أ .أشواق عبدالرحمن العطيوي

محضرة مختبرات- قسم الكيمياء-كلية التربية بالزلفي

ما هو الضوء؟


                                    ما هو الضوء؟

منذ ثلاثة قرون قال إسحاق نيوتن إن الضوء يتصرف مثل تيارٍ من الجسيمات المتناهية الصغر تنتقل في خطوط مستقيمة، وينعكس عن المرايا على النحوِ نفسِهِ الذي ترتدُّ به كرةٌ عند ارتطامها بسطحٍ من الأسطح. لكن في أوائل القرن التاسع عشر وضَعَ توماس يونج في إنجلترا، والفرنسي أوجستان فرنيل، نظريةً بديلةً تُفيد بأن الضوء عبارة عن موجة، فيمكن أن ينحني حول حوافَّ حادَّةٍ ويتسرب عبر شقَّيْن ضيقين في شاشة؛ ليكوِّن نمطَ تداخُلٍ، بالطريقة نفسها التي تتداخل بها الموجاتُ بعضُها مع بعضٍ في بِركة من الماء. أصبحت هذه النظريةُ الموجية للضوءِ الوصفَ «الكلاسيكيَّ» المستخدَمَ في علم البصريات. لاحقًا، في الربع الأول من القرن العشرين، أظهرت التجارب أن الضوء، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي، يبدو أنه يمتلك كلًّا من الخصائص النموذجية للموجات والخصائص النموذجية للجسيمات. انطبَقَ الأمرُ نفسه على المادة التي تتكوَّن أيضًا من جسيماتٍ مثل الإلكترونات، والتي تتصرف أيضًا مثل الموجات.

إن هذه الثنائية تمثِّل أحد الألغاز الرئيسية في ميكانيكا الكم، وهي أكثر النظريات الناجحة المتوفِّرة لدينا عن سلوك المادة والإشعاع على المستويين الذري ودون الذري. كيف يمكن لشيء أن يكون جُسيمًا وموجةً في الوقت نفسه؟ من المنطقي بناءً على خبراتنا في العالم المرئي أن نرى هذا الأمر مستحيلًا، غيرَ أن ميكانيكا الكم تقضي بأنه في العالم المجهري يمكن للضوء والإلكترونات والكيانات الأخرى أن تتصرف؛ إما كموجة وإما كجُسيم بناءً على الترتيب التجريبي.

كانت عبارة «إما هذا وإما ذاك» هي بند التنصُّل الذي مكَّنَ علماء الفيزياء من الحفاظ على منطقيَّتهم. ففي أية تجربة يخبرنا التفسيرُ النموذجي لميكانيكا الكم أن الضوء، أو الإلكترون، يجب أن يتصرف إما كجسيم وإما كموجة، ووفقًا للاعتقاد السائد الذي وضعه نيلس بور ومدرسته في كوبنهاجن في أواخر عشرينيات القرن العشرين وثلاثينيات القرن نفسه، لا يمكن للضوء عرضُ خصائصه الموجية والجسيمية في وقتٍ واحدٍ، إلا أنه في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، بدأ جيل جديد من التجارب، التي بلغت من الدقة أن اشتمَلَتْ على ملاحظاتٍ لفوتوناتٍ مفردةٍ، في قطع خطوات لوقف العمل ببند التنصُّل هذا.

يبدو أن التفاعُلَ بين الطابعين الموجي والجسيمي للضوء في بعض التجاربِ أكثرُ تعقيدًا مما تخيَّلَ بور. يقدِّم هذا مزيدًا من الحماسة للجهد الذي بدأه العديد من المنظِّرين — من بينهم الراحل جون بيل — لتأمُّل شيءٍ لم يكن ليُصدَّق طوال ٦٠ سنة؛ وهو إجراء إعادةِ نظرٍ جوهريةٍ في تفسير علماء الفيزياء لمعنى ميكانيكا الكم.

يمكن توضيح لغز ثنائية الموجة والجسيم عبر تخيُّل تجربةِ تداخُلٍ نموذجيةٍ يمرُّ فيها الضوء عبر شقَّيْن في شاشة ليسقط على شاشة أخرى (انظر الشكل ١). هذه هي تجربة «شقَّيْ يونج»، تمامًا كما يجريها كل طالب يدرس الفيزياء في المدرسة من أجل إثبات أن الضوء عبارة عن موجة. في هذه التجربة المدرسية تتداخل موجات الضوء مثل موجات المياه التي تمر عبر عقبة مشابهة لتُكوِّن نمطًا مميزًا على الشاشة الثانية.

