علوم الفيزياء

ميكانيكا الكم

على الرغم من اختلاف الفروع المختلفة للفيزياء في طرقها التجريبية والنهج النظرية ، فإن بعض المبادئ العامة تنطبق عليها جميعًا. يكمن الطليعة للتقدم المعاصر في الفيزياء في النظام دون المجهر ، سواء كان ذلك في الفيزياء الذرية أو النووية أو المكثفة أو البلازما أو الجسيمات ، أو في البصريات الكمومية ، أو حتى في دراسة البنية النجمية. تستند جميعها على نظرية الكم (أي ميكانيكا الكم ونظرية المجال الكمومي) والنسبية ، والتي تشكل معًا الأسس النظرية للفيزياء الحديثة. العديد من الكميات الفيزيائية التي تختلف نظيراتها الكلاسيكية باستمرار عبر مجموعة من القيم المحتملة في نظرية الكم مقيدة بقيم متقطعة أو منفصلة. علاوة على ذلك ، يتم استبدال الشخصية القطعية الجوهرية للقيم في الفيزياء الكلاسيكية في نظرية الكم عن طريق عدم اليقين الجوهري.

اختبار

ميكانيكا الكم

كان اكتشاف ماكس بلانك العظيم أن الطاقة الإشعاعية تنبعث في حزم أطلق عليها ماذا؟

وفقًا لنظرية الكم ، لا يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي دائمًا من موجات مستمرة ؛ بدلاً من ذلك ، يجب النظر إليها في بعض الظروف على أنها مجموعة من الفوتونات الشبيهة بالجسيمات ، حيث تتناسب طاقة وزخم كل منهما بشكل مباشر مع تردده (أو يتناسب عكسًا مع طول موجته ، ولا تزال الفوتونات تمتلك بعض الخصائص الشبيهة بالموجة). على العكس من ذلك ، فإن الإلكترونات والأجسام الأخرى التي تظهر كجسيمات في الفيزياء الكلاسيكية موهوبة بالنظرية الكمومية بخصائص تشبه الموجة أيضًا ، فالطول الموجي الكمي للجسيم يتناسب عكسًا مع زخمه. في كلتا الحالتين ، ثابت التناسب هو الكم المميز للعمل (يتم تعريف الإجراء على أنه طاقة × وقت) - وهذا يعني ، ثابت بلانك مقسومًا على 2π ، أو ℏ.

من حيث المبدأ ، جميع الفيزياء الذرية والجزيئية ، بما في ذلك هيكل الذرات وديناميكياتها ، والجدول الدوري للعناصر وسلوكها الكيميائي ، وكذلك الخصائص الطيفية والكهربائية وغيرها من الخصائص الفيزيائية للذرات والجزيئات والمواد المكثفة ، يمكن تفسيرها بميكانيكا الكم. على وجه التقريب ، يجب أن تتناسب الإلكترونات في الذرة حول النواة كنوع من الموجة الواقفة (كما هو موضح بواسطة معادلة شرودنغر) مماثلة للأمواج على الكمان المقطوع أو أوتار الغيتار. عندما تحدد النوبة الطول الموجي للموجة الكمومية ، فإنها تحدد بالضرورة حالة طاقتها. وبالتالي ، تقتصر النظم الذرية على طاقات معينة منفصلة أو محددة الكمية. عندما تخضع الذرة لانتقال متقطع ، أو قفزة كمية ، تتغير طاقتها فجأة بكمية محددة بشكل حاد ، وينبعث الفوتون من تلك الطاقة عندما تنخفض طاقة الذرة ، أو يتم امتصاصها في الحالة المعاكسة.

على الرغم من أن الطاقات الذرية يمكن تحديدها بشكل حاد ، إلا أن مواقع الإلكترونات داخل الذرة لا يمكن تحديدها ، لكن ميكانيكا الكم تعطي فقط احتمال أن يكون للإلكترونات مواقع معينة. هذا نتيجة للميزة التي تميز نظرية الكم عن جميع المناهج الأخرى للفيزياء ، مبدأ عدم اليقين للفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبرغ. يشير هذا المبدأ إلى أن قياس موضع الجسيمات بدقة متزايدة يزيد بالضرورة من عدم اليقين بشأن زخم الجسيم ، وعلى العكس. يتم التحكم في الدرجة النهائية من عدم اليقين من خلال حجم ثابت بلانك ، وهو صغير جدًا بحيث لا يكون له أي آثار واضحة باستثناء عالم الهياكل المجهرية. في الحالة الأخيرة ، ومع ذلك ، لأنه يجب معرفة كل من موضع الجسيم وسرعته أو زخمه بدقة في لحظة ما من أجل التنبؤ بتاريخه المستقبلي ، تمنع نظرية الكم مثل هذا التنبؤ المحدد وبالتالي تهرب من الحتمية.

