تويت
? #فيزياء_الكم
? #سؤال:
عندما تلمس شيئاً ما، هل هناك وقت تكون فيه على بُعد ذرة واحدة منه؟
? #الإجابة:
في الواقع، لا تلمس أي شيء. فكّر في طبيعة الذرات التي تُكوّن جزيئات جسمك. تحتوي كل ذرة على نواة من البروتونات والنيوترونات محاطة بمجال إلكتروني. لا تتلامس نواة الذرات مع نوى أخرى. وبسبب تأثيرات الشحنة ومبدأ الإستبعاد، لا تتلامس الإلكترونات (وهي ليست جسيمات في الواقع، بل تجليات المجال المُثار) مع بعضها البعض. لذا، عندما "تلمس شيئًا ما"، فإنك لا "تلمسه" (تلامسه مباشرةً). ما تشعر به كلمس هو الإحساس الناتج عن تفاعلات مجالات الإلكترونات. إحدى طرق تصور ذلك هي الطريقة التي تتفاعل بها الأجسام ذات المجالات المغناطيسية دون الإتصال الفعلي (هذا ليس ما يحدث بالضبط ولكنه طريقة سهلة لتصوره).
? #التوضيح:
● في لهجة فيزياء الكمّ، يتلخص أحد الأسئلة في النهاية في هذا: "لماذا تُظهر جسيمات الدوران نصف الصحيح استبعاد باولي - أي لماذا ترفض أن تكون في نفس الحالة، بما في ذلك نفس الموقع في الفضاء، في نفس الوقت؟"
←الذرة غالباً ما تكون فراغاً، لذا فإن السؤال الطبيعي الذي يطرح نفسه هو لماذا لا تخترق الأجسام مثل هذه بعضها البعض بسرعة عند إلتقائها، خاصةً وأنها (كما ذُكر) مصنوعة بالكامل تقريباً من الفراغ؟
⇐الآن، الإجابة التلقائية - وهي ليست سيئة - من المرجح أن تكون شحنة كهربائية. ذلك لأننا جميعاً نعلم أن الذرات هي نوى مُوجبة محاطة بإلكترونات سالبة الشحنة، وأن الشحنات السالبة تتنافر.↔️ لذا، بناءً على ذلك، ربما لا يكون من المستغرب أنه عندما تتقارب "الحواف" الخارجية لهذه الذرات الضبابية جداً، تقترب مجموعات الإلكترونات الخاصة بها بما يكفي للتنافر، وبناءً على ذلك، فإن "التلامس" هو ببساطة مسألة اقتراب الذرات من بعضها البعض لدرجة أن سحب الإلكترونات سالبة الشحنة تبدأ في التصادم ببعضها. يتطلب هذا التنافر قوة للتغلب عليه، فيتلامس الجسمان - أي يضغطان بعضهما البعض بشكل عكسي دون اندماج - من خلال المجالات الكهربائية المحيطة بإلكترونات ذراتهما.
⇚إليكم طريقةً واحدةً للتفكير في هذه المسألة: إذا كانت الشحنة هي المشكلة الوحيدة، فلماذا تُبدي بعض الذرات رد فعلٍ معاكساً تماماً عند تقارب سُحب الإلكترونات الخاصة بها؟ على سبيل المثال، إذا قُرِّبت ذرات #الصوديوم من ذرات #الكلور، فستقفز الذرتان لتعانقا بعضهما البعض بشكلٍ أكبر، مما ينتج عنه انطلاقٌ للطاقة يُوصف غالباً في المقاييس الأكبر بكلماتٍ مثل "بووم!". لذا، من الواضح أن هناك ما هو أكثر من مجرد تنافرٍ بين الشحنات، لأن بعض تركيبات الإلكترونات حول الذرات تميل إلى التقارب أكثر من التقارب.
? يتضح أن هذه المقاومة العامة للإقتراب الشديد لا تنتج بالأساس عن الشحنة الكهربائية (التي لا تزال تلعب دوراً)، بل عن تأثير استبعاد باولي. غالباً ما يُغفل استبعاد باولي في النصوص التمهيدية عن الكيمياء، ولعل هذا هو سبب ترك مسائل مثل معنى اللمس معلقةً بعض الشيء. فبدون استبعاد باولي، سيظل التلامس - قدرة جسمين كبيرين على التلامس دون اندماج أو اتصال - غامضاً بعض الشيء.