 عندما يمر شعاع ضوء أحادي اللون عبر شقَّيْن في شاشة، تتداخَلُ الموجات المنتشرة من كل شقٍّ لتكوين نمط مميَّز (أ). يحدث هذا حتى إذا أُطلِقَتْ «فوتونات مفردة» عبر الشقَّيْن، فيبدو أن كلَّ فوتونٍ يمر عبر كِلَا الشقَّيْن. لكن عندما تُوضَع الكاشفات عند كلِّ شقٍّ، فإنها تُظهِر أنَّ كلَّ فوتون يمر عبر شقٍّ واحدٍ فقط، ويختفي نمط التداخُل على نحوٍ غامِضٍ (ب).
شكل ١: عندما يمر شعاع ضوء أحادي اللون عبر شقَّيْن في شاشة، تتداخَلُ الموجات المنتشرة من كل شقٍّ لتكوين نمط مميَّز (أ). يحدث هذا حتى إذا أُطلِقَتْ «فوتونات مفردة» عبر الشقَّيْن، فيبدو أن كلَّ فوتونٍ يمر عبر كِلَا الشقَّيْن. لكن عندما تُوضَع الكاشفات عند كلِّ شقٍّ، فإنها تُظهِر أنَّ كلَّ فوتون يمر عبر شقٍّ واحدٍ فقط، ويختفي نمط التداخُل على نحوٍ غامِضٍ (ب).

كذلك فإن الاعتقاد السائد يرى أن الضوء ينتشر في حُزَم من الطاقة تُسمَّى الفوتونات، التي يمكن اعتبارها جسيماتٍ من الضوء. وتختلف تجربتنا التخيُّلية عن التي تُجرَى في مختبر المدرسة؛ لأن جهازنا الافتراضي يسمح بانبعاث فوتونٍ واحدٍ فقط في كلِّ مرةٍ من مصدر الضوء. تمر هذه الفوتونات بعد ذلك عبر الثقوب الموجودة في الشاشة الأولى، ويتمُّ رصدُها باستخدام نوع من العدَّادات يمكن تحريكُه على سطح الشاشة الثانية. مع انبعاث مقدارٍ ثابتٍ من الفوتونات من المصدر، فإن معدل وصول الفوتونات إلى الكاشف سيعتمد على موقعه على الشاشة الثانية. إن مزيدًا من الفوتونات سيصل في كلِّ ثانيةٍ إلى أجزاءٍ من الشاشة أكثر من أجزاءٍ أخرى.

عن طريق تحريك الكاشف نستطيع تكوين صورة للنمط الذي تكوِّنه الفوتونات. تتنبَّأ ميكانيكا الكم بأن هذا سيكون نمطَ التداخُلِ القياسي، تمامًا كما لو أن كلَّ فوتون قد مرَّ عبر كِلَا الثقبين في الشاشة الأولى بطريقةٍ ما، وتداخَلَ مع نفسه قبل أن يقرِّر المكان الذي يذهب إليه بعد ذلك.

يتكون النمط على نحوٍ متوافِق تمامًا مع الاحتمالات الإحصائية المطلوبة من أجل تكوين أهداب التداخُل، حتى إن كان وصولُ كلِّ فوتون إلى الكاشف محدَّدًا مكانُه بوضوح؛ مثل الجُسيم. ومن الواضح أن الجسيم المحدَّد المكان يمكنه المرورُ فقط عبر أحد الثقبين الموجودين في الشاشة.

إذن؛ ماذا يحدث إذا أعدَدْنا تجربةً من أجل مراقبة أي الثقبين يمرُّ عبره كلُّ فوتون؟ يمكن تنفيذ هذا بسهولة عن طريق وضع الكاشفين عند كلِّ ثقب، وتوصيلهما بعدَّادِ تطابُقٍ؛ مما يسمح لنا بمعرفة هل الكاشفان ينشطان في الوقت نفسه. في تجربتنا المثالية التي يجري فيها انبعاث لفوتونٍ واحدٍ فقط في كلِّ مرة من المصدر، من المنطقي ألا يعمل عداد التطابق أبدًا. لأول مرة توافِق ميكانيكا الكم على هذا؛ إنها تتوقع أننا سنجد أن كلَّ فوتون يمرُّ عبر ثقبٍ واحدٍ فقط، إلا أننا سنجد أيضًا أنه في ظل هذه الظروف لن يتكون نمط تداخُل على الشاشة الثانية، مجرد بقعتين من الضوء خلف كل ثقب. يبدو أنه عند السماح للضوء بأن يتصرف كموجةٍ فإنه سيفعل ذلك راغبًا، لكن إذا أُجبِرَ على أن يتصرف كجسيمٍ فإنه يفعل ذلك مُجبَرًا.

أكَّدَ عالم الفيزياء الأمريكي ريتشارد فاينمان أن ثنائيةَ الموجة والجسيم هذه تنطوي على اللغز الأساسي في ميكانيكا الكم. في الواقع لقد ذهب إلى أبعد من هذا، وقال: «في الحقيقة، إنها تنطوي على اللغز الوحيد في هذه النظرية.»

