ظاهرة

الحركة الكمومية بدون احتكاك

حركة الجسيمات في الأنظمة الكمومية دون تبديد للطاقة.
7 مقالات ذات صلة

الوصف

الحركة الكمومية دون احتكاك تشير إلى حركة الجسيمات في نظام كمومي دون تبديد للطاقة، وهي ظاهرة تخالف التوقعات الكلاسيكية للاحتكاك. في التجربة اليومية، تتباطأ الأجسام المتحركة بسبب التفاعلات مع محيطها، لكن في بعض الأنظمة الكمومية، يمكن للجسيمات أن تنزلق إلى ما لا نهاية دون فقدان الطاقة. ينشأ هذا السلوك من الطبيعة الموجية للجسيمات الكمومية ومستويات الطاقة المنفصلة المتاحة لها، مما يسمح لها بتجنب قنوات التشتت التي تسبب عادةً السحب.

التاريخ

يعود أصل هذا المفهوم إلى نظرية السيولة الفائقة، التي طُوّرت في ثلاثينيات القرن العشرين على يد بيوتر كابيتسا وجون ألين ودون ميزنر، مع أسس نظرية وضعها ليف لانداو. المصطلح المحدد 'الحركة الكمومية دون احتكاك' هو وصف حديث لهذه الظاهرة في سياقات كمومية أوسع.

كيف يعمل

في نظام كمومي، تشغل الجسيمات حالات طاقة منفصلة. ينشأ الاحتكاك عادةً عندما يثير جسيم متحرك درجات الحرية المحيطة به، ناقلاً الطاقة بعيدًا. ومع ذلك، عندما يكون هناك فجوة في طيف الطاقة للنظام — أي لا توجد إثارة منخفضة الطاقة متاحة — لا يمكن للجسيم أن يفقد الطاقة ويتحرك دون تبديد. هذا مشابه للسائل الفائق، حيث تتدفق الذرات دون لزوجة لأن تكلفة الطاقة لإنشاء إثارة عالية جدًا.

في التطبيق

يقوم هذا المبدأ بأساس تقنيات مثل أجهزة التداخل الكمومية فائقة التوصيل (SQUIDs) وكيوبتات الحوسبة الكمومية، حيث يكون الحفاظ على حالات كمومية متماسكة دون فقدان الطاقة أمرًا ضروريًا للتشغيل الموثوق.

حقيقة طريفة

في السائل الفائق، يمكن للذرات أن تتدفق عبر شقوق ومسام صغيرة دون أي مقاومة، بل وتتسلق جدران الحاوية بسبب التأثيرات الكمومية.

مقالات ذات صلة · 7

قمة كوانتية في مصيدة مغناطيسية
كرة مغناطيسية صغيرة تطفو في الفراغ، محتجزة بحقول غير مرئية. تبدأ بالدوران حول محور المجال المغناطيسي، تمامًا كقمة دوارة دُفعت بلطف. هذا هو الاستباقية (precession). لكن عندما تصبح الكرة صغيرة جدًا، تدخل القوانين الكوانتية على الخط.
مسرح الكون: عندما تندفع المادة المظلمة إلى إيقاع كمومي
منذ أن لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتحرك بسرعة كبيرة، وقامت فيرا روبين بقياس دوران الأذرع الحلزونية، ظلت المادة المظلمة اللغز الأكبر في علم الكون.
أرجوحة الكم: كيف يولد البولارون ذاتي الحركة
نادرًا ما تُبهجنا المادة الكمومية بمشهد الحركة الذاتية. فبينما يعج العالم الكلاسيكي بأسراب الزرازير وأفواج الأسماك والبكتيريا المتلاطمة، ظلت الديناميكا الحرارية الكمومية في سكون طويل.
كيف تتعلم شائبة في البحر الكمومي المشي
تسقط حصاة في بركة ماء - فتنتشر دوائر على سطح الماء. في العالم الكمومي، لا تتكون البركة من الماء، بل من العديد من الجسيمات المتطابقة، والحصاة هي أيضًا جسيم، لكنه غريب. مثل هذا الجسيم الغريب يُسمى بولارون فيرمي. لعقود، درس الفيزيائيون كيف يشعر البولارون عندما يكون في مكان واحد.
تموجات كمومية في المادة النشطة
حفنة من حبات الأرز تسقط على مقلاة ساخنة — فتقفز. كل حبة تدفع جاراتها، والكتلة كلها تتحرك دون يد خارجية. هذا هو المادة النشطة: عدد كبير من الجسيمات التي تستمد الطاقة بنفسها وتحولها إلى حركة. حتى الآن، درس الفيزيائيون هذه "الرقصة" وفق قوانين نيوتن، دون أن يتذكروا ميكانيكا الكم.
كيف تلمس الحدود غير المرئية بين سائلين
الحد الفاصل بين سائلين يشبه جلدًا غير مرئي: إنه موجود، لكن لا يمكن لمسه بالإصبع. وجد العلماء طريقة لقياس مرونته دون لمسه. فقد جعلوا مسبارًا صغيرًا يهتز فوق السطح، وبين المسبار والحد الفاصل وُجدت طبقة رقيقة من السائل. تعمل هذه الطبقة كنابض وممتص للصدمات في آن واحد: فهي تقاوم الانضغاط وتخمد الاهتزازات. في البداية، اختُبرت الطريقة على الحد الفاصل بين سائل وجسم صلب.
جسيم كمومي يتحدى قانون الاحتكاك: ظاهرة الحركة بدون تبديد في نظام أحادي البعد
في العالم الكبير المألوف لدينا، أي حركة تخمد حتمًا: يتدخل الاحتكاك، وهو عملية تبديد (dissipation) تشتت الطاقة. لكن الواقع الكمومي يقدم مفاجآت. ظاهرة السيولة الفائقة، المعروفة مثلًا في الهيليوم عند درجات حرارة منخفضة للغاية، تسمح للسائل بالتدفق دون مقاومة لزوجة، وكأنه نسي الخسائر إلى الأبد.