ما هو الكمّ
الدرس 1 من 23 في دورة «الكم». مجاني، مع رسوم متحركة واختبار.
العالم تحت العدسة
الكرة والسيارة وأنت: كل شيء كبير يتبع الفيزياء المألوفة. ارمِ كرة وستعرف بالضبط أين ستكون بعد ثانية. لكن إذا صغُرت أكثر فأكثر حتى الذرات، تتغير القواعد. الذرة أصغر من سُمك الشعرة بمئات آلاف المرات. هناك تتصرف الجسيمات بطرق تكسر المنطق المعتاد. قواعد هذا العالم الصغير هي الفيزياء الكمية. لا حاجة للمعادلات: ستجد صورًا وتجارب وأمثلة.
الطاقة تأتي على دفعات
عام 1900. يحاول الفيزيائي الألماني ماكس بلانك تفسير اللون الذي يتوهج به المعدن الساخن. لا تستقيم الحسابات حتى يضع افتراضًا جريئًا: الضوء لا يطلق الطاقة بشكل متصل بل على دفعات صغيرة. سُمّيت أصغر دفعة «كمّ»، من اللاتينية quantum أي «كم». قارن المنحدر بالدرج: على المنحدر تقف على أي ارتفاع، وعلى الدرج على الدرجات فقط. العالم الصغير مبني كالدرج.
الضوء سيل من الجسيمات
عام 1905، ألبرت أينشتاين. اللغز: إذا سلّطت ضوءًا على معدن تنطلق منه إلكترونات. لكن الضوء الأحمر لا يطلقها حتى لو كان ساطعًا جدًا، بينما الأشعة فوق البنفسجية الخافتة تطلقها فورًا. فسّر أينشتاين ذلك: الضوء يسافر على دفعات، جسيمات اسمها الفوتونات، وطاقة الفوتون الواحد تعتمد على لونه. الفوتون الأحمر ضعيف جدًا مهما زدت العدد. نال أينشتاين جائزة نوبل 1921 على هذا تحديدًا. وعلى هذا التأثير تعمل الألواح الشمسية وكاميرا هاتفك.
الإلكترون يعيش على درجات
عام 1913، الدنماركي نيلز بور. لا يستطيع الإلكترون في الذرة أن يدور في أي مكان: لديه مستويات طاقة مسموحة مثل الدرجات. عندما يقفز الإلكترون درجة إلى الأسفل يطلق فوتونًا. ارتفاع القفزة يحدد طاقة الفوتون، وبالتالي لونه. لكل عنصر كيميائي درجاته الخاصة. لذلك يشتعل السترونشيوم في الألعاب النارية بالأحمر دائمًا، والصوديوم بالأصفر، والنحاس بالأزرق. هذا ليس طلاءً، هذه فيزياء كمية.
لماذا لا نلاحظ ذلك
إذا كان العالم الصغير غريبًا لهذه الدرجة، فلماذا يتصرف كوب قهوتك بشكل طبيعي؟ تظهر التأثيرات الكمية عندما يكون الجسم صغيرًا وباردًا ومعزولًا جيدًا. في الكوب تريليونات التريليونات من الذرات، وكلها تصطدم باستمرار بالهواء والضوء. هذه الاصطدامات تمحو الغرابة الكمية فيبقى العالم المألوف. يسمي الفيزيائيون ذلك «فقدان الترابط». سنشرحه في درس القياس، أما الآن فتذكّر: الكبير والدافئ يُخفي الكمّ.
نوبل 2025: الكمّ في يدك
لزمن طويل ساد الاعتقاد بأن الحيل الكمية تخص الذرات المفردة فقط. في 1984–1985 أثبت جون كلارك وميشيل ديفوريه وجون مارتينيس العكس. دارة كهربائية يمكن حملها باليد تقفز هي أيضًا بين درجات الطاقة، وتعبر حاجزًا لا يمكن عبوره وفق الفيزياء المعتادة: وهذا يسمى «النفق الكمي». في 2025 نالوا على ذلك جائزة نوبل في الفيزياء. وعلى هذه الفكرة تقوم الرقائق الكمية لدى Google وIBM.
اختبر نفسك
- لماذا أطلقت الأشعة فوق البنفسجية إلكترونًا ولم يفعل الضوء الأحمر الساطع؟
الإجابة الصحيحة: طاقة الفوتون الواحد تعتمد على لونه. فوتون واحد يطلق إلكترونًا واحدًا. الفوتون فوق البنفسجي يحمل طاقة كافية والأحمر لا. هذا ما فسّره أينشتاين عام 1905. - لماذا يعطي السترونشيوم في الألعاب النارية اللون الأحمر دائمًا؟
الإجابة الصحيحة: إلكتروناته تقفز بين درجاته الخاصة. للسترونشيوم مستويات طاقة خاصة. القفزة بالارتفاع نفسه تعطي دائمًا فوتونًا بالطاقة نفسها، أي باللون نفسه. هكذا يتعرف الكيميائيون على العناصر من ضوئها. - أي حقيقة ترد على صديقك أفضل؟
الإجابة الصحيحة: نوبل 2025: دارة بحجم الكف تتصرف كميًا. أثبت كلارك وديفوريه ومارتينيس أن دارة كهربائية كبيرة تقفز بين مستويات الطاقة وتعبر الحاجز كجسيم واحد. ومن هنا نشأت الكيوبتات فائقة التوصيل.