ولادة نظرية الكم. تأثير الصورة

لا أحد في العالم يفهم ميكانيكا الكم - وهذا هو الشيء الرئيسي الذي تحتاج إلى معرفته عنه. نعم، لقد تعلم العديد من علماء الفيزياء كيفية استخدام قوانينها وحتى التنبؤ بالظواهر باستخدام الحسابات الكمومية. لكن لا يزال من غير الواضح لماذا يحدد وجود مراقب مصير النظام ويجبره على الاختيار لصالح دولة واحدة. "النظريات والممارسات" اختارت أمثلة للتجارب التي تتأثر نتائجها حتمًا بالراصد، وحاولت معرفة ما ستفعله ميكانيكا الكم بمثل هذا التدخل للوعي في الواقع المادي.

قطة شرودنجر

يوجد اليوم العديد من التفسيرات لميكانيكا الكم، وأكثرها شهرة هو تفسير كوبنهاجن. تمت صياغة مبادئها الرئيسية في عشرينيات القرن العشرين على يد نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ. وكان المصطلح المركزي لتفسير كوبنهاجن هو الدالة الموجية - وهي دالة رياضية تحتوي على معلومات حول جميع الحالات المحتملة للنظام الكمي الذي توجد فيه في نفس الوقت.

وفقًا لتفسير كوبنهاجن، فإن الملاحظة فقط هي التي يمكنها تحديد حالة النظام بشكل موثوق وتمييزه عن الباقي (تساعد الدالة الموجية فقط في الحساب الرياضي لاحتمالية اكتشاف النظام في حالة معينة). يمكننا القول أنه بعد الملاحظة، يصبح النظام الكمي كلاسيكيًا: فهو يتوقف على الفور عن التعايش في العديد من الحالات في وقت واحد لصالح إحداها.

وكان هذا النهج يواجه معارضين دائما (تذكر على سبيل المثال مقولة ألبرت أينشتاين "الله لا يلعب النرد")، ولكن دقة الحسابات والتنبؤات كان لها أثرها. ومع ذلك، في الآونة الأخيرة، أصبح عدد أقل وأقل من المؤيدين لتفسير كوبنهاغن، وليس أقل سبب لذلك هو الانهيار الفوري الغامض للغاية للدالة الموجية أثناء القياس. إن تجربة إيروين شرودنغر الفكرية الشهيرة مع القطة المسكينة كانت تهدف على وجه التحديد إلى إظهار سخافة هذه الظاهرة.

لذلك، دعونا نتذكر محتويات التجربة. يتم وضع قطة حية وأمبولة بالسم وآلية معينة يمكنها تفعيل السم بشكل عشوائي في صندوق أسود. على سبيل المثال، ذرة مشعة واحدة، والتي سيؤدي اضمحلالها إلى كسر الأمبولة. الوقت الدقيق للاضمحلال الذري غير معروف. يُعرف فقط عمر النصف: وهو الوقت الذي سيحدث فيه الاضمحلال باحتمال 50%.

اتضح أنه بالنسبة لمراقب خارجي، فإن القطة الموجودة داخل الصندوق موجودة في حالتين في وقت واحد: إما أن تكون على قيد الحياة، إذا سارت الأمور على ما يرام، أو ميتة، إذا حدث الاضمحلال وانكسرت الأمبولة. يتم وصف كلتا الحالتين من خلال الدالة الموجية للقط، والتي تتغير بمرور الوقت: كلما ابتعدنا، زاد احتمال حدوث التحلل الإشعاعي بالفعل. ولكن بمجرد فتح الصندوق، تنهار الدالة الموجية ونرى على الفور نتيجة تجربة الموهوب.

اتضح أنه حتى يفتح المراقب الصندوق، فإن القطة ستتوازن إلى الأبد على الحدود بين الحياة والموت، ولن يحدد مصيرها إلا عمل المراقب. وهذه هي العبثية التي أشار إليها شرودنغر.

حيود الإلكترون

وفقًا لمسح أجرته صحيفة نيويورك تايمز لكبار الفيزيائيين، أصبحت تجربة حيود الإلكترون، التي أجراها كلاوس جنسون عام 1961، واحدة من أجمل التجارب في تاريخ العلم. ما هو جوهرها؟

هناك مصدر ينبعث منه تدفق من الإلكترونات نحو شاشة لوحة التصوير الفوتوغرافي. وهناك عائق في طريق هذه الإلكترونات - صفيحة نحاسية ذات شقين. ما نوع الصورة التي يمكن أن تتوقعها على الشاشة إذا كنت تعتقد أن الإلكترونات مجرد كرات صغيرة مشحونة؟ خطان مضيئان مقابل الشقوق.

في الواقع، يظهر على الشاشة نمط أكثر تعقيدًا من الخطوط السوداء والبيضاء المتناوبة. والحقيقة هي أنه عند المرور عبر الشقوق، تبدأ الإلكترونات في التصرف ليس مثل الجسيمات، ولكن مثل الموجات (تمامًا مثل الفوتونات، جسيمات الضوء، يمكن أن تكون موجات في نفس الوقت). ثم تتفاعل هذه الموجات في الفضاء، فيضعف ويقوي بعضها البعض في بعض الأماكن، ونتيجة لذلك تظهر على الشاشة صورة معقدة من الخطوط الفاتحة والداكنة المتناوبة.

في هذه الحالة، لا تتغير نتيجة التجربة، وإذا تم إرسال الإلكترونات عبر الشق ليس في تيار مستمر، ولكن بشكل فردي، فحتى جسيم واحد يمكن أن يكون موجة في نفس الوقت. حتى إلكترون واحد يمكنه المرور في نفس الوقت عبر شقين (وهذا موقف مهم آخر لتفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم - يمكن للأشياء أن تظهر في نفس الوقت خصائصها المادية "المعتادة" وخصائص الموجات الغريبة).

لكن ما علاقة المراقب بذلك؟ على الرغم من أن قصته المعقدة بالفعل أصبحت أكثر تعقيدًا. وعندما حاول الفيزيائيون، في تجارب مماثلة، بمساعدة الأدوات التي تقطع الإلكترون الذي يمر عبره بالفعل، تغيرت الصورة على الشاشة بشكل كبير وأصبحت "كلاسيكية": منطقتان مضاءتان مقابل الشقين ولا توجد خطوط متناوبة.

كان الأمر كما لو أن الإلكترونات لا تريد إظهار طبيعتها الموجية تحت أنظار الراصد. لقد تكيفنا مع رغبته الغريزية في رؤية صورة بسيطة ومفهومة. صوفي؟ هناك تفسير أبسط بكثير: لا يمكن إجراء أي مراقبة للنظام دون التأثير المادي عليه. لكننا سنعود إلى هذا بعد قليل.

تسخين الفوليرين

لم يتم إجراء تجارب حيود الجسيمات على الإلكترونات فحسب، بل أيضًا على أجسام أكبر بكثير. على سبيل المثال، الفوليرين عبارة عن جزيئات كبيرة مغلقة تتكون من العشرات من ذرات الكربون (على سبيل المثال، الفوليرين المكون من ستين ذرة كربون يشبه إلى حد كبير شكل كرة القدم: كرة مجوفة مخيطة معًا من أشكال خماسية وسداسية).

ومؤخرًا، حاولت مجموعة من جامعة فيينا، بقيادة البروفيسور زيلينجر، إدخال عنصر المراقبة في مثل هذه التجارب. وللقيام بذلك، قاموا بتشعيع جزيئات الفوليرين المتحركة باستخدام شعاع الليزر. بعد ذلك، بدأت الجزيئات، التي تم تسخينها بتأثير خارجي، في التوهج، وبالتالي كشفت للراصد حتما عن مكانها في الفضاء.

ومع هذا الابتكار، تغير أيضًا سلوك الجزيئات. قبل بدء المراقبة الشاملة، نجح الفوليرين في تجاوز العوائق (خصائص الموجة المعروضة) مثل مرور الإلكترونات من المثال السابق عبر شاشة معتمة. ولكن في وقت لاحق، مع ظهور مراقب، هدأت الفوليرين وبدأت تتصرف مثل جزيئات المادة الملتزمة بالقانون تمامًا.

البعد التبريد

أحد أشهر قوانين عالم الكم هو مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ: من المستحيل تحديد موضع وسرعة جسم كمي في وقت واحد. كلما قمنا بقياس زخم جسيم ما بدقة أكبر، قلّت دقة قياس موضعه. لكن تأثيرات القوانين الكمومية التي تعمل على مستوى الجسيمات الصغيرة عادة ما تكون غير ملحوظة في عالمنا ذي الأجسام الكبيرة الكبيرة.

ولذلك، فإن التجارب الأخيرة التي أجرتها مجموعة البروفيسور شواب من الولايات المتحدة الأمريكية، هي الأكثر قيمة، والتي أظهرت فيها التأثيرات الكمومية ليس على مستوى نفس الإلكترونات أو جزيئات الفوليرين (يبلغ قطرها المميز حوالي 1 نانومتر)، ولكن على مستوى ملموس أكثر قليلاً. الكائن - شريط ألومنيوم صغير.

تم تأمين هذا الشريط من كلا الجانبين بحيث يكون وسطه معلقًا ويمكن أن يهتز تحت تأثير خارجي. بالإضافة إلى ذلك، بجانب الشريط كان هناك جهاز قادر على تسجيل موقعه بدقة عالية.

ونتيجة لذلك، اكتشف المجربون تأثيرين مثيرين للاهتمام. أولاً، إن أي قياس لموضع الجسم أو ملاحظة الشريط لا يمر دون أن يترك أثراً لها – فبعد كل قياس يتغير موضع الشريط. بشكل تقريبي، حدد المجربون إحداثيات الشريط بدقة كبيرة وبالتالي، وفقًا لمبدأ هايزنبرغ، غيروا سرعته، وبالتالي موقعه اللاحق.

ثانيًا، وبشكل غير متوقع تمامًا، أدت بعض القياسات أيضًا إلى تبريد الشريط. اتضح أن المراقب يمكنه تغيير الخصائص الفيزيائية للأشياء بمجرد وجوده. يبدو الأمر لا يصدق تمامًا، ولكن يُحسب للفيزيائيين أنهم لم يكونوا في حيرة من أمرهم - الآن مجموعة البروفيسور شواب تفكر في كيفية تطبيق التأثير المكتشف على الرقائق الإلكترونية المبردة.

تجميد الجزيئات

كما تعلمون، فإن الجزيئات المشعة غير المستقرة تتحلل في العالم ليس فقط من أجل التجارب على القطط، ولكن أيضًا من تلقاء نفسها. علاوة على ذلك، يتميز كل جسيم بمتوسط عمر، والذي اتضح أنه يمكن أن يزيد تحت النظرة الساهرة للمراقب.

تم التنبؤ بهذا التأثير الكمي لأول مرة في ستينيات القرن العشرين، وظهر تأكيده التجريبي الرائع في ورقة بحثية نشرتها في عام 2006 مجموعة الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل فولفجانج كيترلي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

في هذا العمل، قمنا بدراسة اضمحلال ذرات الروبيديوم المثارة غير المستقرة (الاضمحلال إلى ذرات الروبيديوم في الحالة الأرضية والفوتونات). مباشرة بعد إعداد النظام وإثارة الذرات، بدأ مراقبتها - حيث تم إضاءتها بشعاع الليزر. في هذه الحالة، تم إجراء المراقبة في وضعين: مستمر (يتم تزويد النظام بنبضات ضوئية صغيرة باستمرار) ونبضي (يتم تشعيع النظام من وقت لآخر بنبضات أكثر قوة).

