الكون ، الذرة ، والقطتين ميت والحياة: فهم ميكانيكا الكم | أخبار التكنولوجيا

في قلب ميكانيكا الكم يكمن تحول جذري في الفهم: المادة والضوء ، عند فحصها على المستوى المجهري ، تتصرف كل من الجزيئات والأمواج. والأمر الأكثر غرابة ، أن هذه الجسيمات موجودة في تراكب جميع الحالات الممكنة حتى يتم قياسها أو ملاحظتها. هذا مثل قول الواقع يستقر في حالة محددة فقط عندما تراقبها. يبدو غريبا؟ اقرأ.

توهج لا يناسب

بحلول فجر القرن العشرين ، كانت الفيزياء الكلاسيكية على لفة ، على ما يبدو يشرح معظم الظواهر التي رأيناها من حولنا – الحرارة والضوء والكهرباء والحركة. ولكن على الهامش ، كانت هناك بالفعل تشققات. لا يبدو أن نظريات الفيزياء الكلاسيكية جيدة على المستوى الذري والدوري. كشفت التجارب على إشعاع الجسم الأسود عن وجود عيب مميت: الكائنات الساخنة لم تتوهج كما هو متوقع ، وخاصة في الترددات العالية.

لإصلاح هذه “كارثة الأشعة فوق البنفسجية” ، اقترح Max Planck أن الطاقة تأتي في حزم منفصلة ، أو Quanta. مع هذا الافتراض البسيط – كل ذرة تنبعث منها أو تمتصها فقط مضاعفات كاملة من وحدة الطاقة الصغيرة – تتوافق صيغة Planck مع البيانات تمامًا. هذا أطلق العصر الكم.

ذرة بوهر وموجة: ازدواجية الجسيمات

في السنوات التي تلت ذلك ، بينما أعطى نموذج نيوتن إيينشتاين فهمًا للكون العياني ، كان العلماء الآخرون يحاولون شرح الذرة. في عام 1913 ، استخدم Niels Bohr Quanta لشرح سبب انبعاثات الذرات الضوء فقط على ألوان معينة: إلكترونات تدور حول النواة في مدارات محددة والقفز بينها عن طريق امتصاص أو انبعاث كمية من الضوء.

بعد ذلك بوقت قصير ، اقترح لويس دي بروجلي أن هذه المسألة – مثل الإلكترونات – تتصرف أيضًا كموجة. أكدت التجارب أن الإلكترونات يمكن أن تشكل أنماط التداخل ، ومع ذلك لا تزال تصل كجزيئات فردية.

فيرنر هايسنبرغ ثم أظهر أنه من المستحيل بشكل أساسي أن تعرف في نفس الوقت الذي يوجد فيه جسيم دون الذرية بالضبط ومدى سرعة تحركه – مبدأ عدم اليقين الشهير. إروين شرودنجر، بدوره ، وصفت الجسيمات على أنها وظائف موجة متطورة ، مما يعطي فقط احتمال العثور على الجسيم. من الواضح أن الضوء والمادة يتحدثان لغة مزدوجة: أحيانًا تلوي ، في بعض الأحيان الجسيمات.

Bohr vs Einstein: A Battle of Worldviews

لكن هذه النظرية الجديدة الغريبة لم تجلس بشكل جيد مع الجميع. ألبرت أينشتاين يؤمن اعتقادا راسخا حقيقة موضوعية – موقع موجود بشكل مستقل عن الملاحظة. نيلز بوهرومع ذلك ، جادل بأن ميكانيكا الكم وصفت تمامًا الطبيعة ، حتى لو تحدت الحدس الكلاسيكي.

وصلت مناقشاتهم الشهيرة إلى رأسها في 1927 مؤتمر سولفاي، حيث تجمع أعظم الفيزيائيين في العالم لمناقشة معنى ميكانيكا الكم. ظل آينشتاين صعبة الأفكار الكمومية مع تجارب الفكر ؛ بوهر ، دائما صبور ، بريبهم ببراعة. لا تزال هذه المبارزة الفكرية واحدة من أهم المحادثات العلمية في القرن العشرين.

القط شرودنجر: ميت أم حي؟

لقد أدى مفهومين للعالم الكم الكشف عن النقاد إلى النقاد:

upositionsposition ، الذي يقول الجسيم يمكن أن يوجد في حالات متعددة في وقت واحد حتى يتم قياسه ، و

📍entanglement ، الذي يقول إن الجسيمين المرتبطين يتصرفان جنبًا إلى جنب ، يؤثران على الفور على حالة بعضهما البعض ، حتى لو كانا متباعدين.

