ظاهرة

ارتعاش كمي

الحركة الصفرية للذرات والجزيئات، وهي تأثير ميكانيكا الكم الذي يستمر حتى عند الصفر المطلق.
9 مقالات ذات صلة

الوصف

الاهتزازات الكمومية، المعروفة أيضًا بالحركة الصفرية، تشير إلى الاهتزازات الدائمة والحتمية للذرات والجزيئات التي تستمر حتى عند درجة الصفر المطلق (0 كلفن). وفقًا للفيزياء الكلاسيكية، يجب أن تتوقف جميع الحركات عند الصفر المطلق، لكن ميكانيكا الكم تنص على أن الجسيم المحصور في فضاء محدود لا يمكن أن يمتلك طاقة حركية صفرية — بل يجب أن يهتز دائمًا حول موضع توازنه. هذا التأثير هو نتيجة مباشرة لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، الذي يمنع الجسيم من أن يكون له موضع وزخم محددان بدقة في نفس الوقت.

التاريخ

مفهوم الطاقة الصفرية اقترحه ماكس بلانك لأول مرة في عام 1911 كتصحيح لقانونه لإشعاع الجسم الأسود، ثم تمت صياغته لاحقًا من قبل فيرنر هايزنبرغ وآخرين في عشرينيات القرن العشرين كحجر أساس في ميكانيكا الكم.

كيف يعمل

في الشبكة البلورية، تُثبت الذرات في أماكنها بواسطة قوى بين الذرية، مما يخلق بئرًا جهديًا. من الناحية الكمومية، الحالة الطاقية الأدنى ليست قاع البئر بل حالة ذات طاقة صفرية محدودة، تساوي نصف كمية الاهتزاز (ħω/2) للمذبذب التوافقي. هذا يعني أن الذرات ليست ساكنة تمامًا أبدًا؛ فهي تتأرجح بسعة صغيرة حتى عند 0 كلفن. تؤثر هذه الاهتزازات على العديد من الخصائص الفيزيائية، مثل معامل التمدد الحراري (الذي لا يختفي عند درجات الحرارة المنخفضة)، وتشتت الإلكترونات في المعادن، واستقرار بعض أطوار المادة.

في التطبيق

الاهتزازات الكمومية ضرورية لفهم والتنبؤ بسلوك المواد في درجات حرارة شديدة البرودة، مثل الموصلات الفائقة والموائع الفائقة، وهي تحد من حساسية كاشفات موجات الجاذبية مثل LIGO عن طريق إحداث ضوضاء حرارية في المرايا.

حقيقة طريفة

الاهتزازات الكمومية هي المسؤولة عن حقيقة أن الهيليوم لا يتجمد أبدًا في الحالة الصلبة عند الضغط الجوي، حتى عند الصفر المطلق، لأن حركته الصفرية كبيرة جدًا لدرجة أنها تتغلب على التجاذب بين الذرات الضعيف.

