تراكب كمي: الفرق بين النسختين

تم إضافة 9٬576 بايت ، ‏ قبل سنة واحدة
This article was translated by I Believe in Science & Ideas beyond borders & Beit al Hikma 2.0
(بوت: إضافة بوابة:كهرباء)
وسمان: أوتوويكي براوزر تعديل المحمول المتقدم
(This article was translated by I Believe in Science & Ideas beyond borders & Beit al Hikma 2.0)
{{مقدمة ميكانيكا الكم}}
[[ملف:Anas platyrhynchos with ducklings reflecting water.jpg|تصغير|تراكب كمي شبه [[الموجة المستوية|مستوي]] (خطوط قطرية) من مصدر بعيد وموجات من أعقاب البط. لا تحدث ال[[خطية]] في الماء سوى بشكل تقريبي وفقط للموجات ذات [[مطال|السعات]] الصغيرة بالنسبة لأطوال موجاتها.]]
في [[ميكانيكا الكم|فيزياء الكم]]، '''التراكب الكمي''' أو '''التراكب الكمومي''' {{إنج|Quantum superposition}} هو مبدأ أساسي في [[ميكانيكا الكم]]. ينص على أن أي [[حالة كمومية|حالتين كموميتين]] أو أكثر يمكن أن يندمجا (يتراكبا) كما تفعل الموجات في [[فيزياء كلاسيكية|الفيزياء الكلاسيكية]]، وستكون النتيجة حالة كمومية أخرى. وعلى العكس، يمكن التعبير عن كل حالة كمومية كمحصلة حالتين مختلفتين أو أكثر. رياضيًا، يشير التراكب الكمي إلى خاصية حلول [[معادلة شرودنغر|معادلة شرودنجر]]، نظرًا لأن معادلة شرودنجر [[معادلة خطية|خطية]] فإن أي مجموعة خطية من الحلول ستصبح حلًا أيضًا.
'''التراكب الكمومي''' في [[الفيزياء]] {{إنج|Quantum superposition}} عبارة عن تطبيق لمبدأ [[تراكب الأمواج]] (التداخل البنّاء) ضمن [[ميكانيكا الكم|ميكانيك الكم]] حيث يشكل مبدأ التراكب أحد المبادئ الأساسية لها .<ref>[https://books.google.com/books?id=S-JFAgAAQBAJ&lpg=SA30-PA1&dq=feynman%20interference%20and%20diffraction&pg=SA30-PA1#v=onepage&q=feynman%20interference%20and%20diffraction&f=false ] {{وصلة مكسورة|تاريخ= مايو 2019 |bot=JarBot}}</ref><ref>{{cite journal|last=Solem|first=J. C.|last2=Biedenharn|first2=L. C.|year=1993|title=Understanding geometrical phases in quantum mechanics: An elementary example|journal=Foundations of Physics|volume=23|issue=2|pages=185–195|url=https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF01883623|bibcode = 1993FoPh...23..185S |doi = 10.1007/BF01883623 }}</ref>
 
من أمثلة الظواهر الفيزيائية المشاهدة عن الطبيعة الموجية للنظم الكمية [[تداخل الموجات|تداخل]] قمم شعاع [[إلكترون|الإلكترون]] في [[تجربة شقي يونغ|تجربة الشق المزدوج]]. يشبه نمط التداخل كثيرًا النمط الذي نحصل عليه من [[حيود]] الموجات الكلاسيكية.
فمثلا من المفترض طبقا لميكانيكا الكم أن [[الإلكترون]] في نظام يوجد (من الوجهة النظرية ) في عدة حالات كمومية في نفس الوقت ، ولكنه عن القياس فهو يبدى حالة معينة بذاتها . نطرا لأن الإلكترون يعامل معاملة [[ازدواجية موجة-جسيم|موجة]] فهو يمثل بتراكب لعدة أمواج أو بعدة حالات كمومية.
 
مثال آخر هو الحالة المنطقية [[بت كمومي|للبت الكمومي]] المستخدمة في عملية المعلومات الكمية فهي حالة تراكب كمي لحالات الأساس صفر<math>|0 \rangle </math> وواحد <math>|1 \rangle </math>.
رياضيا يصف التراكب الكمومي خاصية حلول [[معادلة شرودنجر|لمعادلة شرودنجر]] حيث أن معادلة شرودنجر معادلة خطية ، وتشكل أي مجموعة خطية من الحلول لمعادلة معينة لها ستكون أيضا أحد حلولها . مثال لتلك الحلول [[مستوى طاقة]] الإلكترون في [[ذرة|الذرة]].
* الصفر <math>|0 \rangle </math> هنا هو [[رمز براكيت|رمز ديراك]] للحالة الكمومية التي ستعطي دائمًا ناتج صفر عند تحويلها إلى المنطق الكلاسيكي عن طريق القياس.
* وبالمثل <math>|1 \rangle </math> هي حالة ستعطي دائمًا 1 عند تحويلها.
 