تقدم الموجات التكميلية وجوانب الجسيمات ، أو ازدواجية الموجة والجسيمات ، للإشعاع الكهرومغناطيسي وجزيئات المواد توضيحًا آخر لمبدأ عدم اليقين. عندما يظهر الإلكترون سلوكًا يشبه الموجة ، كما هو الحال في ظاهرة حيود الإلكترون ، فإن هذا يستبعد سلوكه الشبيه بالجسيمات في نفس الملاحظة. وبالمثل ، عندما يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي في شكل فوتونات مع المادة ، كما هو الحال في تأثير كومبتون حيث تتصادم فوتونات الأشعة السينية مع الإلكترونات ، فإن النتيجة تشبه اصطدامًا يشبه الجسيمات وطبيعة موجة الإشعاع الكهرومغناطيسي مستبعدة. مبدأ التكامل ، الذي أكد عليه الفيزيائي الدنماركي نيلز بور ، الذي ابتكر نظرية البنية الذرية ، ينص على أن العالم المادي يقدم نفسه في شكل صور تكميلية مختلفة ، لا يوجد أحد منها مكتمل في حد ذاته ، كل هذه الصور ضرورية لفهمنا الكامل. وبالتالي هناك حاجة لكل من صور الموجات والجسيمات لفهم الإلكترون أو الفوتون.

على الرغم من أنها تتعامل مع الاحتمالات والشكوك ، إلا أن نظرية الكم كانت ناجحة بشكل مذهل في تفسير الظواهر الذرية التي يتعذر الوصول إليها ، وحتى الآن في تلبية كل اختبار تجريبي. تنبؤاته ، وخاصة تلك الخاصة بـ QED ، هي الأكثر دقة وأفضل فحص من أي في الفيزياء. بعضها تم اختباره ووجد أنه دقيق لأفضل جزء في البليون.

الميكانيكا النسبية

في الفيزياء الكلاسيكية ، يُنظر إلى الفضاء على أنه له الطابع المطلق لمرحلة فارغة تتكشف فيها الأحداث في الطبيعة مع تدفق الوقت إلى الأمام بشكل مستقل ؛ يفترض أن الأحداث التي تحدث في وقت واحد لمراقب واحد في وقت واحد لأي مراقب آخر ؛ تؤخذ الكتلة على أنها مستحيلة لخلق أو تدمير ؛ والجسيم الذي يحصل على طاقة كافية يكتسب سرعة يمكن أن تزيد بلا حدود. تظهر النظرية النسبية الخاصة ، التي طورها بشكل أساسي ألبرت أينشتاين في عام 1905 ، والتي تم تأكيدها بشكل كافٍ من قبل التجربة على أنها تتمتع بوضع القانون الفيزيائي ، أن كل هذه ، وكذلك الافتراضات الواضحة الأخرى ، خاطئة.

تتدفق التأثيرات النسبية المحددة وغير العادية مباشرة من مسلمي آينشتاين الأساسيين ، والتي يتم صياغتها من حيث ما يسمى بالإطارات المرجعية بالقصور الذاتي. هذه أنظمة مرجعية تتحرك بطريقة تجعل فيها قانون إسحاق نيوتن الأول ، قانون القصور الذاتي ، صالحًا. تتكون مجموعة الإطارات بالقصور الذاتي من كل تلك التي تتحرك بسرعة ثابتة فيما يتعلق ببعضها البعض (وبالتالي يتم استبعاد الإطارات المتسارعة). إن افتراضات آينشتاين هي: (1) جميع المراقبين ، بغض النظر عن حالة حركتهم بالنسبة لمصدر الضوء ، يقيسون نفس سرعة الضوء ؛ و (2) قوانين الفيزياء هي نفسها في جميع الأطر بالقصور الذاتي.

الفرضية الأولى ، ثبات سرعة الضوء ، هي حقيقة تجريبية تتبع منها الظواهر النسبية المميزة لانكماش الفضاء (أو تقلص لورنتز فيتزجيرالد) ، وتمدد الوقت ، ونسبية التزامن: كما يقاسها أحد المراقبين المفترض أن تكون في حالة استرخاء ، ينقبض جسم متحرك على طول اتجاه حركته ، وتعمل الساعات المتحركة ببطء ؛ حدثان منفصلان مكانيًا متزامنان لمراقب ثابت يحدثان بالتتابع لمراقب متحرك. ونتيجة لذلك ، ترتبط الفواصل الزمنية في الفضاء ثلاثي الأبعاد بفواصل زمنية ، وبالتالي تشكل ما يسمى الزمكان رباعي الأبعاد.

