الحاجة إلى نظرية كم

تطورت « الميكانيكا التقليدية » بصورة مستمرة منذ نيوتن وطبقت على مدى آخذ في  الاتساع من الأنظمة الديناميكية، متضمنة تفاعل المجال الكهرومغناطيسي مع المادة. وتُكَون الأفكار الأساسية والقوانين الحاكمة للتطبيق مشروعًا سهلًا وأنيقًا، بحيث يميل المرء إلى التفكير في صعوبة جدية تبديلها دون إتلاف كل ملامحها الجذابة. على أية حال فقد وجد أنه من الممكن بناء مشروع جديد، يعرف بميكانيكا الكم، أكثر مناسبة لوصف الظواهر في المدى الذري ويكون في بعض جوانبه أشد أناقة وأكثر قبولًا من المشروع التقليدي. وترجع هذه الإمكانية إلى التغييرات التي يتضمنها المشروع الجديد

ذات خصائص عميقة ولا تتعارض مع الملامح في المشروع التقليدي التي تجعله شديد الجاذبية، ونتيجة لذلك فإن هذه الملامح يمكن تضمينها في المشروع الجديد. وأوضحت النتائج المعملية جليٍّا ضرورة التخلي عن الميكانيكا التقليدية (الكلاسيكية) ففي المقام الأول نجد أن القوى في الإلكتروديناميكا التقليدية (الكلاسيكية) غير صالحة لتفسير الاستقرار الملحوظ في الذرات والجزيئات، والضروري من أجل أن يكون للمواد أي خصائص فيزيائية وكيميائية بصورة مطلقة. على أن تقديم قوى افتراضية جديدة لن ينقذ الموقف، حيث توجد مبادئ عامة للميكانيكا التقليدية، تصلح لكل أنواع القوى، تؤدي إلى نتائج تتناقض مباشرة مع الملاحظات. فمثلًا، إذا كان هناك نظام ذري اختل اتزانه بصورة ما ثم ترك بمفرده، فإنه سوف يتذبذب ومن ثم تنطبع هذه الذبذبات على المجال الكهرومغناطيسي المحيط، بحيث يمكن ملاحظة هذه الذبذبات بواسطة المطياف (سبكتروسكوب). والآن مهما كانت قوانين القوى التي تحكم الاتزان، فمن المتوقع احتواء الترددات المختلفة في شكل يتكون من بعض الترددات الأساسية ومضاعفاتها. ولكن ليست هذه هي الحالة المشاهدة. وبدلًا من ذلك، يلاحظ وجود ترددات جديدة وارتباط غير متوقع بين هذه الترددات، وهي ما يعرف بقانون توفيق« ريتز » للأطياف Ritz combination law ووفقًا لهذا القانون فإن كل الترددات يمكن أن تمثل بفروق ، بين حدود معينة، وعدد هذه الحدود أقل من عدد الترددات. إلا أن هذا القانون لا يمكن فهمه طبقًا لوجهة النظر الكلاسيكية.

ولو حاول المرء تخطي هذه الصعوبة دون التخلي عن الميكانيكا التقليدية بافتراض أن كل الترددات الملاحظة طيفيٍّا ترددات أساسية لها درجة حريتها، فإن قوانين القوى تؤدي إلى عدم حدوث مضاعفات الترددات. ومثل هذه النظرية لا تفي بالغرض، حيث إنها لا تعطي تفسيرا لقانون التوفيق لريتز، حيث إنها تؤدي إلى تعارض مع الدلائل العملية لقياسات الحرارات النوعية. وتمكن الميكانيكا الإحصائية التقليدية المرء من بناء علاقة عامة بين العدد الكلي لدرجات الحرية لمجموعة من المنظومات المهتزة وحرارتها النوعية. وإذا افترض المرء أن كل الترددات الطيفية لذرة تناظر درجات حرية مختلفة، فسوف يحصل على حرارة نوعية لأي مادة أعلى بكثير من القيم المقيسة. وفي الحقيقة فإن الحرارة النوعية المقيسة عند درجة حرارة ما تعطى بدقة بالنظرية التي تأخذ في الاعتبار حركة كل ذرة ككل ولا تعير اهتمامًا على الإطلاق لأي حركة داخلية للذرة.

ويقودنا هذا إلى صدام جديد بين الميكانيكا التقليدية والنتائج المعملية. يوجد بالتأكيد بعض الحركات داخل أي ذرة حتى يتم حساب الطيف لها، ولكن درجات الحرية الداخلية، لسبب تقليدي (كلاسيكي) غامض، لا تساهم في الحرارة النوعية. كما يوجد صدام مشابه يتعلق بطاقة تذبذب المجال الكهرومغناطيسي في الفراغ. حيث تتطلب الميكانيكا الكلاسيكية أن تكون الحرارة النوعية المقابلة لهذه الطاقة لانهائية، ولكن الملاحظ هو كونها محدودة. وهناك استنتاج عام من النتائج العملية وهو أن الاهتزازات عالية التردد لا تساهم بنصيبها الكلاسيكي في الحرارة النوعية.

وكمثال آخر على فشل الميكانيكا التقليدية (الكلاسيكية) نسوق سلوك الضوء. فلدينا من ناحية، ظاهرتا التداخل والحيود، اللتان يمكن تفسيرهما فقط على أساس النظرية الموجية، ومن ناحية أخرى، فظواهر مثل الانبعاث الكهروضوئي والتشتت بواسطة الإلكترونات الحرة؛ تظهر أن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة. وهذه الجسيمات، التي تعرف بالفوتونات، لكل منها طاقة محددة وكمية حركة، تعتمدان على تردد الضوء، والتي تبدي وجودًا حقيقيٍّا كجسيمات مثل الإلكترونات، أو أي جسيمات أخرى معروفة في الفيزياء. على أنه لم يلاحظ على الإطلاق وجود أجزاء للفوتون.