وكانت النتائج التي تم الحصول عليها في اتفاق ممتاز مع التوقعات النظرية. في الواقع، تعمل تأثيرات الضوء الخارجية على إبطاء اضمحلال الجسيمات، كما لو أنها تعيدها إلى حالتها الأصلية، بعيدًا عن الاضمحلال. علاوة على ذلك، فإن حجم التأثير للنظامين المدروسين يتزامن أيضًا مع التوقعات. وتم تمديد الحد الأقصى لعمر ذرات الروبيديوم المثارة غير المستقرة بمقدار 30 مرة.

ميكانيكا الكم والوعي

تتوقف الإلكترونات والفوليرين عن إظهار خواصها الموجية، وتبرد صفائح الألمنيوم، وتتجمد الجسيمات غير المستقرة في اضمحلالها: تحت النظرة القديرة للمراقب، يتغير العالم. ما الذي لا دليل على مشاركة أذهاننا في عمل العالم من حولنا؟ لذا ربما كان كارل يونج وولفجانج باولي (الفيزيائي النمساوي الحائز على جائزة نوبل وأحد رواد ميكانيكا الكم) على حق عندما قالا إن قوانين الفيزياء والوعي يجب اعتبارهما متكاملين؟

لكن هذه خطوة واحدة فقط بعيدًا عن الاعتراف الروتيني: العالم كله من حولنا هو جوهر أذهاننا. مريب؟ ("هل تعتقد حقًا أن القمر موجود فقط عندما تنظر إليه؟" وعلق أينشتاين على مبادئ ميكانيكا الكم). ثم دعونا نحاول اللجوء إلى الفيزيائيين مرة أخرى. علاوة على ذلك، في السنوات الأخيرة، أصبحوا أقل ولعًا بتفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم بانهيارها الغامض لموجة دالة، والتي تم استبدالها بمصطلح آخر واقعي وموثوق به - فك الترابط.

النقطة المهمة هي كما يلي: في جميع تجارب المراقبة الموصوفة، أثر المجربون حتمًا على النظام. لقد أضاءوها بالليزر وتركيب أدوات القياس. وهذا مبدأ عام مهم للغاية: لا يمكنك ملاحظة نظام ما، وقياس خصائصه دون التفاعل معه. وحيثما يوجد تفاعل، يحدث تغير في الخصائص. علاوة على ذلك، عندما يتفاعل عملاق الأجسام الكمومية مع نظام كمي صغير. لذا فإن الحياد البوذي الأبدي للراصد أمر مستحيل.

وهذا هو بالضبط ما يفسر مصطلح "فك الترابط" - وهو عملية لا رجعة فيها لانتهاك الخصائص الكمومية للنظام أثناء تفاعله مع نظام آخر أكبر. خلال هذا التفاعل، يفقد النظام الكمي سماته الأصلية ويصبح كلاسيكيًا، "يخضع" للنظام الكبير. وهذا ما يفسر التناقض مع قطة شرودنغر: القطة عبارة عن نظام كبير لدرجة أنه لا يمكن عزلها عن العالم. التجربة الفكرية نفسها ليست صحيحة تمامًا.

على أية حال، بالمقارنة بالواقع كعمل من أعمال خلق الوعي، يبدو فك الترابط أكثر هدوءًا. ربما حتى هادئة للغاية. بعد كل شيء، مع هذا النهج، يصبح العالم الكلاسيكي بأكمله تأثيرًا واحدًا كبيرًا لفك الترابط. ووفقا لمؤلفي أحد أخطر الكتب في هذا المجال، فإن عبارات مثل "لا توجد جسيمات في العالم" أو "لا يوجد وقت على المستوى الأساسي" تنبع منطقيا من مثل هذه الأساليب.

مراقب إبداعي أم فك ترابط قوي؟ عليك أن تختار بين شرين. لكن تذكر - لقد أصبح العلماء الآن مقتنعين بشكل متزايد بأن أساس عمليات تفكيرنا هو نفس التأثيرات الكمومية سيئة السمعة. لذا، حيث تنتهي الملاحظة ويبدأ الواقع، يجب على كل واحد منا أن يختار.

في عام 1935، عندما كانت ميكانيكا الكم ونظرية النسبية العامة لأينشتاين في مرحلة مبكرة جدًا، قام الفيزيائي السوفييتي غير المشهور ماتفي برونشتاين، البالغ من العمر 28 عامًا، بأول دراسة تفصيلية للتوفيق بين هاتين النظريتين في نظرية الكم. جاذبية. هذه "ربما نظرية للعالم كله"، كما كتب برونشتاين، يمكن أن تحل محل وصف أينشتاين الكلاسيكي للجاذبية، حيث يُنظر إليها على أنها منحنيات في استمرارية الزمكان، وتعيد كتابتها بلغة الكم، مثل بقية الفيزياء.

اكتشف برونشتاين كيفية وصف الجاذبية من حيث الجسيمات الكمية، التي تسمى الآن الجرافيتونات، ولكن فقط عندما تكون قوة الجاذبية ضعيفة - أي (في النسبية العامة) عندما يكون الزمكان منحنيًا قليلاً بحيث يكون مسطحًا بشكل أساسي. وكتب العالم أنه عندما تكون الجاذبية قوية "يكون الوضع مختلفا تماما". "بدون مراجعة عميقة للمفاهيم الكلاسيكية، يبدو من المستحيل تقريبًا تصور نظرية كمومية للجاذبية في هذا المجال."

وكانت كلماته نبوية. وبعد مرور ثلاثة وثمانين عامًا، لا يزال الفيزيائيون يحاولون فهم كيفية ظهور انحناء الزمكان على المقاييس العيانية، والذي ينشأ من صورة أكثر جوهرية وكمية للجاذبية؛ ربما يكون هذا هو السؤال الأعمق في الفيزياء. ربما، إذا كانت هناك فرصة، فإن عقل برونشتاين المشرق سيسرع عملية هذا البحث. بالإضافة إلى الجاذبية الكمومية، قدم أيضًا مساهمات في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، ونظرية أشباه الموصلات، والديناميكا الكهربائية الكمومية، وكتب العديد من الكتب للأطفال. وفي عام 1938، وقع تحت قمع ستالين وتم إعدامه عن عمر يناهز 31 عامًا.

إن البحث عن نظرية كاملة للجاذبية الكمومية معقد بسبب حقيقة أن الخصائص الكمومية للجاذبية لا تظهر أبدًا في التجربة الحقيقية. لا يرى الفيزيائيون كيف تم انتهاك وصف أينشتاين للاستمرارية الزمكانية السلسة، أو التقريب الكمي الذي قدمه برونشتاين لها في حالة منحنية قليلاً.

المشكلة هي الضعف الشديد في قوة الجاذبية. في حين أن الجسيمات الكمية التي تنقل القوى القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية قوية جدًا لدرجة أنها تربط المادة بالذرات بإحكام ويمكن فحصها حرفيًا تحت عدسة مكبرة، فإن الغرافيتونات الفردية ضعيفة جدًا لدرجة أن المختبرات ليس لديها فرصة لاكتشافها. لكي يكون هناك احتمال كبير لالتقاط الغرافيتون، يجب أن يكون كاشف الجسيمات كبيرًا وضخمًا لدرجة أنه ينهار في ثقب أسود. يفسر هذا الضعف سبب الحاجة إلى تراكمات فلكية من الكتلة للتأثير على الأجسام الضخمة الأخرى من خلال الجاذبية، ولماذا نرى تأثيرات الجاذبية على مقاييس هائلة.

هذا ليس كل شئ. يبدو أن الكون يخضع لنوع من الرقابة الكونية: فالمناطق ذات الجاذبية القوية - حيث تكون منحنيات الزمكان حادة جدًا لدرجة أن معادلات أينشتاين تنهار ويجب الكشف عن الطبيعة الكمومية للجاذبية والزمكان - تكمن دائمًا خلف آفاق الثقوب السوداء.

يقول إيجور بيكوفسكي، عالم الفيزياء النظرية بجامعة هارفارد: «حتى قبل بضع سنوات، كان هناك إجماع عام على أنه من المستحيل على الأرجح قياس تكميم مجال الجاذبية بأي شكل من الأشكال».

الآن، العديد من الأبحاث الحديثة المنشورة في Physical Review Letters غيرت ذلك. تدعي هذه الأبحاث أنه قد يكون من الممكن الوصول إلى الجاذبية الكمومية، حتى دون معرفة أي شيء عنها. تقترح الأوراق، التي كتبها سوجاتو بوز من جامعة كوليدج لندن وكيارا مارليتو وفلاتكو فيدرال من جامعة أكسفورد، تجربة صعبة من الناحية الفنية ولكنها ممكنة يمكن أن تؤكد أن الجاذبية هي قوة كمومية مثل كل القوى الأخرى، دون الحاجة إلى اكتشاف الجرافيتون. . يقول مايلز بلينكو، عالم فيزياء الكم في كلية دارتموث والذي لم يشارك في هذا العمل، إن مثل هذه التجربة يمكن أن تكشف عن علامة واضحة للجاذبية الكمية غير المرئية - "ابتسامة قطة شيشاير".

ستحدد التجربة المقترحة ما إذا كان جسمان – تخطط مجموعة بوز لاستخدام زوج من الألماسات الدقيقة – يمكن أن يصبحا متشابكين ميكانيكًا كميًا مع بعضهما البعض من خلال الجذب الثقالي المتبادل. التشابك هو ظاهرة كمومية تصبح فيها الجسيمات متشابكة بشكل لا ينفصل، وتتشارك في وصف فيزيائي واحد يحدد حالاتها المجمعة المحتملة. (يسمى التعايش بين الحالات المحتملة المختلفة "التراكب" ويحدد النظام الكمي). على سبيل المثال، يمكن أن يتواجد زوج من الجسيمات المتشابكة في تراكب يكون فيه احتمال دوران الجسيم A من الأسفل إلى الأعلى 50%، والجسيم B سوف يدور من الأعلى إلى الأسفل، وباحتمال 50% بالعكس. لا أحد يعرف مسبقًا النتيجة التي ستحصل عليها عند قياس اتجاه دوران الجزيئات، ولكن يمكنك التأكد من أنها ستكون نفسها بالنسبة لهم.

يرى المؤلفون أن الجسمين في التجربة المقترحة لا يمكن أن يتشابكا بهذه الطريقة إلا إذا كانت القوة المؤثرة بينهما - الجاذبية في هذه الحالة - عبارة عن تفاعل كمي تتوسطه الجرافيتونات، والتي يمكن أن تدعم التراكبات الكمومية. وأوضح بلينكو: "إذا تم إجراء التجربة وتم الحصول على التشابك، وفقًا للعمل، فيمكننا أن نستنتج أن الجاذبية كميّة".

الخلط بين الماس

الجاذبية الكمومية دقيقة للغاية لدرجة أن بعض العلماء شككوا في وجودها. جادل عالم الرياضيات والفيزياء الشهير فريمان دايسون، 94 عامًا، منذ عام 2001 بأن الكون يمكن أن يدعم نوعًا من الوصف "الثنائي" الذي يكون فيه "مجال الجاذبية الذي وصفته النظرية النسبية العامة لأينشتاين مجالًا كلاسيكيًا بحتًا دون أي سلوك كمي". ، في حين أن كل المادة في هذا التواصل الزمكاني السلس سيتم تكميمها بواسطة جسيمات تخضع لقواعد الاحتمالية.

دايسون، الذي ساعد في تطوير الديناميكا الكهربائية الكمومية (نظرية التفاعلات بين المادة والضوء) وهو أستاذ فخري في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون، نيو جيرسي، لا يعتقد أن الجاذبية الكمومية ضرورية لوصف الأجزاء الداخلية التي لا يمكن الوصول إليها من الثقوب السوداء . ويعتقد أيضًا أن اكتشاف الجرافيتون الافتراضي قد يكون مستحيلًا من حيث المبدأ. ويقول إنه في هذه الحالة، ستكون الجاذبية الكمومية ميتافيزيقية وليست فيزيائية.