الفرضية الثانية تسمى مبدأ النسبية. وهو صالح بنفس القدر في الميكانيكا الكلاسيكية (ولكن ليس في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية حتى يعيد أينشتاين تفسيره). تفترض هذه الفرضية ، على سبيل المثال ، أن تنس الطاولة الذي يتم لعبه في قطار يتحرك بسرعة ثابتة يشبه تمامًا تنس الطاولة الذي يلعب مع القطار في حالة الراحة ، ولا يمكن تمييز حالات الراحة والحركة جسديًا. في نظرية النسبية ، الكميات الميكانيكية مثل الزخم والطاقة لها أشكال مختلفة عن نظيراتها الكلاسيكية ولكنها تعطي نفس القيم للسرعات الصغيرة مقارنة بسرعة الضوء ، السرعة القصوى المسموح بها في الطبيعة (حوالي 300000 كيلومتر في الثانية ، أو 186،000 ميل في الثانية). وفقًا للنسبية ، الكتلة والطاقة هي كميات متكافئة وقابلة للتبادل ، المعادلة التي يتم التعبير عنها بواسطة معادلة آينشتاين الشهيرة لطاقة الكتلة E = mc ² ، حيث m هي كتلة جسم و c هي سرعة الضوء.

النظرية العامة للنسبية هي نظرية أينشتاين عن الجاذبية ، والتي تستخدم مبدأ معادلة الجاذبية وتسريع الأطر المرجعية المحلية. تتمتع نظرية آينشتاين بجمال رياضي خاص ؛ يعمم مفهوم الزمكان "المسطح" للنسبية الخاصة لأحد انحناءات. إنها تشكل خلفية جميع النظريات الكونية الحديثة. على النقيض من بعض المفاهيم الشعبية المبتذلة لها ، والتي تخلط بينها وبين أشكال النسبية الأخلاقية وغيرها ، لا تجادل نظرية آينشتاين بأن "كل شيء نسبي". على العكس من ذلك ، فهي إلى حد كبير نظرية تستند إلى تلك السمات الفيزيائية التي لا تتغير ، أو ، في لغة النظرية ، ثابتة.

قوانين الحفظ والتماثل

منذ الفترة المبكرة للفيزياء الحديثة ، كانت هناك قوانين للحفظ ، تنص على أن كميات مادية معينة ، مثل الشحنة الكهربائية الإجمالية لنظام معزول من الأجسام ، لا تتغير مع مرور الوقت. في القرن العشرين ، ثبت حسابيًا أن مثل هذه القوانين تتبع من خصائص التناظر للطبيعة ، كما هو موضح في قوانين الفيزياء. إن الحفاظ على طاقة الكتلة لنظام معزول ، على سبيل المثال ، ينبع من الافتراض بأن قوانين الفيزياء قد تعتمد على فترات زمنية ولكن ليس على الوقت المحدد الذي يتم فيه تطبيق القوانين. يعتبر الفيزيائيون المعاصرون التماثلات وقوانين الحفظ التي تتبعها أكثر أهمية من القوانين نفسها ، لأنها قادرة على الحد من الأشكال الممكنة للقوانين التي قد يتم اقتراحها في المستقبل.

تسري قوانين الحفظ في النظرية الكلاسيكية والنسبية والكمية لطاقة الكتلة ، والزخم ، والزخم الزاوي ، والشحنة الكهربائية. (في الفيزياء غير النسبية ، يتم الحفاظ على الكتلة والطاقة بشكل منفصل.) الزخم ، كمية موجهة مساوية لكتلة الجسم مضروبة في سرعته أو في الكتلة الإجمالية لجسمين أو أكثر مضروبة في سرعة مركز كتلتهما ، يتم حفظها عندما وفقط عندما لا تعمل قوة خارجية. وبالمثل ، يتم الحفاظ على الزخم الزاوي ، المرتبط بحركات الدوران ، في نظام لا تعمل فيه قوة دوران صافية ، تسمى عزم الدوران. تكسر القوى الخارجية وعزم الدوران شروط التماثل التي تتبعها قوانين الحفظ ذات الصلة.

