عندما يصطدم غرض ما بحاجز سيكون من البديهي أن يتوقف أو يرتد إلى الخلف (لأن الحاجز يمكنه إيقاف الغرض). الآن على الرغم من أن هذه هي الطريقة التي يعمل بها عالم الميكانيكا الكلاسيكية، فإن هذه المواقف البسيطة إلى حد ما تصبح متقلبةً بعض الشيء عندما ننتقل إلى عالم الكم. بعبارة أبسط، يشير النفق الكمومي إلى ظاهرة يمكن للإلكترون فيها المرور عبر حاجز والانتقال إلى الجانب الآخر. مع ذلك، كما يقول ريتشارد فاينمان، إن كنت تعتقد أنك تفهم ميكانيكا الكم، فإنك لم تفعل على الإطلاق. بهذه البساطة هذا مفهوم النفق الكمي، دعنا نتعمق في فهم الفروق الدقيقة الأكثر تعقيدًا.
الأساسيات
يتضمن فهم النفق الكمومي بمعنى أكثر سهولةً، إعادة النظر في بعض مفاهيم الكم، أول ما سنتطرق إليه هو مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ Heisenberg. يأتي مبدأ عدم اليقين الخاص بهايزنبرغ عند محاولة مراقبة الجزيئات. ينص على وجود حد يمكن من خلاله تحديد المقاييس المتغيرة المختلفة للجسيم بدرجة معينة من الدقة. لفهم هذا بشكل أفضل، دعنا نأخذ مقياسين متغيرين هما السرعة وموقع الجسيم، ولنقل أن الجسيم الذي نفكر فيه هو إلكترون.
الآن، وفقًا لمبدأ عدم اليقين في Heisenberg، هناك حد معين يمكن من خلاله حساب كل من موضع وسرعة الإلكترون بدرجة معينة من الدقة. إذا أردنا التركيز على زيادة دقة قياس أي من هذه المتغيرات بمزيد من التفصيل والتركيز، فإن المتغير الآخر سينخفض في مستوى الدقة فيما يتعلق بقياسه.
وبالتالي، إن تمكنت من تحديد موضع الإلكترون بدقة عالية، فلن تكون قادرًا على قياس سرعته بدقة كبيرة. بالمقابل، إن تمكنت من قياس سرعة الإلكترون بدرجة عالية من الدقة، فلن تتمكن من تحديد موقع الإلكترون بدقة.
الآن، هناك مبدأ أساسي آخر يجب فهمه وهو الطبيعة الشبيهة بالموجة للمادة. إن الطبيعة التي تشبه الموجة للجسيم هي جانب حاسم لعنصر من عناصر ميكانيكا الكم، تسمى ثنائية الجسيمات الموجية. في مفهوم ازدواجية جسيم الموجة، يمكن وصف كل جسيم أساسي في كونه جسيمًا وموجة.
اقترح لويس دي برولي هذا في عام 1924 في أطروحة الدكتوراه، والتي تنص على أنه إذا كان يمكن للضوء امتلاك طبيعة تشبه الموجة والجسيمات، فيمكن أن يكون للإلكترون أيضًا طبيعة جسيم موجة مزدوجة. من خلال علاقة De Broglie، اقترح في أطروحته أنه لنتمكن من إثبات طبيعة موجة المادة ستكون العلاقة كما يلي:
هنا، تمثل lambda الطول الموجي للجسيم، ويمثل «p» زخم الجسيم. تكمن أهمية العلاقة مع دي برولي في أنها تضع الأساس لحقيقة أن المادة يمكن أن تتصرف مثل الموجة. أثبتت تجربة Davisson-Germer أن الطبيعة الموجية للمادة لا ريب فيها بناءً على حياد الإلكترونات عبر البلورة.
