prompter: اشرح الميكانيكا الكم بشكل بسيط

assistant: ميكانيكا الكم هي فرع من فروع الفيزياء الذي يحاول دراسة سلوك المادة والطاقة على نطاق صغير جدًا ، مثل الذرات والجسيمات دون الذرية. يوفر إطارًا رياضيًا لفهم السلوكيات الغريبة والمضادة للحدس للجسيمات في هذا المقياس ، مثل التراكب (قدرة الجسيم على الوجود في حالات متعددة في وقت واحد) والتشابك (الظاهرة التي يمكن أن يرتبط فيها جسيمان بهذه الطريقة أن حالة أحد الجسيمات يمكن أن تؤثر بشكل فوري على الآخر ، حتى لو تم فصلهما بمسافات كبيرة).

على عكس الميكانيكا الكلاسيكية ، التي تصف حركة الأجسام العيانية ، تعمل ميكانيكا الكم وفقًا لمجموعة مختلفة من القواعد والمبادئ ، بما في ذلك مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، والذي ينص على أنه من المستحيل تحديد خصائص معينة بدقة للجسيم ، مثل جسيمه الموقف والسرعة ، في وقت واحد.

بعبارات بسيطة ، ميكانيكا الكم هي طريقة لفهم سلوك الأشياء الصغيرة جدًا التي لا تتبع دائمًا القواعد التي نراها في العالم اليومي ، ولكنها تتبع بدلاً من ذلك مجموعة من القواعد الغريبة والرائعة التي تسمح بوجود تقنيات مثل مثل الترانزستورات والليزر والخلايا الشمسية.

assistant: ميكانيكا الكم هي نظرية رئيسة في الفيزياء توفر وصفًا للخصائص الفيزيائية للطبيعة على مقياس الذرات والجسيمات دون الذرية. ميكانيكا الكم هي الأساس الذي تقوم عليه فيزياء الكم وكيمياء الكم ونظرية الحقل الكمومي وتقانة الكم وعلوم المعلومات الكمومية.

assistant: قد تبدو ميكانيكا الكم مخيفة. ولكن قد يكون من الممتع أن تعرف أكثر! إنه يجعلك حقًا "تتمدد" عقلك وتوسع مهارات التفكير لديك. وميكانيكا الكم لا تحدث فقط في مختبرات الفيزياء عالية التقنية. تطبيقات ميكانيكا الكم في كل مكان حولنا. حتى داخل الجهاز الذي تستخدمه لقراءة هذه السطور!

ميكانيكا الكم هي في الأساس دراسة كيفية وجود الجسيمات الذرية وتفاعلها مع بعضها البعض. قد تكون على دراية بالميكانيكا الكلاسيكية ، مثل قوانين نيوتن الثلاثة للحركة. تسمح الميكانيكا الكلاسيكية للعلماء بعمل تنبؤات دقيقة للغاية للأجسام الكبيرة. لكن هذه التنبؤات لا تعمل بشكل جيد عندما تنظر إلى الأشياء على نطاق أصغر.

وهنا يأتي دور ميكانيكا الكم. فهي تصف قوانين الطاقة على مقياس الذرات. أفضل طريقة لفهم ميكانيكا الكم هي من خلال دراسة أركانها الرئيسية.

في مطلع القرن العشرين ، اعتقد العديد من الفيزيائيين أنه لم يتبق شيء لاكتشافه في مجالهم. ومع ذلك ، بقيت مشكلة واحدة كبيرة. كان لهذا علاقة بالأشياء الساخنة.

فكر في جهاز تحميص الخبز الخاص بك . عندما تسخن العناصر ، فإنها تتوهج باللون الأحمر. إذا تمكنت من زيادة درجة الحرارة أكثر من ذلك ، فستتوهج باللون الأبيض. هذا النمط من تغير اللون مع درجة الحرارة هو نفسه لأي شيء، بغض النظر عن الشيء الذي يتكون منه.

في البداية ، استخدم العلماء الفيزياء الكلاسيكية لمحاولة فهم هذا النمط. تنبأت نماذجهم بأن الأجسام الساخنة يجب أن تبعث ضوءًا موجودًا في الغالب في نطاق تردد الأشعة فوق البنفسجية.

لكن تجاربهم أظهرت عدم انبعاث أي ضوء فوق بنفسجي على الإطلاق! هذه المشكلة كانت تسمى كارثة الأشعة فوق البنفسجية. تم حلها بواسطة العالم ماكس بلانك ، عالم الفيزياء النظرية الألماني. كثيرا ما يطلق عليه أبو ميكانيكا الكم.

ابتكر بلانك معادلة رياضية جديدة لترددات الطاقة الضوئية المنبعثة من جسم ساخن. أظهر أن الأجسام الدافئة ستصدر ترددات حمراء. تنبعث من الأجسام الأكثر سخونة ترددات من جميع الألوان المرئية ، مما يجعلها تبدو متوهجة باللون الأبيض. والأهم من ذلك ، تنبأت صيغة بلانك بعدم إصدار أي ترددات فوق بنفسجية. إنها تتناسب تمامًا مع الأدلة التجريبية!

