مقالاتمواضيع العدد ٢٣

ماذا قدّمت ميكانيكا الكم للفيزياء والعالم

الترانزستور وميكانيكا الكم

تحيط بنا فضائل ميكانيكا الكم من كل جانب فلولاه لاستحالت جملة من المخترعات، كالتلفزيون والراديو والليزر والحاسوب والخ.

معادلة شرودينغر تفسر على سبيل المثال ظاهرة مألوفة لكنها بقيت محيرة لمدة طويلة الا وهي ظاهرة الموصلية او الناقلية (conductivity)، أدى كل ذلك إلى اختراع الترانزستور الذي لولاه لما كانت الالكترونيات المعاصرة وتكنولوجيا الحواسيب ممكنة والذي يدين بوجوده إلى ظاهرة كمومية بحتة.

تنتظم الذرات في المعادن مثلاً وفق ترتيب معين في تشكيل بلوري، تتنبأ معادلة شرودينغر بأن الالكترونات الخارجية في ذرات المعادن ذات ارتباط ضعيف بالنواة، وان ما يحصل في واقع الامر انها تسبح بحرية عبر التشكيل البلوري.

اعلانات جوجل

يستطيع اي حقل كهربائي مهما كان صغيراً دفع هذه الالكترونات ضمن هذا التشكيل مما يولد تيار كهربائي، الالكترونات في حالة المواد البلاستيكية اكثر التصاقاً بذراتها، لذا تعدم وجود الكترونات حرة بمقدورها خلق تيار كهربائي وهذا ما يجعل المعادن توصل الكهرباء.

تفسر الكم وحود صنف آخر من المواد وهي المواد شبه الموصلة او شبه ناقلة (semiconductor)، وهي مواد تتصرف كنواقل في بعض الاحيان وكعوازل في أحيان اخرى، ويمكن استخدام هذه المواد كمضخمات تستطيع التحكم بجريان التيار الكهربائي (كذراع صنبور الماء الذي يتحكم في تغيير تدفق الماء) كذلك الترانزستور الذي يتحكم في تدفق التيار الكهربائي، هكذا يتدخل الترانزستور اليوم بحركة التيار الكهربائي في كل الأدوات المعاصرة كأجهزة التلفاز والراديو والحواسيب وغيرها، واقتسم ثلاث فيزيائيين جائزة نوبل لاختراعهم الترانزستور عام 1956 وهم: جون باردين، وليام شوكلي، ووالتر براتين.

الليزر وميكانيكا الكم

انبثق عن ميكانيكا الكم اختراع آخر وهو الليزر الذي بدأ يغير كل أساليب ادارتنا للاقتصاد والصناعة. تفسر الكم قبل كل شيء سبب اضاءة مصابيح النيون والمصابيح الفلورية، ففي النيون مثلاً ينبثق تيار كهربائي داخل انبوب من الغاز مزوداً ذرات الغاز بطاقة عالية ودافعاً الكتروناتها الى مدارات طاقة اعلى، ثم تجنح الالكترونات من ذرات الغاز الذي اصبحت مثارة الى العودة الى مستويات الطاقة الدنيا، وعندما تحقق الالكترونات عودتها في النهاية الى هذه المستويات تطلق طاقة وضوء، نتحسس هذه الطاقة الفائضة من مصابيح النيون التي تنير مدننا. تعود الذرات الى حالتها الاولى في المصابيح الكهربائية على نحو عشوائي.

والواقع ان كل ضوء من حولنا بما فيها الشمس وهو ضوء عشوائي او إشعاع غير متناسق ولكن ما هو الا مزيج غير منتظم مجنون من الاشعاعات المختلفة التردد والطور.

لكن بعض الفيزيائيين أمثال شارلز تاونز استخدموا ميكانيك الكم للتنبؤ بأن الذرات المثارة يمكن أن تدفع في بعض الاحيان إلى المستويات الدنيا في ايقاع موحد!، هذا نوع جديد من الاشعاع لم نلحظ وجوده في الطبيعة وسمي هذا الإشعاع بالإشعاع المتماسك (coherent).

