مقدمة عامة عن ميكانيكا الكم ( هذا الموضع عام يخص ميكانيكا الكم )

أتت النظرية الكمية ((بالإنجليزية: quantum theory)) في بدايات القرن العشرين مثل النظرية النسبية لحل اشكاليات مطروحة من قبل النظرية الكلاسيكية، ويمكن تلخيص هذه الاشكاليات في ما يلي:

عدم التناسق بين التصور الموضوع حينها لشكل الذرة، حيث كان يتم اعتبارها كمجموعتنا الشمسية بتمركز النواة في الوسط ودوران الإلكترونات حولها. غير أنه وبإغفال الشحن الكهربائية التي تتحول بفعل الحركة السريعة للإلكترونات إلى طاقة كهرمغناطيسية تبدد طاقة الالكترونات مما يجعلها تصطدم بالنواة في الأخير لنفاذ الطاقة تؤدي إلى انهيار الذرة. وهذا غير صحيح لذا جاءت هذه النظرية لتعطي نمودجا آخر لتكوين الذارات.

تقول النظرية الكلاسيكية أيضا أن ألوان الطيف الذري يجب أن تغطي جميع الترددات بنفس الشدة، لكن الواقع ينقض ذلك بشدة حيث تبدي الذرات المختلفة أطيافا خاصة تتضمن اصدار امواج ضوئية على ترددات خاصة ومحددة جدا.

تنشأ مشكلة أخرى عندما نتأمل اشكالية الجسم الأسود "وهو جسم يمتص كامل الإشعاع الساقط عليه ليعيد اصداره" حيث فشلت كل المحاولات المستندة إلى الفزياء الإحصائية التقليدية في توصيف اشعاع الجسم الأسود خصوصا في الترددات العالية حيث تبدي القوانين المتوقعة انحرافا كبيرا عن الواقع وهذا ما عرف لاحقا باسم الكارثة فوق البنفسجية.

أتت بدايات الحل في عام 1900 مع ماكس بلانك الذي اقترح فكرة ثورية هدفها التنبؤ بتناقص الأنماط العالية التردد من اشعاع الجسم الأسود بافتراض ان الاهتزازات الكهرومغناطسية تصدر بشكل كمومي أي على شكل كميات محددة وبطريقة متقطعة، حيث يعتبر الكم أصغر مقدار معين من الطاقة يمكن تبادله بين الأجسام وفق تردد معين، وترتبط طاقة الكم بتوتر الإشعاع المرافق له :

E=h\nu\,

حيث تعبر E عن طاقة الكم الصادر ،ν عن توتر (تردد) الإشعاع، h ثابت أصبح يدعى بثابت بلانك.

تأتي اشكاليات أخرى من التبصر في طبيعة الضوء ففي حين يؤكد نيوتن ان طبيعة الضوء جسيمية (فهو مؤلف من جسيمات صغيرة، وتؤيده في ذلك العديد من التجارب، نجد أن يونغ يؤكد أن الضوء ذو طبيعة موجية وتؤكد تجارب يونغ حول التداخل الضوئي والانعراج هذه الطبيعة الموجية. في عام 1923 اقترح لويس دو بروي أن ينظر إلى جسيمات المادة وذراتها أيضا على أنها جسيمات تسلك سلوكا موجيا أحيانا مقترحا معادلة تشابه معادلة بلانك :

\lambda = \frac{h}{p}.

حيث : λ, طول الموجة، وp الزخم أو كمية الحركة.

بدأت هنا تتضح ملامح صورة جديدة للعالم تتداخل فيها الصورة الجسيمة والصورة الموجية للعناصر الدقيقة بحيث يصعب التمييز بينهما وكان هذا ما مهد الطريق لظهور ميكانيك الكم عندما وضع نيلز بور نظريته الذرية التي لاتسمح للاندفاع الزاوي بأخذ قيم سوى المضاعفات الصحيحة للقيمة :

\mathbf{L} = n \cdot \hbar = n \cdot {h \over 2\pi}

حيث تعبر L عن قيم الاندفاع الزاوي ،n عدد صحيح (3,2,1,...)

و هكذا ظهرت مستويات للطاقة المستقرة يمكن وضع الالكترونات الدائرة فيها مفسرة ثبات التركيب والخطوط الطيفية للذرات، لكن هذا لم يكن سوى البداية. في عام 1925 قام العالم الألماني هايزنبرغ بتقديم مبدأه في الارتياب الذي ينص على عدم قدرتنا على تحديد موضع وسرعة (اندفاع) الجسيمات الكمومية بآن واحد وبدقة متناهية. كانت هذه بداية سلسلة من الصدمات التي تلقتها نظرتنا الكلاسيكية للعالم والتي تحطمت معها كل الصورة الميكانيكية الآلية التي سادت حول العالم بعد انتصارات فيزياء نيوتن المدوية في القرنين السابقين. قام هايزنبرغ بصياغة قواعد ميكانيك الكم بصياغة جبر المصفوفات فيما عرف بعد ذلك بميكانيك المصفوفات (بالإنجليزية: matrix mechanics) سنة 1926، ظهر شرودنغر بمعادلته الموجية الشهيرة التي تبين تطور دالة موجة الجسيم الكمومي مع الزمن وعرفت تلك الصياغة بالميكانيك الموجي (بالإنجليزية: wave mechanics )، لكن رغم الاختلاف الظاهري العميق بين الصياغتين فان نتائجهما كانت متطابقة، هذا ما دفع بول ديراك بعد ذلك لتوحيدهما في اطار شامل عرف بنظرية التحويل (بالإنجليزية: transformation theory).