نظرية فيزياء الكم أو ميكانيكا الكم

نظريّة فيزياء الكم، أو ميكانيكا الكم

إنّ الفكرةَ العامة عن الكون ونشأتهِ من المنظور الفزيائي، شغلت الآلاف من العلماء والباحثين  في جميع الحضارات البشريَّة المتعاقبة، من وجهة نظر ميتافيزيقيَّة مثلوجيَّه تُعطي مجمع الإله دور بالتكوين، وأصل هذه الموجودات، انتقالاً إلى الفكر التوحيدي، ووجود الكون السرمدي من وجهة النظر الإبراهيميَّة، إلى اختلاف النظرة عن ماهيَّة وأصل وتكوين هذا الكون العظيم السَّحيق،  تكونت العديد من النظريات. 

في القرن السابع عشر بدأ العلماء يعتمدون على أهم ما توصل له العلم للبحث في ماهية المادة، والطاقة وأشكالها وتحولاتها؛ وكان من أهمهم العالم الفيزيائي إسحاق نيوتن، عندما اعتقد أنَّ الكون عبارة عن آلة كبيرة - كمثال مجازي - تعمل وفق قوانين محددة، لو استطعنا معرفة هذهِ القوانين، يسهلُ علينا ان نقترح حركة الكون بالمستقبل بناءً على مُعطيات الماضي والحاضر.

 وبدأ نيوتن يضع قوانين الجاذبية وحركة الأجسام، وتحول الطاقة، وانتقال أشكال المادة، وضلَّ هذا الاعتقاد سائداً إلى نهايات القرن التاسع عشر، إلى أن جاء (آينشتاين، وماكس بلانك، وشويدنغر)، وقالوا أنَّ الكون ليس له كتالوغ ثابت محدَّد، وأنَّ ما نراهُ من أمورٍ مُعتادين عليها في هذا الكون قد تكون وهم وخيال، فالواقع ليس حقيقياً، حيث أنَّ الماضي والحاضر والمستقبل قد يكون لها تأثيرٌ عكسي على بعضهم بعضاً، فالمستقبل قد يؤثر بالماضي، والحاضر قد لا يكون وليد الماضي .

قد يرى البعض أنَّ هذه النظرة غير منطقيَّة، أو فيها الكثير من الماورائيات، لكن في الواقع هذه هي نظرة العلم الحديث  للكون من وجهة نظر الفيزياء الحديثة، ومن وجهة نظر ميكانيكا الكم، لا بل يُمكننا القول أنَّ هذه هي أحدث نظرة للعالم من قبل علماء الفيزياء الحديثة، وما يسمى بفيزياء ميكانيكا الكم أو كوانتا الكم، فما هي هذه الفيزياء أحبابي، وما هي أدوات استقرائها، ومن هم أشهر روَّادها وعلمائها ومن وافقها ومن عارضها؟

 دعونا نجد إجابة لكل هذه الاستفسارات والأسئلة في هذا المقال أصدقائي القرَّاء الأعزاء.

مقدمة علمية 

قبل العالم (تومسون) كان الاعتقاد أنَّ المادَّة تتكوَّن من أجسام مُتناهية الصغر لا تتجزأ، وتحمل صورة شحنات متساوية، إلى أن اكتشف العالم تومسون أنَّ المادَّة تتألف من ذرَّات مُتناهية الصِّغر؛ ولكن لا تحمل نواة حسب زعمه واعتقاده، ثم أتى (ماكس بلانك) ليُثبت أنَّ الذرَّة تتألف من نواة موجبة، وفراغ يُشبه الفراغ الكوني، وحوله إلكترونات سالبة، وهذا التطوّر أوصل العالم لعلمِ الطَّاقة الحديثة، الذي يؤكد بأنَّ الطاقة كما المادة تنقسم الى جزيئيات فوتونية.

 وسماها (الكوارك، أو الكوانتم)، وهذا ما سمى لاحقاً الفيزياء الحديثة بـ (فيزياء الكم، أو ميكانيكا الكم)، قبل أن يكتشف آينشتاين أنَّ الضوء عبارة عن موجه وجُسيم معاً، كان الاعتقاد أنَّ الضوء ليس مادَّة، ولكن موجة فقط، إنما اكتشاف آينشتاين أضاء للعالم (دي بروي) نظريته بأنَّ الإلكترون نفسه حين يتحرَّر ويطرد الضوء؛ يتحوَّل لموجه، وهذا يعني أنَّ المادَّة بحدِّ ذاتها عبارة عن ارتداد موجه، ثم جاء (شرودينجر) الذي وضع المعادلة الموجيَّة التي تصف حركة الإلكترون.