على الرغم من أن عمل تاونز كان منصباً على الموجات الميكروية (microwaves) والذي نال بسببه جائزة نوبل عام 1964، إلا أن العلماء سرعان ما تبينوا ان هذه النظريات قابلة للتطبيق في حالة الضوء أيضا.

وعلى الرغم من أن مدافع الخيال العلمي الاشعاعية التي تستطيع شطر الصواريخ النووية لا زالت بعيدة المنال، الا أن أشعة الليزر المستخدمة الآن تستطيع قطع المعادن في المصانع وحمل قنوات الاتصال واجراء العمليات الجراحية، هذا الى جانب اختراعات الليزر التي تتدفق الينا كل يوم.

مثلاً يستخدم الاطباء ليزراً دقيقاً لارسال الطاقة الضوئية عبر اسلاك زجاجية بالغة النعومة لحرق الرواسب الدهنية في الأوعية الدموية للأناس المعرضين لأزمات قلبية، أيضاً تغير أقراص الليزر اساليب التسجيل القديمة، ايضا قراءة اسعار الحاجيات والكثير الكثير!

اعلانات جوجل

ولعل أعظم التطبيقات لليزر وأكثرها دهشة ستكون في اختراع التلفزيون الثلاثي الأبعاد، حيث تطبع الآن وتوزع بطاقات مجسمة يظهر فيها طير ثلاثي الأبعاد، ولا نستبعد ان تستبدل شاشات التلفزيون المعاصر المستوية بشاشات كروية! نستطيع أن نتابع أشخاص يتحركون في أبعاد ثلاثة، ومن المحتمل أن يعايش ابناؤنا واحفادنا هذا التلفاز في مكاتبهم وبيوتهم كأحد نواتج ميكانيكا الكم.

فضائل أخرى لميكانيكا الكم

إضافة للترانزستور والليزر تدين مئات أخرى من الاختراعات بوجودها لميكانيكا الكم نذكر منها على سبيل المثال لا الحصر!

المجاهر الإلكترونية

تستخدم هذه المجاهر الخصائص الموجية للإلكترون لتكبير الأجسام من حجم الفيروسات كي تصبح ممكنة المشاهدة.

الكشف عن الحمض النووي منقوص الاكسجين

حيث تطبق في هذا السياق ظاهرة الحيود للاشعة السينية وتقنيات اخرى بهدف تقرير البنى التحتية للجزيئات العضوية.

آلات الإندماج

ستوظف هذه الآلات التفاعلات الجارية في باطن الشمس لإنتاج كميات هائلة من الطاقة على الأرض، على الرغم من وجود عدة مشاكل في تصنيع هذه الآلات، لكن لا نستبعد ان تعطينا هذه الالات كميات خيالية من الطاقة في يومٍ ما.

خاتمة

لعل من غير حياتنا وتطور هذا العالم واكتشاف عوالم جديدة هو هذه النظرية (ميكانيكا الكم)، فهي من دون أدنى شك أدت الى تغيير جذري في قواعد الطب والصناعة والاقتصاد.

اعلانات جوجل

أما أكبر مفارقة وقد تكون مستغرباً من ذلك هو أن هذه الميكانيكا التي تبدو لك حاسمة وحتمية في تطبيقاتها تقوم في الأساس على الريبة والإحتمال ومفاهيم فلسفية قد لا تبدو مألوفة.

تعتبر هذه الميكانيكا قنبلة في عالم الفيزياء وذهول هذه الميكانيكا يكمن في نتائجها المذهلة فقد صرّح بور بقوله المشهور “إن من لم تذهله ميكانيكا الكم هو ذاك الذي استعصى عليه فهمها”

أ./ أحمد خشان

بكالوريوس فيزياء - جامعة الأزهر

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى