ظاهرة

تداخل كمي

السلوك الموجي للجسيمات الذي يؤدي إلى أنماط بناءة وهدامة.
7 مقالات ذات صلة

الوصف

التداخل الكمومي هو الظاهرة التي تتصرف فيها الجسيمات مثل الإلكترونات أو الفوتونات أو الذرات كموجات، وتُجمع سعات احتمالاتها معًا — أحيانًا تعزز بعضها البعض (تداخل بناء) وأحيانًا تلغي بعضها البعض (تداخل هدام). هذه ليست مجرد خدعة رياضية؛ بل تُنتج أنماطًا ملحوظة مثل الأهداب المضيئة والمعتمة المتناوبة في تجربة الشق المزدوج. إنها في صميم ميكانيكا الكم، وتفسر كل شيء من استقرار الذرات إلى تشغيل الأجهزة الكمومية الحديثة.

التاريخ

نشأ المفهوم من تجربة الشق المزدوج التي أجراها توماس يونغ على الضوء في عام 1801، لكن أهميته الكمومية الكاملة أدركها لويس دي برولي (1924) وإرفين شرودنغر (1926) اللذان طبّقا السلوك الموجي على المادة.

كيف يعمل

يُخصص لكل مسار محتمل يمكن أن يسلكه الجسيم عدد مركب (سعة). عندما تؤدي مسارات متعددة إلى نفس الحالة النهائية، تُجمع هذه السعات. مربع القيمة المطلقة للمجموع يعطي الاحتمال. إذا توافقت أطوار السعات، فإنها تُضاف؛ وإذا تعارضت، فإنها تُلغى. لهذا السبب لا تنسحب الإلكترونات في الذرة نحو النواة في حركة حلزونية — فبعض المدارات لها تداخل هدام لجميع المسارات الأخرى.

في التطبيق

يُستخدم في الحوسبة الكمومية للتحكم في الكيوبتات، وفي أجهزة الاستشعار التداخلية لكشف موجات الجاذبية (LIGO)، وفي المجهر الإلكتروني لتحسين الدقة.

حقيقة طريفة

في تجربة الشق المزدوج، حتى الجسيمات المفردة التي تُطلق واحدًا تلو الآخر تُكوّن نمط تداخل، مما يعني أن كل جسيم يتداخل مع نفسه.

Concept graph →

مقالات ذات صلة · 7

شرائط الضوء تكشف دوران الفوتون
على الجدار — شرائط مضيئة وأخرى معتمة. هكذا يبدو الضوء وهو يطفئ نفسه. يعود إلى القرن السابع عشر افتراض Christiaan Huygens أن الضوء موجة. لكن تجارب أراغو وفرينل في بداية القرن التاسع عشر فقط أظهرت أن شعاعين يُنتجان هذه الشرائط فقط إذا كانت اهتزازاتهما في مستوى واحد. ساعد هذا الاكتشاف في فهم الاستقطاب — الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة.
شفافية للذرات: كيف تفتح التصادمات الطريق
شعاع ضوء يدخل زجاجًا معتمًا وينطفئ — أمر عادي. لكن الفيزيائيين يعرفون منذ زمن كيف يجعلون الضوء يعبر دون فقدان فوتون واحد. هذه الحيلة تسمى الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا: موجتان ضوئيتان تلغيان بعضهما عند نقطة معينة، فيختفي الامتصاص. الآن طُبِّقت حيلة مشابهة على الذرات.
الضوء تحت السيطرة: فوتونات أحادية الاتجاه بدون مغناطيس
الضوء بطبيعته متناظر: في القناة المفتوحة، يتدفق في كلا الاتجاهين بالتساوي. لدفعه في اتجاه واحد، غالبًا ما يستخدم الفيزيائيون المغناطيس. نهج جديد يستغني عنها، باستخدام الدوران — بسرعة تكفي لقرص فينيل — وتداخل ذرّتين. يغيّر الدوران «حدّة» الضوء للاتجاهات المختلفة — مثلما تعتمد نغمة صفارة الإنذار على ما إذا كانت السيارة تقترب أم تبتعد.
مسار ثالث للإلكترون في رقصة الجزيئات
كاميرا فائقة السرعة قادرة على تصوير حركة الإلكترونات هي مقياس التداخل الأتوثاني (attosecond interferometer). يرسل نبضتي ليزر إلى المادة بفاصل زمني ضئيل. الأولى، فوق البنفسجية، مثل وميض، تنزع إلكترونًا من الجزيء. الثانية، تحت الحمراء، كيد خفية، تدفع أو تبطئ هذا الإلكترون أثناء طيرانه.
الممحاة الكمومية داخل جزيء
جزيء الديوتيريوم — ذرتان من الهيدروجين الثقيل — يتفكك تحت وطأة الليزر. يُقتلع إلكترون واحد، تاركًا أيونًا خلفه. في تلك اللحظة، ما زالا مرتبطين: اتجاه أحدهما يخبرك فورًا أين ذهب الآخر. هذا الارتباط يُسمى التشابك الكمومي.
الموجات الإلكترونية تكسر تناظر التيار فائق التوصيل
عادةً ما يكون التيار الكهربائي متساوياً في كلا الاتجاهين، كالماء في أنبوب مستقيم. ولكن عند الحد الفاصل بين معدن عادي وموصل فائق، تنكسر هذه القاعدة. موجتان على الماء، عند التفافهما حول عائق عريض من جانبين مختلفين، قد تصلان بتأخير مختلف وتلتقيان 'خارج التزامن'. بنفس الطريقة، تتصرف الإلكترونات ونظيراتها المرآتية – الفجوات – داخل منطقة التلامس.
أربعة فوتونات في نقطة واحدة
يمكن جعل الضوء الصادر من مصدر واحد "يلتقي" بنفسه، فتظهر على الشاشة أهداب — مثل تموجات حجرين أُلقيا في الماء. لطالما أتقن الفيزيائيون فعل ذلك مع فوتونين، لكن جعل أربعة جسيمات ضوئية تندمج في آن واحد كان صعبًا: فقد كانت مصادر الفوتونات المفردة تفقد الكثير من الجسيمات في الطريق.