Concept graph →

مقالات ذات صلة · 9

كيف تمسك بالتسارع من ذيله
مصيدة ضوئية تُمسك بذرة شبه ثابتة — ككرة صغيرة على نابض لين. لكن بمجرد ظهور تسارع، مثل قوة الجاذبية، يتحول التوازن. تنزاح الذرة في موجة ضوئية واقفة، وهذا يغيّر المعدل الذي تتبادل به الطاقة مع المجال. يصبح تردد هذا التبادل مؤشرًا مباشرًا على التسارع. حسب المؤلفون نموذجًا تبدأ فيه الذرة والمجال من الحالة الأكثر هدوءًا، ثم حلّوا معادلات الديناميكا بدقة.
موجات ثقالية عند الأفق: صمتٌ عوضًا عن انفجار
غشاء طبلة الأذن عند حافة شلال. الصوت هنا يتصرف بغرابة: الصدى لا يتضاعف، بل يخفت. هكذا تبدو الموجات الثقالية عند أفق الثقب الأسود — الحد الذي يختفي خلفه حتى الضوء. أخذ علماء بقيادة جيرارت هوفت معادلات الزمكان المنحني و«مدّوها» بالقرب من أفق شفارتزشيلد.
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.
دوامات في العالم الكمومي: إعادة صياغة معادلة شرودنغر
في الفيزياء الكلاسيكية، مسار الجسم محدد بدقة، مثل طيران كرة. ومع ذلك، في العالم الكمومي، لا يوصف الجسيم بخط واضح، بل بسحابة احتمال — توزيع غير حاد للمواضع الممكنة. لرؤية النظام الخفي في هذا عدم اليقين، أعاد الباحثون صياغة معادلة شرودنغر — القانون الأساسي للديناميكا الكمومية — بلغة الديناميكا المائية، مقدمين تطور النظام كتدفق لتيار الاحتمال.
رقصة الإلكترونات الكمومية في شطيرة
وُضعت ورقتان رفيعتان مرسوم عليهما خلايا سداسية فوق بعضهما ودُوِّرتا قليلًا. ينشأ نمط جديد — تموّج (moiré) يشبه لمعة الحرير. تقريبًا هكذا تصرفت الإلكترونات في التجربة: اصطفّت في طبقتين، وكانت إحداهما منزاحة عن الأخرى بمقدار 30 درجة بالضبط. تتصرف الإلكترونات ككائنات خجولة: حتى في حالة السكون التام لا تبقى مكانها، بل تهتز باستمرار.
ثقب أسود يولد من العدم ويموت
الماء في القدر يغلي، وترتفع فقاعات من القاع. تكبر، وتطفو، وتنفجر، ويبقى الماء ماءً. شيء مشابه، كما اكتشف الفيزيائيون، قد يحدث للفضاء نفسه — إذا كان يحتوي على طاقة مظلمة (القوة الغامضة التي تسرّع توسع الكون). في مثل هذا الكون المتضخم أبديًا، تولد أحيانًا ثقوب سوداء. ليس من نجوم محتضرة، بل مباشرة من الفراغ — مثل فقاعة بخار في وسط سائل.
ذاكرة في الرمال المهتزة
حفنة من الرمل على طاولة مهتزة تشبه حشداً في حلبة رقص ما زال يحافظ على إيقاع الأغنية القديمة لثانية واحدة بعد أن شغّل الدي جي أغنية جديدة. أجبر العلماء طبقة رقيقة من الحبيبات على القفز على منصة تهتز عمودياً وغيّروا قوة الاهتزاز فجأة. بعد القفزة مباشرة، درجة حرارة الحبيبات — وهي مقياس للحركة العشوائية لحبيبات الرمل — لم تتصرف كما ينبغي أن تتصرف تحت القوة الجديدة.
كيف نرى ارتجاف الإلكترون؟
وفقًا لـ قوانين العالم المصغر، فإن الإلكترون الذي يخضع لمعادلة ديراك يرتجف حتى في حالة السكون التام. هذا هو تسيتربيغونغ - تذبذب بسعة تبلغ تريليونات من المليمتر، مثل الدوامة على محور غير مرئي. لم يتمكن العلماء من رصده لما يقرب من مائة عام: فالارتجاف أصغر بآلاف المرات من نواة الذرة. الآن وجد الباحثون طريقة لتضخيمه.
ظل القيمة المقيسة: كيف يذوب مفارقة إي بي آر في المؤثرات
في عام 1935، اقترح أينشتاين وبودولسكي وروزن تجربة فكرية رأوا أنها تكشف نقص ميكانيكا الكم. جسيمان يتباعدان بعد تفاعل، وقياس زخم أحدهما يعطي فورًا معرفة دقيقة بزخم الآخر. يبدو أنه يمكن معرفة موضع الجسيم الثاني أيضًا دون إزعاجه، وبالتالي تجاوز مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.