بعض الأماكن التي تظهر فيها فيزياء الكم في حياتك اليومية.

من هاتفك الذكي إلى مجرد ساعة عادية، قد تكون فيزياء الكم غريبة، لكنها عملية أيضًا، تشتهر فيزياء الكم بخصائصها الغريبة، مثل التشابك - ما أسماه أينشتاين ذات مرة "العمل المخيف عن بعد" - والتراكب، القدرة الغريبة للجسيمات الذرية على التواجد في أكثر من مكان في نفس الوقت، غالبًا ما يؤدي اتباع هذا الفرع الحديث من الفيزياء إلى تكهنات مبهجة (أو مزعجة، اعتمادًا على وجهة نظرك) حول طبيعة الواقع. فيما يلي بعض الأماكن التي تظهر فيها فيزياء الكم في حياتك اليومية.

ما هي ميكانيكا الكم

ميكانيكا الكم هي حقل فرعي من الفيزياء يصف سلوك الجسيمات - الذرات والإلكترونات والفوتونات وكل شيء تقريبًا في العالم الجزيئي وشبه الجزيئي.

تم تطوير نتائج ميكانيكا الكم خلال النصف الأول من القرن العشرين، وغالبًا ما تكون غريبة للغاية ومضادة للحدس.

كيف تختلف ميكانيكا الكم عن الفيزياء الكلاسيكية؟

على مقياس الذرات والإلكترونات، فإن العديد من معادلات الميكانيكا الكلاسيكية ، التي تصف حركة وتفاعلات الأشياء بأحجام وسرعات يومية ، لم تعد مفيدة.

في الميكانيكا الكلاسيكية، توجد الأشياء في مكان محدد في وقت محدد. في ميكانيكا الكم، توجد الأشياء بدلاً من ذلك في ضباب الاحتمالية. لديهم فرصة معينة للوصول إلى النقطة أ، وفرصة أخرى للوصول إلى النقطة ب وما إلى ذلك.

متى تم تطوير ميكانيكا الكم؟

تطورت ميكانيكا الكم على مدى عقود عديدة، وبدأت كمجموعة من التفسيرات الرياضية المثيرة للجدل للتجارب التي لم تستطع رياضيات الميكانيكا الكلاسيكية تفسيرها، وفقًا لجامعة سانت أندروز في أسكتلندا (يفتح في علامة تبويب جديدة). بدأت في مطلع القرن العشرين، في نفس الوقت تقريبًا الذي نشر فيه ألبرت آينشتاين نظريته عن النسبية ، وهي ثورة منفصلة في الفيزياء تصف حركة الأشياء بسرعات عالية. على عكس النسبية، لا يمكن أن تُنسب أصول ميكانيكا الكم إلى عالم واحد. بدلاً من ذلك، ساهم العديد من العلماء في مؤسسة اكتسبت تدريجياً القبول والتحقق التجريبي بين أواخر القرن التاسع عشر و1930.

في عام 1900، كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك يحاول تفسير سبب توهج الأجسام عند درجات حرارة معينة، مثل خيوط المصباح الكهربائي التي تبلغ مساحتها 1470 درجة فهرنهايت (800 درجة مئوية)، بلون معين - في هذه الحالة، أحمر، وفقًا للمحيط. المعهد (يفتح في علامة تبويب جديدة). أدرك بلانك أن المعادلات التي استخدمها الفيزيائي لودفيج بولتزمان لوصف سلوك الغازات يمكن ترجمتها إلى تفسير لهذه العلاقة بين درجة الحرارة واللون. كانت المشكلة أن عمل بولتزمان اعتمد على حقيقة أن أي غاز معين مصنوع من جزيئات صغيرة ، مما يعني أن الضوء أيضًا مصنوع من أجزاء منفصلة.

3 طرق تستخدم فيها فيزياء الكم كل يوم

• هاتفك الذكي

على الرغم من أننا لا نمتلك أجهزة كمبيوتر كمومية تعمل بكامل طاقتها بعد، فلن نمتلك أي أجهزة كمبيوتر إلكترونية بدون ميكانيكا الكم. التراكب - الخاصية الغريبة لفيزياء الكم التي تبقي قط حية وميتة في نفس الوقت - هو ما يجعل الكمبيوتر الذي تستخدمه لقراءة هذا ممكنًا.

بفضل فيزياء الكم، اكتسب العلماء فهمًا للطبيعة المزدوجة للإلكترونات. أي أن لها خصائص كل من الجسيمات والأمواج. أو كما قال الفيزيائي الإيطالي كارلوس روفيلي في كتابه الواقع ليس ما يبدو، فإن الإلكترون "ينتشر في سحابة من الاحتمالات في جميع الأماكن".

هذا يعني أن الإلكترون يمكن أن ينتمي إلى أكثر من ذرة واحدة في نفس الوقت. في الواقع، يمكن مشاركة الإلكترون بين الكثير من الذرات. (هذه هي الطريقة التي تتشكل بها الروابط الكيميائية.)

إن فهم هذا السلوك يجعل من الممكن التلاعب بخصائص أشباه الموصلات، مثل السيليكون. إن الجمع بين السيليكون والعناصر الأخرى المختلفة للاستفادة من خصائصها المختلفة هو الأساس لإنشاء الترانزستورات الصغيرة داخل أجهزة الكمبيوتر والهواتف والأجهزة الإلكترونية الأخرى. بمعنى آخر، الكثير مما يجعل العالم الحديث ممكنًا.

• كاميرا هاتفك الذكي

تعتمد كاميرا هاتفك أيضًا على فيزياء الكم وراء أشباه الموصلات. تستجيب أجهزة الكشف عن الصور أو الثنائيات الضوئية الموجودة في الكاميرا للضوء في شكل تيار من الإلكترونات. مرة أخرى، فإن معرفتنا بسلوك الإلكترونات هي التي تمكننا من الاستفادة من خصائص أشباه الموصلات - وكلما فهمنا هذه الخصائص، كان بإمكاننا تعديل كاميراتنا بشكل أفضل.

• ساعتك

ربما تكون قد اكتسبت ساعة من النوم عندما تغير التوقيت الصيفي إلى التوقيت الشتوي، ولكن ربما لم تكن مضطرًا لتذكر إعادة ضبط ساعاتك على هاتفك وجهاز الكمبيوتر. ذلك لأن الساعات الموجودة على أجهزتنا الإلكترونية تحصل على الوقت الصحيح من الساعات الذرية، والتي تستخدم إحدى خصائص العالم الكمي.

مثل البندول في الساعات القديمة، فإن تكرار التحولات بين حالتين من الطاقة في ذرة السيزيوم 133 ذهابًا وإيابًا. نظرًا لأن هذه التذبذبات منتظمة للغاية، فإنها توفر طريقة دقيقة للغاية للحفاظ على الوقت. يتطلب الاستفادة من حقيقة الطبيعة هذه فهماً لفيزياء الكم.

يستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هذا العرض الفائق الدقة أيضًا: تحتوي الأقمار الصناعية على ساعات دقيقة للغاية تبث وقتها باستمرار، ويمكن لجهاز GPS الخاص بك معرفة مكانها على الأرض من خلال ملاحظة المدة التي تستغرقها إشارات الأقمار الصناعية للوصول إليها.