في عام 1935 ، جادل أينشتاين ، بوريس بودولسكي ، وناثان روزن (EPR) بأن ميكانيكا الكم غير مكتملة في وصف الواقع المادي. استجابة لذلك ، اقترح Schrödinger تجربة فكرية محصورة الآن لإظهار سبب سخيف لتطبيق عالم الكم على مستوى الماكرو.

يتم إغلاق القطة في صندوق مع ذرة مشعة ، وعداد جيجر للكشف عن النشاط الإشعاعي وقارورة السم. إذا كان الذرة تتحلل ، فإن عداد جيجر يطلق القارورة ويكسرها ، ويموت القط. هنا ، إذا كان من الممكن أخذ تفسير التراكب الكمومي حرفيًا ، فستكون القط على قيد الحياة والموت حتى نفتح الصندوق وننظر.

أصبحت قط Schrödinger الصورة الأكثر دائمة لكيفية اختلاف العالم الكلاسيكي عن العالم الكمومي. ما ينطبق عبر الكون العياني لا ينطبق على أصغر لبنات بناء ، والعكس صحيح.

داخل المربع الكمي: حتى يتم ملاحظته ، تكون القط على قيد الحياة والموت ، وهي مفارقة تتحدى كيف نفهم الواقع.

اختبار بيل

كانت فكرة أن الجزيئات الكمومية تحكمها قواعد احتمالية مقلقة للغاية بالنسبة للعديد من الفيزيائيين الذين يعتقدون أن الطبيعة يجب أن تكون حتمية وموضوعية. للتوفيق بين التنبؤات الكمومية مع الإيمان بواقع أساسي ومحدد جيدًا ، فإن بعض النظريات المتغيرة المخفية المقترحة ، والتي اقترحت أن الجسيمات في الواقع تمتلك خصائص محددة في جميع الأوقات ، ولكن هذه تحكمها متغيرات مخفية من التجارب الحالية. نظرًا لأنه لا يمكن قياس هذه المتغيرات المخفية بشكل صريح عن طريق التجارب ، فإن الجسيمات التي طاعة هذه القوانين يبدو أنها تتصرف بشكل احتمالي.

في عام 1964 ، ابتكر جون بيل اختبارًا عمليًا. وأظهر أن أي نظرية متغيرة مخفية محلية يجب أن تلبي بعض الحدود الإحصائية- أوجه عدم المساواة في الجرس – في حين تتنبأ ميكانيكا الكم بانتهاكات واضحة. قامت التجارب البارزة التي تبدأ في السبعينيات بقياس الجزيئات المتشابكة ووجدت تلك الانتهاكات بالضبط. كانت النتيجة لا مفر منها: لا يوجد حساب محلي محدد مسبقًا يمكن أن يتطابق مع التنبؤات الكمومية. الطبيعة حقًا غير محددة وغير محلية على المستوى الكمومي.

من الأزمة إلى حجر الأساس إلى كل يوم

من أول كمية من بلانك في عام 1900 إلى تجارب بيل في الثمانينيات ، استغرق الأمر عقودًا لقبول عالم يمكن أن تكون فيه الجسيمات موجات ، والنتائج محتملة بشكل أساسي ، ويمكن أن تظل الجسيمات البعيدة مرتبطة بطريقة غامضة. ومع ذلك ، أكد كل اختبار أن ميكانيكا الكم ، الغريبة كما هي ، تعطي الوصف الأكثر دقة للطبيعة لدينا.

بمجرد تسوية ، أصبحت ميكانيكا الكم الأساس للتقنيات التي نأخذها كأمر مسلم به. تعتمد أشباه الموصلات على مستويات الطاقة الكمومية للتحكم في الكهرباء. استغلال الليزر حفز الانبعاثات من الفوتونات. تستخدم ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي الدوران الكمي للنواة الذرية لإنشاء صور مفصلة. الساعات الذرية تقيس اهتزازات الإلكترونات للحفاظ على الوقت بدقة لا تصدق.

انعكاس نهائي

تُظهر الثورة الكمومية أن لحظات الأزمة ، عندما تصطدم التجارب بأفكار ثابتة ، يمكن أن تؤدي إلى نماذج تحولات تعيد تشكيل عالمنا. من خلال احتضان الكموتا والأمواج وعدم اليقين والتشابك ، فتحنا التقنيات التي لا يمكن تصورها إلى بلانك وبور وأينشتاين. مع ظهور تقنيتان آخران – الحوسبة الكمومية والاتصالات الكمومية الآمنة – نستمر في تحويل غرابة الطبيعة إلى مصلحتنا. الكون ، بكل مفارقاته ، هو أيضا أعظم إلهام لدينا.