قد تبدو ميكانيكا الكم مخيفة. ولكن قد يكون من الممتع أن تعرف أكثر! إنه يجعلك حقًا "تتمدد" عقلك وتوسع مهارات التفكير لديك. وميكانيكا الكم لا تحدث فقط في مختبرات الفيزياء عالية التقنية. تطبيقات ميكانيكا الكم في كل مكان حولنا. حتى داخل الجهاز الذي تستخدمه لقراءة هذه السطور!

ميكانيكا الكم هي في الأساس دراسة كيفية وجود الجسيمات الذرية وتفاعلها مع بعضها البعض. قد تكون على دراية بالميكانيكا الكلاسيكية ، مثل قوانين نيوتن الثلاثة للحركة. تسمح الميكانيكا الكلاسيكية للعلماء بعمل تنبؤات دقيقة للغاية للأجسام الكبيرة. لكن هذه التنبؤات لا تعمل بشكل جيد عندما تنظر إلى الأشياء على نطاق أصغر.

وهنا يأتي دور ميكانيكا الكم. فهي تصف قوانين الطاقة على مقياس الذرات. أفضل طريقة لفهم ميكانيكا الكم هي من خلال دراسة أركانها الرئيسية.

في مطلع القرن العشرين ، اعتقد العديد من الفيزيائيين أنه لم يتبق شيء لاكتشافه في مجالهم. ومع ذلك ، بقيت مشكلة واحدة كبيرة. كان لهذا علاقة بالأشياء الساخنة.

فكر في جهاز تحميص الخبز الخاص بك . عندما تسخن العناصر ، فإنها تتوهج باللون الأحمر. إذا تمكنت من زيادة درجة الحرارة أكثر من ذلك ، فستتوهج باللون الأبيض. هذا النمط من تغير اللون مع درجة الحرارة هو نفسه لأي شيء، بغض النظر عن الشيء الذي يتكون منه.

في البداية ، استخدم العلماء الفيزياء الكلاسيكية لمحاولة فهم هذا النمط. تنبأت نماذجهم بأن الأجسام الساخنة يجب أن تبعث ضوءًا موجودًا في الغالب في نطاق تردد الأشعة فوق البنفسجية.

لكن تجاربهم أظهرت عدم انبعاث أي ضوء فوق بنفسجي على الإطلاق! هذه المشكلة كانت تسمى كارثة الأشعة فوق البنفسجية. تم حلها بواسطة العالم ماكس بلانك ، عالم الفيزياء النظرية الألماني. كثيرا ما يطلق عليه أبو ميكانيكا الكم.

ابتكر بلانك معادلة رياضية جديدة لترددات الطاقة الضوئية المنبعثة من جسم ساخن. أظهر أن الأجسام الدافئة ستصدر ترددات حمراء. تنبعث من الأجسام الأكثر سخونة ترددات من جميع الألوان المرئية ، مما يجعلها تبدو متوهجة باللون الأبيض. والأهم من ذلك ، تنبأت صيغة بلانك بعدم إصدار أي ترددات فوق بنفسجية. إنها تتناسب تمامًا مع الأدلة التجريبية!

نجحت صيغة بلانك بسبب فكرة رئيسية واحدة. فقبل اكتشافات بلانك ، اعتقد العلماء أن الطاقة موجودة على نطاق مستمر. لقد اعتقدوا أنه من الممكن لأي جسم أن يكون له أي قيمة طاقة على هذا المقياس. كانت فرضية بلانك الجذرية هي أنه على المستوى دون الذري ، يمكن للأجسام الساخنة أن تصدر الطاقة فقط في وحدات صغيرة أو "رزم". أطلق على هذه الحزم كوانتا (تسمى كمية واحدة بالكم). قال بلانك إن كمية الطاقة في الكم تزداد مع تواترها. الترددات المنخفضة ، مثل الضوء الأحمر ، لديها طاقة أقل من الترددات الأعلى ، مثل تلك الموجودة في الضوء الأبيض.

تصف الميكانيكا الكلاسيكية الضوء على أنه موجة. ارتفاع الموجة يسمى اتساعها. الزمن بين قمم الموجة يسمى ترددها. قد تتوقع موجة ذات سعة أكبر لدفع الإلكترونات بعيدًا عن السطح بطاقة أكبر. قد تتوقع أيضا أن تصطدم موجات ذات تردد أعلى وتخرج المزيد من الإلكترونات من على السطح. ولكن كما هو الحال مع معظم التجارب الكمومية ، لوحظ ما هو غير متوقع. عندما تعرض المعدن للضوء ، تسبب السعة الأكبر في إخراج المزيد من الإلكترونات. ويؤدي الضوء ذو التردد العالي إلى خروج الإلكترونات بمزيد من الطاقة. لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسير هذا!

