The Bizarre and Wonderful World of Quantum Theory—And How Understanding It Has Ultimately Changed Our Lives
Michio Kaku on June 15, 2010, 3:56 PM
"In fact, it is often stated that of all the theories proposed in this century, the silliest is quantum theory. Some say that the only thing that quantum theory has going for it, in fact, is that it is unquestionably correct."
Almost since its inception, the development of quantum theory has been built by some of the greatest minds of their day. Some of the framework for this theory can be traced back to the following discoveries:
•In 1897 the discovery of the electron proved there were individual particles that make up the atom.
•In 1900, the German Physical Society received a presentation by Max Plank on his version of the theory where he made the conjecture that energy was made of individual units which he referred to as quanta. Plank took his version of the quantum theory a step further and derived a universal constant which famously became known as Planck’s constant which is used to describe the sizes of quanta in quantum mechanics. Planck’s constant states that the energy of each quantum is equal to the frequency of the radiation multiplied by the universal constant (6.626068 × 10-34 m2 kg / s).
•In 1905, Albert Einstein theorized that not just the energy but the radiation was also quantized in the very same manner and summarized that an electromagnetic wave such as light could be described by a particle called the photo with a discrete energy dependent on it's frequency.
•Ernest Rutherford discovered that most of the mass of an atom resides in the nucleus in 1911. Niels Bohr refined the Rutherford model by introducing different orbits in which electrons spin around the nucleus.
•In 1924, the development of the principle of wave-particle duality by Louis de Broglie stated that elementary particles of both matter and energy behave, depending on the conditions, like particles or waves.
Many other people have since contributed to the advancement of the theory including Max Born, Wolfgang Pauli and Werner Heisenberg with the development of the Uncertainty Principle to name a few. Needless to say, the quantum theory is a combination of contributions of many great minds of science and thus cannot be attributed to any one individual. In short, the quantum theory allows us to understand the world of the very small and the fundamental properties of matter.
Our deepest understanding of the atomic world comes from the advent of the quantum theory. Having this deep understanding of the various elements of the theory allows us to do much more than just move atoms around or know exactly why things behave the way they do. The theory itself underlies the entire architecture of the world we see today and beyond. It has ultimately allowed us to develop the most advanced technologies to make our lives easier. The marvels of science that we see and use every single day including the Internet, your cell phone, GPS, your email, HD television—all of it—comes from our deep understanding of this theory.This theory offers a very different way to view the world they we live in—one where the simple laws of conventional physics simply don’t apply at all. Quantum theory is so eccentric and peculiar that even Einstein himself couldn’t wrap his head around it. The great physicist, Richard Feynman once stated that “It is impossible, absolutely impossible to explain it in any classical way”.
Some of what quantum theory predicts and states is almost like something out of science fiction. Matter can essentially be in an infinite number of places at any given time; it is possible that there are many worlds or a multiverse; things disappear and reappear somewhere else; you cannot simultaneously know the exact position and momentum of an object; and even quantum entanglement (Einstein referred to it as spooky action at a distance) where it’s possible for two quantum particles to link together effectively making them part of the same entity or entangled. Even if these particles are separated, a change in one is ultimately and instantly reflected in it’s counterpart. At the end of the day, the world of entanglement caused physicists like Einstein to both dislike the predictions and feel nothing more as if their were serious errors in the calculations. As Einstein once wrote: "I find the idea quite intolerable that an electron exposed to radiation should choose of its own free will, not only its moment to jump off, but also its direction. In that case, I would rather be a cobbler, or even an employee in a gaming house, than a physicist".