ومن بعدها قام (هوزنبرغ) بشرح مبدأ عدم التأكد الذي قال فيه: "أنه لا يمكن تحديد مكان وسرعة الإلكترون في نفس الوقت"، ثم أتى (ماكس بورن) الذي قال: "قد لا يُمكن تحديد مكان وتوقيت مكان الإلكترون، ولكن يُمكن أن نحدِّد احتمالية تواجده"، فأين يُمكن أن يكون متواجداً في حركته؟ على سبيل المثال هُناك موجه إلكترون، فأمامنا احتمال تواجدها على يمين المدار المخصَّص لها  بنسبة ثلاثين بالمائة، أو على شمالها بنسبة أربعين بالمائة، أو بوسط المركز بنسبة عشرين بالمائة.

 فهذا الكلام الحديث منافي للفيزياء الكلاسيكية، فعند قراءة هذا الأمر ستردد فوراً عزيزي القارئ قائلاً: ما هذا الجنون،  نعم من وجهة نظر ماكس بورن وجودك أصبح عبارة عن احتمالية -كيف لا يُمكن معرفة تحديد مكان الإلكترون، أو تحديد وجوده بالواقع - بالنِّسبة لنا بنفس الوقت، نعم يؤسفني أن أقول لك أنَّ هذا ليس فرضية، بل هذا مبدأ علمي يقوم علية العلم، والهاتف الذي تحمله بيدك يعمل على هذا النوع من الفيزياء، ولمبات الليد، والمايكروسكوب الإلكتروني، وأشعة الرنين المغناطيسي .

 بعض الأفكار الأساسيَّة في ميكانيكا الكم 

   نظرية الكم، أو ما يُشار إليها عادةً بـ (ميكانيكا الكم)، هي جزء من الفيزياء الحديثة، وهي النظرية التي تهتم بدراسة سلوك المادَّة والضوء في المستوى الذري، والدون ذري، (أي بأبعادٍ تُقاس بالنانومتر على الأكثر، حيث إن النانومتر الواحد يساوي 1×10-9 متر).

تحاول ميكانيكا الكم تفسير سلوك الذرَّة ومكوّناتها الأساسيَّة، (مثل البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات)، والمكونات الأصغر حجماً - مثل الكوارك - مجتمعة بأجزاء متناهية في الصغر، فحسب فيزياء ميكانيكا الكم، فمثلما الطاقة والمادة تنقسم إلى أجزاء متناهية الصغر، فإنَّ الزمان والمكان ينقسم لأجزاء متناهية في الصغر، أطلق عليها العالم ماكس بلانك أطوال بلانك، او بلانك لينكس، والذي اعتبر بأنَّ (الحركة وهم) وليس واقعٌ حقيقي، فبحسب زعمه  أنَّهُ حين نصل لأصغر وحدة ببُنية المكان والزمان.

 فإنَّ أقصر وحدة للزمان هي بحسب ماكس بلانك، أقصر زمن هو الذي ستقطع فيه اقصى سرعة ممكنة في أقل مسافة ممكنة، أي سرعة الضوء، وبالتالي أقصر سرعة ممكنة هي سُرعة الضوء، وأقل مسافة ممكنة هي طوال بلانك، أو بلانك لينكس، وهذا يعني إذا قسَّمنا سُرعة الضَّوء على طول بلانك؛ سنحصل على أصغر فترة زمنية في الكون، والتي سُميت بـ (زمن بلانك).

وحسب هذه الحسابات تبين لماكس بلانك بأنَّ الزمان والمكان ليسا مُتصلين، ولكنهما يتكونان من قطعٍ متناهية الصِّغر، وهي طول بلانك وزمن بلانك، وبالتالي الحركة عبارة عن وهم من وجهة نظر ميكانيكا الكم، وهذا ثاني خلاف بين آينشتاين وعلماء ميكانيكا الكم الذين لم يعترفوا بالزمكان،  مصطلح لآينشتاين، وأنَّ الزمان والمكان وحدة مُتصلة، ولا زمان بلا حركة، فالحركة بالمكان يولد الزمان وصفر حركة يولد صفر زمان حسب تعبير آينشتاين .