? إذن، ما هو #استبعاد_باولي؟
● إنه ببساطة: جسيمات صغيرة جداً وبسيطة جداً تدور بطريقة غريبة جداً، وتصرّ دائماً على الإختلاف بطريقة ما، مثل الأطفال في العائلات الكبيرة حيث يرغب كل فرد في دوره أو قدرته أو تميزه الفريد. لكن الجسيمات، على عكس البشر، أشياء بسيطة جداً، لذا لا تملك سوى خيارات محدودة جداً للإختيار من بينها. عندما تنفد هذه الخيارات البسيطة، لا يتبقى لها سوى خيار واحد: "تحتاج إلى مساحة خاصة بها، منفصلة عن أي جسيم آخر." عندها ستدافع عن هذه المساحة بشراسة شديدة. هذا الدفاع عن مساحتها الخاصة هو ما يدفع مجموعات كبيرة من الإلكترونات إلى الإصرار على شغل مساحة أكبر فأكبر، حيث ينحت كل إلكترون صغير مساحة فريدة ومحمية بشراسة من الأرض.
←تُسمى الجسيمات التي لها هذا النوع الغريب من الدوران #الفرميونات، وتتكون المادة العادية من ثلاثة أنواع رئيسية من #الفرميونات: #البروتونات و #النيوترونات و #الإلكترونات.
⇐للإلكترونات سمة مميزة واحدة تُميّزها عن بعضها البعض، وهي كيفية دورانها: إما عكس اتجاه عقارب الساعة (يُسمى "أعلى") أو مع عقارب الساعة (يُسمى "أسفل"). قد يظن المرء أن لديها خيارات أخرى، لكن هذا أيضاً لغزٌ فيزيائيٌّ عميق: فالأجسام الصغيرة جداً محدودةٌ جداً في المعلومات التي تحملها، لدرجة أنها لا تملك سوى اتجاهين للإختيار بينهما عند دورانها.
⇚إلكترونين لهما دوران مغزلي متعاكسان، أو لهما دوران مغزلي يمكن تكوينهما متعاكسين عن طريق تدوير الذرات في الإتجاه الصحيح، لا يتنافران: بل يتجاذبان. في الواقع، يتجاذبان بشدة لدرجة أنهما جزء مهم من ذلك الإنفجار الهائل الذي ذكرته سابقاً في حالة الصوديوم والكلور، وكلاهما يحتوي على إلكترونات وحيدة بدون شركائها في الدوران، تنتظر. هناك عوامل أخرى تحدّد طاقة الإنفجار الهائل، لكن الفكرة هي أنه إلى أن تُشكل الإلكترونات أزواجاً متناسقة، فإنها لا تحتاج إلى شغل حيز كبير.
ولكن بمجرد حدوث الرابطة - بمجرد أن تكون الذرات في ترتيبات لا تترك الإلكترونات غير المستقرة راكدة راغبة في تكوين روابط وثيقة - يبرز الجانب الإقليمي للإلكترونات: تبدأ بالدفاع عن منطقتها بشراسة.
يتجلى هذا الدفاع عن مبدأ "#الهيمنة" أولاً في كيفية دوران الإلكترونات حول الذرات، فحتى في هذه الحالة، تُصرّ الإلكترونات على تحديد مداراتها الفريدة والمنفصلة فيزيائياً، بعد حلّ هذا الإقتران الأول بين إلكترونين. وكما تتخيل، فإن محاولة الدوران حول ذرة مع السعي الحثيث للإبتعاد عن أزواج الإلكترونات الأخرى قد تؤدي إلى بعض الأشكال الهندسية المعقدة. وهذا أيضاً أمر جيد جداً، لأن هذه الأشكال الهندسية المعقدة تؤدي إلى ما يُسمى بالكيمياء، حيث يمكن لأعداد مختلفة من الإلكترونات أن تُظهر خصائص مختلفة تماماً بسبب الإلكترونات الجديدة التي تُضغط في جميع أنواع المدارات الخارجية الغريبة، والتي غالباً ما تكون مكشوفة للغاية.