وفقًا للتفسير القياسي لميكانيكا الكم، المعروف باسم «تفسير كوبنهاجن»، فإن مشكلة الأوصاف المتباينة للضوء التي حصلنا عليها من تحليل ما يحدث في نسختَي التجربة، يمكن تجنُّبها من خلال القول إنَّ كِلَا التجربتين متعارضتان ولا يمكن إجراؤهما في وقتٍ واحدٍ. من وجهة النظر هذه يمكن ملاحظة إما الخصائص الموجية وإما الخصائص الجسيمية للضوء، لا الاثنين معًا. وهذه سمة محورية لما أطلق عليه بور اسم «مبدأ التكامل».

إلا أن مبدأ التكامل كان له نقَّاده، وتعرَّضَ مؤخرًا لتدقيق مكثَّف من وجهات نظر متنوعة، لكن قبل مناقشة الأسئلة الفنية الدقيقة التي طرحها هؤلاء النقَّاد، نريد إلقاء نظرةٍ على مدى صحة التجارب المماثلة للَّتي وصفناها للتوِّ. هل هي مجرد تجارب «فكرية» تخيُّلية، وفي هذه الحالة يكون أساس الحجج الفنية الدقيقة بشأن التكامُل قائمًا على الملاحظة التأملية؟ أم ثمة تجارب حقيقية تتوافق مع هذا النوع من الأساليب التجريبية، وفي هذه الحالة يكون الجدل حول التكامُل عليه تركيز أكبر؟

إن إحدى المسائل المهمة هي كيفية رؤية الفوتونات. يرجع أصل فكرة جسيمات الضوء إلى شرح ألبرت أينشتاين في السنوات الأولى من هذا القرن للظاهرة الكهروضوئية. يُطلَق هذا الاسم على انبعاث الإلكترونات من المعادن عند سقوط الضوء عليها، وتُستخدَم هذه الطريقة في جميع مقاييس الضوء، وفي الكثير من الكاميرات من أجل قياس شدة الضوء. أوضح أينشتاين أن كلَّ إلكترون منبعث يتلقَّى القدر نفسه من الطاقة من مصدر للضوء أحادي اللون، أيًّا كانت شدته. شرح هذا قائلًا إن الضوء يحتوي على شعاع من الكموم أو الفوتونات، تمتلك جميعها المقدارَ نفسه من الطاقة لطول موجي معين من الضوء. كان هذا العمل الذي حصل أينشتاين نظيره على جائزة نوبل في الفيزياء عام ١٩٢١.

مع أن الظاهرة الكهروضوئية ظلَّتِ الدليل الأصلي على الطبيعة الجسيمية للضوء، فإن ثمة تفسيرًا بديلًا. لقد أوضح العديد من الباحثين، بدايةً من ديفيد بوم في عام ١٩٥٢، أن الظاهرة الكهروضوئية يمكن تفسيرها من خلال اعتبار الضوء حقلًا كهرومغناطيسيًّا يتفاعَل — مثلًا — مع سطح معدني يتكون من ذرات منفصلة. إذن فالخصائص الملاحَظة لانبعاث الإلكترون تنتج؛ لأن الكاشف مصنوع من ذرات ذات مستويات طاقة منفصلة؛ لذا يمكن القول إن الظاهرة الكهروضوئية لا تُثبتُ على نحوٍ لا لبسَ فيه حقيقةَ الفوتونات.

ليس ثمة مشكلة في إثبات الطبيعة الموجية للضوء. لقد أظهر جيفري تايلور منذ وقت طويل في عام ١٩٠٩ أن المصادر الشديدة الضعف التي تبعث نبضات بالغة الوهن من الضوء، لا يزال يصدر عنها سلوك يشبه الموجة. لكن ما أكثر الظواهر المقنعة للطابع الجسيمي للضوء؟ أظهرت الدراسات التي أُجرِيت في مجال بصريات الكم أن كلَّ مصادر الضوء الشائعة مثل المصابيح الحرارية ومصابيح التفريغ وحتى أجهزة الليزر؛ تبعث ضوءًا في حالاتٍ (يُطلَق عليها الحالةَ الكلاسيكية أو شبه الكلاسيكية) حيث لا مجال لملاحظة سلوكٍ شبيهٍ بسلوكِ الجسيمات. ومن أجل ملاحظة سلوكٍ شبيهٍ بسلوك الجسيمات، نحن بحاجة إلى مصادر تصدر ما يُعرَف بحالات الضوء الأحادية الفوتون. لقد اعتمدَتْ جميع تجارب الشقَّيْن الكلاسيكية على مصادر تقليدية للضوء، إلا أن ثمة خططًا حاليَّة لإجراء تجارب شقَّيْن جديدة باستخدام فوتونات مفردة.