ولقد أوضحت التجارب أن هذا السلوك الشاذ (غير الطبيعي) ليس مقصورًا على الضوء، ولكنه سلوك عام. فكل الجسيمات المادية لها خواص موجية، يمكن أن تظهر تحت ظروف مناسبة. ولدينا هنا مثال واضح وعام لانهيار الميكانيكا التقليدية (الكلاسيكية) ليس فقط عدم دقة في قوانينها التي تصف الحركة، «ولكن عدم مواءمة في مفاهيمها لكي تمدنا بوصف للأحداث في نطاق الذرات ».

وتظهر الحاجة إلى ضرورة الابتعاد عن الأفكار التقليدية عند تفسير التركيب النهائي للمادة، ليس فقط من الحقائق الثابتة معمليٍّا، ولكن أيضًا من أسس فلسفية عامة. في التفسير التقليدي لتركيب المادة يمكن افتراض تكونها من عدد كبير من أجزاء صغيرة، ويفترض المرء قوانين لتصرف هذه الأجزاء ومنها يمكن استنتاج قوانين المادة ككل. ولكن هذا يترك التفسير منقوصًا، حيث إن تركيب وثبات هذه الأجزاء المكونة قد ترك دون أن يمس. ولمعالجة هذا السؤال، يصبح من الضروري افتراض أن كل جزء من المكونات يتكون نفسه من أجزاء أصغر يمكن من خلالها تفسير سلوكها. ومن الواضح استمرار هذا الأسلوب بلا نهاية، وبذلك لا يصل المرء إلى التركيب النهائي للمادة عبر هذا الطريق. وحيث إن« كبير » و« صغير » هو مفهوم نسبي، فلا يمكن تفسير الكبير  من خلال الصغير. ولذا فإنه من الضروري تعديل الأفكار التقليدية بطريقة تؤدي إلى إعطاء قيمة مطلقة لمفهوم الحجم.

ويصبح من المهم عند هذه المرحلة أن نتذكر أن العلم يتعلق فقط بالأشياء المشاهدة وأنه يمكننا ملاحظة شيء ما عن طريق تفاعله مع بعض التأثيرات الخارجية. وعملية الملاحظة تكون مصحوبة بالضرورة ببعض الاضطرابات للشيء الملاحظ. ويمكن تعريف أن شيئًا كبيرًا، إذا كان الاضطراب المصاحب لملاحظتنا مهملًا، ويكون الشيء صغيرًا عندما يكون الاضطراب أكبر من أن يهمل. وهذا التعريف متوافق كثيرًا مع المعنى العام لكبير وصغير.

وعادة يفترض أنه بشيء من الحرص، ومع الدقة، يمكن تحديد مدى الاضطرابات

المصاحبة للمشاهدات لأي دقة نبتغيها. وعليه فإن مفهوم الكبر والصغر يكون نسبيٍّا

تمامًا ويعود إلى لطف وسائل قياسنا إلى جانب الشيء المراد وصفه. ولإعطاء معنى

مطلق للحجم، وكما تتطلب أي نظرية للتركيب النهائي للمادة، يجب افتراض أن «هناك نهاية لحدود دقة قدرات الملاحظة وصغر الاضطرابات المصاحبة. هذه النهاية ملازمة لطبيعة الأشياء ولا يمكن تخطيها باستخدام تقنيات متطورة أو مهارات متزايدة من جانب المشاهد».

وفي حالة كون الاضطرابات التي لا يمكن تحاشيها مهملة بالنسبة  للجسم قيد الملاحظة فإن الجسم يكون كبيرًا بالمعنى المطلق ويمكن تطبيق الميكانيكا التقليدية (الكلاسيكية) عليه. ومن ناحية أخرى، إذا كانت هذه الاضطرابات لا يمكن إهمالها فإن الشيء يعتبر صغيرًا في المفهوم المطلق ونحتاج نظرية جديدة لمعالجته.

وتبعًا للمناقشة السالفة يجب علينا إعادة النظر في أفكارنا حول السببية. وتستخدم السببية فقط في حالة الأنظمة المتروكة دون أي اضطراب. وإذا كانت المنظومة صغيرة فلا يمكن ملاحظتها بدون توليد اضطراب جدي، ومن ثم لا يمكن أن نتوقع أي علاقة سببية بين نتائج ملاحظاتنا. وسنظل نعتبر أن السببية مطبقة بالنسبة للمنظومات غير المضطربة، وستكون المعادلات التي ستكتب لوصف منظومة غير مضطربة هي معادلات تفاضلية تعبر عن العلاقة السببية بين الظروف في لحظة ما والظروف في لحظة تالية. وستكون هذه المعادلات قريبة التناظر جدٍّا مع معادلات الميكانيكا الكلاسيكية، ولكنها ستكون مرتبطة فقط بطريقة غير مباشرة مع نتائج الملاحظات. وهناك عدم تحديد لا يمكن تفاديه في حساب نتائج الملاحظة، وتمكننا النظرية فقط، وعلى وجه العموم من حساب احتمال حصولنا على نتيجة خاصة عند إجراء ملاحظة (رصد أو قياس).