? #في_المعادن، يصبح الوضع سيئاً لدرجة أن الإلكترونات الخارجية تُصبح بمثابة ذرات مُجتمعة تدور حول بلورة المعدن بأكملها بدلاً من الإلتصاق بذرات مُنفردة. لهذا السبب تحمل المعادن الحرارة والكهرباء بكفاءة عالية.
? في الواقع، عندما تنظر إلى مرآة معدنية لامعة، فأنت تنظر مباشرةً إلى أسرع الإلكترونات حركةً في هذه المجموعة. ولهذا السبب أيضاً، في الفضاء الخارجي، يجب توخي الحذر الشديد عند تلامس قطعتين من المعدن النظيف، لأنه مع كل هذه الإلكترونات التي تدور بسرعة، قد تقرر القطعتان الإرتباط ببعضهما البعض لتكوين قطعة معدنية جديدة واحدة بدلاً من مجرد التلامس. يُسمى هذا التأثير بـ #اللحام_الفراغي، وهو مثال على ضرورة توخي الحذر عند افتراض أن المواد الصلبة التي تتلامس ستبقى منفصلة دائماً.
لكن العديد من المواد، مثلك وبشرتك، لا تحتوي على الكثير من هذه الإلكترونات المُجتمعة، بل مليئة بأزواج من الإلكترونات التي ترضى تماماً بالوضع الذي هي عليه بالفعل. وعندما تقترب هذه الأنواع من المواد وهذه الأنواع من الإلكترونات، ينشأ تأثير استبعاد باولي، وتصبح الإلكترونات شديدة الدفاع عن منطقتها.
والنتيجة على المستوى العياني هي ما نسميه #التلامس: القدرة على التلامس دون صعوبة في المرور أو الإندماج، وهو مجموع واسع النطاق من جميع تلك الإلكترونات الفردية عالية المحتوى التي تدافع عن مناطقها الصغيرة.
#أوكيل_محمد_الأمين
? #سؤال:
عندما تلمس شيئاً ما، هل هناك وقت تكون فيه على بُعد ذرة واحدة منه؟
? #الإجابة:
في الواقع، لا تلمس أي شيء. فكّر في طبيعة الذرات التي تُكوّن جزيئات جسمك. تحتوي كل ذرة على نواة من البروتونات والنيوترونات محاطة بمجال إلكتروني. لا تتلامس نواة الذرات مع نوى أخرى. وبسبب تأثيرات الشحنة ومبدأ الإستبعاد، لا تتلامس الإلكترونات (وهي ليست جسيمات في الواقع، بل تجليات المجال المُثار) مع بعضها البعض. لذا، عندما "تلمس شيئًا ما"، فإنك لا "تلمسه" (تلامسه مباشرةً). ما تشعر به كلمس هو الإحساس الناتج عن تفاعلات مجالات الإلكترونات. إحدى طرق تصور ذلك هي الطريقة التي تتفاعل بها الأجسام ذات المجالات المغناطيسية دون الإتصال الفعلي (هذا ليس ما يحدث بالضبط ولكنه طريقة سهلة لتصوره).
? #التوضيح:
● في لهجة فيزياء الكمّ، يتلخص أحد الأسئلة في النهاية في هذا: "لماذا تُظهر جسيمات الدوران نصف الصحيح استبعاد باولي - أي لماذا ترفض أن تكون في نفس الحالة، بما في ذلك نفس الموقع في الفضاء، في نفس الوقت؟"
←الذرة غالباً ما تكون فراغاً، لذا فإن السؤال الطبيعي الذي يطرح نفسه هو لماذا لا تخترق الأجسام مثل هذه بعضها البعض بسرعة عند إلتقائها، خاصةً وأنها (كما ذُكر) مصنوعة بالكامل تقريباً من الفراغ؟
⇐الآن، الإجابة التلقائية - وهي ليست سيئة - من المرجح أن تكون شحنة كهربائية. ذلك لأننا جميعاً نعلم أن الذرات هي نوى مُوجبة محاطة بإلكترونات سالبة الشحنة، وأن الشحنات السالبة تتنافر.↔️ لذا، بناءً على ذلك، ربما لا يكون من المستغرب أنه عندما تتقارب "الحواف" الخارجية لهذه الذرات الضبابية جداً، تقترب مجموعات الإلكترونات الخاصة بها بما يكفي للتنافر، وبناءً على ذلك، فإن "التلامس" هو ببساطة مسألة اقتراب الذرات من بعضها البعض لدرجة أن سحب الإلكترونات سالبة الشحنة تبدأ في التصادم ببعضها. يتطلب هذا التنافر قوة للتغلب عليه، فيتلامس الجسمان - أي يضغطان بعضهما البعض بشكل عكسي دون اندماج - من خلال المجالات الكهربائية المحيطة بإلكترونات ذراتهما.