إذا كان لشعاع من الضوء اتساع أكبر ، فهذا يعني أنه يحتوي على عدد أكبر من الفوتونات. إذا اصطدمت المزيد من الفوتونات بالسطح المعدني ، فهناك المزيد من الاصطدامات ، وبالتالي يتم إخراج المزيد من الإلكترونات.

تعتمد الطاقة الموجودة في فوتون واحد فقط على تردده.  لذلك ، فإن الضوء ذو التردد العالي سينقل المزيد من الطاقة إلى الإلكترونات ، وهو ما لوحظ تجريبياً.

كانت نظرية الكم تكتسب زخما كبيرا. لكنه كان مجرد تفسير رياضي لبعض الملاحظات الغريبة. لا أحد يستطيع أن يشرح لماذا تأتي الطاقة في حزم منفصلة حتى عام 1913 ، حين اقترح الفيزيائي الدنماركي نيلز بور نموذجًا جديدًا لبنية الذرة.

قبل بور، كان العلماء يعرفون أن الذرة تتكون من نواة موجبة الشحنة مع إلكترونات سالبة الشحنة تدور حولها. أحدث بوهر ثورة في هذا النموذج. قال إن تلك الإلكترونات يجب أن تستلقي على مجموعة من المسارات المحددة. كانت هذه المسارات مثل مدارات الكواكب حول الشمس. دعاهم المدارات الإلكترونية. كل مدار له مستوى طاقة مرتبط.

عندما يمتص الإلكترون طاقة كافية ، فإنه "يقفز" من مدار إلى المدار الأكبر التالي. عندما "يسقط" إلكترون من مدار إلى المدار الأصغر ، فإنه يصدر طاقة. كمية الطاقة المنبعثة هي بالضبط فرق الطاقة بين المدارين. هذا هو سبب وجود الطاقة في قيم منفصلة ، كـ "كوانتا" ، وليس على نطاق مستمر. كانت الطاقة الكمية التي رآها بلانك هي الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الإلكترونات في الأجسام الساخنة. إذا كانت طاقة الفوتون عالية بما يكفي ، فإن الإلكترون سيغادر مداره ويترك المعدن تمامًا. لذلك ، قدمت مدارات بور الإلكترونية تفسيرًا نظريًا لميكانيكا الكم.

تخبرنا ميكانيكا الكم أن الإلكترون يمكنه فقط احتلال مستويات معينة من الطاقة. عند النظر إلى مجموعة كبيرة من الإلكترونات ، مثل تلك الموجودة في أشباه الموصلات ، فإن هذه المستويات هي "حزم" أو نطاقات من قيم الطاقة المسموح بها.

عندما يتم توصيل أشباه الموصلات بجهد كهربائي موجود داخل نطاق الطاقة ، فإنه يوصل الكهرباء. عندما يتم توصيله بجهد كهربائي خارج نطاق الطاقة المسموح به ، فإنه لا يقوم بتوصيل الكهرباء. يعمل كعازل. هذه هي الطريقة التي يتم بها تشغيل أو إيقاف تشغيل الترانزستورات ، والتي يقرأها الكمبيوتر على أنها 1 أو 0.

