ما الفرق بين ميكانيك الكم والفيزياء الكلاسيكية؟

تضم الفيزياء مجالات دراسية متعددة تفسّر الظواهر الطبيعية وما يحدث من حولنا، لكن حجر الأساس في الفيزياء هو الميكانيك، بنوعيه علم الميكانيك الكلاسيكي وميكانيك الكم. وهنا سنقدم لك شرحاً مختصراً عن كل مجال منهما والفرق بينهما.

نظرة تاريخية من الفيزياء الكلاسيكية وصولاً إلى ميكانيك الكم

قبل معرفة الفرق بين الفيزياء الكلاسيكية وميكانيك الكم لا بُدّ من إلقاء نظرة تاريخية توضح التحوّل من واحدة إلى أخرى، وأهمية هذا الانتقال بينهما.

في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين، كانت تسمى جميع المجالات التي تدرسها الفيزياء بالفيزياء الكلاسيكية، ووضع أسُسها العديد من علماء الفيزياء البارزين، بدءاً من جاليليو وصولاً إلى إسحاق نيوتن وميشيل فاراداي واللورد كلفن، وهي أسماء معروفة لكل مَن درس حتى القليل من الفيزياء ولم يكن مختصاً بها.

اعتمد هؤلاء العلماء في دراساتهم على التفكير العقلاني والتفسير العلمي للظواهر الطبيعية، ودحض الأفكار المبنية على السحر التي كانت سائدة في ذاك الحين، ووضع القوانين الرياضية المناسبة لتفسير ما يحدث من حولنا. على سبيل المثال، يفسّر قانون الجاذبية سبب سقوط الأشياء على الأرض ولماذا تدور الكواكب حول الشمس.

تلا ذلك الطلب المتزايد على صناعة أسلاك المصابيح التي تتحمل حرارة تسخين أعلى، وهذا ما لم يتمكن منه العلماء باتباع قوانين الفيزياء الكلاسيكية، حتى جاء العالم الفيزيائي الألماني ماكس بلانك، ووضع نظرية الكم. ساعده على ذلك ابتكار البشر الأدوات والأجهزة العلمية الأفضل، التي استطاعوا باستخدامها إجراء قياسات أدق، واكتشفوا ما لم تكن تراه العين المجردة.

اقرأ أيضاً:

ما هي الحوسبة الكمومية؟

الفيزياء الميكانيكية الكلاسيكية

الفيزياء الميكانيكية الكلاسيكية هي مجال من الفيزياء يركز على سلوك الأجسام العيانية، أي التي يمكن رؤيتها بالعين، والتي لها سرعات صغيرة نسبياً مقارنة بسرعة الضوء. تدرس الفيزياء الميكانيكية الكلاسيكية حركات وإحصاءات هذه الأجسام العيانية. بكلمات أبسط هي مجموعة القوانين الفيزيائية والمعادلات التي تحكم سلوك الأشياء العادية.

لها 3 فروع مختلفة هي: ميكانيكا نيوتن وميكانيكا لاغرانج وميكانيكا هاميلتوني. تعتمد هذه الفروع الثلاثة على قوانين الرياضيات المستخدمة لدراسة الحركة.

تدرس ميكانيكا نيوتن مثلاً حركة الأجسام عن طريق دراسة الإزاحة والسرعة والتسارع، بينما تعتمد ميكانيكا لاغرانج على معادلات الطاقة ومعدل تغير الطاقة في الدراسة. أما ميكانيكا هاميلتوني فاستخدمت صيغاً رياضية مختلفة، ما زاد من فهم الميكانيكا الكلاسيكية.

يتم تحديد الطريقة المناسبة لتفسير الظواهر الفيزيائية اعتماداً على المشكلة المراد حلها. أما مجالات تطبيقها، ستجدها في دراسة حركة الكواكب والنجوم والمركبات الفضائية والمقذوفات وألوان الطيف وترتيبها، ومعظم الأحداث في الحياة اليومية. وفي الميكانيكا الكلاسيكية، يتم التعامل مع الطاقة على أنها كمية مستمرة.

بالاعتماد على قوانين الفيزياء الكلاسيكية، يمكن التنبؤ بحركة جسم ما بيقين كامل بعد معرفة موقعه الأوليّ وسرعته والقوى التي تؤثر عليه، أي أن الأجسام تتحرك في أنماط سلسة ومنظمة وقابلة للتنبؤ.