نشر آينشتاين في عام  1905م نظرية تفسِّر التأثير الكهروضوئي، حيث قال:

يتكوَّن الضَّوء، وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي من حزم كُموميةَ، ومُنفصلة من الطاقة، سُميَ كل منها فوتون، وتعتمد طاقة الفوتون على تردُّدها، إنَّ الإلكترون له موجة وارتداد نتيجة دوران الإلكترون حول محوره، ولكن خلافاً لما يعتقده عُلماء كوانتا الكم، والذين يقولون بأنَّ الإلكترون يدور حول نفسه بعكس عقارب السَّاعة، وبذات الوقت يدور باتجاه عقارب السَّاعة، أي أنَّه يدور في الوقت ذاته بكلا بالاتجاهين.

 ويقول آينشتاين: أنَّه بحسب النظريَّة النسبية لا يُمكن أن يحمل الإلكترون حركة موجبة وسالبة عكس عقارب السَّاعة، ومع عقارب السَّاعة بنفس الوقت؛ حيث أنَّ هذا الدوران يحتاج أن يتحرَّك الإلكترون بسرعةٍ تفوق سُرعة الضوء، لأنَّه وفق النظرية النسبية كلما زادت السُّرعة، كلما زادت الكتلة للجسم المتحرِّك، ولتحريك كتلة سرعة تفوق الضوء نحتاج لكتلة لا نهائيَّة.

 ولتحريكها نحتاج لطاقة لا نهائية، وهذا بطبيعة الحال غير منطقي، وليقف الزمن حول دوران الإلكترون يحتاج لسعة تشابك كمِّي، والذي سمَّاه الاتصال الشبحي أي الوهمي، ولا يُمكن أن يحصل مناقضا بذلك نظرية الكوانتا الكمية، إلى أن جاء عالم يُدعى (جون ستورث بيل)، وأثبت بأنَّ الإلكترونات ليس فيها معلومات مسبقة حسب زعم آينشتاين.

 وهذا يعني ان الكون كلُّه قائمٌ على الاحتمالية، والتواصل الموازي لحركة الإلكترونات الكونتية، وهذا الذي قال عنه آينشتاين جملته الشهيرة "إن الله لا يلعب النرد"، ولكن للأسف أثبت العلم لاحقاً بأنَّ آينشتاين على خطأ، وأنَّ الإلكترون يدور حول محوره عكس عقارب السَّاعة، ومع عقارب السَّاعة، وهذا يعني أنَّ الله سبحانه وتعالى خلق الكون بجميع احتمالاته، وأنَّ إدراكك هو الذي يحدِّد الاحتمال الذي سيكون واقعاً وحقيقة بعد ذلك.

وطريقة إدراكك سيفرض على هذا الاحتمال بأن يظهر دائماً بالصُّورة التي تُريد أنت تتصورها، وبذلك فإنَّ ميكانيكا الكم تثبت أنَّك كإنسان مُخيَّر بإدراكك ووعيك، ولكن لا يوجد حقائق وإجابات مُطلقة، والحقيقة نفسها التي من المنطقي أنَّها ثابته مهما تغيرت المُعطيات؛ تبين أنَّها تتغيَّر بمجرد تغيُّرك للطريق التي تسلكه وأنت ذاهبٌ إليها، ومن غير المتوقع اعتبار الواقع واقعاً إلا في حيِّز إدراككَ ووعيكَ، وإذا تغيَّر إدراكك ووعيك فأنتَ دائماً قادرٌ على تغيير الواقع.

  ما علاقة الجسم الأسود بكوانتا الكم

إنَّ أي جسم موجود في الطبيعة يقوم بإرسال أمواج إشعاعيّة كهرومغناطيسية، بأطوالٍ موجية مختلفة، والجسم الذي يُعيد إشعاع جميع الأشعة الساقطة عليه بشكلٍ كاملٍ يُسمَّي (بالجسم الأسود). يُظهر مُنحنى إشعاع الجسم الأسود بأنَّ بعض الأطوال الموجية التي يُشعّها هذا الجسم سوف تمتلك طاقةً أعلى من غيرها، بشكلٍ عام فإنّه سوف يمتلك كل طول موجي من الطيف الكهرومغناطيسي مقداراً خاصّاً به من الطاقة.

