موجات دي برولي الأسترشادية

‏بعد تفكير طويل، في عزلة وتأمل، طرأت لي فجأة خلال عام 1923 ‏فكرة أن الاكتشاف الذي توصل إليه أينشتين عام 1905 ‏يتعين تعميمه ليشمل كل الجسيمات المادية وبالذات الإلكترونات. لويس دي برولي

‏ولد الدوق لويس فيكتور دي برولي في دييب Diebbe ‏عام ١٨٩٢ ‏لأسرة أرستقراطية فرنسية أمدت فرنسا لفترة طويلة بالديبلوماسيين، والسياسيين، والقادة العسكريين. وكان لويس هو أصغر أبنائها الخمسة. وتوقعت الأسرة من لويس إن يقتدي بأخيه الأكبر موريس، ويلتحق بالخدمة العسكرية، ولذلك قرر لويس أن يخدم فرنسا . واختار الانضمام إلي الأسطول؟ نظرا لأنه كان يعتقد بأن هذا قد يتيح له دراسة العلوم ألطبيعية، التي كانت تخلب لبه منذ طفولته. وانخرط فعليا في ممارسة العلم التجريبي عندما أنشأ أول جهاز إرسال لاسلكي في فرنسا علي سطح سفينة.

‏وبعد أن ترك موريس الخدمة العسكرية، وذهب للدراسة في طولون وكذلك في جامعة مارسيليا ، انتقل إلى قصر في باريس: حيث اتخذ إحدى حجراته لإنشاء معمل لدراسة الأشعة السينية x-rays. ولمساعدته في تجاربه، قام موريس واسع الحيلة، ‏بتدريب خادمه الخصوصي علي المبادئ الأولية للخطوات العلمية، وفي النهاية حول هذا الخادم إلي مساعد معمل محترف. وكان افتتانه بالعلوم معديا ، وعلي الفور غدا أيضا شقيقه الأصغر لويس مهتما بالبحوث وساعده في إجراء التجارب.

‏والتحق لويس بجامعة السوربون، ليدرس تاريخ العصور الوسطي. وفي عام ١٩١١ ‏عمل موريس سكرتيرا لمؤتمر سولفاي الشهير solvay conference في بروكسل. حيث كان يجتمع هناك أينشتين مع غيره ‏من كبار الفيزيائيين لمناقشة الاكتشافات المثيرة الجديدة في الفيزياء. وعقب عودته بعد كل اجتماع، كان موريس يمتع شقيقه الأصغر بحكاياته عن الاكتشافات المبهرة، حتي فدا لويس أكثر افتنانا بالفيزياء.

‏وبمجرد اندلاع الحرب العالمية الأولي التحق لويس دي برولي مباشرة بصفوف الجيش الفرنسي. وجاءت خدمته في وحدة لاتصالات الراديو، وهو أمر لم يكن مألوفا في ذلك الحين. وأثناء خدمته في وحدة التلغراف بموجات الراديو المقامة علي قمة برج إيفل، تعلم الكثير عن موجات الراديو. وأصبح بإمكانه بالفعل أن يضع بصمته علي العالم أثناء دراسته للموجات. وما إن انتهت الحرب، حتي عاد دي برولي إلي الجامعة ودرس تحت إشراف عدد من أفضل علماء الفيزياء والرياضيات الفرنسيين، ‏من بينهم بول لانجفين وميل بوريل. وقام بتصميم تجارب علي الموجات واختبرها في معمل شقيقه بقصر العائلة. أيضا كان دي برولي عاشقا لموسيقي الغرفة، وبالتالي حصل علي معرفة عميقة بالموجات من وجهة نظر النظرية الموسيقية.

‏واستغرق دي برولي تماما في دراسة محاضر اجتماعات مؤتمر سولفاي، التي أعطاها له شقيقه. وخلبت لبه نظرية الكم الوليدة التي نوقشت في عام ١٩١١ ‏، وكان يتم استعراضها مرارا في اجتماعات المؤتمر بعد ذلك خلال السنوات التالية.

‏وقام دي برولي بدراسة الغازات المثالية ldeal gases، التي سبق نقاشها في اجتماع سولفاي، وتوصل بنجاح إلي تطبيق نظرية الموجات في التحليل الفيزيائي لمثل هذه الغازات، باستخدام نظرية الكم.

