لماذا لا نستطيع فهم ميكانيكا الكم؟

بقلم: أسماء أسامة

تدقيق علمي: عمار محسن/ حمود السعدي

تدقيق لغوي: عمر إسماعيل

لماذا لا نستطيع فهم ميكانيكا الكم؟ (لسنا أغبياء لكنها فقط لا تُفهم!)

دائماً ما يكون عالَم الفيزياء مليئاً بالتقلبات والمنعطفات غير المتوقعة، فبعد قرونٍ من السلام مع نظريات نيوتن -الذي لُقب بـ”أبو الفيزياء”-، جاء “أينشتاين” العالِم الشاب الذي غيَّر منظورنا عن الفيزياء كليا وأدخل مفهوم النسبية إلى عالمنا.

إلى هنا كان عقلنا البشري لا يتعذب كثيرا في كيفية عمل تلك النظريات، فعندما يأتي الأمر إلى الأحجام الكبيرة مثل الكواكب والنجوم والمجرات نستطيع تخيل حركاتها ومساراتها ويبدو ذلك منطقياً سواء بالفيزياء الكلاسيكية أو بعد إضافة تعديلات النسبية.

لكن عندما يأتي الأمر إلى الجسيمات المتناهية الصغر مثل الإلكترونات أو الفوتونات نجد أنفسنا في حيرة! ظهرت ميكانيكا الكم لتفسر طبيعة جسيمات العالم غير المرئي مثل فوتونات الضوء والإلكترونات.

هناك تجربة شهيرة تُسمى “double-slit experiment” أو تجربة الفتحة المزدوجة، حيث يوجد مثل حائط به بابان مفتوحان، وراء هذان البابان يوجد حائط آخر عليه كواشف “detectors”لكشف الأجسام الساقطة عليه. حيث يظهر مثل الضوء على هذا الحائط الكاشف لتحديد مكان سقوط الجسيم.

يقوم العلماء بدفع كمٍّ من الإلكترونات، ومن الطبيعي أن الإلكترون الواحد تكون لديه احتمالية 50% للدخول من الباب الأول و 50% للدخول من الباب الثاني، فتنتج كتلة من الإلكترونات خلف كل باب على الحائط الكاشف. ولكن، هل حدث ذلك حقاً؟ في الحقيقة لم يحدث هذا عندما نُفذت هذه التجربة وكانت النتائج مفاجئة للغاية!!

 

حيث ظهرت الإلكترونات على الكاشف بهذا الشكل:

ثضث.png

كيف إذن؟ هل انقسم الإلكترون ليدخل من كلا الفتحتين بنفس الوقت؟ أم أنه يدخل من الفتحتين بطريقة ما ولكننا نجهلها؟ لأن ظهور هذا النمط الغريب يدل على دخول الإلكترون من كلا الفتحتين. ومثلما تتنافر الشحنات المتشابهة مع بعضها تنافر الإلكترون مع نفسه فظهر هذا النمط.

ضصضص.png

النتيجة الوحيدة لتفسير هذا النمط هو أن الإلكترون الواحد قد دخل من كلا البابين بنفس الوقت، أي أن الإلكترون قد قام بالاحتمالين معاً بنفس الوقت، دخوله من الباب الأول والباب الثاني بنفس الوقت، وهذا ما يسمى في ميكانيكا الكم بـ”superposition”، وهذه إحدى قواعد ميكانيكا الكم، والتي تنص على أن الجسيمات تفعل جميع الاحتمالات التي من الممكن لها فعلها في نفس الوقت.. ولكن كيف هذا؟ فنحن لا نرى الأشياء، التفاحة مثلاً لا نراها فوق الطاولة وتحتها بنفس الوقت، نراها في مكان واحد فقط، التفسير الآخر لهذا الأمر هو قاعدة القياس “measurement rule” .

عند مراقبة الإلكترون ووضع كواشف على الأبواب نفسها “slits”، الإلكترون الواحد يمر عبر باب واحد فقط، أي أنه عنما يتم قياسه يتصرف بصورة طبيعية، يبدو هذا غريباً! فللوهلة الأولي ستسأل نفسك هل تعلم الجسيمات أننا نراقبها؟ لماذا تهتم بأننا نراقبها وتغير من سلوكها؟

أم أن الطبيعة تتحايل علينا؟ أم أنه يوجد تفسير منطقي ولكننا لا نعلمه؟

من القواعد التي وضعتها ميكانيكا الكم هي الطبيعة المزدوجة للجسيمات، فالضوء يعتبر موجة وكذلك يتكون من جسيمات، الإلكترونات كذلك جسيمات ولكن لها دالة موجية، تلك الدالة الموجية تدل على جميع عدد احتمالات تواجد الإلكترون في الأماكن المختلفة. في هذة التجربة الدالة الموجية للإلكترون= مروره عبر الباب الأول + مروره عبر الباب الثاني

شبيشب.png

عندما لا تكون هناك كواشف على الأبواب نفسها تظل الدالة الموجية قائمة. حيث يوجد الاحتمالان معا ولا نعلم أيهما أو كلاهما سوف يحدث.

ولكن عند وضع كواشف لتحديد أي الاحتمالين سيحدث تسقط الدالة الموجية للإلكترون لأن أحد الاحتمالين قد حدث وتدمر الاحتمال أو الاحتمالات الأخرى.

ولكن لنقل أن شخصا يُدعى “مهند” قد أحضر كاشفاً وجاء لقياس حركة الإلكترون، وقام بتحديدها وعلم عَبر أي باب عَبَر الإلكترون. فسقطت الدالة الموجية لهذا الإلكترون، جاءت “سارة” بعد “مهند” لقياس حركة هذا الإلكترون مرة أخرى ولكن بدون علمها أن “مهند” قد قام بذلك؛ أي بدون علمها أن الدالة الموجية لهذا الإلكترون قد تحطمت بالفعل، ستبدو نتيجة قياسها عشوائية تماماً بالنسبة لها ولكن هل تظل الدالة الموجية قائمة لأن “سارة” لا تعلم أنها سقطت بالفعل؟ أي هل يظل الاحتمالان بدخول هذا الإلكترون عبر الباب الأول والباب الثاني بنسب متساوية؟

الإجابة هي أنه حيثما سقطت الدالة الموجية تظل كذلك لنفس الجسيم حتى إذا كان المراقب لا يعلم بسقوطها.

أي أنه إذا كان هذا الإلكترون قد مر عبر الباب الأول عندما قام “مهند” بقياسه، يظل هذا الإلكترون يمر عبر هذا الباب عندما تقوم “سارة” بقياسه حتى إن كانت لا تعلم بقياسات “مهند”.

أمر محير للغاية وغير مفهوم حقاً، فلنستطيع تفسير هذا السلوك يجب أن نفترض أن الإلكترونات لها عقل وتفهم!

وتظل هذه النظرية غير مفهومة تماماً بالنسبة للعقل البشري حيث يصعب علينا تخيل وجود جسيم بمكانين في نفس الوقت، ولكن القائمة طويلة عندما نتحدث عن غرابة ميكانيكا الكم.

 

 

 

المصادر:

https://www.youtube.com/channel/UCFk__1iexL3T5gvGcMpeHNA

(The double slit experiment, Marianne , February 5, 2017)

https://plus.maths.org/content/physics-minute-double-slit-experiment-0

 

الإعلانات

اترك رد