إنه ليس المتشكك الوحيد. اقترح الفيزيائي الإنجليزي الشهير السير روجر بنروز والعالم المجري لاجوس ديوسي بشكل مستقل أن الزمكان لا يمكنه دعم التراكبات. ويعتقدون أن طبيعتها الناعمة والجامدة والكلاسيكية بشكل أساسي تمنعها من الانحناء إلى مسارين محتملين في وقت واحد - وهذه الصلابة هي التي تؤدي إلى انهيار تراكبات الأنظمة الكمومية مثل الإلكترونات والفوتونات. في رأيهم، يسمح "فك تماسك الجاذبية" بحدوث واقع كلاسيكي واحد صلب يمكن الشعور به على نطاق مجهري.

يبدو أن القدرة على العثور على "ابتسامة" الجاذبية الكمومية تدحض حجة دايسون. كما أنه يقتل نظرية فك ترابط الجاذبية من خلال إظهار أن الجاذبية والزمكان يدعمان في الواقع التراكبات الكمومية.

ظهرت مقترحات Bose وMarletto في وقت واحد وبشكل كامل عن طريق الصدفة، على الرغم من أن الخبراء لاحظوا أنها تعكس روح العصر. تعمل مختبرات فيزياء الكم التجريبية حول العالم على وضع أجسام مجهرية أكبر حجمًا بشكل متزايد في تراكبات كمومية وتحسين البروتوكولات لاختبار تشابك نظامين كميين. سوف تحتاج التجربة المقترحة إلى الجمع بين هذه الإجراءات، في حين تتطلب المزيد من التحسينات في الحجم والحساسية؛ ربما سيستغرق الأمر عشر سنوات. يقول بيكوفسكي، الذي يستكشف أيضًا كيف يمكن للتجارب المعملية أن تستكشف ظواهر الجاذبية: "لكن لا يوجد طريق مسدود ماديًا". "أعتقد أن الأمر صعب، لكنه ليس مستحيلا."

تم توضيح هذه الخطة بمزيد من التفصيل في عمل Bose et al - خبراء المحيط الأحد عشر لمراحل مختلفة من الاقتراح. على سبيل المثال، في مختبره بجامعة وارويك، يعمل المؤلف المشارك جافين مورلي على الخطوة الأولى، حيث يحاول وضع ألماس دقيق في تراكب كمي في مكانين. وللقيام بذلك، سيحجز ذرة نيتروجين في الألماس الصغير، بجوار فراغ في بنية الألماس (ما يسمى بمركز NV، أو فراغ مستبدل بالنيتروجين في الألماس)، وشحنه بنبضة موجات صغرية. إن الإلكترون الذي يدور حول مركز NV يمتص الضوء في الوقت نفسه ولا يفعل ذلك، ويدخل النظام في تراكب كمي لاتجاهين للدوران - لأعلى ولأسفل - مثل قمة تدور في اتجاه عقارب الساعة باحتمال معين وعكس اتجاه عقارب الساعة باحتمال معين. يتعرض الألماس الصغير المحمل بهذا الدوران المتراكب إلى مجال مغناطيسي يتسبب في تحرك الدوران العلوي إلى اليسار وتحرك الدوران السفلي إلى اليمين. ينقسم الماس نفسه إلى تراكب من مسارين.

في تجربة كاملة، سيفعل العلماء كل هذا باستخدام ماستين - الأحمر والأزرق، على سبيل المثال - موضوعين جنبًا إلى جنب في فراغ شديد البرودة. عندما يتم إيقاف تشغيل المصيدة التي تحتجزهما، فإن الماستين الميكرويتين، كل منهما في وضعين متراكبين، سوف تسقطان عموديًا في الفراغ. عندما يسقط الماس، سوف يشعرون بجاذبية كل منهم. ما مدى قوة جاذبيتهم؟

إذا كانت الجاذبية قوة كمومية، فالإجابة هي: أنها تعتمد. سيواجه كل مكون من مكونات تراكب الماس الأزرق انجذابًا أقوى أو أضعف نحو الماس الأحمر، اعتمادًا على ما إذا كان الأخير في فرع من التراكب الأقرب أو البعيد. والجاذبية التي سيشعر بها كل مكون من مكونات تراكب الماس الأحمر تعتمد بنفس الطريقة على حالة الماس الأزرق.

وفي كل حالة، تؤثر درجات متفاوتة من الجاذبية على المكونات المتطورة لتراكبات الماس. يصبح الماسان مترابطين لأنه لا يمكن تحديد حالتيهما إلا معًا - إذا كان هذا يعني ذلك - لذلك في النهاية سوف ترتبط اتجاهات الدوران لنظامي مراكز NV.

بعد أن تسقط قطع الألماس الصغيرة جنبًا إلى جنب لمدة ثلاث ثوانٍ - وهي فترة كافية للتشابك في الجاذبية - فإنها ستمر عبر مجال مغناطيسي آخر، مما سيجمع فروع كل تراكب معًا مرة أخرى. الخطوة الأخيرة من التجربة هي بروتوكول شاهد التشابك الذي طورته الفيزيائية الدنماركية باربرا ثيرال وآخرون: يدخل الماس الأزرق والأحمر إلى أجهزة مختلفة تقيس اتجاهات الدوران لأنظمة مركز NV. (يؤدي القياس إلى انهيار التراكبات إلى حالات معينة.) ثم تتم مقارنة النتيجتين. من خلال إجراء التجربة مرارًا وتكرارًا ومقارنة العديد من أزواج قياسات السبين، يمكن للعلماء تحديد ما إذا كانت السبينات الخاصة بنظامين كميين ترتبط بالفعل في كثير من الأحيان أكثر من الحد الأعلى للأجسام غير المتشابكة ميكانيكيًا الكم. إذا كان الأمر كذلك، فإن الجاذبية في الواقع تؤدي إلى تشابك الماس وقد تدعم التراكبات.

يقول بلينكو: "الأمر المثير للاهتمام في هذه التجربة هو أنك لا تحتاج إلى معرفة ما هي نظرية الكم". "كل ما نحتاجه هو القول بأن هناك بعض الجوانب الكمومية لهذه المنطقة التي تتوسطها القوة بين جزيئين."

هناك الكثير من الصعوبات التقنية. أكبر جسم تم وضعه في حالة تراكب في مكانين من قبل كان عبارة عن جزيء مكون من 800 ذرة. يحتوي كل ألماس دقيق على أكثر من 100 مليار ذرة كربون، وهو ما يكفي لتجميع قوة جاذبية ملحوظة. سيتطلب تفريغ طبيعتها الميكانيكية الكمومية درجات حرارة منخفضة، وفراغات عميقة، وتحكمًا دقيقًا. يقول بيتر باركر، وهو جزء من الفريق التجريبي الذي يعمل على تحسين تقنيات التبريد بالليزر واحتجاز الماس الدقيق: "إن الأمر يتطلب الكثير من العمل حتى يتم تشغيل التراكب الأولي". ويضيف بوز أنه إذا كان من الممكن القيام بذلك بماسة واحدة، فلن تكون هناك مشكلة ثانية.

ما هو الشيء الفريد في الجاذبية؟

ليس لدى الباحثين في الجاذبية الكمومية أدنى شك في أن الجاذبية عبارة عن تفاعل كمي يمكن أن يسبب التشابك. بالطبع، الجاذبية فريدة إلى حد ما، ولا يزال هناك الكثير لنتعلمه عن أصول المكان والزمان، ولكن يقول العلماء إنه يجب بالتأكيد أن نشارك في ميكانيكا الكم. يقول دانييل هارلو، الباحث في الجاذبية الكمومية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "في الواقع، ما الفائدة من النظرية التي تكون فيها معظم الفيزياء كمومية والجاذبية كلاسيكية". إن الحجج النظرية ضد النماذج الكمومية الكلاسيكية المختلطة قوية جدًا (وإن لم تكن قاطعة).

ومن ناحية أخرى، فقد أخطأ المنظرون من قبل. "إذا كان بإمكانك التحقق من ذلك، فلماذا لا؟ يقول هارلو: "إذا أدى هذا إلى إسكات هؤلاء الأشخاص الذين يشككون في الطبيعة الكمومية للجاذبية، فسيكون ذلك رائعًا".

وبعد قراءة الأوراق، كتب دايسون: "إن التجربة المقترحة هي بالتأكيد ذات أهمية كبيرة وتتطلب تنفيذها في ظل ظروف نظام كمي حقيقي". ومع ذلك، فهو يشير إلى أن خطوط تفكير المؤلفين حول المجالات الكمومية تختلف عن أفكاره. "ليس من الواضح بالنسبة لي ما إذا كانت هذه التجربة قادرة على حل مسألة وجود الجاذبية الكمومية. السؤال الذي كنت أطرحه – ما إذا كان قد تم رصد جرافيتون واحد – هو سؤال مختلف وقد يكون له إجابة مختلفة.

إن خط تفكير بوز ومارليتو وزملائهم حول الجاذبية الكمية ينبع من عمل برونشتاين في وقت مبكر من عام 1935. (وصف دايسون عمل برونشتاين بأنه "عمل جميل" لم يراه من قبل). وعلى وجه الخصوص، أظهر برونشتاين أن الجاذبية الضعيفة الناتجة عن كتلة صغيرة يمكن تقريبها من خلال قانون نيوتن للجاذبية. (هذه هي القوة التي تعمل بين تراكبات الماسات الدقيقة). وفقًا لبلينكو، لم يتم تنفيذ حسابات الجاذبية الكمية الضعيفة بشكل خاص، على الرغم من أنها بالتأكيد أكثر أهمية من فيزياء الثقوب السوداء أو الانفجار الكبير. ويأمل أن يشجع الاقتراح التجريبي الجديد المنظرين على البحث عن تحسينات دقيقة لتقريب نيوتن، والتي يمكن أن تحاول تجارب الطاولة المستقبلية اختبارها.

رأى ليونارد سسكيند، عالم الجاذبية الكمومية الشهير ونظرية الأوتار في جامعة ستانفورد، قيمة التجربة المقترحة لأنها "توفر ملاحظات عن الجاذبية في نطاق جديد من الكتل والمسافات". لكنه أكد هو وباحثون آخرون أن الألماسات الدقيقة لا يمكنها الكشف عن أي شيء عن النظرية الكاملة للجاذبية الكمية أو الزمكان. يرغب هو وزملاؤه في فهم ما يحدث في مركز الثقب الأسود وفي لحظة الانفجار الكبير.

ربما يكون أحد الأدلة على كون قياس الجاذبية أصعب بكثير من أي شيء آخر هو أن قوى الطبيعة الأخرى لديها ما يسمى "المحلية": الجسيمات الكمومية في منطقة واحدة من المجال (الفوتونات في المجال الكهرومغناطيسي، على سبيل المثال) "مستقلة عن" يقول مارك فان رامسدونك، عالم نظرية الجاذبية الكمومية في جامعة كولومبيا البريطانية: "هناك كيانات مادية أخرى في منطقة أخرى من الفضاء". "لكن هناك الكثير من الأدلة النظرية التي تشير إلى أن الجاذبية لا تعمل بهذه الطريقة."