الشيء الذي يستخدم رمزًا ثنائيًا من 1 و 0 يسمى رقمي يستخدم في الترانزستورات شبه داخل جهاز الكمبيوتر الخاص بك ، الهاتف المحمول الخاص بك ، حتى التلفزيون الخاص بك! تخيل العالم بدون هذه الأشياء ، أو بدون الإنترنت. سيكون هذا العالم بدون ميكانيكا الكم.
กลศาสตร์ควอนตัมอาจดูน่ากลัว แต่มันอาจจะสนุกที่ได้รู้มากกว่านี้! มันทำให้คุณ "ยืด" จิตใจและเพิ่มทักษะการคิดได้จริงๆ กลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้เกิดขึ้นเพียงในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ที่มีเทคโนโลยีสูงเท่านั้น การประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมอยู่รอบตัวเรา แม้แต่ในอุปกรณ์ที่คุณใช้อ่านบรรทัดเหล่านี้! กลศาสตร์ควอนตัมโดยพื้นฐานแล้วเป็นการศึกษาว่าอนุภาคอะตอมดำรงอยู่และมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร คุณอาจคุ้นเคยกับกลศาสตร์แบบคลาสสิก เช่น กฎการเคลื่อนที่ 3 ข้อของนิวตัน กลศาสตร์แบบคลาสสิกช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำนายวัตถุขนาดใหญ่ได้อย่างแม่นยำ แต่การคาดการณ์เหล่านี้ไม่ได้ผลดีนักเมื่อคุณพิจารณาสิ่งต่างๆ ในระดับที่เล็กลง นี่คือจุดที่กลศาสตร์ควอนตัมเข้ามามีบทบาท มันอธิบายกฎของพลังงานในระดับอะตอม วิธีที่ดีที่สุดในการทำความเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมคือการศึกษาเสาหลักหลักของกลศาสตร์ควอนตัม ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่าไม่มีอะไรเหลือให้ค้นพบในสาขาของตน อย่างไรก็ตาม ปัญหาใหญ่ประการหนึ่งยังคงอยู่ เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับของร้อน คิดถึงเครื่องปิ้งขนมปังของคุณ เมื่อธาตุร้อนขึ้น พวกมันจะเรืองแสงสีแดง หากคุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิได้อีก อุณหภูมิก็จะเรืองแสงเป็นสีขาว รูปแบบการเปลี่ยนสีตามอุณหภูมินี้จะเหมือนกันสำหรับวัตถุใดๆ ไม่ว่าวัตถุนั้นทำมาจากอะไรก็ตาม ในตอนแรก นักวิทยาศาสตร์ใช้ฟิสิกส์คลาสสิกเพื่อพยายามทำความเข้าใจรูปแบบนี้ แบบจำลองของพวกเขาทำนายว่าวัตถุร้อนควรเปล่งแสงซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในช่วงความถี่อัลตราไวโอเลต แต่การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าไม่มีการปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตเลย! ปัญหานี้เรียกว่าภัยพิบัติจากรังสียูวี ได้รับการแก้ไขโดย Max Planck นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมัน เขามักถูกเรียกว่าบิดาแห่งกลศาสตร์ควอนตัม พลังค์คิดค้นสมการทางคณิตศาสตร์ใหม่สำหรับความถี่ของพลังงานแสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุร้อน เขาแสดงให้เห็นว่าวัตถุอุ่นจะปล่อยความถี่สีแดง วัตถุที่ร้อนกว่าจะปล่อยความถี่ของสีที่มองเห็นได้ทั้งหมด ทำให้พวกมันดูเรืองแสงเป็นสีขาว สิ่งสำคัญที่สุดคือ สูตรของพลังค์ทำนายว่าจะไม่ปล่อยความถี่อัลตราไวโอเลตออกมา มันเข้ากันได้อย่างลงตัวกับหลักฐานเชิงประจักษ์! สูตรของพลังค์ได้ผลเพราะแนวคิดสำคัญข้อเดียว ก่อนการค้นพบของพลังค์ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าพลังงานมีอยู่อย่างต่อเนื่อง พวกเขาเชื่อว่าเป็นไปได้ที่วัตถุใดๆ ก็ตามจะมีค่าพลังงานในระดับนี้ สมมติฐานที่รุนแรงของพลังค์ก็คือ ในระดับต่ำกว่าอะตอม วัตถุร้อนสามารถปล่อยพลังงานออกมาได้เฉพาะในหน่วยขนาดเล็กหรือ "แพ็กเก็ต" เท่านั้น เขาเรียกแพ็กเก็ตเหล่านี้ว่าควอนตัม (ปริมาณเดียวเรียกว่าควอนตัม) พลังค์กล่าวว่าปริมาณพลังงานในควอนตัมจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ของมัน ความถี่ที่ต่ำกว่า เช่น แสงสีแดง จะมีพลังงานน้อยกว่าความถี่ที่สูงกว่า เช่น แสงสีขาว