في وقت لاحق، دُمجت الطبيعة الموجية للمادة بسلاسة مع مبدأ عدم اليقين في Heisenberg. ينص مبدأ عدم اليقين على أنه بالنسبة للإلكترون أو أي جسيم آخر، لا يمكن معرفة الزخم والموقع بدقة في نفس الوقت. هناك دائمًا قدر من عدم اليقين إما في الموقع «دلتا x» أو مع الزخم ، «دلتا p». معادلة عدم اليقين في Heisenberg هي:
تخيل أنك تقيس زخم الجسيم بدقة، إذ تكون «دلتا p» صفرًا. لإرضاء المعادلة أعلاه، يجب أن تكون حالة عدم اليقين في موضع الجسيم، و«دلتا x» بلا حدود.
من معادلة دي برولي ، نعلم أن الجسيم ذو الزخم المحدد له طول موجي معين «Lambda». والطول الموجي المحدد يمتد في جميع أنحاء الفضاء إلى ما لا نهاية. وفقًا لتفسير احتمالية Born، فإن هذا يعني أن الجسيم غير محدد في الفضاء، وبالتالي فإن عدم اليقين في الموضع يصبح بلا حدود، مع ذلك، فإن الأطوال الموجية لها حدود محدودة وليست لا نهائية؛ لذلك كل من الموضع والزخم له قيمة محدودة. أصبحت معادلة دي بروغلي ومبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ منذ تلك اللحظة كالبازلاء في وعاء واحد.
إن ظاهرة النفق الكمومي هي ظاهرة كمومية تحدث عندما تتحرك الجسيمات عبر حاجز، ووفقًا لنظريات الفيزياء الكلاسيكية يجب أن يكون من المستحيل اجتيازه.
قد يكون من المستحيل العبور من خلال الحاجز ماديًا، مثل العازل أو الفراغ، أو منطقة ذات طاقة عالية محتملة. عند مواجهة حاجز، لن تنتهي الموجة الكمومية فجأةً؛ بدلًا من ذلك، فإن السعة الخاصة به ستنخفض بشكل كبير، يتوافق هذا الانخفاض في السعة مع انخفاض في احتمال العثور على جسيم في الحاجز.
إذا كان الحاجز رقيقًا بدرجة كافية، قد تكون السعة غير صفرية على الجانب الآخر. هذا يعني وجود احتمال محدود بأن بعض الجسيمات ستعبر الحاجز. يُعرف تيار النفق على أنه نسبة كثافة التيار الخارجة من الحاجز مقسومة على حالة الكثافة الحالية على الحاجز. إن كان معامل النقل عبر الحاجز قيمة غير صفرية، فهناك احتمال محدود بأن الجسيم يمكن أن ينتقل عبر الحاجز.
إن قدرتها الواضحة على القفز بين الفجوات هي مثال على وجود ضوء يشبه الموجة. على سبيل المثال، الضوء يخترق كتلة من الزجاج بزاوية سطحية بشكل فعال داخل الزجاج بوجود حاجز الهواء في الجانب الآخر، ما لم يتم وضع كتلة زجاجية أخرى بالقرب منه (وليس لمسها).
نظرًا لطبيعة الانتشار للموجة، يخترق بعضها حاجز الهواء، وإذا واجه المزيد من الزجاج، فيمكن أن يستمر، وبالتالي يبدو أنه يقفز عبر الفجوة الهوائية ويهرب من السجن.
يحدث شيء مشابه على المستوى دون الذري، عندما تحاول جسيمات ألفا الهروب من النواة غير المستقرة أثناء التحلل الإشعاعي. تمسك الجسيمات فعليًا في النواة بواسطة القوى النووية، من مبدأ أنه يجب ألا تكون قادرة على الهروب. مع ذلك، هربوا؛ بفضل النفق الكمومي ومبدأ عدم اليقين.
اقرأ أيضًا:
النفق الكمومي: توليد الكهرباء من حرارة الأرض
مولد الأرقام العشوائية الكمومي ومستقبل الأمن الإلكتروني
ترجمة: بيتر نبيل
تدقيق: محمد قباني
