هل ازدواجية الموجة والجسيم حقيقية بالفعل؟
ازدواجية الجسيم الموجي هي حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، وهي نظريتنا الحديثة لكيفية تصرف الجسيمات دون الذرية. تنص الازدواجية على أن جميع الجسيمات (في الواقع ، جميع الكائنات) لها خاصية تشبه الموجة مرتبطة بها. في حين أن معظم التفسيرات القياسية لميكانيكا الكم تعامل هذه الخاصية الشبيهة بالموجة كخدعة رياضية أنيقة لحساب احتمال وجود الجسيم في مكان أو آخر ، فإن بعض التفسيرات الأكثر جذرية ترفع الموجة إلى كيان حقيقي موجود تمامًا مثل الجسيمات فعل. يفترض أحد هذه التفسيرات ، والمعروف باسم نظرية الموجة التجريبية ، أن كل تفاعل في الكون يمكن وصفه بمجموعة واحدة من المعادلات – إذا تمكنا فقط من معرفة تلك المعادلات.
الأمواج الأصلية
في عام 1924 ، اقترح طالب الدكتوراه الفرنسي في الفيزياء لويس دي برولي أن المادة لها خاصية تشبه الموجة. استوحى De Broglie من اكتشاف ازدواجية الموجة والجسيم في الضوء. لقرون ، ناقش الفيزيائيون ما إذا كان الضوء مصنوعًا من جزيئات صغيرة أو نوع من الموجات. في منتصف القرن التاسع عشر ، بدا أن الجدل قد تمت تسويته مع اكتشاف جيمس كليرك ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي ، وإدراكه أن الضوء يتكون من موجات كهرومغناطيسية ، وفقًا لـ “تاريخ ميكانيكا الكم” (CreateSpace Independent Publishing ، 2017).
لكن في عام 1899 ، كان الفيزيائي الألماني ماكس بلانك يحاول فهم نوع من الإشعاع يُعرف باسم إشعاع الجسم الأسود (طيف الضوء المنبعث من جسم ساخن) ، والطريقة الوحيدة التي يمكنه بها شرح خصائصه هي إذا سمح بانبعاث الضوء في قطع صغيرة منفصلة ، أو كوانتا – مما يعني أن الضوء المنبعث يمكن وصفه على أنه جسيمات وموجات كهرومغناطيسية.
بعد بضع سنين، البرت اينشتاين اقترح أنه ليس فقط انبعاث الضوء هو الكمي ، ولكن الضوء نفسه. وفقًا لأينشتاين ، يتكون الضوء من جزيئات صغيرة (تم تسميتها في النهاية الفوتونات) ، وعندما تتجمع مجموعة من الفوتونات فإنها تتصرف مثل الموجة. هذه الازدواجية الموجية والجسيمية ، على الرغم من أنها جذرية ، يمكن أن تفسر مجموعة من التجارب والملاحظات.
متعلق ب: ما هو مشترك بين الله وميكانيكا الكم والوعي
اقترح بلانك وأينشتاين أن الطول الموجي للضوء يتناسب عكسيًا مع زخمه. لذلك كلما زاد الزخم (الطاقة) للفوتون ، كلما كان طوله الموجي أصغر. تولى De Broglie هذه العلاقة البسيطة وحصل على فكرة مجنونة على ما يبدو. للضوء زخم وطاقة ، وله خاصية تشبه الموجة. تمتلك المادة أيضًا زخمًا وطاقة ، لذلك ربما يكون لها أيضًا خاصية تشبه الموجة.
أرسل مستشار أطروحة دي برولي ، نيرفوس ، الفكرة إلى أينشتاين ، الذي أعطاها ختم موافقته.
موجات الكم
بينما بدأ تطوير ميكانيكا الكم مع عمل بلانك ، توقف التقدم لمدة عقدين من الزمن. كانت فكرة De Broglie هي الحافز اللازم لإدخال نظرية الكم إلى شكلها الحديث. مع تحقيق ازدواجية الموجة والجسيم ، يمكن لفيزيائيين مثل إروين شرودنجر تطوير نظرية كم كاملة تشرح سلوك الإلكترونات داخل الذرات ، وفقًا لإروين شرودينجر. ورقة معلمة 1926 (يفتح في علامة تبويب جديدة).
لكن بقي السؤال: ما هي موجات المادة بالضبط؟ جادل شرودنجر بأن الجسيمات دون الذرية مثل الإلكترونات ملطخة حرفيًا عبر الفضاء ، لكن تفسيره لم يتفق مع التجارب التي أظهرت أن الإلكترونات جسيمات تشبه النقطة. ثم اقترح الفيزيائي الألماني ماكس بورن فكرة ستتطور في النهاية إلى ما يسمى بتفسير كوبنهاغن لميكانيكا الكم: موجات المادة هي موجات احتمالية تشير إلى أين يمكن لشخص ما أن يجد الجسيمات في المرة القادمة التي يبحث فيها عنها. عندما تكون الموجات ذات قيم عالية ، هناك احتمال قوي للعثور على الجسيم.
