بقلم أ حنين عيسى فيزياء جامعة الأزهر – غزة لعل أهم قطة في تاريخ الفيزياء ألا وهي – دون شك – قطة شرودنجر قد تكون سمعت عنها من قبل ولكن لا تعرف سبب أهميتها؟
إذاً لنتعرف على سبب شهرة هذه القطة.
أود أن أقول بداية أن التجربة التي أجراها شرودنجر هي تجربة خيالية وليس لها أي صلة بالواقع هدف هذه التجربة هو إظهار التناقض بين فيزياء نيوتن وميكانيكا الكم.
إذا كنت تظن أن شرودنجر معذب قطط فأنت مخطئ فشرودنجر هو أحد مؤسسي ميكانيكا الكم.
وإن كنت لا تعرف ميكانيكا الكم فسأوضح لك ما هي في الأسطر التالية.
ميكانيكا الكم هي مجال في الفيزياء والذي يحاول فهم عالم الجسيمات دون الذرية أي الجسيمات الأصغر بكثير من الذرة.
أيبدو سهلا؟
لكنه ليس كذلك ففي عالم الكم يبدو كل شيئ عشوائياً وغير منطقي لعقولنا.
ظن العلماء في نهاية القرن التاسع عشر انهم فهموا كل شيئ عن الفيزياء وفهموه.
ولكن بعد عدة عقود من الزمن فاجأهم اينشتاين وفيزيائييون مختصون بميكانيكا الكم كنيلز بوهر وفيرنر وهايزنبرغ واروين شرودنجر وزعزعو فهمهم لعالم الفيزياء.
كل ما أريده منكم هو افساح المجال لمخيلتكم ووضع المنطق جانبا بالسباحة بعيداً والتحليق عالياً في نفس الوقت.
مبدأ التراكب
هو واحدٌ من المبادئ المحيرة للعقول إذ ينص على إمكانية وجود جسيم كمومي في عدة حالات في نفس الوقت ولا نستطيع معرفة الحالة التي هو فيها ما لم يتم رصده.
تخيل معي أنك تسبح في البحر وتظن بوجود إما حوت أو سمك قرش يطاردك فكيف ستعرف مالذي يلاحقك؟
ستنظر للخلف طبعا وستهول رعبا عندما يحاول الحوت أو القرش افتراسك لو لم تنظر للخلف فإنه حسب ميكانيكا الكم فالحيوان الذي يطاردك هو حوت وقرش في نفس الوقت.
نعود الآن للفيزياء تنص القاعدة الثانية في ميكانيكا الكم أنه على الجسم الكمومي أن يختار حالة من الحالات العديدة المتاحة له لكي نتمكن من رصده الأمر غريب أليس كذلك؟
تخيل الآن أن لديك بابان ويتوجب عليك الاختيار بين إحداهما لكي تتمكن من العبور أنت الآن تتصرف كجسيم فيزيائي ولكن في حالة تدفق الماء عبر البابين للعبور من خلالهما في نفس الوقت فإن الماء يتصرف كموجة . يتصرف الجسيم دون الذري تماما مثل موجة الماء ولكن في حالة تم رصدها فإنها ستتوقف عن التصرف كالماء وستعود للتصرف متلك أنت كجسيمات مرة أخرى أي بعبورها احد البابين فقط.
إذا وضعت ذرتين متماثلتين في علبتين متماثلتين تحت نفس الظروف فإنك إن فتحت العلبتين فسترى نفس النتيجة.
إذا ظننت أن هذا الإعتقاد صحيح فانت خاطئ ففي حالة الصناديق المغلقة تكون الذرات هي نفسها في الصندوقين ولكن عند الرصد ستختلف النتيجة يبدو كالسحر اليس كذلك؟
حيرت هذه الميزة لمبدأ التراكب العلماء في عشرينيات القرن الماضي ومازالت محيرة للبعض إلى وقتنا هذا لكن شرودنجر أتى بالفكرة العبقرية التي حلت اللغز للكثير من العلماء.
أميتة القطة أم حية؟
تخيل شرودنجر في تجربة ذهنية أنه قد قام بحبس قطة في صندوق وكان مع القطة عداد جايجر وكمية ضئيلة من مادة مشعة بحيث احتمال تحلل ذرة واحدة خلال ساعة ممكننا إذا تحللت الذرة فإن العداد سيقوم بكسر زجاجة تحتوي على حمض الهيدروسيانيك الذي يسيل ويقتل القطة فوراً.
لكن ليس لدى الراصد خارج الصندوق أية فكرة عن النتيجة فهو لا يرى ما يحدث داخل الصندوق وفقا لمبدأ التراكب فإن المادة المشعة متفككة وغير متفككة في ذات الوقت ولحظة رصد ما في داخل الصندوق سنعلم أن المادة متفككة أم لا؟ لأن حياة القطة مرتبطة بالجسيمات دون الذرية المتعلقة بالمادة المشعة فسنقول أن القطة حية وميتة في ذات الوقت قبل أن يرصدها المراقب الخارجي.
من وجهة نظر ميكانيكا الكم أن القطة توجد بعد مرور ساعة في حالة مركبة من الحياة والموت
تكمن المشكلة في أنه لا يمكن للقطة أن تكون حية وميتة في ذات الوقت ويجب أن تكون في إحدى الحالتين أثار شرودنجر بهذه التجربة الذهنية التناقض بين ميكانيكا الكم وميكانيكا الجسيمات الضخمة ( فيزياء نيوتن).