وهذا على عكس [[بت|البت]] التقليدي الذي يمكنه أن يكون فقط إمّا في الحالة الموافقة للواحد أو الحالة الموافقة للصفر، فإن البت الكمومي يمكن أن يكون في حالة تراكب لكلا الحالتين. وهذا يعني أن احتمالات قياس 0 أو 1 للبت الكمومي في العموم ليست 0.0 ولا 1.0 ولن تُعطي نفس القياسات التي تجرى على بتات كمومية في حالات متطابقة نفس النتيجة دائمًا.
ويحدث تراكب الأمواج عندما تجتمع [[موجة|موجتين]] في نقطة واحدة من الفضاء بنفس طور الموجة أي يكونان بنفس السعة وبنفس الجهة في كل لحظة مما يولد اهتزازا ذو [[مطال]] amplitude أكبر يساوي مجموع مطالي الموجتين.
 
== المفهوم ==
في الميكانيك الكمومي نقوم بجمع سعتي الدالتين الموجيتين أو يتم جمع أشعة الحالة. عمليا يحدث هذا عندما يمتلك الجسيم اثنتين أو أكثر من القيم للخواص القابلة للقياس (الموضع أو طاقة الجسيم...).
ينص مبدأ التراكب الكمي على أنه لو يمكن أن يتواجد النظام الفيزيائي في عدة ترتيبات من الجسيمات أو المجالات فإن الحالة العامة التي يظهر بها تكون محصلة دمج كل هذه الاحتمالات وتحدد الكمية في كل ترتيب [[عدد مركب|بعدد عقدي]].
 
مثًلًا، لو أن هناك احتمالين لترتيبين أحدهما 0 والآخر 1 فإن الحالة العامة ستكون:
يمكن التعبير عن ذلك أشا بأل الكميات المقيسة في [[ميكانيكا الكم]] تمثل حالات خاصة من المعامل الخطي الهيرميتياني. لذا فإن الاجتماع الخطي لواحدة أو أكثر من الحالات الخاصة تنتج تراكب كمومي لواحدة أو أكثر من قيم هذه الخاصية.
إذا قمنا بقياس تلك الكمية، فإن فرضية الإسقاط تنص على أن الحالة الكمومية سيتم اختزالها إلى واحدة من القيم الموجودة في التراكب الكمومي عشوائيا.
 
<math>c_0 {\mid} 0 \rangle + c_1 {\mid} 1 \rangle</math>
== اقرأ أيضا ==
 
* [[قانون التراكب]]
وتصف الأعداد العقدية القدر الذي يذهب في كل ترتيب.
 
