تقلب

# وسم · @ مؤلف · ! عالم

التقلب هو انحراف تلقائي لوسيط مجهري (مثل درجة الحرارة، الكثافة، الطاقة) عن قيمة التوازن. في الأنظمة المغلقة تكون التقلبات أصغر كلما زاد عدد الجسيمات، ولكن في العالم الصغري تكون التقلبات الكمومية أساسية: حتى الصفر المطلق لا يجمّد الاهتزازات الصفرية للحقول.

التاريخ

بدأت دراستها بشكل منهجي في القرن التاسع عشر: اكتشف روبرت براون الحركة البراونية (1827)، ووضع لودفيغ بولتزمان وجوزيه غيبس الميكانيكا الإحصائية التي فسرت هذه الاهتزازات.

كيف يعمل

تخيل شاطئًا فيه أشخاص: في المتوسط يستلقون بتوزيع متساوٍ، لكن أحيانًا تتشكل كُتل حول بائع الآيس كريم. وكذلك الجزيئات في الهواء: في الغرفة يكون الضغط ثابتًا، لكن في حجم مجهري تتذبذب الكثافة — هذه هي التقلبات.

💡 إشعاع الخلفية الكونية الميكروي هو «بصمة» للتقلبات الكمومية للكون المبكر، التي كبّرها التضخم إلى أحجام أدت إلى نشأة المجرات.

التقلب هو انحراف عشوائي مؤقت لكمية فيزيائية عن قيمتها المتوسطة، يوصف باستخدام التوزيعات الإحصائية. في الميكانيكا الإحصائية التوازنية، ترتبط التقلبات بقابلية النظام (مبرهنة التقلب-التبدد). وفي نظرية الحقل الكمومي، لا مفر من التقلبات الفراغية بسبب مبدأ الريبة، وتظهر على شكل جسيمات افتراضية.

التاريخ

ترسخ المفهوم في القرن التاسع عشر: بعد ملاحظات روبرت براون (1827) للحركة العشوائية لحبوب اللقاح في الماء، قدم ألبرت أينشتاين في عام 1905 وصفًا كميًا للحركة البراونية، أثبت بذلك وجود الجزيئات. وقبل ذلك، وضع لودفيغ بولتزمان أسس التفسير الإحصائي للديناميكا الحرارية، رابطًا الأنتروبيا بالاحتمال، وبالتالي بالتقلبات. في المجال الكمومي، تطور الشكلاني في منتصف القرن العشرين.

كيف يعمل

في الأنظمة الثرموديناميكية، يكون احتمال التقلب مكبوتًا بشكل أسي، كما يقتضي توزيع بولتزمان (P ~ e^{-ΔE/kT}). في الميكانيكا الكمومية، حتى الحالة الأساسية للمذبذب التوافقي تمتلك طاقة غير منعدمة، مما يسبب تقلبات صفرية في الإحداثي وكمية الحركة، وهذا ينبع من مبدأ الريبة لهايزنبرغ. في علم الكونيات، أصبحت التقلبات الكمومية لحقل الإنفلاتون الفراغي، التي مُددت إلى مقاييس ماكروسكوبية، نوىً للبنية واسعة النطاق للكون، التي تُشاهد عبر تباين إشعاع الخلفية الكونية.

P(\Delta E) \sim e^{-\frac{\Delta E}{k_B T}}

P هو احتمال تقلب ذي طاقة زائدة ΔE؛ k_B ≈ 1.380649×10⁻²³ جول/كلفن هو ثابت بولتزمان؛ T هي درجة الحرارة المطلقة بالكلفن.

E_0 = \frac{1}{2}\hbar\omega

E₀ هي الطاقة الدنيا للاهتزازات؛ ħ = h/(2π) ≈ 1.054571817×10⁻³⁴ جول·ثانية هو ثابت بلانك المختزل؛ ω هو التردد الزاوي للمذبذب.

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

كيف نفسر القيمة الدقيقة لسعة التقلبات البدائية التي أدت إلى كوننا المرصود؟; كيف نربط التقلبات الكمومية بالطاقة المظلمة — هل هي نتيجة للتقلبات الفراغية أم شيء آخر؟; هل يمكن التحكم تجريبيًا في التقلبات الكمومية لأجل قياسات فائقة الدقة، كما في كواشف الموجات الثقالية؟

💡 تتجلى التقلبات في تأثير هول الكمومي على شكل شحنة كسرية: الإلكترونات مع التقلبات تكون شبه جسيمات جماعية ذات شحنة e/3، e/5 وهكذا.

لا مقالات بعد

تقلب

التاريخ

كيف يعمل

التاريخ

كيف يعمل

التاريخ

كيف يعمل

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

مقالات ذات صلة