⇚إليكم طريقةً واحدةً للتفكير في هذه المسألة: إذا كانت الشحنة هي المشكلة الوحيدة، فلماذا تُبدي بعض الذرات رد فعلٍ معاكساً تماماً عند تقارب سُحب الإلكترونات الخاصة بها؟ على سبيل المثال، إذا قُرِّبت ذرات #الصوديوم من ذرات #الكلور، فستقفز الذرتان لتعانقا بعضهما البعض بشكلٍ أكبر، مما ينتج عنه انطلاقٌ للطاقة يُوصف غالباً في المقاييس الأكبر بكلماتٍ مثل "بووم!". لذا، من الواضح أن هناك ما هو أكثر من مجرد تنافرٍ بين الشحنات، لأن بعض تركيبات الإلكترونات حول الذرات تميل إلى التقارب أكثر من التقارب.
? يتضح أن هذه المقاومة العامة للإقتراب الشديد لا تنتج بالأساس عن الشحنة الكهربائية (التي لا تزال تلعب دوراً)، بل عن تأثير استبعاد باولي. غالباً ما يُغفل استبعاد باولي في النصوص التمهيدية عن الكيمياء، ولعل هذا هو سبب ترك مسائل مثل معنى اللمس معلقةً بعض الشيء. فبدون استبعاد باولي، سيظل التلامس - قدرة جسمين كبيرين على التلامس دون اندماج أو اتصال - غامضاً بعض الشيء.
? إذن، ما هو #استبعاد_باولي؟
● إنه ببساطة: جسيمات صغيرة جداً وبسيطة جداً تدور بطريقة غريبة جداً، وتصرّ دائماً على الإختلاف بطريقة ما، مثل الأطفال في العائلات الكبيرة حيث يرغب كل فرد في دوره أو قدرته أو تميزه الفريد. لكن الجسيمات، على عكس البشر، أشياء بسيطة جداً، لذا لا تملك سوى خيارات محدودة جداً للإختيار من بينها. عندما تنفد هذه الخيارات البسيطة، لا يتبقى لها سوى خيار واحد: "تحتاج إلى مساحة خاصة بها، منفصلة عن أي جسيم آخر." عندها ستدافع عن هذه المساحة بشراسة شديدة. هذا الدفاع عن مساحتها الخاصة هو ما يدفع مجموعات كبيرة من الإلكترونات إلى الإصرار على شغل مساحة أكبر فأكبر، حيث ينحت كل إلكترون صغير مساحة فريدة ومحمية بشراسة من الأرض.
←تُسمى الجسيمات التي لها هذا النوع الغريب من الدوران #الفرميونات، وتتكون المادة العادية من ثلاثة أنواع رئيسية من #الفرميونات: #البروتونات و #النيوترونات و #الإلكترونات.
⇐للإلكترونات سمة مميزة واحدة تُميّزها عن بعضها البعض، وهي كيفية دورانها: إما عكس اتجاه عقارب الساعة (يُسمى "أعلى") أو مع عقارب الساعة (يُسمى "أسفل"). قد يظن المرء أن لديها خيارات أخرى، لكن هذا أيضاً لغزٌ فيزيائيٌّ عميق: فالأجسام الصغيرة جداً محدودةٌ جداً في المعلومات التي تحملها، لدرجة أنها لا تملك سوى اتجاهين للإختيار بينهما عند دورانها.