تتطلب واحدة من أبسط التجارب من هذا النوع ارتطامَ حالاتِ الضوء الأحادية الفوتون بمجزِّئ الحزمة الضوئية، وهذا المجزِّئ عبارة عن مرآة تسمح لنصف الضوء الساقط عليها بالمرور خلالها، في حين تعكس النصف الآخَر، وهذا أمر سهل على موجة، لكن بالنسبة لأي فوتونٍ مفردٍ يجب عليه إما أن ينعكس وإما أن يخترق، لكن ليس الأمران معًا. بعبارة أخرى، في حالات الضوء الأحادية الفوتون، تتوقَّع القواعد القياسية لنظرية الكم رصدَ انعدامِ ارتباط تامٍّ على جانبَيْ مجزِّئ الحزمة الضوئية؛ ففي كل مرة يعمل أحدُ الكاشفين في جانبٍ ما، لا يعمل الكاشِفُ الموجود على الجانب الآخَر (انظر الشكل ٢).

 هل يمكن لفوتونٍ مفردٍ الانقسامُ إلى نصفين؟ إذا كان الضوء بالفعل يأتي في صورة جسيمات، فإن كلَّ فوتونٍ يصل إلى مجزئ الحزمة الضوئية يجب أن ينعكس أو يمرَّ. وفقًا لنظرية الكم لا بدَّ أن يسجِّل الكاشفُ انعدامَ ارتباطٍ تامًّا.
شكل ٢: هل يمكن لفوتونٍ مفردٍ الانقسامُ إلى نصفين؟ إذا كان الضوء بالفعل يأتي في صورة جسيمات، فإن كلَّ فوتونٍ يصل إلى مجزئ الحزمة الضوئية يجب أن ينعكس أو يمرَّ. وفقًا لنظرية الكم لا بدَّ أن يسجِّل الكاشفُ انعدامَ ارتباطٍ تامًّا.

من ناحية أخرى، أي وصفٍ لانتشار الضوء يضمُّ الموجات الكلاسيكية دائمًا ما يتوقَّع وجود بعض التطابقات بين الكاشفين عندما تسقط نبضةٌ من الضوء على مجزِّئ الحزمة الضوئية. عمل كلٌّ من ألان أسبكت وفيليب جرينجر من جامعة باريس على حساب العدد الأدنى المتوقَّع من التطابقات على صورة الموجة الكلاسيكية، وقد اتضح لهما أن احتمال التطابق () يجب أن يكون أكبر من أو يساوي احتمال الانعكاس ()، مضروبًا في احتمال المرور (). يمكن التعبير عن هذه المتباينة على النحو التالي . من ناحية أخرى، تتوقَّع بصريات الكم أن  في مصادر الليزر، وأن  في المصادر الحرارية، أما في مصادر الفوتونات المفردة . إذا اتضح وجود خطأ لا لبسَ فيه في هذه المتباينة فعندها سيتضح زيفُ صورةِ الموجة الكلاسيكية.

في تجربة أسبكت وجرينجر الجديدة استخدَمَا أولًا مصدرًا تقليديًّا للضوء (صمامًا ثنائيًّا ضوئيًّا نبضيًّا). كان هذا المصدر ضعيفًا بشدة، لدرجة أن نبضات الضوء المفردة كانت تنفصل تمامًا، ومتوسط الطاقة في النبضة الواحدة كان أقل بكثير من طاقة فوتون واحد؛ في الواقع لقد كانت واحدًا على مائة من مقدار الطاقة الذي يحمله فوتون مفرد. إن هذا الاحتمال غير المعقول ظاهريًّا مسموح به؛ لأنه وفقًا لميكانيكا الكم لا يقابِل الحالاتِ الكلاسيكيةَ أو شبه الكلاسيكية للضوء عددٌ محدَّدٌ من الفوتونات. بدلًا من ذلك فإنها «تراكبات» تشتمل على متوسطات كمية من الحالات ذات العدد المحدَّد من الفوتونات. يمكن لمتوسط عدد الفوتونات أن يقلَّ كثيرًا عن واحدٍ إذا احتوى كثيرًا من الحالات التي يجري حساب المتوسط على أساسها فعليًّا على صفر من الفوتونات.

كانت السمة اللافتة للنظر أنه حتى في ظل هذه الحالة «الكمية» الظاهرية استمرَّتْ نبضات الضوء التي تصل إلى مجزِّئ الحزمةِ الضوئية في التصرف مثل الموجات الكلاسيكية، ولم يحدث قطُّ أيُّ خطأ في المتباينة. أكَّدَ هذا أن المصادر المعتادة تُصدِر ضوءًا في حالاتٍ تُبدي سلوكًا يشبه سلوك الموجة، حتى عندما تكون شدةُ الأشعة ضعيفةً للغاية. كانت الخطوة التالية هي استخدام مصدر ينتج حالاتٍ أحاديةَ الفوتون حقيقية.

