهما البعض، ولو استقبلت هذه التداخلات على الحائط بحيث نرى مستوى انخفاض الموج وارتفاعه، لرأينا مجموعة من الخطوط بجانب بعضها البعض بدلا من خطين إثنين. هكذا تعمل الموجات، تتداخل في ما بينها وإما أن تقوي بعضها البعض أو تلغي واحدة الأخرى، وتتدرج هذه المرتفعات والإنخفاضات (نفس هذه الفكرة مطبقة في سماعات الإذن التي تلغي أصوات الإزعاج الخارجية بماضدة الموجة الصوتية القادمة للأذن بإخرى معاكسة تماما، بذلك تغلي الأصوات الخارجية للتسمتع بصوت الموسيقى الآتي من السماعات فقط)

لنأتي إلى الضوء ونجرب تجربة الشقين، حينما يمر الضوء في شق واحد فإنه يكون خطا واحد على الحائط، سواء أكان في الشق الأيمن أو الأيسر، هذه هي طريقة عمل الجسيمات، الآن لنمرر الضوء من خلال الشقين، حينما يمر الضوء خلال الشقين، وينتهي به المطاف على الحائط، ستلاحظ أن الضوء يكون خطوطا أفقية كما في حالة الموجات، ما الذي حدث؟ هل الضوء جسيمات أو موجات؟ في حالة الشق الواحد تفاعل الضوء معه على شكل جسيمات، وفي حالة الشقين تفاعل معها وكأنه موجات. للتحقق بشكل أدق من طريقة عمل الفوتونات، فلربما كانت الفوتونات تصطدم ببعضها لتكوّن التداخل الذي يُرى على الحائط،  قام العلماء بتجربة الشقين مرة أخرى، ولكن هذه المرة كانت الفكرة ذكية، اطلقوا الفوتونات واحدة واحدة، فوتون فوتون وبين كل فوتون وفوتون فاصل زمني لم يقدروا على إطلاق الفوتونات منفردة حتى عام 1986 ^[15]Double-slit experiment ، ما لاحظه العلماء كان غربيا جدا، هو أنه بعد مرور زمن كافي لتساقط الفوتونات على الحائط الفوتونات هذه شكلت نفس الخطوط الأفقية، عجيب، كيف؟

حينما أطلقت الفوتونات واحدة تلو الأخرى لابد أن كل واحدة منها دخلت في فتحة من الفتحتين، إذن بماذا تداخلت الفوتونات لتكون خطوطا أفقية كما يحدث في تداخل الموجات؟ هل يتجزأ الفوتون إلى قسمين ويتداخل مع نفسه؟ المفروض أن يكون الفوتون وحدة واحدة، ولو أن الفوتون هو نفسه موجة، لكان جزء منه هنا وجزء منه هناك، وهذا غير صحيح ايضا، ثم أنه بعد يسقط الفوتون على الحائط فإنه يضيء نقطة واحدة، فكيف عرفت الفوتونات كيفيو تشكيل الخطوط الأفقية كما لو كانت موجة؟ لتقصي الحقيقة قرر العلماء مراقبة الفوتون، فوضعوا مجسات على جانبي الفتحات، حتى يعرفوا من أي من الفتحات دخل الفوتون، وبدأوا بإطلاق فوتون فوتون، وعرفوا من أي فتحة يدخل، ولكن ما حدث هنا كان غريبا، حيث أن الفوتونات قررت بدلا من أن تتداخل لتقدم خطوطا على الحائط، هذه المرة شكلت خطين أفقيين وكأنها جسيمات كما في حال طلقات الرصاص، لم تعد تعمل كالموجات. غريب جدا، أليس كذلك؟ إذن حينما يتم مراقبة الفوتونات فذلك يغير من طبيعة عملها. أضف إلى ذلك أن هذه التجارب أقيمت على الإلكترون، ومن المعروف أن الإلكترون جسيم، ولكنه تصرف كالموجات والجسيمات، فتجربة الشقين أتت بنفس نتائج الفوتونات، هل الإلكترون لديه خاصية ثنائية الموجة-جسيم؟ بالفعل هو كذلك (ولكن سأترك موضوع الإلكترون في الحلقات القادمة).

كيف تعالج الرياضايات هذه الظاهرة؟ الرياضيات تقول أن الفوتونات أو الإلكترونات مرت في الفتحة اليمين وفي الفتحة اليسار وفي الفتحتين، وتقول أيضا أنه لم يمر بأي من الفتحات، والنتيجة النهائية أن المحصلة النهائية هي تراكب جميع هذه الحالات، ولكن حينما يتم التدخل للمعرفة فإن الفوتون أو الإلكترون يتخذ قرارا بأن يسري في مسار محدد، ويدخل في فتحة محددة.

المستجدات العلمية والتكنولوجية

+ درس العلماء طريقة نمو العفن لتكوين شبكة تشابه شبكة القطارات في طوكيو، ومنها حولوا طريقة النمو هذه إلى قوانين رياضية بالإمكان الاستفادة منها في صناعة شبكات قادرة على تنظيم نفسها، فبالإمكان تطوير شبكات الكمبيوتر والاتصالات بكفاءة أكبر، وخصوصا أن مثل شبكة الكمبيوتر لا يتم التحكم في حركة المعلومات فيها بشكل مركزي، التعلم من الكائنات الحية في علاج مشاكل معقدة علم واسع، فهناك مثلا خوارزمية الجينات والتي تعمتد على فكرة نظرية التطور، وفكرة سرب الجسميات والذي يعتمد على حركة الأسماك كمثال، وأيضا مستعمرات النمل. نشر هذا البحث في مجلة الساينس (Science).

+ في الخبر الثاني مستوى الشائعات عن الآيسليت (iSlate) إزدادت في الآونة الأخيرة، والخبر عن أنه يوم الأربعاء القادم 27/1/2010 ستعرض شركة أبل منتجها الجديد التابلت والملقب بالآيسليت. وقد ذكرت هذه الإشاعة في إحدى البودكاستات السابقة ولكن لم يتحقق الخبر، ولكن هذه المرة الإشاعات ازدادت وتيرتها، والأخبار تأتي تباعا من كل جنب.