⇚إلكترونين لهما دوران مغزلي متعاكسان، أو لهما دوران مغزلي يمكن تكوينهما متعاكسين عن طريق تدوير الذرات في الإتجاه الصحيح، لا يتنافران: بل يتجاذبان. في الواقع، يتجاذبان بشدة لدرجة أنهما جزء مهم من ذلك الإنفجار الهائل الذي ذكرته سابقاً في حالة الصوديوم والكلور، وكلاهما يحتوي على إلكترونات وحيدة بدون شركائها في الدوران، تنتظر. هناك عوامل أخرى تحدّد طاقة الإنفجار الهائل، لكن الفكرة هي أنه إلى أن تُشكل الإلكترونات أزواجاً متناسقة، فإنها لا تحتاج إلى شغل حيز كبير.
ولكن بمجرد حدوث الرابطة - بمجرد أن تكون الذرات في ترتيبات لا تترك الإلكترونات غير المستقرة راكدة راغبة في تكوين روابط وثيقة - يبرز الجانب الإقليمي للإلكترونات: تبدأ بالدفاع عن منطقتها بشراسة.
يتجلى هذا الدفاع عن مبدأ "#الهيمنة" أولاً في كيفية دوران الإلكترونات حول الذرات، فحتى في هذه الحالة، تُصرّ الإلكترونات على تحديد مداراتها الفريدة والمنفصلة فيزيائياً، بعد حلّ هذا الإقتران الأول بين إلكترونين. وكما تتخيل، فإن محاولة الدوران حول ذرة مع السعي الحثيث للإبتعاد عن أزواج الإلكترونات الأخرى قد تؤدي إلى بعض الأشكال الهندسية المعقدة. وهذا أيضاً أمر جيد جداً، لأن هذه الأشكال الهندسية المعقدة تؤدي إلى ما يُسمى بالكيمياء، حيث يمكن لأعداد مختلفة من الإلكترونات أن تُظهر خصائص مختلفة تماماً بسبب الإلكترونات الجديدة التي تُضغط في جميع أنواع المدارات الخارجية الغريبة، والتي غالباً ما تكون مكشوفة للغاية.
? #في_المعادن، يصبح الوضع سيئاً لدرجة أن الإلكترونات الخارجية تُصبح بمثابة ذرات مُجتمعة تدور حول بلورة المعدن بأكملها بدلاً من الإلتصاق بذرات مُنفردة. لهذا السبب تحمل المعادن الحرارة والكهرباء بكفاءة عالية.
? في الواقع، عندما تنظر إلى مرآة معدنية لامعة، فأنت تنظر مباشرةً إلى أسرع الإلكترونات حركةً في هذه المجموعة. ولهذا السبب أيضاً، في الفضاء الخارجي، يجب توخي الحذر الشديد عند تلامس قطعتين من المعدن النظيف، لأنه مع كل هذه الإلكترونات التي تدور بسرعة، قد تقرر القطعتان الإرتباط ببعضهما البعض لتكوين قطعة معدنية جديدة واحدة بدلاً من مجرد التلامس. يُسمى هذا التأثير بـ #اللحام_الفراغي، وهو مثال على ضرورة توخي الحذر عند افتراض أن المواد الصلبة التي تتلامس ستبقى منفصلة دائماً.
لكن العديد من المواد، مثلك وبشرتك، لا تحتوي على الكثير من هذه الإلكترونات المُجتمعة، بل مليئة بأزواج من الإلكترونات التي ترضى تماماً بالوضع الذي هي عليه بالفعل. وعندما تقترب هذه الأنواع من المواد وهذه الأنواع من الإلكترونات، ينشأ تأثير استبعاد باولي، وتصبح الإلكترونات شديدة الدفاع عن منطقتها.
والنتيجة على المستوى العياني هي ما نسميه #التلامس: القدرة على التلامس دون صعوبة في المرور أو الإندماج، وهو مجموع واسع النطاق من جميع تلك الإلكترونات الفردية عالية المحتوى التي تدافع عن مناطقها الصغيرة.
#أوكيل_محمد_الأمين