إن المصادر المعتادة للضوء، مثل مصابيح التفريغ، تُصدِر الضوءَ عن طريق إثارةِ العديد من الذرات. ونظرًا لأن هذه الذرات تُثَار في أوقاتٍ عشوائيةٍ، وأن عددَ الذرات التي تُصدِر الضوء يتفاوت، فإن الخصائص الإحصائية للضوء الصادر تكون متطابقةً مع الخصائص المتوقَّع الحصول عليها من صورةِ الموجة، حتى إن كان الضوء مكوَّنًا من فوتوناتٍ. على النحو نفسه، فإن الموجات التي تحدث في بركةٍ من المياه تكون في واقع الأمر تأثيرًا إحصائيًّا ناتجًا عن حركة أعدادٍ كبيرةٍ للغاية من الجسيمات المتناهية الصِّغَر، إلا أنه يمكن عزل الانبعاث من ذرة واحدة، وقد تحقق هذا للمرة الأولى على نحوٍ مقنِعٍ في عام ١٩٧٧ على يد جيف كيمبل وماريو داجنيه وليونارد ماندل في معهد روتشستر للتكنولوجيا في ولاية نيويورك. تُطبَّق تقنياتٌ مشابِهة حاليًّا في تجارب مجزِّئ الحزمة الضوئية.

في هذه التجارب يتكوَّن مصدر الضوء من ذرات كالسيوم تتعرَّض للإثارة من أدنى طاقة فيها أو من حالتها القاعية إلى حالة أعلى. عندما تعود الذرة مرةً أخرى إلى حالتها القاعية، فإنها تشعُّ في تعاقُبٍ سريع فوتونين لهما أطوال موجية مختلفة، يرجع هذا إلى وجود حالة متوسطة بين حالة الإثارة والحالة القاعية. عقب انبعاثِ الفوتون الأول، تظلُّ الذرةُ في الحالة المتوسطة التي يبلغ عمرها ٤٫٧ نانوثانية.

من أجل التقاط فوتونٍ واحدٍ تجري مراقبةُ ذرة الكالسيوم المثارة باستخدام كاشف يستجيب لفوتون المستوى الأول، ويفتح «بوابة» من أجل السماح للضوء بالمرور لفترة قصيرة. تتوافق فترة بقاء هذه البوابة مفتوحةً مع كثافة ذرات الكالسيوم المثارة؛ لذا ثمة احتمال كبير أن أي ضوء يمرُّ عبر هذه البوابة سيكون فوتونًا من المستوى الثاني. بهذه الطريقة يحصل الباحثون على تقديرٍ تقريبيٍّ للموقف المثالي للعمل باستخدام فوتونات مفردة حقيقية.

باستخدام هذا المصدر للنبضات الأحادية الفوتون، زعَمَ أسبكت وجرينجر ملاحظتهما لخطأ واضح في المتباينة مُستنتَج من صورة الموجة الكلاسيكية. لقد استنتَجَا أن تجربتهما الخاصة بمجزِّئ الحزمة الضوئية أظهَرَتْ سلوكًا جسيميًّا حقيقيًّا للفوتونات، لكن هل استطاعَا ملاحظة وجود تداخُل — ظاهرة موجية — بمصدر الضوء نفسه؟

من أجل اختبار هذا الأمر، استخدَمَا مصدرَ الضوءِ نفسه ومجزِّئ الحزمة الضوئية نفسه، لكن أُزِيلَ الكاشفان عن جانبَي المجزئ وأُعِيد دَمْج الشعاعين في مجزِّئ آخَر للحزمة الضوئية (انظر الشكل ٣). يشبه هذا كثيرًا إعادةَ إجراء التجربة باستخدام ثقبين. لقد اكتشَفَا أن معدلات الرصد التي تمَّ قياسها على جانبَي مجزِّئ الحزمة الضوئية الثاني أظهَرَتْ ظواهرَ تداخُلٍ اعتمدَتْ على الاختلاف في طول المسار على طول الطريقين المحتمَلَيْن للفوتونات المفردة.

 عندما يُعَاد دَمْجُ الأشعة الناتجة من تجربةٍ مثل الموضَّحة في الشكل  في مجزِّئ حزمةٍ ضوئيةٍ آخَر، فإنها تنتج أنماطَ تداخُلٍ متطابقةً؛ مما يُظهِر أنه حتى الفوتونات المفردة تتصرف مثل الموجة.
شكل ٣: عندما يُعَاد دَمْجُ الأشعة الناتجة من تجربةٍ مثل الموضَّحة في الشكل ٢ في مجزِّئ حزمةٍ ضوئيةٍ آخَر، فإنها تنتج أنماطَ تداخُلٍ متطابقةً؛ مما يُظهِر أنه حتى الفوتونات المفردة تتصرف مثل الموجة.

إن هذا مثال لافِت للنظر يوضِّح كيف أن القضايا المفاهيمية الراسخة في ميكانيكا الكم، التي كانت حِكْرًا على الفلاسفة، قد أصبحَتْ عرضةً للدراسات التجريبية، وهذا بفضل التطورات المذهلة في التكنولوجيا. بالطبع إن تفسيرَ مثلِ هذه التجربة أمرٌ حسَّاس؛ فحتمًا لا تزال توجد وجهاتُ نظرٍ مختلفة بشأن معناها.