في نظرية الكم ، وخاصة في نظرية الجسيمات الأولية ، هناك تماثلات إضافية وقوانين الحفظ ، بعضها دقيق والآخر صالح تقريبًا فقط ، والتي لا تلعب دورًا مهمًا في الفيزياء الكلاسيكية. من بينها الحفاظ على ما يسمى بالأرقام الكمومية المتعلقة بتناظر انعكاس الفضاء إلى اليسار واليمين (يسمى التكافؤ) وتماثل الحركة العكسي (يسمى انعكاس الوقت). يتم الاحتفاظ بهذه الأرقام الكمومية في جميع العمليات بخلاف القوة الضعيفة.

خصائص التماثل الأخرى التي لا ترتبط بشكل واضح بالمكان والزمان (والمشار إليها باسم التماثلات الداخلية) تميز العائلات المختلفة للجسيمات الأولية ، وبالتالي ، مركباتها. الكواركات ، على سبيل المثال ، لها خاصية تسمى رقم الباريون ، مثل البروتونات والنيوترونات والنوى ومركبات الكوارك غير المستقرة. كل هذه باستثناء الكواركات تعرف باسم الباريونات. إن فشل حفظ رقم الباريون سيظهر نفسه ، على سبيل المثال ، عن طريق تحلل البروتون إلى جزيئات غير باريونية أخف. في الواقع ، تم إجراء بحث مكثف عن هذا الاضمحلال البروتوني ، ولكن حتى الآن لم يكن مثمرًا. إن التماثلات المتشابهة وقوانين الحفظ تنطبق على رقم لبتون محدد بشكل مشابه ، كما أنها تظهر ، كما يفعل قانون حفظ الباريون ، بشكل صحيح.

القوى والمجالات الأساسية

يعتقد أن القوى الأربع الأساسية للطبيعة ، من أجل زيادة القوة ، هي: (1) قوة الجاذبية بين الجسيمات ذات الكتلة ؛ (2) القوة الكهرومغناطيسية بين الجسيمات ذات الشحنة أو المغناطيسية أو كليهما ؛ (3) قوة اللون ، أو القوة الشديدة ، بين الكواركات ؛ و (4) القوة الضعيفة التي يمكن للكواركات ، على سبيل المثال ، تغيير نوعها ، بحيث يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد للنوترينو. إن القوة القوية التي تربط البروتونات والنيوترونات بالنوى والمسؤولة عن الانشطار والاندماج والتفاعلات النووية الأخرى مشتقة من حيث المبدأ من قوة اللون. وهكذا ترتبط الفيزياء النووية ب QCD كما الكيمياء للفيزياء الذرية.

وفقًا لنظرية المجال الكمي ، يتم التوسط في كل من التفاعلات الأساسية الأربعة من خلال تبادل الكميات ، التي تسمى بوزونات قياس النواقل ، والتي تشترك في خصائص مشتركة معينة. تحتوي جميعها على دوران جوهري لوحدة واحدة ، مقاسة من حيث ثابت بلانك ℏ. (تحتوي كل من اللبتونات والكواركات على نصف وحدة دوران.) تدرس نظرية المقياس مجموعة التحولات ، أو مجموعة الكذبة ، التي تترك الفيزياء الأساسية لحقل كمي ثابتًا. تمتلك مجموعات لاي ، التي سميت باسم عالم الرياضيات النرويجي في القرن التاسع عشر سوفوس لي ، نوعًا خاصًا من التماثل والاستمرارية جعلها مفيدة أولاً في دراسة المعادلات التفاضلية على المشعبات الملساء (مساحة رياضية مجردة لنمذجة العمليات الفيزيائية). شوهد هذا التناظر لأول مرة في معادلات الإمكانات الكهرومغناطيسية ، الكميات التي يمكن اشتقاق المجالات الكهرومغناطيسية منها. يمتلكه في شكل نقي من قبل gluons الثمانية بلا كتلة من QCD ، ولكن في النظرية الكهروضوئية - النظرية الموحدة للتفاعلات الكهرومغناطيسية وضعف القوة - التماثل في القياس مكسور جزئيًا ، بحيث يبقى الفوتون فقط بلا كتلة ، مع بوزونات قياس أخرى (W ⁺ ، W ^- ، و Z) اكتساب كتل كبيرة. يواصل الفيزيائيون النظريون السعي إلى مزيد من توحيد QCD مع النظرية الكهربائية ، والأكثر طموحًا ، لتوحيدهم بنسخة كمومية من الجاذبية التي تنتقل فيها القوة من خلال كميتين بلا كتلة من وحدتين تدور تدوران الجاذبية.