في أفضل نماذج الجاذبية الكمومية (مع هندسة مبسطة للزمكان)، من المستحيل افتراض أن شريط نسيج الزمكان مقسم إلى قطع مستقلة ثلاثية الأبعاد، كما يقول فان رامسدونك. وبدلاً من ذلك، تشير النظرية الحديثة إلى أن المكونات الأساسية الأساسية للفضاء "منظمة بطريقة ثنائية الأبعاد". يمكن أن يكون نسيج الزمكان مثل صورة ثلاثية الأبعاد أو لعبة فيديو. "وعلى الرغم من أن الصورة ثلاثية الأبعاد، إلا أن المعلومات يتم تخزينها على شريحة كمبيوتر ثنائية الأبعاد." في هذه الحالة، سيكون العالم ثلاثي الأبعاد مجرد وهم، بمعنى أن أجزائه المختلفة ليست مستقلة إلى حد كبير. في تشبيه لعبة فيديو، يمكن لعدد قليل من البتات الموجودة على شريحة ثنائية الأبعاد تشفير الوظائف العالمية لعالم اللعبة بأكمله.

وهذا الاختلاف مهم عندما تحاول إنشاء نظرية كمومية للجاذبية. النهج المعتاد لقياس شيء ما هو تحديد أجزائه المستقلة - الجسيمات، على سبيل المثال - ثم تطبيق ميكانيكا الكم عليها. لكن إذا لم تحدد المكونات الصحيحة، فسينتهي بك الأمر بمعادلات خاطئة. إن التكميم المباشر للفضاء ثلاثي الأبعاد الذي أراد برونشتاين القيام به يعمل إلى حد ما مع الجاذبية الضعيفة، ولكن يتبين أنه عديم الفائدة عندما يكون الزمكان منحنيًا للغاية.

يقول بعض الخبراء أن مشاهدة "ابتسامة" الجاذبية الكمومية يمكن أن تؤدي إلى تحفيز هذا النوع من التفكير المجرد. ففي نهاية المطاف، حتى أقوى الحجج النظرية حول وجود الجاذبية الكمومية لا تدعمها الحقائق التجريبية. عندما يشرح فان رامسدونك بحثه في ندوة علمية، فإنه عادةً ما يبدأ بقصة حول كيفية إعادة التفكير في الجاذبية باستخدام ميكانيكا الكم، لأن الوصف الكلاسيكي للزمكان ينهار مع الثقوب السوداء والانفجار الكبير.

"ولكن إذا قمت بهذه التجربة البسيطة وأظهرت أن مجال الجاذبية كان في حالة تراكب، فإن فشل الوصف الكلاسيكي يصبح واضحًا. لأنه ستكون هناك تجربة تشير إلى أن الجاذبية كمية.»

استنادا إلى مواد من مجلة كوانتا

إس،
، المؤسسة التعليمية البلدية المدرسة الثانوية رقم 16 مع UIOP، ليسفا، منطقة بيرم.

ولادة فيزياء الكم

ابحث عن بداية كل شيء، وسوف تفهم الكثير!
كوزما بروتكوف

الهدف التعليمي للدرس:تقديم مفهوم تفرد المادة، وصياغة مفهوم ازدواجية الموجة الكمومية للمادة، وتبرير إدخال صيغ بلانك وطول موجة دي برولي.

الهدف التطويري للدرس:تطوير التفكير المنطقي والقدرة على مقارنة وتحليل المواقف ورؤية الروابط متعددة التخصصات.

الهدف التعليمي للدرس:لتشكيل التفكير الجدلي المادي.

تتمتع الفيزياء كعلم بقيم إنسانية عالمية وإمكانات إنسانية هائلة. ويتم خلال دراستها الكشف عن الأساليب العلمية الأساسية (التجربة العلمية، النمذجة، التجربة الفكرية، الخلق وبنية النظرية العلمية). يجب منح الطلاب الفرصة للنظر إلى العالم من خلال عيون عالم فيزياء من أجل فهم الأبدية والتغير المستمر في العالم - عالم يوجد فيه الكثير مما هو ضخم وصغير بشكل غير مهم وسريع جدًا وبطيء بشكل غير عادي بسيطة وصعبة الفهم - أن تشعر برغبة الإنسان المستمرة في المعرفة التي توفر أعمق الرضا، والتعرف على أمثلة من الخبرة العميقة لـ "الشكوك العلمية" والحركة الشجاعة على طول طريق غير مألوف بحثًا عن الأناقة والإيجاز والوضوح .

أنا. مدرس.عندما بدأنا دراسة البصريات، طرحت السؤال: "ما هو الضوء؟" كيف ستجيب عليه الآن؟ حاول صياغة أفكارك في جملة واحدة. ابدأ بالكلمات "النور هو..." من F.I. لدى Tyutchev السطور التالية: "مرة أخرى بعيون جشعة // أشرب النور الواهب للحياة." يرجى محاولة التعليق على هذه السطور من وجهة نظر فيزيائية. في الشعر - منذ هوميروس وحتى يومنا هذا - كانت الأحاسيس الناتجة عن الضوء تحظى دائمًا بمكانة خاصة. في أغلب الأحيان، كان الشعراء ينظرون إلى الضوء على أنه سائل خاص مضيء ومشرق.

لكي أكمل حديثنا اليوم عن الضوء، أود أن أقرأ كلمات إس.آي. فافيلوفا: «إن الحرب المستمرة والمنتصرة من أجل الحقيقة، والتي لا تنتهي أبدًا بالنصر النهائي، لها مبررها الذي لا جدال فيه. وفي الطريق إلى فهم طبيعة الضوء، تلقى الإنسان المجاهر، والتلسكوبات، وأجهزة تحديد المدى، وأجهزة الراديو، والأشعة السينية؛ وقد ساعد هذا البحث في السيطرة على طاقة النواة الذرية. في البحث عن الحقيقة، يوسع الإنسان بلا حدود مجالات سيطرته على الطبيعة. أليست هذه هي المهمة الحقيقية للعلم؟ (التأكيد الألغام. – الاتحاد الأوروبي.)»

ثانيا. مدرس.في عملية دراسة الفيزياء، تعرفنا على العديد من النظريات، على سبيل المثال، MCT، والديناميكا الحرارية، ونظرية ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي، وما إلى ذلك. اليوم نكمل دراسة البصريات الموجية. يجب أن نلخص دراسة الموضوع، وربما نضع نقطة أخيرة على السؤال: "ما هو الضوء؟" هل يمكنك استخدام أمثلة من البصريات الموجية لإظهار دور النظرية في عملية فهم الطبيعة؟

دعونا نتذكر أن أهمية النظرية لا تكمن فقط في أنها تسمح للمرء بتفسير العديد من الظواهر، ولكن أيضًا في حقيقة أنها تجعل من الممكن التنبؤ بظواهر فيزيائية جديدة غير معروفة، وخصائص الأجسام والأنماط. وهكذا، أوضحت النظرية الموجية ظاهرة التداخل والحيود والاستقطاب والانكسار وتشتت الضوء وجعلت من الممكن إجراء "اكتشاف على طرف القلم" - وهو تنبؤ. في عام 1815، قدم مهندس متقاعد غير معروف، أوغستين فريسنل، ورقة بحثية تشرح ظاهرة الحيود إلى أكاديمية باريس للعلوم. تم تكليف تحليل العمل لعلماء مشهورين - الفيزيائي د. أراجو وعالم الرياضيات س. بواسون. اكتشف بواسون، وهو يقرأ هذا العمل بشغف، سخافة صارخة في استنتاجات فريسنل: إذا تم وضع هدف دائري صغير في تيار من الضوء، فيجب أن تظهر بقعة ضوئية في وسط الظل! ماذا يحدث برأيك بعد ذلك؟ وبعد أيام قليلة، أجرى أراجو تجربة واكتشف أن فريسنل كان على حق! لذا فإن القرن التاسع عشر هو قرن انتصار البصريات الموجية.

ما هو الضوء؟ الضوء عبارة عن موجة عرضية كهرومغناطيسية.

بعد الانتهاء من دراسة قسم كبير من الفيزياء المتعلقة بطبيعة الضوء والموجات الكهرومغناطيسية، أقترح إكمال مهمة الاختبار "الموجات الكهرومغناطيسية" بشكل مستقل (انظر الملحق 1). نتحقق من التنفيذ أماميًا.

ثالثا. مدرس.وإليك ما كتبته صحف لندن عشية عام 1900: "عندما أضاءت الإضاءة الاحتفالية للمصابيح الساطعة بدلاً من أوعية الزيت الخافتة في شوارع لندن، وصلت سيارات الأجرة إلى المبنى القديم في شارع فليت الواحدة تلو الأخرى. صعد السادة المحترمون الذين يرتدون الجلباب الدرج الواسع ذو الإضاءة الساطعة إلى القاعة. ثم اجتمع أعضاء الجمعية الملكية في لندن لاجتماعهم التالي. طويل القامة، أشيب الشعر، ذو لحية كثيفة، السير ويليام طومسون (هل تعلم عن إنجازاته في مجال الفيزياء؟ - الاتحاد الأوروبي.)، منذ ثماني سنوات مُنحت من يدي الملكة فيكتوريا لقب الند واللورد كلفن (هل هذا الاسم مألوف لديك؟ - الاتحاد الأوروبي.)، والآن بدأ رئيس الجمعية خطابه بمناسبة رأس السنة الجديدة. وأشار الفيزيائي العظيم في القرن التاسع عشر إلى النجاحات التي تحققت خلال القرن الماضي، وأدرج مزايا الحاضرين...

أومأ المجتمعون رؤوسهم بالموافقة. ولكي نكون متواضعين، فقد قاموا بعمل جيد. وكان السير ويليام على حق عندما قال إن صرح الفيزياء الكبير قد تم بناؤه، ولم يتبق منه سوى اللمسات النهائية الصغيرة.

صحيح (قاطع اللورد كلفن حديثه للحظة)، في أفق الفيزياء الصافي هناك سحابتان صغيرتان، مشكلتان لم تجدا تفسيرا بعد من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية... لكن هذه الظواهر مؤقتة وعابرة. ابتسم السادة بهدوء على الكراسي العتيقة ذات ظهورهم العالية. الجميع يعرف ما كنا نتحدث عنه:

1) لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسير تجارب ميكلسون التي لم تحدد تأثير حركة الأرض على سرعة الضوء. في جميع الأنظمة المرجعية (سواء المتحركة أو الساكنة بالنسبة للأرض)، تكون سرعة الضوء هي نفسها - 300000 كم/ثانية؛

2) لم تتمكن الفيزياء الكلاسيكية من تفسير الرسم البياني لإشعاع الجسم الأسود الذي تم الحصول عليه تجريبياً.

لم يستطع السير ويليام حتى أن يتخيل نوع البرق الذي سيضرب هذه السحب قريبًا! واستشرافاً للمستقبل، سأقول: إن حل المشكلة الأولى سيؤدي إلى مراجعة الأفكار الكلاسيكية حول المكان والزمان، وإلى خلق النظرية النسبية، وحل المشكلة الثانية سيؤدي إلى خلق نظرية جديدة. - الكم. وهذا هو حل المشكلة الثانية التي سيتم مناقشتها في درس اليوم!

رابعا. (يقوم الطلاب بتدوين الملاحظات في دفاتر ملاحظاتهم: التاريخ رقم الدرس. موضوع الدرس: "أصل فيزياء الكم".) في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين. نشأت مشكلة في الفيزياء كانت بحاجة ماسة إلى حل: تفسير نظري للرسم البياني للإشعاع لجسم أسود تمامًا. ما هو الجسم الأسود المثالي؟ ( فرضيات الطلاب. عرض فيديو كليب "الإشعاع الحراري" .)

مدرس.اكتب: "الجسم الأسود بالكامل هو جسم قادر على امتصاص كامل تدفق الإشعاع الساقط دون انعكاس، وجميع الموجات الكهرومغناطيسية من أي طول موجي (أي تردد)."