على سبيل المثال، ادَّعَى كلٌّ من تريفور مارشال من جامعة مانشستر وإميليو سانتوس من جامعة سانتاندير في إسبانيا، أن المعدل الملاحَظ لحالات التطابُق بين الرصد في المسارين في تجربة مجزِّئ الحزمة الضوئية لأسبكت يمكن شرحه باستخدام صورة الموجة، عن طريق طرح فكرة «العشوائية». يعني هذا أن كمية الضوء الساقِط المنعكِس أو المار بفعل مجزِّئ الحزمة الضوئية تتغيَّر من حالةٍ لأخرى، في حين تكون الكمية المحدَّدة للضوء المنعكس أو المار مجردَ نسبةٍ متوسطة. إن هذا الأمر ممكن من الناحية المنطقية، لكن في ظلِّ غيابِ أي فهمٍ فيزيائيٍّ لكيفية نشوء العشوائية، ربما يبدو هذا الأمر مصطَنَعًا وقسريًّا. مع ذلك فإن لوسيان هاردي من جامعة دورهام أشار إلى أن هذا النوع من السلوك العشوائي ربما يغيِّر أيضًا تفاصيلَ ظاهرةِ التداخُل في النسخة الثانية من التجربة، وربما يستخدم هذا من أجل اختبار الفكرة. المهم في الأمر أن مثلَ هذه النقاشات لم تَعُدْ مقصورةً على مجالِ ما وراء الطبيعة، لكن يمكن حَسْمُها بالتجربة.

اقترَحَ مؤخرًا أحدُ المؤلفين — هوم — واثنان من الزملاء، بارتو جوش من معهد إس إن بوز للعلوم الأساسية في كلكتا، وجيريش آجاروال من جامعة حيدر آباد، شكلًا مختلفًا لتجربة مجزِّئ الحزمة الضوئية. تمثَّلَتِ الفكرةُ في إحلال نظام ثنائي المنشور — عبارة عن تركيبٍ من منشورين مواجِهَين أحدهما للآخر، وتفصلهما فجوةٌ هوائية صغيرة — محلَّ مجزِّئ الحزمة الضوئية (انظر الشكل ٤). عندما تكون الفجوة بين المنشورين أكبرَ من طول موجة الفوتون المفرد الذي يصل إلى السطح البيني، فإن الفوتون يجب أن ينعكس داخل المنشور الأول بالكامل، أما إذا كانت الفجوة أصغرَ من طول موجة واحدة، فإن بصريات الكم تتوقَّع أن الحالات الأحادية الفوتون، إما ستنعكس داخليًّا بالكامل، وإما ستتخلل الفجوة وتنبثق من المنشور الثاني. في الواقع بإمكانك تحديدُ كلِّ فوتون مسجَّل في أيٍّ من الكاشفين (فأحدهما موجود من أجل تسجيل الفوتونات المنبثقة من المنشور الثاني، والآخَر من أجل رصد الفوتونات المنعكسة من المنشور الأول) وتصنيفه وفقًا للمسار الذي اتبعه.

 في التجربة المقترَحة الجديدة يحلُّ محلَّ مجزِّئ الحزمة الضوئية منشوران بينهما فجوة هوائية يمكن تغييرها. هل ستتصرف الفوتونات مثل الموجة (التخلُّل النفقي)، ومثل الجسيم (انعدام التطابق) في التجربة نفسها؟
شكل ٤: في التجربة المقترَحة الجديدة يحلُّ محلَّ مجزِّئ الحزمة الضوئية منشوران بينهما فجوة هوائية يمكن تغييرها. هل ستتصرف الفوتونات مثل الموجة (التخلُّل النفقي)، ومثل الجسيم (انعدام التطابق) في التجربة نفسها؟

إن التخلُّل النفقي ظاهرة خاصة بالموجة وحدها، فلا يمكن حدوثها أبدًا مع الجسيم الكلاسيكي. وباستخدام الحالات الأحادية الفوتون، لا ينفكُّ التخلل النفقي يحدث، لكن الفوتون المفرد يجب إما أن يتخلل وإما أن ينعكس؛ لذا يجب أن يحدث انعدام تطابُقٍ تام بين الكاشفين. لم يُجْرِ أحدٌ هذه التجربة حتى الآن، لكنها تطرح الاحتمالَ المثيرَ للاهتمام المتعلِّق بمشاهدة سلوك الجسيم (انعدام التطابق) وسلوك الموجة (التخلل النفقي) في الجهاز نفسه وباستخدام الفوتونات نفسها فعليًّا. إن مثل هذه التجارب ستساعدنا في تحسين فهمنا المفاهيمي لثنائية الموجة والجسيم — «اللغز المحوري» لدى فاينمان — وإعادة التقييم بشكلٍ نقدي لفكرة بور عن التكامل التي يقدِّرها كثيرًا.