يصف [[بول ديراك]] المبدأ كالآتي:<blockquote>«يُطبَق المبدأ العام للتراكب الكمي على حالات أي نظام ديناميكي، وهذه الحالات ممكنة نظريًا دون أن يحدث تداخل مشترك أو تعارض. يتطلب المبدأ أن نفترض وجود علاقات غريبة بين الحالات، مثلًا عندما يكون النظام في حالة واحدة قطعًا، نستطيع أن نعتبره موجودًا جزئيًا في الحالات الأخرى. يجب اعتبار النتيجة الأصلية كنتيجة نوع ما من تراكب حالتين مختلفتين أو أكثر، بطريقة لا يمكن تخيلها بالأفكار الكلاسيكية. يمكن اعتبار أي حالة على أنها نتيجة تراكب حالتين أخرتين أو أكثر بطرق لا حصر لها بالفعل. وعلى العكس، يمكن تراكب أي حالتين أو أكثر فيعطوا حالة جديدة..»</blockquote><blockquote>«تتضح الطبيعة غير الكلاسيكية لعملية التراكب الكمي إذا تخيلنا تراكب حالتين (أ) و (ب)، ثم نقوم ببعض الملاحظات فإذا كان النظام في الحالة (أ) فإن النتيجة يجب أن تكون (ج) مثلا في الملاحظات وإذا كان في الحالة (ب) يجب أن تكون النتيجة (د). فكيف ستكون الملاحظة إذا كان النظام في حالة تراكب؟ الإجابة هي أن النتيجة ستكون أحيانًا (ج) وأحيانًا (د) وفقًا لقانون الاحتمالات، وهذا يعتمد على الثقل النسبي لكل من الحالتين (أ) و (ب) في عملية التراكب الكمي. لن تختلف النتيجة أبدًا عن (ج)، د أي أنها إما (ج) وإما (د). تظهر الحالة المتوسطة التي تنشأ من التراكب الكمي في كون احتمالية ملاحظة نتيجة معينة متوسطة بين احتمالات الحالات الأصلية الموافقة لها، وليس أن النتيجة نفسها متوسطة بين النتائج الموافقة لكل حالة.»<ref name="Dirac1947">{{cite book|author=P.A.M. Dirac|title=The Principles of Quantum Mechanics (2nd edition)|year=1947|publisher=Clarendon Press|page=12}}</ref>   </blockquote>تطرق [[أنطون تسايلينغر]] إلى موضوع إنشاء وهدم التراكب الكمي مشيرًا إلى المثال النموذجي [[تجربة شقي يونغ|لتجربة الشق المزدوج]]:<blockquote>«يصح تراكب النطاقات فقط إذا كان من المستحيل أن نعرف أي طريق سلك الجسيم من الأساس. من المهم أن ندرك أن هذا لا يعني أن المراقب يلاحظ فعليًا ما يحدث. فإذا كان من الممكن الدخول إلى مسار المعلومات من التجربة أو حتى لو كانت مشتتة في البيئة بصورة تجعل استعادتها بالإمكانيات التقنية مستحيلًا لكنها مازالت موجودة من ناحية المبدأ، فهذا يكفي لتدمير نمط التداخل. المعيار الأساسي لظهور التداخل الكمي هو غياب هذه المعلومات»</blockquote>
 
== النظرية ==
 
=== أمثلة ===
ينص مبدأ التراكب الكمي على أن دمج بعض الحلول في معادلة خطية يعتبر حلًا أيضا لأي معادلة تصف ظاهرة فيزيائية. إذا صح هذا قيل أن المعادلة تخضع لمبدأ التراكب. لذا، لو كانت متجهات الحالة الكمية  ''f''<sub>1</sub>, ''f''<sub>2</sub>  ''f''<sub>3</sub>، كل منها يحل [[معادلة خطية|المعادلة الخطية]] على ψ فإن {{math|1=ψ = ''c''<sub>1</sub> ''f''<sub>1</sub> + ''c''<sub>2</sub> ''f''<sub>2</sub> + ''c''<sub>3</sub> ''f''<sub>3</sub>}} سيكون حلًا أيضًا إذ يكون ''c'' معاملًا''.''
{{قسم فارغ}}
 
== تجارب وتطبيقات ==
أجريت عدة تجارب ناجحة تتضمن حالة التراكب الكمي على أشياء كبيرة الحجم نسبيًا (بمقاييس فيزياء الكم).<ref>{{cite web|url=http://physics.stackexchange.com/questions/3309/what-is-the-worlds-biggest-schrodinger-cat|title=What is the world's biggest Schrodinger cat?}}</ref>
* تحققت "حالة القطة" مع [[فوتون|الفوتونات]].<ref>{{cite web|url=http://www.science20.com/news_articles/schr%C3%B6dingers_cat_now_made_light|title=Schrödinger's Cat Now Made Of Light|date=27 أغسطس 2014}}</ref>
* التقط [[أيون]] [[بيريليوم|البيريليوم]] في حالة تراكب كمي.<ref>C. Monroe, et. al. [http://www.quantumsciencephilippines.com/seminar/seminar-topics/SchrodingerCatAtom.pdf ''A "Schrodinger Cat" Superposition State of an Atom'']</ref>
* أجريت [[تجربة شقي يونغ|تجربة الشق المزدوج]] على جزيئات كبيرة في حجم [[بوكمينستر فوليرين|كرات بوكي]].<ref>{{cite web|url=http://www.quantum.at/research/molecule-interferometry-foundations/wave-particle-duality-of-c60.html|title=Wave-particle duality of C60|date=31 مارس 2012|url-status=bot: unknown|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120331115055/http://www.quantum.at/research/molecule-interferometry-foundations/wave-particle-duality-of-c60.html|archivedate=31 مارس 2012}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.univie.ac.at/qfp/research/matterwave/stehwelle/standinglightwave.html|title=standinglightwave|first=Olaf|last=Nairz}}</ref>
* في عام 2013، تمت تجربة حدث فيها تراكب لجزيئات تحتوي على 15000 لكل من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. كانت الجزيئات مكونة من مركبات مختارة لثباتها الحراري، وكانت تتبخر على هيئة شعاع عند درجة حرارة 600 كلفن. تكون الشعاع من مواد كيميائية شديدة النقاء لكنه كان ما يزال يحتوي على خليط من أنواع الجزيئات المختلفة. تداخل كل نوع من الجزيئات مع نفسه فقط، كما أكد قياس الطيف الكتلي.<ref>Eibenberger, S., Gerlich, S., Arndt, M., Mayor, M., Tüxen, J. (2013). "Matter-wave interference with particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu", ''Physical Chemistry Chemical Physics'', '''15''': 14696-14700. [https://arxiv.org/abs/1310.8343]</ref>
* رُبط بين تجربة تحتوي على جهاز تداخل كمي فائق التوصيل وبين أساس تجربة حالة القطة الفكرية.<ref>Leggett, A. J. (1986). "The superposition principle in macroscopic systems", pp. 28–40 in ''Quantum Concepts of Space and Time'', edited by R. Penrose and C.J. Isham, {{ISBN|0-19-851972-9}}.</ref>
 