‏وفي عام ١٩٢٣، أثناء اشتغاله برسالة الدكتوراه في الفيزياء في باريس، فجأة كما كتب فيما بعد: رأيت أن الأزمة في علوم الضوء تعود ببساطة إلي العجز عن فهم الازدواجية الشاملة الحقيقية للموجة والجسيم. في تلك اللحظة، في واقع الأمر، اكتشف دي برولي هذه الازدواجية. ونشر ثلاث ملاحظات قصيرة حول الموضوع، تفترض أن الجسيمات هي أيضا موجات، والموجات جسيمات، وهي مسجلة في محاضر جلسات أكاديمية باريس ومؤرخة في سبتمبر وأكتوبر ١٩٢٣، وقدم دراسة تفصيلية متقنة حول هذا العمل. وتقدم باكتشافه الكامل في رسالته للدكتوراه، التي نوقشت في 25‏ نوفمبر ١٩٢٤.

‏وقد استعان دي برولي بمفهوم بوهر عن الذرة ودرسه باعتباره ألة موسيقية يمكنها إصدار نغمة أساسية وسلسلة من النغمات التوافقية. واقترح أن كل الجسيمات لها هذا النوع من الخاصية الموجية. وفيما بعد استعرض جموده قائلا: كنت أرغب في أن أميل لنفسي الاتحاد بين الموجات والجسيمات في شكل متماسك، إذ إن الجسيم عبارة عن جسم صغير متمركز يندمج في موجة منتشرة، وأطلق دي برولي علي الموجات المصاحبة للجسيمات اسم الموجات الاسترشادية، وبالتالي يكون ‏كل جسيم صغير في الكون مصحوبا بموجة تنتشر في الفضاء.

‏واشتق دي برولي بعض المفاهيم الرياضية الخاصة من أجل موجاته الاسترشادية، ومن أحد هذه الاشتقاقات باستخدام عدد من الصيغ الرياضية، وكذلك ثابت بلانك لنظرية الكم h، توصل دي برولي إلي معادلة تعد هي الإضافة التي قدمها للعلم. إذ تربط معادلته بين كمية حركة الجسيم p، مع الطول الموجي للموجة الاسترشادية المصاحبة له λ، واستخدام ثابت بلانك. وجاءت هذه العلاقة شديدة البساطة علي الصورة:

p = h/λ

‏كانت الفكرة التي توصل إليها دي برولي مبهرة. ها هنا، استخدم ‏ألية نظرية الكم لصياغة علاقة بالغة الوضوح بين الجسيمات والموجات. فالجسيم له كمية حركة ‏(كلاسيكيا ، تنتج من حاصل ضرب سرعته في كتلته). وثمة ارتباط مباشر بين كمية الحركة هذه والموجة المصاحبة للجسيم. وبالتالي تكون كمية الحركة في ميكانيكا الكم، طبقا لصيغة دي برولي الرياضية، مساوية لخارج قسمة ثابت بلانك علي الطول الموجي للموجة، عندما ننظر إلي الجسيم باعتباره موجة.

‏ولم يقدم لنا دي برولي معادلة تصف انتشار الموجة المصاحبة للجسيم. غير أن هذه المهمة كانت في انتظار عقل كبير أخر، هو إروين شرودنجرErwin schrodinger‏. وعن بحثه الرائد هذا ، نال دي برولي جائزة نوبل بعد إجراء الكثير من التجارب التي برهنت علي الطبيعة الموجية للجسيمات علي مدي السنوات التالية.

‏وظل دي برولي يمارس عمله بنشاط كفيزيائي، وعاش حياة مديدة، إذ وافته المنية عام ١٩٨٧ ‏عن عمر بلغ 95 ‏عاما . وعندما كان دي برولي قد أضحي فعليا عالما مشهورا علي مستوي العالم، قام الفيزيائي جورج جاموGeorge Gamow الذي ألف كتاب ثلاثون عاما هزت الفيزياء-thirty years that shook physics بزيارته في قصره بباريس. ودق جامو الجرس علي بوابة المزرعة، وتلقي تحية كبير الخدم الذي يعمل لدي دي برولي، وخاطبه بالفرنسية قائلا: إنني أود رؤية البروفيسور دي برولي، وأكد الخادم في توقير أنت تقصد السيد الدوق دي برولي ، فقال جامو: نعم الدوق دي برولي. وسمح له بالدخول أخيراً .