إن فكرة التعارُض في المفاهيم الكلاسيكية، مثل الموجة والجسيم، أو الموضع والزخم، هي عنصر أساسي في مسألة التكامل. لقد ركَّزْنا على ثنائية الموجة والجسيم، لكن إذا فشل التكامُل في إحدى الحالات، فإنه يفشل كوصفٍ عامٍّ لعالم الكم. ثمة طُرُقٌ مختلفة لفحص «المعنى الحقيقي» للتكامل، والأسلوب المعتاد هو التعامُل معه ببرجماتية؛ حيث يستغل علماء الفيزياء إما نموذج الموجة وإما نموذج الجسيم الخاص بالضوء حسب ما يقتضيه الموقف، إلا أن هذا ما هو إلا تكيُّفٌ مع الأزمة، وليس حلًّا لها.

يأتي بديل التكامُل من المدرسة «الواقعية» لمنظِّرَي الكمِّ، لويس دي بروي وديفيد بوم، اللذين قالَا إنَّ التناقضات يمكن حلُّها من خلال تعميقِ البحث في طبيعة الواقع الكامن وراء ظاهرة الكمِّ. يقول علماء الفيزياء الذين تقبَّلوا وجهةَ النظر هذه إن كيانًا كميًّا مثل الإلكترون هو بالفعل جسيم موضعي، لكن سلوكه يسير وفقًا لمجال حقيقي من الناحية الفيزيائية يحقِّق معادلاتِ ميكانيكا الكم الأساسية. أشار أيضًا جون بيل المنظِّر الكمي: إن هذا النوع من التركيب الموجي الجسيمي «يبدو لي طبيعيًّا وبسيطًا للغاية … لدرجة أني أرى أن تعرُّضَه للتجاهُل بوجه عامٍّ لغز كبير.»

في السنوات الأخيرة عمل عدد متزايد من علماء الفيزياء على تطوير نُسَخٍ مختلفة من الصورة «الواقعية» لطبيعة الضوء. ستجري دراسة هذه الاحتمالات من خلال تجارب تُجرَى مع تحسُّن التقنية التي تحدثنا عنها، إلا أنه عقب مضي ثلاثة قرون على عهد نيوتن، علينا الاعتراف أننا ما زلنا لا نستطيع الإجابة عن سؤال: «ما هو الضوء؟» هذا لأنه حتى الآن ما زالت لا توجد إجابةٌ عن السؤال الأساسي: هل الضوء «في حقيقته» موجة، أم خليط من موجة وجسيم، أم هو شيء مختلف تمامًا لا يمكن فهمه إلا بكونه وصفًا رياضيًّا مجردًا؟ يعبِّر عن هذا ما أشار إليه أينشتاين في عام ١٩٥١، قبل وفاته بأربع سنوات، في خطابٍ إلى ميكيلي بيسو؛ حيث قال: «طوال هذه السنوات الخمسين من التفكير الواعي لم أقترب من الإجابة عن السؤال: «ما هي كموم الضوء؟» وحاليًّا يظن أيُّ إنسان أنه يعلم ماهيتها، لكنهم مخطئون.»

مَن بحاجةٍ إلى فوتونات؟

يبدأ نموذج مبسَّط للغاية لشرح الظاهرة الكهروضوئية باستخدام فكرة الحقل الكهرومغناطيسي الكلاسيكي، من وصف الذرة في حالتها القاعية (غير المؤيَّنَة) التي تتصل بسلسلة من الحالات المؤيَّنة المثارة، لكن هذا في ظلِّ وجود فجوةِ طاقةٍ محدَّدة () بين الحالة القاعية () والحالات المثارة.

يمكن إعداد نموذج للتفاعُل بين الضوء الساقط والذرة من خلال التفاعُل بين حقل كهربائي كلاسيكي ساقِط وعزم كهربائي ذري ثنائي القطب. وفقًا للقواعد القياسية في ميكانيكا الكم، يمكن للمرء حسابُ معدل انتقالِ الذرة من الحالة القاعية إلى الحالات المثارة، بأن يستمرَّ في معاملة الحقل الكهربائي على أنه حقلٌ كلاسيكيٌّ سعته ، مع التذبذب بتردُّد زاويٍّ.

تبيَّنَ أن معدل الانتقال هذا يحتوي على جميع سمات الظاهرة الكهروضوئية. على سبيل المثال، ترتبط طاقة العتبة للانبعاث الكهروضوئي بوجود فجوةِ طاقةٍ محدَّدةٍ يُرمَز إليها بحرف .

يتناسب احتمال الرصد طرديًّا مع الشدة . نجد أن الطاقة النهائية للذرة هي  موضع ثابت بلانك (الذي يُرمَز إليه بحرف ) مقسومًا على ٢. وبذلك تكون طاقة الربط للإلكترون في الحالة المثارة هي  والطاقة الحركية للإلكترون المقذوف تكون ، كل هذا دون الحاجة إلى فوتونات على الإطلاق.