กลศาสตร์คลาสสิกอธิบายว่าแสงเป็นเหมือนคลื่น ความสูงของคลื่นเรียกว่าแอมพลิจูด เวลาระหว่างยอดคลื่นเรียกว่าความถี่ คุณอาจคาดหวังว่าคลื่นที่มีแอมพลิจูดใหญ่กว่าจะผลักอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวด้วยพลังงานมากขึ้น คุณอาจคาดหวังว่าคลื่นความถี่ที่สูงกว่าจะชนกันและทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากพื้นผิวมากขึ้น แต่เช่นเดียวกับการทดลองควอนตัมส่วนใหญ่ มีการสังเกตสิ่งที่ไม่คาดคิด เมื่อโลหะสัมผัสกับแสง ค่าความจุไฟฟ้าที่มากขึ้นจะทำให้อิเล็กตรอนถูกดีดออกมามากขึ้น แสงความถี่สูงทำให้อิเล็กตรอนออกมาพร้อมกับพลังงานมากขึ้น ฟิสิกส์คลาสสิกไม่สามารถอธิบายเรื่องนี้ได้! หากลำแสงมีแอมพลิจูดมากกว่า แสดงว่าลำแสงนั้นมีโฟตอนจำนวนมากกว่า ถ้าโฟตอนกระทบกับพื้นผิวโลหะมากขึ้น ก็จะมีการชนกันมากขึ้น และทำให้อิเล็กตรอนถูกดีดออกมามากขึ้น พลังงานที่มีอยู่ในโฟตอนเดี่ยวนั้นขึ้นอยู่กับความถี่ของมันเท่านั้น ดังนั้นแสงความถี่ที่สูงกว่าจะถ่ายเทพลังงานไปยังอิเล็กตรอนมากขึ้นซึ่งสังเกตได้จากการทดลอง ทฤษฎีควอนตัมได้รับแรงผลักดันอย่างมาก แต่มันเป็นเพียงคำอธิบายทางคณิตศาสตร์สำหรับการสังเกตแปลกๆ ไม่มีใครสามารถอธิบายได้ว่าทำไมพลังงานถึงมาอยู่ในบรรจุภัณฑ์แยกกันจนกระทั่งปี 1913 เมื่อนักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก นีลส์ บอร์ เสนอแบบจำลองใหม่ของโครงสร้างของอะตอม ก่อนที่ Bohr นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกและมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบโคจรอยู่ Bohr ปฏิวัติโมเดลนี้ อิเล็กตรอนเหล่านั้นจะต้องนอนอยู่บนเส้นทางที่เฉพาะเจาะจงเขากล่าว เส้นทางเหล่านี้เปรียบเสมือนวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ เขาเรียกพวกมันว่าออร์บิทัลของอิเล็กตรอน แต่ละวงโคจรมีระดับพลังงานที่เกี่ยวข้องกัน เมื่ออิเล็กตรอนดูดซับพลังงานได้เพียงพอ มันจะ "กระโดด" จากวงโคจรหนึ่งไปยังวงโคจรที่ใหญ่กว่าถัดไป เมื่ออิเล็กตรอน "ตกลง" จากวงโคจรหนึ่งไปยังวงโคจรที่เล็กกว่า มันจะปล่อยพลังงานออกมา ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาคือค่าความต่างของพลังงานระหว่างออร์บิทัลทั้งสองอย่างแน่นอน นี่คือเหตุผลว่าทำไมพลังงานจึงมีอยู่ในค่าที่แยกจากกัน ในรูปแบบ "ควอนตัม" และไม่ได้อยู่ในระดับต่อเนื่อง พลังงานควอนตัมที่พลังค์เห็นคือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนในวัตถุร้อน หากพลังงานโฟตอนสูงเพียงพอ อิเล็กตรอนจะออกจากวงโคจรและออกจากโลหะจนหมด ดังนั้นวงโคจรอิเล็กตรอนของบอร์จึงเป็นคำอธิบายทางทฤษฎีสำหรับกลศาสตร์ควอนตัม กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าอิเล็กตรอนสามารถครอบครองพลังงานได้เพียงบางระดับเท่านั้น เมื่อดูอิเล็กตรอนกลุ่มใหญ่ เช่น ในเซมิคอนดักเตอร์ ระดับเหล่านี้คือ “แถบ” หรือช่วงของค่าพลังงานที่อนุญาต เมื่อเซมิคอนดักเตอร์เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าที่อยู่ในช่วงกำลัง สารกึ่งตัวนำจะสื่อกระแสไฟฟ้า เมื่อเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าที่อยู่นอกช่วงกำลังที่อนุญาต จะไม่นำไฟฟ้า ทำหน้าที่เป็นฉนวน นี่คือวิธีการเปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์ ซึ่งคอมพิวเตอร์อ่านเป็น 1 หรือ 0 สิ่งที่ใช้รหัสไบนารี่ 1 และ 0 เรียกว่าดิจิทัล และใช้ในกึ่งทรานซิสเตอร์ภายในคอมพิวเตอร์ โทรศัพท์มือถือของคุณ แม้กระทั่งทีวีของคุณ! ลองจินตนาการถึงโลกที่ไม่มีสิ่งเหล่านี้หรือไม่มีอินเทอร์เน็ต นี่จะเป็นโลกที่ปราศจากกลศาสตร์ควอนตัม
spam fails_task lang_mismatch pii not_appropriate hate_speech sexual_content quality toxicity humor helpfulness creativity violence