لكن الأجسام السوداء تمامًا لها ميزة أخرى. هل تتذكر لماذا يعيش الأشخاص ذوو البشرة السوداء في المناطق الاستوائية؟ "الأجسام السوداء، إذا تم تسخينها، سوف تتوهج أكثر سطوعًا من أي جسم آخر، أي أنها تنبعث منها طاقة في جميع نطاقات التردد،" اكتب ذلك في دفاتر ملاحظاتك.

لقد حدد العلماء بشكل تجريبي طيف الإشعاع لجسم أسود بالكامل. ( يرسم رسما بيانيا.) رν - الكثافة الطيفية للضياء النشط - طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعثة لكل وحدة زمنية من وحدة مساحة سطح الجسم في فاصل تردد الوحدة ν. تنبأت نظرية المجال الكهرومغناطيسي لماكسويل بوجود الموجات الكهرومغناطيسية، لكن منحنى إشعاع الجسم الأسود النظري المبني على أساس هذه النظرية كان له تناقض مع المنحنى التجريبي في منطقة التردد العالي. أفضل العقول في ذلك الوقت عملت على هذه المشكلة: اللورد الإنجليزي رايلي وج. ميخلسون. لا شيء يعمل!

تقديم وسيلة للخروج من الوضع الحالي. ويختلف المنحنى النظري عن المنحنى التجريبي. كيف تكون وماذا تفعل؟ ( يعبر الطلاب عن فرضيات: إجراء التجارب بعناية أكبر - لقد فعلوا ذلك، والنتيجة هي نفسها؛ قم بتغيير النظرية - لكن هذه كارثة، فقد انهار أساس الفيزياء الكلاسيكية بالكامل، الذي تم إنشاؤه على مدى آلاف السنين!) تم استدعاء الوضع الذي تم إنشاؤه في الفيزياء كارثة الأشعة فوق البنفسجية.

اكتب: "تبين أن أساليب الفيزياء الكلاسيكية غير كافية لتفسير إشعاع جسم أسود بالكامل في منطقة التردد العالي - لقد كانت "كارثة فوق بنفسجية".

من يستطيع أن يخمن سبب تسمية هذه الأزمة؟ كارثة الأشعة فوق البنفسجية,وليس الأشعة تحت الحمراء أو البنفسجية؟ لقد اندلعت أزمة في الفيزياء! الكلمة اليونانية κρίση [ أزمة] تشير إلى انتقال صعب من حالة مستقرة إلى أخرى. كان لا بد من حل المشكلة، وحلها على وجه السرعة!

الخامس.مدرس.وهكذا في 19 أكتوبر 1900، في اجتماع للجمعية الفيزيائية، اقترح العالم الألماني م. بلانك استخدام الصيغة لحساب إشعاع جسم أسود تمامًا ه = حν. جلس صديق بلانك وزميله هاينريش روبنز على مكتبه طوال الليل، وقارن قياساته بالنتائج التي قدمتها صيغة بلانك، وكان مندهشًا: لقد وصفت صيغة صديقه بأدق التفاصيل طيف الإشعاع لجسم أسود تمامًا! إذن، قضت صيغة بلانك على «كارثة الأشعة فوق البنفسجية»، ولكن بأي ثمن! اقترح بلانك، خلافًا للآراء الراسخة، اعتبار أن انبعاث الطاقة المشعة من ذرات المادة يحدث بشكل منفصل، أي في أجزاء من الكم. "الكم"( الكمية) مترجمة من اللاتينية تعني ببساطة كمية .

ماذا يعني "منفصلة"؟ دعونا نجري تجربة فكرية. تخيل أن لديك وعاء مملوء بالماء بين يديك. هل من الممكن أن يلقي النصف؟ ماذا عن أخذ رشفة؟ وحتى أقل؟ من حيث المبدأ، من الممكن تقليل أو زيادة كتلة الماء بكمية صغيرة بشكل تعسفي. لنتخيل الآن أن لدينا في أيدينا علبة مكعبات أطفال وزن كل منها 100 جرام. هل من الممكن تقليل 370 جرام مثلا؟ لا! لا يمكنك كسر المكعبات! لذلك، يمكن أن تتغير كتلة الصندوق بشكل منفصل، فقط في الأجزاء التي تبلغ مضاعفات 100 جرام! يمكن تسمية أصغر مقدار يمكن من خلاله تغيير كتلة الصندوق جزء،أو كمية الكتلة.

وهكذا، تحول التدفق المستمر للطاقة من جسم أسود ساخن إلى "انفجار مدفع رشاش" لأجزاء منفصلة - كميات الطاقة. لا يبدو شيئا خاصا. لكن في الواقع، كان هذا يعني تدمير صرح الفيزياء الكلاسيكية بأكمله الذي تم بناؤه بشكل ممتاز، لأنه بدلاً من القوانين الأساسية الأساسية المبنية على مبدأ الاستمرارية، اقترح بلانك مبدأ الانفصال. بلانك نفسه لم يعجبه فكرة السرية. لقد سعى إلى صياغة النظرية بحيث تتناسب تمامًا مع إطار الفيزياء الكلاسيكية.

ولكن كان هناك شخص، على العكس من ذلك، تجاوز بشكل أكثر حسما حدود الأفكار الكلاسيكية. كان هذا الرجل أ. أينشتاين. ولكي تفهم الطبيعة الثورية لآراء أينشتاين، سأكتفي بالقول إنه باستخدام فكرة بلانك، وضع الأسس لنظرية الليزر (مولدات الكم) ومبدأ استخدام الطاقة الذرية.

الأكاديمي س. لفترة طويلة جدًا، لم يتمكن فافيلوف من التعود على فكرة الضوء باعتباره مادة للكميات، لكنه أصبح معجبًا متحمسًا بهذه الفرضية، بل وتوصل إلى طريقة لمراقبة الكمات. لقد حسب أن العين قادرة على تمييز الإضاءة الناتجة عن 52 كوانتا من الضوء الأخضر.

لذا، وفقًا لبلانك، الضوء هو...( تصريحات الطلاب).

السادس. مدرس.ألا تذكرك فرضية بلانك بالفرضية المعروفة بالفعل حول طبيعة الضوء؟ اقترح السير إسحاق نيوتن اعتبار الضوء يتكون من جسيمات صغيرة - جسيمات. أي جسم مضيء يبعثها في كل الاتجاهات. إنها تطير في خطوط مستقيمة وإذا أصابت أعيننا نرى مصدرها. يتوافق كل لون مع جسيماته الخاصة، وهي تختلف على الأرجح في أن كتلتها مختلفة. التدفق المشترك للجسيمات يخلق الضوء الأبيض.

في زمن السير إسحاق نيوتن، كانت الفيزياء تسمى الفلسفة الطبيعية. لماذا؟ اقرأ (انظر الملحق 2) أحد القوانين الأساسية للديالكتيك - قانون نفي النفي. حاول تطبيقه على مسألة طبيعة الضوء. ( استدلال الطلاب.)

لذا، وفقًا لفرضية إم بلانك، فإن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات والجسيمات والكمات، ولكل منها طاقة ه = حν. يرجى تحليل هذه الصيغة: ما هو ν؟ ماذا حدث ح (سيقترح أحد الطلاب بالتأكيد أن هذا نوع من الثابت، سمي على اسم بلانك)؟ ما هي وحدة ثابت بلانك؟ ما هي قيمة الثابت ( العمل مع جدول الثوابت الفيزيائية)؟ ما هو اسم ثابت بلانك؟ ما هو المعنى المادي لثابت بلانك؟

لكي نقدر جمال صيغة بلانك، دعونا ننتقل إلى المسائل... علم الأحياء. أدعو الطلاب للإجابة على الأسئلة من مجال علم الأحياء (الملحق 3).

آلية الرؤية.من خلال الرؤية نستقبل حوالي 90% من المعلومات حول العالم. ولذلك فإن مسألة آلية الرؤية كانت دائما موضع اهتمام الناس. لماذا لا ترى العين البشرية، ومعظم سكان الأرض، سوى مجموعة صغيرة من الموجات من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي الموجود في الطبيعة؟ ماذا لو كان لدى الشخص رؤية بالأشعة تحت الحمراء، على سبيل المثال، مثل الثعابين؟

وفي الليل نرى كما في النهار جميع الأجسام العضوية لأن درجة حرارتها تختلف عن درجة حرارة الأجسام غير الحية. لكن المصدر الأقوى لهذه الأشعة بالنسبة لنا هو جسدنا. إذا كانت العين حساسة للأشعة تحت الحمراء، فإن ضوء الشمس سوف يتلاشى ببساطة بالنسبة لنا على خلفية إشعاعها. لن نرى أي شيء، وستكون أعيننا عديمة الفائدة.

لماذا لا تتفاعل أعيننا مع ضوء الأشعة تحت الحمراء؟ دعونا نحسب طاقة الكميات من الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي باستخدام الصيغة:

طاقة كمات الأشعة تحت الحمراء أقل من طاقة كمات الضوء المرئي. لا يمكن للعديد من الكمات أن "تجتمع معًا" للتسبب في إجراء يتجاوز قوة الكم الواحد - في العالم الصغير يوجد تفاعل فردي بين الكم والجسيم. فقط كم من الضوء المرئي، الذي لديه طاقة أكبر من طاقة الأشعة تحت الحمراء، يمكنه أن يسبب تفاعلًا في جزيء الرودوبسين، أي قضيب الشبكية. ويمكن تشبيه تأثير الكم الضوئي المرئي على شبكية العين بتأثير كرة التنس التي تحركت... مبنى متعدد الطوابق. (حساسية الشبكية عالية جدًا!)

لماذا لا تتفاعل العين مع الأشعة فوق البنفسجية؟ الأشعة فوق البنفسجية غير مرئية أيضًا للعين، على الرغم من أن طاقة كمات الأشعة فوق البنفسجية أكبر بكثير من طاقة كمات الضوء المرئي. شبكية العين حساسة للأشعة فوق البنفسجية، ولكن تمتصها العدسة، وإلا فسيكون لها تأثير مدمر.

في عملية التطور، تكيفت عيون الكائنات الحية على إدراك طاقة الإشعاع من أقوى مصدر على وجه الأرض - الشمس - وعلى وجه التحديد تلك الموجات التي تمثل الحد الأقصى من طاقة الإشعاع الشمسي الساقط على الأرض.

البناء الضوئي.في النباتات الخضراء، لا تتوقف العملية التي تحصل من خلالها جميع الكائنات الحية على الأكسجين للتنفس والغذاء، لثانية واحدة. هذا هو التمثيل الضوئي. تتميز الورقة باللون الأخضر بسبب وجود الكلوروفيل في خلاياها. تحدث تفاعلات البناء الضوئي تحت تأثير الإشعاع في الجزء الأحمر البنفسجي من الطيف، وتنعكس موجات ذات تردد يتوافق مع الجزء الأخضر من الطيف، فتكتسب الأوراق لونًا أخضر.

جزيئات الكلوروفيل "مسؤولة" عن العملية الفريدة لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة المواد العضوية. ويبدأ بامتصاص كمية من الضوء بواسطة جزيء الكلوروفيل. يؤدي امتصاص كم من الضوء إلى تفاعلات كيميائية لعملية البناء الضوئي، والتي تشمل العديد من الوحدات.

طوال اليوم، جزيئات الكلوروفيل "مشغولة" بحقيقة أنها، بعد أن تلقت الكم، تستخدم طاقتها، وتحولها إلى الطاقة المحتملة للإلكترون. يمكن مقارنة عملهم بعمل الآلية التي ترفع الكرة إلى أعلى السلم. عند نزول الدرج تفقد الكرة طاقتها لكنها لا تختفي بل تتحول إلى طاقة داخلية للمواد التي تتشكل أثناء عملية التمثيل الضوئي.