موجات الطيار
كانت لدى De Broglie فكرة مختلفة. كان يعتقد أيضًا أن الموجات حقيقية ، لكن ليس كبديل للجسيمات. بدلاً من ذلك ، اعتقد أنها موجودة جنبًا إلى جنب مع الجسيمات ، وتنتشر عبر الفضاء وتخبر الجسيمات إلى أين تذهب. لا أحد يستطيع أن يرى المسار الحقيقي لمسارات الجسيمات ، مما يعني أن الجسيمات تبدو وكأنها تسترشد بالعشوائية الكمية ، لكن دي بروي جادل بأنه لا توجد عشوائية. بدلاً من ذلك ، كانت “الموجات التجريبية” تعرف دائمًا ما يجب القيام به.
في نهاية المطاف ، قام دي برولي بإسقاط هذه الفكرة لصالح تفسير الموجات الاحتمالية ، ولكن بعد عقود من الزمن ، اختارها الفيزيائي الأمريكي ديفيد بوم مرة أخرى وقام بتجسيدها في تفسير كامل لميكانيكا الكم. انجذب علماء فيزياء آخرون إلى نظرية الموجة التجريبية لأنها حلت بعض المشكلات الفلسفية الرئيسية التي ابتليت بها تفسير كوبنهاجن. في هذا التفسير ، يوجد مسار الجسيم في بعض التراكب الكمومي الغامض الموجود في رياضياتنا – نحن لا “نعرف” حقًا ما تفعله الجسيمات الكمومية بالفعل ، ولا يمكننا إلا أن نخمن احتمالات حدوث نتائج معينة.
في المقابل ، تتمتع نظرية الموجة التجريبية بميزة أن كل شيء في النظرية حقيقي ومحدد – لا توجد احتمالات هنا. بدلاً من ذلك ، في نظرية الموجة التجريبية (المعروفة أيضًا باسم ميكانيكا بوميان) ، تتحرك الموجة المرتبطة بكل جسيم عبر الفضاء ، وتقوم بما تفعله الموجات بشكل طبيعي (الانعكاس ، والتدخل ، والانتشار ، وما إلى ذلك). ما يبدو أنه عشوائية كمومية للمراقب هو مجرد انعكاس لحقيقة أن المسار الحقيقي للجسيم مخفي.
ومع ذلك ، يجب أن يأتي هذا الواقع بثمن. عندما يتفاعل جسيمان ، تتفاعل موجاتهما الإرشادية وتتشابك الجسيمات. تشابك هي عملية ميكانيكية كمومية يرتبط فيها مصير الجسيمات دون الذرية ، حتى عبر مسافات شاسعة ، بحيث يؤدي التغيير في إحداها إلى تغيير في الآخر على الفور. يتطلب هذا معادلة موجة واحدة لوصف كلا الجسيمين في وقت واحد ، ويجب أن “يعرفوا” بشكل غامض ما الذي يريده الآخر ، بغض النظر عن المسافة بينهما. هذه نتيجة قياسية في ميكانيكا الكم وليست مفاجئة للغاية. لكن في نظرية الموجة التجريبية ، يمتد هذا التشابك إلى مواقع الجسيمات نفسها.
نظرًا لأن جميع الجسيمات متشابكة مع جميع الجسيمات الأخرى في الكون ، فهناك معادلة موجية واحدة تصف جميع الجسيمات في وقت واحد ، وتربط مواقعها معًا بطريقة ما. هذا يعني أنه في نظرية الموجة التجريبية ، تتأثر حركات الذرات في جسمك بسلوك كل جسيم في الكون بأكمله. – وتوجد معادلة واحدة يمكنها ربط كل شيء في الكون ببعضه البعض.
على الرغم من أن هذا المعنى لا يستبعد نظرية الموجة التجريبية ، إلا أنه يجعل من الصعب قبول الاقتراح كنظرية مناسبة للفيزياء – بعد كل شيء ، كيف يمكننا أن ندعي بثقة أننا عزلنا جميع السلوكيات داخل التجربة ونفهمها ماذا يحدث هنا؟
إن التأكيد على مواقع الجسيمات ، وليس سرعاتها ، يجعل من الصعب أيضًا جعل النظرية متوافقة تمامًا معها النسبية، والتي تنص على أنه يجب التعامل مع المواقف والسرعات على قدم المساواة. بدون هذا التوافق ، من الصعب توسيع نظرية الموجة التجريبية في جميع أنواع الأنظمة الفيزيائية التي تنطبق عليها نظرية الكم (مثل مصادمات الجسيمات عالية الطاقة).
قد يكون هناك إجابة لهذه الصعوبات ذات يوم ، وقد حظيت نظرية الموجة التجريبية باهتمام متزايد على مدى العقود القليلة الماضية. ولكن حتى يتم حل السؤال بالكامل ، تظل حقيقة ازدواجية الموجة والجسيم مسألة ذوق.
هذا جزء من سلسلة مستمرة تصف التفسيرات المحتملة لميكانيكا الكم.