الساعات المكتبية

الساعات المكتبية 7 ساعات

من الساعه 8 صباحا 

حتى 2 ظهرا .

أرقام الاتصال

أرقام الاتصال:

      

 0164043878

 

   a.alatawi@mu.edu.sa

استبيان

استبيان للطالبات لعام 1435_1436

استبيان لمعرفة مدى المامك باساليب واجراءت الامن والسلامه فالمختبرات الكيميائية::


استبيان الامن والسلامه في المعامل

شاركينا وادعمينا برأيك بامانه ومصداقيه لنصل معا لتحقيق اهدافنا....



اخبار


أعلان هام

اعلان هام


على جميع طالبات قسم الكيمياء الراغبات في الفصل الصيفي للعام الدراسي 1435-1436هـ التوجه لتسجيل أسماؤهن لدى مشرفة القسم .




على جميع طالبات قسم الكيمياء مراجعة جدول الأختبارات النهائية للفصل الدراسى الأول للعام الجامعي 1435/1436هـ مع ابداء الملاحظات في أسرع وقت ممكن .




دورات الجوده


مواقع مهمه

موقع الرسمي لجامعة المجمعه:



وزارة التعليم العالي :


موقع بيوتات الكيمياء التعليميه:


موقع كيمياء ×كيمياء:


موقع كيمياء الأطفال:



صحيفة تواصل

صحيفة تواصل

الملف الصحفي لجامعة المجمعه

الملف الصحفي

مواقع التواصل لجامعة المجمعة

تويتر لجامعة المجمعه


جامعة المجمعه


 فيس بوك لجامعة المجمعه جامعة المجمعه

الدرر البهية في التحاليل الكيميائية

كل ما يخص الكيمياء التحليلة 

كل ما يخص الكيمياء التحليله فتالغة العربية

....

.youtubeChemistryZulfi

موسوعة الجدول الدوري

موسوعه شامله للجدول الدوري

ممثلون من الذرات في أصغر فيلم متحرك

كيمياء النعناع البري

صورة الهيموغلوبين

مجلة نيتشر – العدد الرابع والعشرون

سيرة حياة ـ جابر بن حيان ـ أبو الكيمياء

حمض النيتريك يلتهم عملة نحاسيه

(الوان الفرح) تفاعل الماء مع هيدروكسيد الكالسيوم

(ثورة غضب)السكر مع حمض الكبرتيك

10 عادات للشخصية الناجحة

1-  السعي للتميز.
2- تحديد الأهداف. 
3- ترتيب الأولويات.
4-  التخطيط.
ا5-  التركيز.
6-  إدارة الوقت.
7-  جهاد النفس.
8-  البراعة الإتصالية.
9-  التفكير الإيجابي.
10-  التوازن.

شمعة البرتقال

s

روابط الذرات




متراكبات









للجزيئات رقيق الكلمات


و لهذه الجزيئات رقيق الكلمات :

صغـيرٌ ثنـائي في ذرّاته
مـوهـوبٌ متعـدد في صفـاتهِ
لا يعـرف للـراحةِ من سبيـل
دءوبٌ متنقـلٌ في ترحـالهِ
أكـاد أضيع خطـاه التي
أجـدها من حـولي بنسمـاتهِ

غرائب علمية

طلاء المعادن

موقع تعلم الكيمياء

معلومه كيميائيه


  • الشاردة: (من الإغريقية “شرَد to go”) هي ذرة أو جزيئة فقدت أو كسبت إلكترون أو أكثر وبذلك أصبحت مشحونة إيجاباً أو سلباً على التتالي، فمثلاً معدِن الألمنيوم يتحول بفقده لثلاثة إلكترونات إلى شرجبة الألمنيوم Al3+ كشرجبة أحادية الذرة، على حين أن لا معدِن الكبريت يشكل شرسبات أُكسوكبريتية مثل شرسبة الكبريتات SO42– كشرسبة متعددة الذرات.

الطالب الكيميائي

لابد أن يهيئ نفسه تماما لإستقبال المعلومات الكيميائيه بوضوح وتركيز
ودقه عاليه في الفهم

حيث ان ظروف الطالب الكيميائي لاتسمح له بغير ذلك نظرا لتعدد المناهج
الكيميائيه إضافه إلى كثرة العناصر الكيميائيه


ويجب على الطالب الكيميائي أن يميز مابين العناصر الكيميائيه من حيث
خواصها المتعدده وأعدادها الذريه والكتليه
وكما نعلم حفظ الجدول الدوري يقلل من مشاكل قلة فهل الطالب الكيميائي

إحصائية الموقع

عدد الصفحات: 635

البحوث والمحاضرات: 66

الزيارات: 19935