 منحنى الجسم الأسود، أو الطَّيف الذي يُشعّه الجسم الأسود؛ يعتمد فقط على درجة حرارة الجسم الأسود.

  وبما أن الإلكترونات هي أجسام مشحونة، فإنَّ الجسم الأسود سوف يشع طيفاً كهرومغناطيسياً نتيجة هذا التسخين، وكلَّما زادت درجة حرارة هذا الجسم فإنه سوف يسطع أكثر.

وبالرَّغم من أنَّ هذا التفسير لعملية الإشعاع جيِّد، إلا أنّ الفيزياء الكلاسيكية لم تتوصّل إلى تفسير شكل مُنحنى الجسم الأسود.

 بعد عدَّة محاولات كلاسيكية فاشلة لتفسير شكل المنحنى، جاء العالم ماكس بلانك وفسّرَ شكل المنحنى عن طريقِ افتراض أنّ الطاقة تأتي على شكل حزمٍ متقطّعة تتناسب مع تردُّد هذه الاهتزازات، (أي إن الطَّاقة تتناسب مع عدد الاهتزازات في وحدة الزمن).

شكل الذرَّة الحقيقي، وميكانيكا الكم 

منذ بداية الحضارة الإغريقية، وعلماء الفلك والعلوم اختلفوا على أصل الكون والوجود، وما هو أصغر جزء يُمكن أن نصل إليه في تقسيم أجزاء الأشياء، المكوَّن منها الكون، إلى أن توصَّل العالم الإغريقي (ديموقريطس) إلى أنَّ العالم مكوَّن من مواد قابلة للتقسيم، لتصل الى أصغر جُزء لا يٌمكن تقسيمه، وأطلق عليه مصطلح (الذرَّة).

منذ ذلك الحين بقيت تسمية أصغر جزيء من تكوين المادَّة في الكون اسمه الذرَّة حتَّى يومنا الحاضر، واختلف الشَّكل المرسوم عبر الزمن للاستدلال على ماهية الذرَّة وتكوينها، مع تطوُّر العلم، وتقدُّم الحضارة.

هناك خلاف حول شكل الذرَّة بين عُلماء ميكانيكا الكم، وعلماء الجسيمات، وهذا الخلاف قائمٌ حول شكل الذرَّة، والذي ضل لزمنٍ طويل عبارة عن مركز نواة فيه نترون، وبروتون، وإلكترونات تدور بمدارات بيضاوية حول النواة، ولكن علماء ميكانيكا الكم قالوا أن شكل الذرَّة ليس هكذا؛ ولكنَّه عبارة عن سحابة إلكترونية.

لا نستطيع تحديد أين يوجد الإلكترون ونتوقع مكانه، ونواة تحمل جزيئات كوراك بداخلها البروتونات، والنترونات مغلفةً بمادة شبيهة بالصمغ تُسمَّى (الغولونات)، مع العلم أنَّ عُلماء ميكانيكا الكم نفوا حقيقة أنَّ الإلكترون جسيم؛ وقالوا موجه وجسيم، وأنَّ هذا الشكل الجديد للذرَّة بحسب العالم بول دراك، والذي افترض أنَّ هناك بالكون مواد مضادَّة.

أي (كون موازي)، فالإلكترونات هناك إلكترونات موجبة، وللذرات ذرات مضادَّة تحمل عكس صفاتها، أي أنَّ هُناك كونٌ موازي موجي الحركة يُعاكس الكون الأساسي، على سبيل المثال: إذا كان الإلكترون في الواقع يحمل شُحنةً موجبة؛ فإنَّ الكون يحتوي على إلكترون مضاد بقيمةٍ سالبة، وهذا ما أسَّس لنظرية المجالات الكموميَّة، والتي ظهر معها أحدث تصوُّر لشكل الذرَّة.