"تعمل" جزيئات الكلوروفيل فقط خلال ساعات النهار، عندما يضربها الضوء المرئي. في الليل "يستريحون"، على الرغم من عدم وجود نقص في الإشعاع الكهرومغناطيسي: تنبعث الأرض والنباتات من الأشعة تحت الحمراء، لكن طاقة الكمات في هذا النطاق أقل من تلك المطلوبة لعملية التمثيل الضوئي. في عملية التطور، تكيفت النباتات لتجميع طاقة أقوى مصدر للطاقة على الأرض - الشمس.

الوراثة.(يجيب الطلاب على الأسئلة 1-3 من الملحق 3، بطاقة "الوراثة"). يتم تشفير الخصائص الوراثية للكائنات الحية في جزيئات الحمض النووي وتنتقل من جيل إلى جيل بطريقة المصفوفة. كيف تسبب طفرة؟ تحت تأثير أي إشعاع تحدث عملية الطفرة؟

لإحداث طفرة واحدة، من الضروري نقل الطاقة إلى جزيء الحمض النووي بما يكفي لتغيير بنية جزء ما من جين الحمض النووي. ومن المعروف أن الكميات جاما والأشعة السينية، على حد تعبير علماء الأحياء، مطفرة للغاية- الكميات الخاصة بها تحمل طاقة كافية لتغيير بنية جزء من الحمض النووي. ومن الواضح أن الأشعة تحت الحمراء لا يمكنها القيام بمثل هذا الإجراء؛ فترددها، وبالتالي طاقتها، منخفض جدًا. الآن، إذا تم امتصاص طاقة المجال الكهرومغناطيسي ليس في أجزاء، ولكن بشكل مستمر، فإن هذه الإشعاعات ستكون قادرة على التأثير على الحمض النووي، لأنه فيما يتعلق بخلاياه التناسلية، فإن الكائن الحي نفسه هو المصدر الأقرب والأقوى الذي يعمل باستمرار إشعاع.

بحلول بداية الثلاثينيات. القرن العشرين وبفضل نجاحات ميكانيكا الكم، شعر الفيزيائيون بمثل هذه القوة لدرجة أنهم تحولوا إلى الحياة نفسها. كان هناك العديد من أوجه التشابه في علم الوراثة. اكتشف علماء الأحياء جسيمًا منفصلاً غير قابل للتجزئة - الجين - يمكنه الانتقال من حالة إلى أخرى. ترتبط التغييرات في تكوين الجينات بالتغيرات في الكروموسومات، مما يسبب الطفرات، وتبين أنه من الممكن تفسير ذلك على أساس المفاهيم الكمومية. أحد مؤسسي البيولوجيا الجزيئية، الذي حصل على جائزة نوبل للبحث في مجال عمليات الطفرة في البكتيريا والعاثيات، كان الفيزيائي النظري الألماني م. ديلبروك. في عام 1944، نُشر كتاب قصير للفيزيائي إي. شرودنغر بعنوان "ما هي الحياة؟". لقد قدم عرضًا واضحًا وموجزًا لأساسيات علم الوراثة وكشف عن العلاقة بين علم الوراثة وميكانيكا الكم. أعطى الكتاب قوة دافعة لهجوم الفيزيائيين على الجين. بفضل عمل الفيزيائيين الأمريكيين ج. واتسون، وإف. كريك، وم. ويلكنز، تعلم علماء الأحياء كيف يتم "هيكلة" الجزيء "الحي" الأساسي، وهو الحمض النووي. جعل تحليل حيود الأشعة السينية من الممكن رؤيتها.

سابعا. مدرس.أعود إلى السؤال: ما هو الضوء؟ ( إجابات الطالب.) اتضح أن الفيزياء عادت إلى جسيم الضوء النيوتوني - الجسيم - رافضة فكرة الضوء كموجة؟ لا! من المستحيل شطب الإرث الكامل للنظرية الموجية للضوء! بعد كل شيء، الحيود والتداخل والعديد من الظواهر الأخرى معروفة منذ فترة طويلة، والتي تؤكد تجريبيا أن الضوء موجة. ماذا علي أن أفعل؟ ( فرضيات الطلاب.)

لم يتبق سوى شيء واحد: الجمع بين الموجات والجزيئات بطريقة أو بأخرى. ندرك أن هناك دائرة واحدة من الظواهر حيث يظهر الضوء خصائص موجية، وهناك دائرة أخرى يأتي فيها الجوهر الجسيمي للضوء أولاً. وبعبارة أخرى - اكتبها! - الضوء لديه ازدواجية الموجة الكمومية! هذه هي الطبيعة المزدوجة للضوء. كان من الصعب جدًا على الفيزيائيين الجمع بين فكرتين غير متوافقتين حتى الآن في فكرة واحدة. الجسيم هو شيء صلب، غير متغير، له حجم معين، محدود في الفضاء. الموجة هي شيء سائل، غير مستقر، بدون حدود واضحة. بشكل أو بآخر، تم ربط هذه الأفكار باستخدام مفهوم الحزمة الموجية. وهذا يشبه موجة "مقطوعة" من كلا الطرفين، أو بالأحرى، مجموعة من الموجات التي تنتقل عبر الفضاء ككل واحد. يمكن أن تتقلص الجلطة أو تتمدد حسب البيئة التي تدخلها. إنه يشبه الربيع الطائر.

ما هي خاصية الحزمة الموجية التي تتغير عندما ينتقل الضوء من وسط إلى آخر؟ ( إجابات الطالب.)

في عام 1927، اقترح الفيزيائي الأمريكي لويس تسمية هذه الحزمة الموجية الفوتون(من اليونانية φωτóς [فوس، صور] – ) . ما هو الفوتون؟ ( يعمل الطلاب مع الكتاب المدرسي ويستخلصون النتائج.)

الاستنتاجات.الفوتون هو: كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي، جسيم عديم الكتلة، فوتون ساكن لا وجود له، جسيم يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء ج= 3 10 8 م/ث هو كل واحد وغير قابل للتجزئة، ومن المستحيل وجود جزء كسري من الفوتون؛ جسيم ذو طاقة ه = حڤ، حيث ح= 6.63 · 10 -34 ج · ث؛ ν هو تردد الضوء، والجسيم ذو الزخم هو جسيم محايد كهربائيا.

تم تنظيم العالم بطريقة تجعل الضوء يظهر لنا في أغلب الأحيان طبيعة موجية، حتى نفكر في تفاعلها مع المادة. وتظهر المادة أمامنا في شكل جسيمي، حتى نبدأ في النظر في طبيعة الروابط بين الذرات، وعمليات النقل، والمقاومة الكهربائية، وما إلى ذلك. ولكن بغض النظر عن موقعنا في كل لحظة، فإن الجسيمات الدقيقة لها كلا الخاصيتين.

إن عملية إنشاء نظرية الكم، وعلى وجه الخصوص، نظرية الكم للضوء هي عملية جدلية للغاية. إن أفكار وصور الميكانيكا والبصريات القديمة والكلاسيكية، المخصبة بأفكار جديدة، والمطبقة بشكل إبداعي على الواقع المادي، أدت في النهاية إلى ظهور نظرية فيزيائية جديدة بشكل أساسي.

يمارس: اقرأ القانون الفلسفي للوحدة وصراع الأضداد وتوصل إلى نتيجة تتعلق بنظريتين للضوء: النظريتين الموجية والكمية للضوء.

ثامنا. مدرس.في عام 1924، أعرب الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي (عامل التلغراف الراديوي العسكري السابق) عن أفكار متناقضة تمامًا، حتى بالنسبة للفيزيائيين الشجعان في ذلك الوقت، حول طبيعة حركة الجزيئات الذرية. اقترح دي برولي أن خصائص الإلكترونات والجسيمات الأخرى، من حيث المبدأ، لا تختلف عن خصائص الكميات! ويترتب على ذلك أن الإلكترونات والجسيمات الأخرى يجب أن تظهر أيضًا خصائص موجية، على سبيل المثال، يجب ملاحظة حيود الإلكترون. وقد تم اكتشافه بالفعل في التجارب التي أجراها في عام 1927، بشكل مستقل عن بعضها البعض، الفيزيائيون الأمريكيون K.-J. دافيسون ول. جيرمر، الفيزيائي السوفييتي ب.س. تارتاكوفسكي والفيزيائي الإنجليزي ج.-ب. طومسون. يتم حساب الطول الموجي لدي برولي باستخدام الصيغة:

دعونا نحل مسائل حساب طول موجة دي برولي (الملحق 4).

كما تظهر الحسابات، يتحرك إلكترون التكافؤ داخل الذرة بسرعة 0.01 مع، تنحرف على شبكة بلورية أيونية على شكل موجة يبلغ طولها الموجي ~10 -10 م، ويبلغ الطول الموجي لرصاصة تطير بسرعة حوالي 500 م/ث حوالي 10 -34 م. ولا يمكن تسجيل مثل هذا الطول الموجي الصغير بأي شكل من الأشكال، وبالتالي فإن الرصاصة تتصرف كجسيم حقيقي.

إن الصراع بين فكرتي الانفصال واستمرارية المادة، والذي اندلع منذ بداية العلم، انتهى بدمج الفكرتين في فكرة الخصائص المزدوجة للجسيمات الأولية. إن استخدام الخصائص الموجية للإلكترونات جعل من الممكن زيادة دقة المجاهر بشكل كبير. يعتمد الطول الموجي للإلكترون على السرعة، وبالتالي على الجهد الذي يسرع الإلكترونات (انظر المشكلة رقم 5 في الملحق 4). في معظم المجاهر الإلكترونية، يكون طول موجة دي برولي أصغر بمئات المرات من الطول الموجي للضوء. وأصبح من الممكن رؤية أجسام أصغر حجمًا، وصولاً إلى جزيئات مفردة.

ولدت ميكانيكا الموجات، وهي أساس الصرح العظيم لفيزياء الكم. وضع دي برولي الأسس لنظرية تداخل وحيود الضوء، وأعطى اشتقاقًا جديدًا لصيغة بلانك، وأنشأ توافقًا عميقًا بين حركة الجسيمات والموجات المرتبطة بها.

عند دراسة أي نظرية، كنا دائما نلاحظ حدود تطبيق هذه النظرية. لم يتم بعد تحديد حدود إمكانية تطبيق نظرية الكم، ولكن يجب تطبيق قوانينها لوصف حركة الجسيمات الدقيقة في مناطق صغيرة من الفضاء وعند الترددات العالية للموجات الكهرومغناطيسية، عندما تتيح أدوات القياس تسجيل الكميات الفردية (الطاقة). ~10 -16 ي). وبالتالي، لوصف تفاعل المادة مع إشعاع الأشعة السينية، الذي تكون طاقة الكم الخاصة به أكبر بأمرين من الحد المذكور أعلاه، فمن الضروري تطبيق قوانين فيزياء الكم، ووصف خصائص موجات الراديو، وقوانين الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية كافية تماما. يجب أن نتذكر أن "أرض الاختبار" الرئيسية لنظرية الكم هي فيزياء الذرة والنواة الذرية.

في ختام درس اليوم، أطرح عليك السؤال مرة أخرى: ما هو الضوء؟ ( إجابات الطالب.)