يبدو أنه من السهل على الجسيمات الدون ذريه ان تأخذ سلوك موجة وجسيم في أن واحد وأن يكون مفككا وغير مفكك في آن واحد وعلى أية حال إذا قارنت بين ميكانيكا الكم وميكانتكا نيوتن ستجد الكثير من التناقضات.
إذا شعرت بالدوار بسبب هذه الفكرة فلا تقلق لست الوحيد!
الظاهرة الكمية للتراكب تترتب على الطبيعة المزدوجة للجسيم والموجة لكل شيئ لم يستطع شرودنجر نفسه فهم مبدأ التراكب وطور هذه التجربة فقط ليثبت فكرته على طبيعتها المنافية للعقل.
يجب أن يمتد هذا الجسيم خلال مساحة من الفضاء مما يعني أن يحتل مواضع عديدة في ذات الوقت على الرغم من ذلك لا يمكن تحديد الطول الموجي لجسم يمتد في مساحة صغيرة من الفضاء بشكل دقيق لذلك يوجد الجسم في أطوال موجية عديدة في ذات الوقت لأن الطول الموجي يتناقض مع زيادة كمية الحركة والقطة كبيرة وثقيلة الحجم نسبيا.
إذا أخذنا ذرة مثلا وقمنا بتكبير أبعادها في حجم المجموعة الشمسية سيكون الطول الموجي لقطة تحاول الهروب من عالم الفيزياء في صغر ذرة واحدة ضمن المجموعة الشمسية وهذا صغير جدا لدرجة لا يمكن قياسها لذلك لا نرى سلوك الموجة لقطة ومع ذلك فإن جسيم صغير مثل الإلكترون يمكن أن يوفر دليلا واضحا على طبيعته المزدوجة إذا أطلقنا الإلكترونات واحدا تلو الأخر نحو شقين ضيقين في برميل يتم رصد كل الكترون عند الجانب البعيد في مكان واحد عند لحظة معينة لكن إذا قمت بتكرار هذه التجربة لعدة مرات مع تتبع كل عمليات الرصد الفردية سترى أنها ستمثل نمط تعطي صفة مميزة لسلوك الموجة.
مجموعة من الأشرطة – مساحات بها إلكترونات عديدة – تفصلها مساحات خيالية من أي إلكترونات.
قم بسد أحد الثقبين فستختفي هذه الأشرطة وهذا يوضح أن النمط ينتج عن مرور كل إلكترون من خلال الشقين الإثنين في نفس الوقت فالإلكترون الواحد لا يختار أن يتحرك لليمين أو لليسار بل يتحرك لليمين واليسار معا الإلكترون الموجود قرب نواة الذرة يوجد في مدار متسع شبيه بالموجة.
إذا قمت بتقريب ذرتين معاً لن تحتاج الإلكترونات لإختيار ذرة واحدة فقط لكن يتم مشاركتها بين الذرتين هذه هي طريقة تكوين بعض الروابط الكيميائية.
فالإلكترون في الجزئ ليس في الذرة (أ) أو (ب) وإنما في كلتا الذرتين وبإضافة المزيد من الذرات ستنتشر الإلكترونات بشكل أكبر ويتم مشاركتها بين العديد من الذرات في ذات الوقت
ولكنها مشتركة بين جميع الذرات وممتدة خلال نطاق كبير من الفضاء ويحدد التراكب الهائل للحالات طريقة تحرك الإلكترونات خلال المادة سواء أكانت موصلة أم عازلة أو شبه موصلة يسمح لنا كيفية مشاركة الإلكترونات بين الذرات بالتحكم بشكل دقيق في خصائص المواد شبه الموصلة مثل السيليكون.
يسمح لنا بصناعة الترانزستورات على النطاق الصغير الملايين منها على رقاقة كمبيوتر واحدة تقوم هذه الرقاقات والالكترونات المنتشرة فيها بإمداد الكمبيوتر الذي تستخدمه الآن بالطاقة وعلينا أن لا ننسى أنه يعود الفضل في ذللك إلى العالم النمساوي وقطته في هذه الخاصية.
أولاً: حبيبنا آينشتاين حيث كان هذا العالم يرفض التراكب في الدالة الموجية مستدلاً بحفنة من البارود إما بارود سليم وإما بارود متفجر كيف للنوعين أن يتراكبا.
ستيفن هوكنج قال: “أنه إذا جاء إلي أحد وأراد ذكر قطة شرودنجر فسأرفع عليه بندقيتي”
على الرغم من ذلك فإن الميكانيكا الكلاسيكية لم تستطع تفسير معضلة تركيب الذرة واستطاعت ميكانيكا الكم ذلك وفسرت:
- طيف ذرة الهيدروجين المنبعث تفسيراُ كاملاُ أفضل من أي نظرية أخرى.
- تفسير تركيب الجزيئات والنشاط الاشعاعي وتحلل ألفا وبيتا وظاهرة الموصلات الفائقة.
استاذنا لقد قراءة كل هذا التفسير
واعتقد ان فكرة شرودنجر كانت واضحه جدا
حيث قل اذا تخيلت ان هنالك شيئين او لنفترض أن هنالك عملتين في صندوقين فكيف ستميز العملة الاولى من الثانيه على الرغم من ان العملتين متساويتين ؟؟
يمكن ان تختار اي من الصندوقين ويكون صحيح .. في هذه الحالة نعم لكن لا يمكن ان يكون الجواب صحيح لحين فتح الصندوقين والتأكد منهما ..
شكراً لك مرة أخرى ولكن لم تفسر ما مدى ارتباط شرودنجر بميكانية الكم ؟