‏هل الجسيمات أيضا موجات؟ وهل الموجات جسيمات أيضا؟ أما الإجابة التي تقدمها لنا نظرية الكم فهي SنعمR. ثمة خاصية أساسية لنظام الكوانتم، مفادها أن الجسيم هو أيضا موجة، وتتبدي فيه خصائص التداخل الموجي، وهو ما يحدث في تجربة الحائل ذي الفتحتين. وبالطريقة نفسها، يمكن للموجات أن تكون جسيمات، كما علمنا أينشتين حينما طور بحثه عن التأثير الكهروضوئي، الذي نال عنه جائزة نوبل، وسوف نقدم له عرضا فيما بعد. وثبت بالتالي أن موجات الضوء هي أيضا جسيمات تسمي الفوتونات.

‏وبالنسبة إلي أشعة الليزر فإنها تتكون من ضوء متماسك، حيث تكون كل موجات الضوء في هذه الأشعة متحدة في الطور، ومن هنا تكمن قوة أشعة الليزر. وفي عام 2001‏، اقتسم جائزة نوبل في الفيزياء ثلاثة علماء اكتشفوا أن الذرات، أيضاء يمكنها أن تسلك مثل أشعة الضوء: بمعني أن أي أداء موحد لمجموعة منها يمكن أن يجعلها في حالة ملتحمة، شأنها شأن أشعة الليزر. وقد أثبت هذا الاكتشاف الحدس الذي ‏صدر عن أينشتين وزميله، في عشرينيات القرن الماضي، الفيزيائي الهندي سيرندرا ناث بوزsaryendra Nath Bose. وكان بوزBose‏ أستاذا للفيزياء بجامعة دكا لا يعرفه ‏أحد. وفي عام ١٩٢٤ ‏بعث رسالة إلي أينشتين عرض فيها أن كوانتم الضوء لأينشتين، المسمى الفوتونات، يمكنها أن تشكل نوعا من SالغازR مشابها لذلك الذي يتكون من الذرات أو الجزيئات، وأعاد أينشتين كتابة ورقة بوز، وأدخل عليها بعض التحسينات، وأرسلها كي تنشر باسمهما معا . وهذا الغاز الذي افترضه بوز وأينشتين كان شكلا جديدا من أشكال المادة، حيث تنعدم به أي خصائص للجسيمات المنفردة، ولا يمكن تمييزها . وأدى هذا الشكل الجديد للمادة المسمى بوز- أينشتين إلي - تقديم أينشتين لـ فرض حول حدوث تفاعل بين الجزيئات ذي طبيعة غامضة تماما حتي الآن.

‏وقد أتاحت إحصائيات شكل المادة بوز - أينشتين، أن يتقدم أينشتين بتنبؤات فذة حول سلوك المادة في درجات الحرارة بالغة الانخفاض، إذ تتلاشي لزوجة الغازات المسالة عند هذه الدرجات المنخفضة، وهو ما ينجم عنه التميع الفائقsuper fluidity. وسميت هذا العملية تكثيف بوز - أينشتين.

‏وفي عام ١٩٢٤، بعث لويس دي برولي رسالته للدكتوراه إلي بول لانجنفين ليفحصها ، وهو صديق أينشتين بباريس. وتأثر لانجنفين بشدة من فكرة دي برولي بإمكانية أن يكون للمادة خاصية موجية، حتي إنه بعث الرسالة إلي أينشتين يستطلع رأيه. وحين قرأ أينشتين بحث دي برولي علق قائلا: Sرائع جداR، وفيما بعد استخدم فكرة دي برولي عن الموجة لاستنتاج الخصائص الموجية للمادة الجديدة التي اكتشفها مع بوز. إلا أن أحدا لم ير أيا من متكثفات بوز - أينشتين حتي عام 1995.

‏في 5 يونيو عام 1995 ‏، استخدم كل من كارل فيمان carl weiman ‏ من جامعة كولورادو، وريك كورنل Eric kornell ‏من المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا ، أشعة ليزر فائقة الشدة مع تقنية جديدة لتبريد المادة إلي درجة حرارة تقترب من الصفر المطلق، وذلك لخفض حرارة نحو 2000 ‏ذرة روبيديوم. واكتشفا أن هذه الذرات تمتلك خواص أحد متكثفات بوز- أينشتين، وظهرت علي شكل سحابة داكنة بالغة الصفر، حتي إن الذرات المكونة لها فقدت خواصها الفردية واندمجت في مستوي طاقة واحد. وفي كل الأحوال، أصبحت هذه الذرات كينونة كمية (كوانتم) واحدة، تتفق مع الخصائص الموجية التي حددها دي برولي.