الأدب

مياكيشيف جي.يا.، بوخوفتسيف بي.بي. الفيزياء. الصف الحادي عشر: تعليمي. لمؤسسات التعليم العام: الأساسي والمهني. المستويات. م: التربية، 2009.
موسوعة الفيديو للتعليم العام. فيلم لينوش. استوديو الفيديو "كفارت". [مصدر إلكتروني] الكاسيت رقم 2 “الإشعاع الحراري”.
توميلين أ.ن. بحثا عن الأصول: البوب العلمي. الإصدار. ل.: ديت. الأدب، 1990.
ميكانيكا الكم. الديناميكا الكهربائية الكمومية // Encycl. sl. الفيزيائي الشاب / شركات. في.أ. تشويانوف. م.: التربية، 1984.
كولتون م. عالم الفيزياء. م: ديت. الأدب، 1984.
سولوبوف إي إف. الفلسفة: كتاب مدرسي. المساعدات للطلاب أعلى كتاب مدرسي المؤسسات. م: فلادوس، 2003.
إيلتشينكو ف.ر. مفترق طرق الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا: كتاب. للطلاب. م: التربية، 1986.
كاتز ت.ب. الفيزياء الحيوية في دروس الفيزياء: كتاب. للمعلم. م: التربية، 1988.

إيلينا ستيبانوفنا أوفيتسكايا– مدرس فيزياء من أعلى فئة مؤهلة، تخرج من معهد تولا التربوي الحكومي الذي سمي باسمه. إل. إن. تولستوي في عام 1977 وتم تعيينها في جبال الأورال، في بلدة ليسفا الصناعية الصغيرة، حيث لا تزال تعمل. عامل فخري للتعليم العام في الاتحاد الروسي، الفائز في مسابقة عموم روسيا لمعلمي الفيزياء والرياضيات (مؤسسة الأسرة الحاكمة). نجح الخريجون في اجتياز امتحان الدولة الموحدة لسنوات عديدة ودخلوا جامعات في موسكو وسانت بطرسبرغ وإيكاترينبرج وبيرم. ذات مرة، بعد القراءة عن لوح الزمرد، أذهلتني الأهمية الحالية لفكرة هيرميس الأسطوري: كل شيء، كائن، عملية في عالمنا يحمل ميزات بعضها البعض وكل واحد. منذ ذلك الحين، كان يولي اهتمامًا كبيرًا بالروابط والقياسات متعددة التخصصات: الفيزياء والبيولوجيا، والفيزياء والرياضيات، والفيزياء والأدب، والآن الفيزياء واللغة الإنجليزية. يقوم بعمل علمي مع الطلاب وخاصة في المدرسة الابتدائية: أين تعيش الكهرباء؟ لماذا الماء العادي غير عادي؟ كيف يبدو عالم النجوم الغامض؟ لدى العائلة ولدان، تخرجا من جامعة ولاية بيرم التقنية. جونيور مهندس، كبير مدرس كاراتيه، لديه حزام أسود، دان ثان، بطل روسيا المتعدد، مشارك في بطولة العالم في اليابان. كان نجاح المعلمة مستحيلاً لولا مساعدة زوجها المهندس الكهربائي بالتدريب: تطوير وإجراء التجارب، وإنشاء أجهزة جديدة، وببساطة الدعم والمشورة التي تساعد في مواقف الحياة المختلفة.

يتم تقديم جميع الطلبات في . - إد.

تم التعبير عن دور نظرية ماكسويل بشكل أفضل من قبل الفيزيائي الشهير روبرت فاينمان: "في تاريخ البشرية (إذا نظرنا إليها، على سبيل المثال، بعد 10000 سنة من الآن)، فإن الحدث الأكثر أهمية في القرن التاسع عشر سيكون بلا شك اكتشاف ماكسويل لـ قوانين الديناميكا الكهربائية. وعلى خلفية هذا الاكتشاف العلمي المهم، ستبدو الحرب الأهلية الأمريكية في نفس العقد وكأنها حادثة إقليمية بسيطة.

تردد بلانك لفترة طويلة في اختيار العلوم الإنسانية أو الفيزياء. تتميز جميع أعمال بلانك بالرشاقة والجمال. كتب عنهم أ. أينشتاين: "عند دراسة أعماله، يبدو أن متطلبات الفنية هي أحد الينابيع الرئيسية لإبداعه".

أدى ظهور نظرية الكم وتطورها إلى تغيير في الأفكار الكلاسيكية حول بنية المادة والحركة والسببية والمكان والزمان وطبيعة الإدراك وما إلى ذلك، مما ساهم في إحداث تحول جذري في صورة العالم. تميز الفهم الكلاسيكي لجسيم مادي بانفصاله الحاد عن البيئة وامتلاك حركته وموقعه في الفضاء. في نظرية الكم، بدأ تمثيل الجسيم كجزء وظيفي من النظام الذي تم تضمينه فيه، وليس له إحداثيات وزخم. في النظرية الكلاسيكية، تعتبر الحركة بمثابة انتقال جسيم، يبقى مطابقًا لنفسه، في مسار معين. استلزمت الطبيعة المزدوجة لحركة الجسيمات التخلي عن مثل هذا التمثيل للحركة. أفسحت الحتمية الكلاسيكية (الديناميكية) المجال للحتمية الاحتمالية (الإحصائية). إذا كان الكل يُفهم سابقًا على أنه مجموع الأجزاء المكونة له، فقد كشفت نظرية الكم عن اعتماد خصائص الجسيم على النظام الذي تم تضمينه فيه. ارتبط الفهم الكلاسيكي للعملية المعرفية بمعرفة الشيء المادي باعتباره موجودًا في حد ذاته. أثبتت نظرية الكم اعتماد المعرفة حول جسم ما على إجراءات البحث. إذا ادعت النظرية الكلاسيكية أنها كاملة، فإن نظرية الكم منذ البداية تكشفت على أنها غير مكتملة، بناءً على عدد من الفرضيات، التي كان معناها في البداية بعيدًا عن الوضوح، وبالتالي تلقت أحكامها الرئيسية تفسيرات مختلفة، وتفسيرات مختلفة .
ظهرت الخلافات في المقام الأول فيما يتعلق بالمعنى المادي لازدواجية الجسيمات الدقيقة. طرح دي برولي لأول مرة مفهوم الموجة التجريبية، والتي بموجبها تتعايش الموجة والجسيم، حيث تقود الموجة الجسيم. إن التكوين المادي الحقيقي الذي يحافظ على استقراره هو الجسيم، لأنه هو الذي يمتلك طاقة وزخمًا. تتحكم الموجة التي تحمل الجسيم في طبيعة حركة الجسيم. تحدد سعة الموجة عند كل نقطة في الفضاء احتمالية تحديد موقع الجسيم بالقرب من هذه النقطة. قام شرودنغر بشكل أساسي بحل مشكلة ازدواجية الجسيمات عن طريق إزالتها. بالنسبة له، يعمل الجسيم كتشكيل موجٍ بحت. بمعنى آخر، الجسيم هو موقع الموجة الذي تتركز فيه أعظم طاقة للموجة. كانت تفسيرات دي برولي وشرودنجر في الأساس محاولات لإنشاء نماذج مرئية بروح الفيزياء الكلاسيكية. ومع ذلك، تبين أن هذا مستحيل.
اقترح هايزنبرغ تفسيرًا لنظرية الكم يعتمد (كما هو موضح سابقًا) على حقيقة أن الفيزياء يجب أن تستخدم فقط المفاهيم والكميات بناءً على القياسات. ولذلك، تخلى هايزنبرج عن التمثيل البصري لحركة الإلكترون في الذرة. لا يمكن للأجهزة الكبيرة وصف حركة الجسيم مع تسجيل الزخم والإحداثيات في نفس الوقت (أي بالمعنى الكلاسيكي) بسبب عدم القدرة على التحكم بشكل كامل في تفاعل الجهاز مع الجسيم - بسبب علاقة عدم اليقين، فإن قياس الزخم لا يجعله كذلك ممكن تحديد الإحداثيات والعكس. بمعنى آخر، نظرًا لعدم الدقة الأساسية للقياسات، فإن تنبؤات النظرية لا يمكن أن تكون إلا ذات طبيعة احتمالية، والاحتمال هو نتيجة لعدم اكتمال المعلومات الأساسية حول حركة الجسيم. وأدى هذا الظرف إلى استنتاج حول انهيار مبدأ السببية بالمعنى الكلاسيكي، الذي يفترض التنبؤ بالقيم الدقيقة للزخم والإحداثيات. لذلك، في إطار نظرية الكم، نحن لا نتحدث عن أخطاء في الملاحظة أو التجربة، ولكن عن نقص أساسي في المعرفة، والذي يتم التعبير عنه باستخدام دالة الاحتمال.
تم تطوير تفسير هايزنبرغ لنظرية الكم على يد بور وأصبح يعرف باسم تفسير كوبنهاجن. وفي إطار هذا التفسير، فإن الموقف الرئيسي لنظرية الكم هو مبدأ التكامل، والذي يعني ضرورة استخدام فئات متبادلة من المفاهيم والأدوات وإجراءات البحث، والتي تستخدم في ظروفها المحددة ويكمل بعضها البعض، للحصول على صورة شاملة للكائن قيد الدراسة في عملية الإدراك. يشبه هذا المبدأ علاقة عدم اليقين لهايزنبرج. إذا كنا نتحدث عن تعريف الزخم والإحداثيات كإجراءات بحثية متنافية ومتكاملة، فهناك أسباب لتحديد هذه المبادئ. ومع ذلك، فإن معنى مبدأ التكامل أوسع من علاقات عدم اليقين. من أجل تفسير استقرار الذرة، جمع بور بين المفاهيم الكلاسيكية والكمية لحركة الإلكترون في نموذج واحد. ومن ثم، فإن مبدأ التكامل يسمح بتكملة الأفكار الكلاسيكية بأفكار كمومية. بعد تحديد التعارض بين الخصائص الموجية والجسيمية للضوء وعدم العثور على وحدتها، كان بور يميل إلى التفكير في طريقتين للوصف مكافئتين لبعضهما البعض - الموجة والجسيمية - مع مزيجهما اللاحق. لذلك فمن الأدق أن نقول إن مبدأ التكامل هو تطور لعلاقة عدم اليقين التي تعبر عن العلاقة بين الإحداثيات والزخم.
وقد فسر عدد من العلماء انتهاك مبدأ الحتمية الكلاسيكية في إطار نظرية الكم لصالح اللاحتمية. في الواقع، هنا تغير مبدأ الحتمية شكله. في إطار الفيزياء الكلاسيكية، إذا كانت مواقع عناصر النظام وحالة حركتها معروفة في اللحظة الأولى من الزمن، فمن الممكن التنبؤ بشكل كامل بموقعها في أي لحظة زمنية مستقبلية. وكانت جميع الأنظمة العيانية تخضع لهذا المبدأ. حتى في الحالات التي كان من الضروري فيها إدخال الاحتمالات، كان يُفترض دائمًا أن جميع العمليات الأولية كانت حتمية بشكل صارم وأن عددها الكبير وسلوكها غير المنظم فقط هو الذي أجبر المرء على اللجوء إلى الأساليب الإحصائية. في نظرية الكم الوضع مختلف جذريا. لتطبيق مبادئ الردع لا بد من معرفة الإحداثيات وعزم الدوران، وهذا ما تحظره علاقة عدم اليقين. إن استخدام الاحتمال هنا له معنى مختلف مقارنة بالميكانيكا الإحصائية: إذا تم استخدام الاحتمالات في الميكانيكا الإحصائية لوصف ظواهر واسعة النطاق، ففي نظرية الكم، على العكس من ذلك، يتم تقديم الاحتمالات لوصف العمليات الأولية نفسها. كل هذا يعني أنه في عالم الهيئات واسعة النطاق يعمل المبدأ الديناميكي للسببية، وفي العالم الصغير - المبدأ الاحتمالي للسببية.
يفترض تفسير كوبنهاغن، من ناحية، وصفًا للتجارب من حيث الفيزياء الكلاسيكية، ومن ناحية أخرى، الاعتراف بهذه المفاهيم على أنها لا تتوافق تمامًا مع الوضع الفعلي للأمور. وهذا التناقض هو الذي يحدد احتمالية نظرية الكم. تشكل مفاهيم الفيزياء الكلاسيكية جزءًا مهمًا من اللغة الطبيعية. إذا لم نستخدم هذه المفاهيم لوصف التجارب التي نجريها، فلن نتمكن من فهم بعضنا البعض.
المثل الأعلى للفيزياء الكلاسيكية هو الموضوعية الكاملة للمعرفة. ولكن في المعرفة نستخدم الأدوات، وبالتالي، كما يقول هاينسربيرج، يتم إدخال عنصر شخصي في وصف العمليات الذرية، حيث تم إنشاء الأداة بواسطة المراقب. "يجب أن نتذكر أن ما نلاحظه ليس الطبيعة نفسها، بل الطبيعة كما تظهر من خلال طريقتنا في طرح الأسئلة. العمل العلمي في الفيزياء هو طرح أسئلة حول الطبيعة على اللغة التي نستخدمها، ومحاولة الحصول على الإجابة في تجربة. يتم تنفيذها بمساعدة الوسائل المتاحة لنا. وفي هذه الحالة، نتذكر كلمات بور حول نظرية الكم: إذا كنا نبحث عن الانسجام في الحياة، فيجب علينا ألا ننسى أبدًا أننا في لعبة الحياة "في نفس الوقت متفرجين ومشاركين. ومن الواضح أنه في علاقتنا العلمية بالطبيعة، يصبح نشاطنا الخاص مهمًا حيث يتعين علينا التعامل مع مناطق من الطبيعة لا يمكن اختراقها إلا بفضل أهم الوسائل التقنية."
كما تبين أنه من المستحيل استخدام المفاهيم الكلاسيكية للمكان والزمان لوصف الظواهر الذرية. إليكم ما كتبه مؤلف آخر لنظرية الكم عن هذا: "لقد كشف وجود كم الفعل عن وجود علاقة غير متوقعة تمامًا بين الهندسة والديناميكيات: فقد اتضح أن إمكانية تحديد موقع العمليات الفيزيائية في الفضاء الهندسي تعتمد على حالتها الديناميكية. لقد علمتنا النظرية النسبية العامة بالفعل أن نأخذ في الاعتبار الخصائص المحلية للزمان والمكان اعتمادًا على توزيع المادة في الكون، ومع ذلك، فإن وجود الكميات يتطلب تحولًا أعمق بكثير ولم يعد يسمح لنا بتمثيل حركة جسم فيزيائي. جسم على طول خط معين في الزمان والمكان (الخط العالمي). لم يعد من الممكن تحديد حالة الحركة بناءً على المنحنى الذي يصور المواضع المتعاقبة لجسم ما في الفضاء مع مرور الوقت. الآن نحن بحاجة إلى النظر في الحالة الديناميكية وليس نتيجة للتوطين المكاني والزماني، ولكن كجانب مستقل وإضافي للواقع المادي"
كشفت المناقشات حول مشكلة تفسير نظرية الكم عن مسألة وضع نظرية الكم ذاتها - ما إذا كانت نظرية كاملة لحركة الجسيمات الدقيقة. تمت صياغة السؤال لأول مرة بهذه الطريقة من قبل أينشتاين. تم التعبير عن موقفه في مفهوم المعلمات المخفية. انطلق أينشتاين من فهم نظرية الكم باعتبارها نظرية إحصائية تصف الأنماط المتعلقة بسلوك ليس جسيمًا فرديًا، بل سلوك مجموعته. يتم دائمًا تحديد موقع كل جسيم بدقة وفي نفس الوقت له قيم معينة من الزخم والإحداثيات. إن علاقة عدم اليقين لا تعكس البنية الحقيقية للواقع على مستوى العمليات الدقيقة، بل تعكس عدم اكتمال نظرية الكم - كل ما في الأمر أننا في مستواها لا نملك القدرة على قياس الزخم والتنسيق في وقت واحد، على الرغم من وجودهما بالفعل، ولكن المعلمات المخفية (مخفية في إطار نظرية الكم). اعتبر أينشتاين وصف حالة الجسيم باستخدام الدالة الموجية غير كامل، ولذلك قدم نظرية الكم في شكل نظرية غير كاملة لحركة الجسيمات الدقيقة.
اتخذ بور في هذه المناقشة الموقف المعاكس، استنادًا إلى الاعتراف بعدم اليقين الموضوعي للمعلمات الديناميكية للجسيمات الدقيقة كسبب للطبيعة الإحصائية لنظرية الكم. وفي رأيه، فإن إنكار أينشتاين لوجود كميات غير مؤكدة موضوعيًا يترك السمات الموجية الكامنة في الجسيمات الدقيقة غير مفسرة. اعتبر بور العودة إلى المفاهيم الكلاسيكية لحركة الجسيمات الدقيقة أمرًا مستحيلًا.
في الخمسينيات في القرن العشرين، عاد د. بوم إلى مفهوم الموجة التجريبية لدي برولي، حيث قدم موجة psi كمجال حقيقي مرتبط بالجسيم. لم يدعم مؤيدو تفسير كوبنهاجن لنظرية الكم وحتى بعض معارضيها موقف بوم، لكنه ساهم في توضيح أكثر تعمقًا لمفهوم دي برولي: بدأ اعتبار الجسيم بمثابة تكوين خاص ينشأ ويتحرك في مجال psi، لكنه يحتفظ بفرديته. تم تقييم أعمال P. Vigier و L. Janosi، التي طورت هذا المفهوم، من قبل العديد من الفيزيائيين على أنها "كلاسيكية" للغاية.
في الأدبيات الفلسفية المحلية في الفترة السوفييتية، تم انتقاد تفسير كوبنهاغن لنظرية الكم بسبب «التزامه بالمواقف الوضعية» في تفسير عملية الإدراك. ومع ذلك، دافع عدد من المؤلفين عن صحة تفسير كوبنهاجن لنظرية الكم. كان استبدال المثل الكلاسيكي للمعرفة العلمية بآخر غير كلاسيكي مصحوبًا بفهم أن المراقب، الذي يحاول تكوين صورة لشيء ما، لا يمكن تشتيت انتباهه عن إجراء القياس، أي. لا يستطيع الباحث قياس معالم الكائن محل الدراسة كما كانت قبل إجراء القياس. وضع دبليو هايزنبرغ وإي شرودنغر وبي ديراك مبدأ عدم اليقين كأساس لنظرية الكم، والتي في إطارها لم يعد للجسيمات زخم وإحداثيات محددة ومستقلة. وهكذا أدخلت نظرية الكم عنصر عدم القدرة على التنبؤ والعشوائية في العلم. وعلى الرغم من أن أينشتاين لم يتفق مع هذا، إلا أن ميكانيكا الكم كانت متسقة مع التجربة، وبالتالي أصبحت أساس العديد من مجالات المعرفة.