نجحت صيغة بلانك بسبب فكرة رئيسية واحدة. فقبل اكتشافات بلانك ، اعتقد العلماء أن الطاقة موجودة على نطاق مستمر. لقد اعتقدوا أنه من الممكن لأي جسم أن يكون له أي قيمة طاقة على هذا المقياس. كانت فرضية بلانك الجذرية هي أنه على المستوى دون الذري ، يمكن للأجسام الساخنة أن تصدر الطاقة فقط في وحدات صغيرة أو "رزم". أطلق على هذه الحزم كوانتا (تسمى كمية واحدة بالكم). قال بلانك إن كمية الطاقة في الكم تزداد مع تواترها. الترددات المنخفضة ، مثل الضوء الأحمر ، لديها طاقة أقل من الترددات الأعلى ، مثل تلك الموجودة في الضوء الأبيض.

تصف الميكانيكا الكلاسيكية الضوء على أنه موجة. ارتفاع الموجة يسمى اتساعها. الزمن بين قمم الموجة يسمى ترددها. قد تتوقع موجة ذات سعة أكبر لدفع الإلكترونات بعيدًا عن السطح بطاقة أكبر. قد تتوقع أيضا أن تصطدم موجات ذات تردد أعلى وتخرج المزيد من الإلكترونات من على السطح. ولكن كما هو الحال مع معظم التجارب الكمومية ، لوحظ ما هو غير متوقع. عندما تعرض المعدن للضوء ، تسبب السعة الأكبر في إخراج المزيد من الإلكترونات. ويؤدي الضوء ذو التردد العالي إلى خروج الإلكترونات بمزيد من الطاقة. لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسير هذا!

إذا كان لشعاع من الضوء اتساع أكبر ، فهذا يعني أنه يحتوي على عدد أكبر من الفوتونات. إذا اصطدمت المزيد من الفوتونات بالسطح المعدني ، فهناك المزيد من الاصطدامات ، وبالتالي يتم إخراج المزيد من الإلكترونات.

تعتمد الطاقة الموجودة في فوتون واحد فقط على تردده.  لذلك ، فإن الضوء ذو التردد العالي سينقل المزيد من الطاقة إلى الإلكترونات ، وهو ما لوحظ تجريبياً.

كانت نظرية الكم تكتسب زخما كبيرا. لكنه كان مجرد تفسير رياضي لبعض الملاحظات الغريبة. لا أحد يستطيع أن يشرح لماذا تأتي الطاقة في حزم منفصلة حتى عام 1913 ، حين اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا جديدًا لبنية الذرة.

قبل بور، كان العلماء يعرفون أن الذرة تتكون من نواة موجبة الشحنة مع إلكترونات سالبة الشحنة تدور حولها. أحدث بوهر ثورة في هذا النموذج. قال إن تلك الإلكترونات يجب أن تستلقي على مجموعة من المسارات المحددة. كانت هذه المسارات مثل مدارات الكواكب حول الشمس. دعاهم المدارات الإلكترونية. كل مدار له مستوى طاقة مرتبط.

عندما يمتص الإلكترون طاقة كافية ، فإنه "يقفز" من مدار إلى المدار الأكبر التالي. عندما "يسقط" إلكترون من مدار إلى المدار الأصغر ، فإنه يصدر طاقة. كمية الطاقة المنبعثة هي بالضبط فرق الطاقة بين المدارين. هذا هو سبب وجود الطاقة في قيم منفصلة ، كـ "كوانتا" ، وليس على نطاق مستمر. كانت الطاقة الكمية التي رآها بلانك هي الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الإلكترونات في الأجسام الساخنة. إذا كانت طاقة الفوتون عالية بما يكفي ، فإن الإلكترون سيغادر مداره ويترك المعدن تمامًا. لذلك ، قدمت مدارات بور الإلكترونية تفسيرًا نظريًا لميكانيكا الكم.

تخبرنا ميكانيكا الكم أن الإلكترون يمكنه فقط احتلال مستويات معينة من الطاقة. عند النظر إلى مجموعة كبيرة من الإلكترونات ، مثل تلك الموجودة في أشباه الموصلات ، فإن هذه المستويات هي "حزم" أو نطاقات من قيم الطاقة المسموح بها.

عندما يتم توصيل أشباه الموصلات بجهد كهربائي موجود داخل نطاق الطاقة ، فإنه يوصل الكهرباء. عندما يتم توصيله بجهد كهربائي خارج نطاق الطاقة المسموح به ، فإنه لا يقوم بتوصيل الكهرباء. يعمل كعازل. هذه هي الطريقة التي يتم بها تشغيل أو إيقاف تشغيل الترانزستورات ، والتي يقرأها الكمبيوتر على أنها 1 أو 0.

الشيء الذي يستخدم رمزًا ثنائيًا من 1 و 0 يسمى رقمي يستخدم في الترانزستورات شبه داخل جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، الهاتف المحمول الخاص بك ، حتى التلفزيون الخاص بك! تخيل العالم بدون هذه الأشياء ، أو بدون الإنترنت. سيكون هذا العالم بدون ميكانيكا الكم.