ميكانيكا الكم هي نظرية أساسية في الفيزياء تصف الخصائص الفيزيائية للطبيعة على نطاق الذرات والجسيمات دون الذرية. إنها أساس كل فيزياء الكم، بما في ذلك كيمياء الكم، ونظرية المجال الكمي، وتكنولوجيا الكم، وعلم المعلومات الكمومية.
في الفيزياء الكلاسيكية، يتم التعامل مع الموجات والجسيمات ككيانات مختلفة. ومع ذلك، تقدم ميكانيكا الكم مفهوم ازدواجية الموجة والجسيم ، حيث تظهر الجسيمات خصائص تشبه الموجة وخصائص تشبه الجسيمات. يتم تمثيل هذه الازدواجية بشكل أفضل بالضوء ، والذي يمكن وصفه بأنه موجة وجسيم (فوتون).
توضح تجربة الشق المزدوج ازدواجية الموجة والجسيم للضوء والإلكترونات. عندما يتم توجيه شعاع من الضوء أو تيار من الإلكترونات عبر شقين متقاربين إلى شاشة، يظهر نمط التداخل، وهو ما يميز سلوك الموجة. ومع ذلك، عند ملاحظة الجسيمات، يبدو أنها تمر عبر شق أو آخر، مثل الجسيمات. توضح هذه التجربة أن سلوك الجسيمات يمكن أن يتغير بناءً على ما إذا تم ملاحظتها أم لا، مقدمة مفهوم التراكب الكمي ، حيث يوجد الجسيم في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد حتى يتم قياسه.
التراكب الكمومي هو مبدأ أساسي ينص على أنه، على عكس الفيزياء الكلاسيكية، يمكن للأنظمة الكمومية أن توجد في حالات متعددة في نفس الوقت حتى يتم قياسها. التشابك الكمي هو ظاهرة أخرى مثيرة للاهتمام حيث تصبح الجسيمات مترابطة بحيث تؤثر حالة جسيم واحد على الفور على حالة جسيم آخر، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينهما. وقد تم إثبات ذلك من خلال تجارب آينشتاين-بودولسكي-روزين (EPR) ، مما يشكل تحديًا لفهمنا للمحلية والسببية.
مبدأ رئيسي آخر لميكانيكا الكم هو مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، والذي ينص على أنه من المستحيل معرفة الموقع الدقيق والسرعة الدقيقة للجسيم في نفس الوقت. كلما تم قياس إحدى الخاصيتين بدقة أكبر، قلّت دقة التحكم في الأخرى أو معرفتها. يتم تمثيل ذلك بالمعادلة: \( \Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} \) حيث \(\Delta x\) هو عدم اليقين في الموضع، \(\Delta p\) هو عدم اليقين في الزخم، و \(\hbar\) هو ثابت بلانك المخفض.
غالبًا ما يتم وصف سلوك الأنظمة الكمومية باستخدام معادلة شرودنغر ، وهي معادلة أساسية في ميكانيكا الكم. بالنسبة للجسيمات غير النسبية، تكون صيغة معادلة شرودنغر التي لا تعتمد على الزمن هي: \( -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2\psi + V\psi = E\psi \) هنا، \(\psi\) هي الدالة الموجية للنظام، \(V\) هي الطاقة الكامنة، \(E\) هي طاقة الجسيم، \(m\) هي الكتلة، و \(\nabla^2\) هو عامل Laplacian الذي يمثل مجموع المشتقات المكانية الثانية. تحتوي الدالة الموجية \(\psi\) على كافة المعلومات الاحتمالية حول الحالات المحتملة للنظام.
تتحدى مبادئ ميكانيكا الكم وجهات نظرنا الكلاسيكية حول الحتمية والمحلية. لها آثار عميقة في مجالات مختلفة، بما في ذلك الحوسبة والتشفير والنقل الآني، من خلال تقنيات مثل الحواسيب الكمومية والتشفير الكمي والانتقال الآني الكمي . تعد هذه التطورات بإحداث ثورة في معالجة المعلومات والأمن والاتصالات، والاستفادة من خصائص مثل التراكب والتشابك لأداء مهام لا يمكن تصورها حاليًا باستخدام التقنيات الكلاسيكية.
القياس في ميكانيكا الكم هو جانب آخر يميزه عن الفيزياء الكلاسيكية. عندما يتم قياس نظام كمي، تنهار الدالة الموجية إلى حالة واحدة من بين جميع الحالات المحتملة التي كانت عليها قبل القياس. إن نتيجة أي قياس كمي هي نتيجة احتمالية بشكل أساسي، ويتم تحديد احتمالية كل نتيجة محتملة من خلال مربع سعة الدالة الموجية. يؤدي هذا إلى تفسير كوبنهاجن ، وهو أحد الأطر المفاهيمية التأسيسية لميكانيكا الكم، والذي يؤكد أن ميكانيكا الكم لا تقدم وصفًا لواقع موضوعي ولكنها تتعامل مع احتمالات مراقبة نتائج معينة.
ميكانيكا الكم ليست مجرد نظرية، بل لها تطبيقات عملية أثرت بشكل كبير على التكنولوجيا والعلوم الحديثة. على سبيل المثال، تعتبر مبادئ ميكانيكا الكم ضرورية لتصميم وتشغيل أجهزة أشباه الموصلات مثل الترانزستورات والثنائيات، والتي تعد اللبنات الأساسية للإلكترونيات وأجهزة الكمبيوتر الحديثة. بالإضافة إلى ذلك، تعتبر ميكانيكا الكم حاسمة في مجالات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، وتكنولوجيا الليزر ، وفي تطوير الساعات الذرية الدقيقة للغاية.
على الرغم من نجاحها في تفسير مجموعة واسعة من الظواهر الفيزيائية، إلا أن ميكانيكا الكم تمثل أيضًا تحديات. إحدى الأسئلة الرئيسية التي لم يتم حلها هي مشكلة القياس ، المتعلقة بانهيار الدالة الموجية وما يشكل "القياس". علاوة على ذلك، فإن التوفيق بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، النظرية التي تصف الجاذبية في إطار الميكانيكا الكلاسيكية، هو مجال بحث مستمر، حيث تحاول نظريات مثل الجاذبية الكمية ونظرية الأوتار سد الفجوة بين الاثنين.
في الختام، ميكانيكا الكم هي عنصر أساسي في الفيزياء الحديثة التي وسعت بشكل كبير فهمنا للعالم الصغير وتستمر في تغذية التقدم التكنولوجي والمناقشات الفلسفية. تتحدى مبادئه حدسنا الكلاسيكي حول الواقع، وتقدم إطارًا أكثر دقة واحتمالية يصف الكون في أصغر المقاييس.