وبحسب فيزياء ميكانيكا الكم، والتي تقول أنَّ الكون عبارة عن مجالات فوق بعضها، أطلقوا عليها اسم (بحيرات ديراك)، والجسيمات عبارة عن اضطرابات في هذه المجالات، أي لا يوجد مادَّة، فالمادَّة وهم وكل جسيم له مجال ليعيش فيه، أو يهتز داخله، أي أنَّ العالم عبارة عن ارتدادات موجيَّه بالسُّحب الإلكترونيَّة للكون، والفراغ ليس عدم؛ إنَّما هي القيم السَّالبة ببحر الاضطرابات الموجيَّة الغير محسوسة، وتُعطي  موجات مؤقتة غير قابلة للقياس، وبالتَّالي فإنَّ الفراغ الكوني هو عبارة عن تبادل بين اضطرابات غير محسوسة، وجسيماتٍ وهميَّة، وهذا ما سماه علماء كوانتا الكم باسم (التقلبات الكميّة).

خلاصة القول

وهنا نرى أيُّها القراء الأعزاء أنَّ الفيزياء الحديث ذو إشكاليَّة، حيث خلقت العلوم الحديثة نظرياتٍ لم نعتد عليها من قبل، وقد قلب لنا ميكانيكا الكم موازين العالم والعلم رأساً على عقب، فعليك أن تتعاطى بعد اليوم حسب كوننا الكم مع العالم على أنه وهم أنّ المادة غير موجودة إلا بحيز الاحتمالات الموجية، وأنّ المكان وهم وليس متكامل وعبارة عن حيز منفصل من الموجات والمهارات الفوتونية وليس هناك زمان بالمعنى التقليدي للزمان، وأنّ الحاضر ربما وليد الماضي، وأنّ المستقبل سيغير بالماضي، وأنّ الكون كل الكون ليس إلا عبارة عن سديم إلكتروني ذو موجات ارتدادية للطاقة التي تخلق من حركة التضاد بين العالم الواقعي والعالم الموازي.

 نعم عليك أنّ تبدأ بالتأقلم مع فكرة انك لستَ الفريد في هذا الكون، لا على العكس أنت لك شبيه موازي يحمل شحنة مضادة لموجة ارتداد حقلك الكهرومغناطيسي في الجسم الأسود، وكل شيء بالكون له موازي غي عالم موازي يحمل شحنة معاكسة لشحنته، وإنّ هذا المضاد لك لا يمكن رصده أو حتى قياس حركته، لا بل انك انت بحد ذاتك كمادة وإلكترونات، لا يمكن حساب وجودك أو حساب وتوقع حركة الكتروناتك كمادة.

 أي أنّ العالم بحسب كونتا الكم أو ميكانيكا الكم  سرمدي أزلي يقوم على مبدأ الاحتمالية، هل هذا منطق هل الكون ليس له بداية ولا نهاية، هل الواقع كل الواقع ليس واقع إلا في حيزِ إدراكنا وبمساحة وعينا لوقوع هذه الحركة للمادة وتتغير هذى المادة بمجرد تغير واقعك وواقع زاوية رصدك لهذا المادة، في زمن العالم (غاليليو غالياله) نظريته اعتبرت هرطقة حول كرويَّة الأرض وأحرقوه، وقال وهو يتعرض للمحاكمة رغم انوفكم تدور وأنها ليست مسطحة، قتل نعم؛ لكنه العلم أنصفهُ وأثبتَ كرويَّة الأرض.

 وأن غاليليو على حق، وإنَّ تسارع العلم والتقدُّم العلمي يُبيِّن لنا أنَّ في كوانتا الكم الكثير من الأسرار ليكشفها لنا عن نشأة هذا الكون السرمدي والسَّحيق، ميكانيكا الكم قد نختلف معها ونحاول رفضها لغرابه طرحها ورغم كل الإثباتات التي تحاول إبرازها، نبقى متمسكين بقوانين الفيزياء الكلاسيكية رافضين طحرها لكن العالم يثبت كل يوم صحة طرحها.

 وبأننا لم نأتِ من العِلم إلا القليل، ويبقى هذا الكون يحمل آلاف الأسّرارِ الغامّضة التي تحتاجُ لجيوشٍ من العلماء والباحثينَ والفلاسفة ليقدموا لنا أجوبة مقنعة وبراهين علمية تحاول أن توصلنا لأصل وجود هذا الكون وماهية نشأته والله أعلم وأعظم.