باستخدام درجات حرارة شديدة الانخفاض، أُجريت ترتيبات جيدة جدًا على التجربة بعزل قريب للحماية وللحفاظ على تماسك الحالات المتوسطة. لمدة من الزمن بين إعداد ورصد تيارات الجهاز. يتكون مثل هذا التيار من مجموعة متماسكة من ما يقرب من ملايين الإلكترونات. يمكن اعتبار هذه المجموعة تعرض حالات مجمعة لكيان كمي كبير. بالنسبية لمبدأ التراكب، يمكن اعتبار الفترة بعد مرحلة الإعداد وقبل الرصد حالة متوسطة. ليست حالة جسيم مفرد كما يكون الأمر دائمًا في مناقشات التداخل مثلما صرح ديراك في رأيه المذكور بالأعلى.<ref name="Dirac 9">[[بول ديراك|Dirac, P. A. M.]] (1930/1958), p. 9.</ref> بالرغم من أن الحالات المتوسطة يمكن اعتبارها فضفاضة، فهي لم تخرج كناتج من المحلل الكمي الثانوي الذي استمد معلوماته من حالة نقية من المحلل الكمي الأولي، ولذلك لا يعتبر هذا مثالًا على التراكب كما يعرفونه بصرامة ومنظور ضيق.
 
بالرغم من هذا، تعتبر حالة الجهاز حالة نقية من التراكب الكمي إذ تكون حالة التيار مع عقارب الساعة وعكس عقارب الساعة. يمكن إعداد حالات الإلكترونات المجمعة بعزل قريب في درجات حرارة شديدة الانخفاض لحماية حالات متوسطة متماسكة. المميز هنا هو وجود حالتين مجمعتين منفصلتين ومتماسكتين يبدو أنهما [[شبه الاستقرار|شبه مستقرتين]]. يصنع حشد الإلكترونات نفقًا ذهابًا وإيابًا بين حالتين إحداهما مع عقارب الساعة والأخرى عكس عقارب الساعة على عكس تكوين حالة متوسطة واحدة إذ لا يوجد شعور واضح بتدفق التيار.<ref>[http://physicsworld.com/cws/article/news/2815 Physics World: ''Schrodinger's cat comes into view'']</ref><ref>Friedman, J. R., Patel, V., Chen, W., Tolpygo, S. K., Lukens, J. E. (2000).[http://www.nature.com/nature/journal/v406/n6791/pdf/406043a0.pdf "Quantum superposition of distinct macroscopic states"], ''Nature'' '''406''': 43–46.</ref>
 
== انظر أيضًا ==
* [[حالة كمومية]]
* [[مقياس التداخل ماخ–زيندر]]
* [[بت كمومي]]
* [[حساب كمومي]]
* [[قطة شرودنغر]]
* [[مبدأ التراكب]]
* [[حزمة موجية]]
== مراجع ==
{{مراجع}}
 
== مراجع ==
{{مراجع|2}}
{{ميكانيكا الكم}}
{{ضبط استنادي}}
{{شريط بوابات|كهرباء|ميكانيكا الكم|الفيزياء|إلكترونيات}}
{{بذرة فيزياء}}
[[تصنيف:مفاهيم فيزيائية]]
[[تصنيف:موجات]]
[[تصنيف:ميكانيكا الكم]]
[[تصنيف:نظرية الأنظمة]]
67٬294

تعديل