تم توضيح هذه الخطة بمزيد من التفصيل في عمل خبراء Bose et al - Ocean الأحد عشر لمراحل مختلفة من الاقتراح. على سبيل المثال، في مختبره بجامعة وارويك، يعمل المؤلف المشارك جافين مورلي على الخطوة الأولى، حيث يحاول وضع ألماس دقيق في تراكب كمي في مكانين. وللقيام بذلك، سيحجز ذرة نيتروجين في الألماس الصغير، بجوار فراغ في بنية الألماس (ما يسمى بمركز NV، أو فراغ مستبدل بالنيتروجين في الألماس)، وشحنه بنبضة موجات صغرية. إن الإلكترون الذي يدور حول مركز NV يمتص الضوء في الوقت نفسه ولا يفعل ذلك، ويدخل النظام في تراكب كمي لاتجاهين للدوران - لأعلى ولأسفل - مثل قمة تدور في اتجاه عقارب الساعة باحتمال معين وعكس اتجاه عقارب الساعة باحتمال معين. يتعرض الألماس الصغير المحمل بهذا الدوران المتراكب إلى مجال مغناطيسي يتسبب في تحرك الدوران العلوي إلى اليسار وتحرك الدوران السفلي إلى اليمين. ينقسم الماس نفسه إلى تراكب من مسارين.

وفي كل حالة، تؤثر درجات متفاوتة من الجاذبية على المكونات المتطورة لتراكبات الماس. يصبح الماسان مترابطين لأنه لا يمكن تحديد حالتيهما إلا معًا - إذا كان هذا يعني ذلك - ففي النهاية سوف ترتبط اتجاهات الدوران لنظامي مراكز NV.

بعد سقوط الماسات الدقيقة جنبًا إلى جنب لمدة ثلاث ثوانٍ - وهي فترة كافية للتشابك في الجاذبية - ستمر عبر مجال مغناطيسي آخر، والذي سيحاذي فروع كل تراكب مرة أخرى. الخطوة الأخيرة من التجربة هي بروتوكول شاهد التشابك الذي طورته الفيزيائية الدنماركية باربرا ثيرال وآخرون: يدخل الماس الأزرق والأحمر إلى أجهزة مختلفة تقيس اتجاهات الدوران لأنظمة مركز NV. (يؤدي القياس إلى انهيار التراكبات إلى حالات معينة.) ثم تتم مقارنة النتيجتين. من خلال إجراء التجربة مرارًا وتكرارًا ومقارنة العديد من أزواج قياسات السبين، يمكن للعلماء تحديد ما إذا كانت السبينات الخاصة بنظامين كميين ترتبط بالفعل في كثير من الأحيان أكثر من الحد الأعلى للأجسام غير المتشابكة ميكانيكيًا الكم. إذا كان الأمر كذلك، فإن الجاذبية في الواقع تؤدي إلى تشابك الماس وقد تدعم التراكبات.

يقول بلينكو: "الأمر المثير للاهتمام في هذه التجربة هو أنك لا تحتاج إلى معرفة ما هي نظرية الكم". "كل ما نحتاجه هو القول بأن هناك بعض الجوانب الكمومية لهذه المنطقة التي تتوسطها القوة بين جزيئين."

ما هو الشيء الفريد في الجاذبية؟

ليس لدى الباحثين في الجاذبية الكمومية أدنى شك في أن الجاذبية هي قوة كمومية يمكن أن تسبب التشابك. بالطبع، الجاذبية فريدة إلى حد ما، ولا يزال هناك الكثير لنتعلمه عن أصول المكان والزمان، ولكن يقول العلماء إنه يجب بالتأكيد أن نشارك في ميكانيكا الكم. يقول دانييل هارلو، الباحث في الجاذبية الكمومية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "في الواقع، ما الفائدة من النظرية التي تكون فيها معظم الفيزياء كمومية والجاذبية كلاسيكية". إن الحجج النظرية ضد النماذج الكمومية الكلاسيكية المختلطة قوية جدًا (وإن لم تكن قاطعة).

وبعد قراءة الأوراق، كتب دايسون: "إن التجربة المقترحة هي بالتأكيد ذات أهمية كبيرة وتتطلب تنفيذها في ظل ظروف نظام كمي حقيقي". ومع ذلك، فهو يشير إلى أن خطوط تفكير المؤلفين حول المجالات الكمومية تختلف عن أفكاره. "ليس من الواضح بالنسبة لي ما إذا كانت هذه التجربة قادرة على حل مسألة وجود الجاذبية الكمومية. السؤال الذي طرحته - هل تم رصد جرافيتون منفصل - هو سؤال مختلف، وربما يكون له إجابة مختلفة."

"ولكن إذا قمت بهذه التجربة البسيطة وأظهرت أن مجال الجاذبية كان في حالة تراكب، فإن فشل الوصف الكلاسيكي يصبح واضحًا. لأنه ستكون هناك تجربة تشير إلى أن الجاذبية كمية.»

استنادا إلى مواد من مجلة كوانتا