ميكانيك الكم

ميكانيك الكم هو مجال الفيزياء الذي يدرس سلوك الأجسام المجهرية مثل الذرات الجسيمات دون الذرية (البروتونات والنيترونات) والأجسام الصغيرة الأخرى التي تتمتع بطبيعة موجية وتتحرك بسرعات عالية. أهم ما يركز عليه ميكانيك الكم هو نظرية الفوتون، التي تنص على أن طاقة الضوء لها شكل حزم موجية.

مبدأ عدم اليقين

أسس ميكانيك الكم وطوّره العديد من العلماء، أبرزهم ماكس بلانك وألبرت أينشتاين، وهايزنبرغ الذي وضع مبدأ عدم اليقين الذي يعتبر من أهم مبادئ ميكانيك الكم، وينص على عدم إمكانية قياس سرعة الجسم الكمومي وموضعه بدقة في وقت محدد، لأن تحديد أحدهما بدقة يكلف المعلومات المتعلقة بالآخر. أي أنه لا يمكن التأكد من موقع الجسيم وسرعته معاً في وقت محدد.

بمعنى آخر، في ميكانيك الكم، لا يمكن التنبؤ بالأحداث، ويمكن تفسير ذلك بما يسمى بالقفزات الكمية التي تنطوي على انتقالات عشوائية بين الحالات. يمكن تشبيه القفزة الكمومية بالقفز من سطح مبنى إلى آخر، إما أن تقفز وإما لا. وكمثال فعلي من الفيزياء الكمية، تنتقل الإلكترونات بين مستويات الطاقة في الذرة عن طريق تحقيق قفزات كمية من مستوى إلى آخر.

نسبية أينشتاين

أينشتاين ونظريتاه في النسبية من أبرز العلماء والنظريات الذين فسّروا حركات الجسيمات الدقيقة. تتعامل النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين مع الجسيمات ذات الأحجام الصغيرة للغاية بينما يمكن استخدام النظرية النسبية العامة لأينشتاين لدراسة جميع الجسيمات بشكل عام حتى الجسيمات ذات الأحجام العيانية. لكن العلماء يفضلون الميكانيكا الكلاسيكية على النظرية العامة للنسبية للجسيمات ذات الأحجام العيانية بسبب بساطتها.

وبناءً على النسبية، انقسم ميكانيك الكم إلى قسمين:

ميكانيك الكم للأجسام غير النسبية، ويُدرَس فيه ميكانيك الكم للجسيمات ذات السرعات الصغيرة نسبياً مقارنة بسرعة الضوء.
ميكانيك الكم النسبي، ويدرس الجسيمات التي تتحرك بسرعات متوافقة مع سرعة الضوء.

نموذج الجسيمات القياسي

لوصف سلوك الجسيمات الدقيقة وخصائصها وتفاعلاتها، طوّر العلماء نموذجاً رياضياً يُعرف باسم نموذج الجسيمات القياسي. اقترح هذا النموذج مجموعتين رئيسيتين من الجسيمات الأولية للمادة هما الكواركات واللبتونات. بالإضافة إلى ناقلات القوة الأولية المعروفة باسم البوزونات المقيسة وبوزون هيغز. يربط نموذج الجسيمات القياسي تحويلات المادة والطاقة، بمساعدة هذه الجسيمات جميعها.

ما الفرق بين الفيزياء الكلاسيكية وميكانيك الكم؟

مما سبق يمكن استنتاج الاختلافات الأساسية بين المجالين:

تُطبق قوانين الميكانيكا الكلاسيكية على الأجسام العيانية فقط، أما ميكانيك الكم يُطبق على الأجسام المجهرية.
يمكن تطبيق ميكانيك الكم على الأجسام العيانية التي تدرسها الميكانيكا الكلاسيكية، لكن العكس غير ممكن أي لا يمكن تطبيق الميكانيكا الكلاسيكية على الجسيمات المجهرية.
يمكن تقسيم الأجسام التي تدرسها الفيزياء الكلاسيكية، لكن الجسيمات التي يدرسها ميكانيك الكم لا يمكن تقسيمها إلى أجزاء.
يُعتقد أن الميكانيكا الكلاسيكية هي مجال متطور ومدروس بالكامل، بينما ميكانيكا الكم لا تزال مجالا متطوراً ومازالت مجالاته قيد الدراسة.
يمكن تحديد موقع جسم ما والتنبؤ بحركته بيقين كامل في الفيزياء الكلاسيكية، بينما يعتمد ميكانيك الكم على عدم اليقين.
لا تفيد بعض قوانين ميكانيك الكم في الميكانيكا الكلاسيكية، ومبدأ عدم اليقين مثالٌ على ذلك.