The strange predictions of quantum theory also prompted many famous "thought" experiments such as "Schrodinger’s Cat" devised by Erwin Schrodinger in 1935. As I state in my book "Hyperspace," on page 261: “Schrodinger placed an imaginary cat in a sealed box. The cat faces a gun, which is connected to a Geiger counter, which in turn is connected to a piece of uranium. The uranium atom is unstable and will undergo radioactive decay. If a uranium nucleus disintegrates, it will be picked up by the Geiger counter, which will then trigger the gun, whose bullet with kill the cat. To decide whether the cat is dead or alive, we must open the box and observe the cat. However, what is the state of the cat before we open the box? According to quantum theory, we can only state that the cat is described by a wave function that describes the sum of a dead can and live cat. To Schrodinger, the idea of think about cats that are neither dead nor alive was the height of absurdity, yet nevertheless the experimental confirmation of quantum mechanics forces us to this conclusion. At present, every experiment has verified quantum theory.” So quantum theory sounds preposterous and its predictions seem to be something out of a science fiction movie. Yet it has only tiny thing going for it: It works.
In the coming century, mastering the quantum theory will enable us to radically transform our world in ways previously thought unimaginable. Superconductors, for example, are a miracle of quantum physics and they are an outstanding example of us gradually becoming masters of matter itself. If you take a look at the ongoing advancements of Maglev trains, you can see that the world of transportation will be substantially different in the future as a result of our increased understanding of this theory. In the future we will also create materials with amazing new properties not found in nature. The furthering development of meta-materials or artificial materials will allow us to create things like cloaking devices. Other developments could include seismic meta-materials designed to counteract the adverse effects of seismic waves on man-made structures; the creation of ultra-thin sound-proof walls; and even super-lenses capable of capturing sharp details far below the wavelength of light. As we are still only in the early stages of understanding the development of these artificial materials, it appears that the surface has a merescratch on it so there is no telling what the future holds.
In the coming decades, you will most likely be hearing the word "quantum" quite a bit as our understanding of very small is helping us revolutionize virtually every aspect of technology we see today and even creating entirely new ones. Some examples of technologies that we are currently working on but not limited to are:
-- Quantum Computing which is making direct use of the quantum mechanical phenomena, such as superposition and entanglement to perform operations on data. In contrast with a classical computer which has memory made of bits where each bit represents a one or a zero (binary code), a quantum computer will operate on what is called "qubits." According to Wikipedia, a single qubit can represent a one, a zero, or, crucially, any quantum superposition of these; moreover, a pair of qubits can be in any quantum superposition of 4 states, and three qubits in any superposition of 8 and so on. Superposition refers to the quantum mechanical property which states that all particles exist in not one state but all possible states at once. In short, a quantum computer will essentially be able to crack any algorithm, solve mathematical problems much more quickly and ultimately operate millions of times faster than conventional computers.
-- Quantum Cryptography whose most famous example (quantum key distribution or QKD) which uses quantum mechanics to guarantee secure communication. It enables two parties to produce a shared random bit string known only to them, which can be used as a key to encrypt and decrypt messages.
The list goes on an on an on: Quantum Dots; Quantum Wires or Carbon Nanotubes; Metamaterials; Invisibility; Quantum Optics; Teleportation; Communication; Space Elevators; Limitless Quantum Energy; Room Temperature Superconductors; Personal Fabicators; Nanotechnology and even Time Travel. Other applications that will strive are advances in battery technology; solar panels; stealth applications; and even advances in biotechnology and medicine. Needless to say, we have only scratched the surface of some of these technologies and time will perfect them. We've got a very interesting future ahead of us....
To be continued..
بقلم البروفسيور ميشو كاكو
ترجمة : ايمان عبدو
العالم الغريب والعجيب من نظرية الكم
وكيف نفهم في النهاية أنها غيرت حياتنا ؟؟
في الواقع ، دائماً ما يصرح بأن من كل النظريات المقترحة في هذا القرن تعتبر نظرية الكم هي الأسخف ، كما يقول البعض بأن بعض الأشياء لنظرية الكم تعود لها وفي الواقع هو أن ذلك صحيح بما لاشك فيه ..
تطورت نظرية الكم تقريبا منذ نشأتها وتأسست منذ ذلك الحين بواسطة عقول عظيمة .. ويمكننا في إطار هذه النظرية أن نرجع لبعض الاكتشافات التالية :
ـ في عام 1897 أثبت اكتشاف الإلكترون وجود الجزئيات الفردية التي تتشكل منها الذرة .
ـ في عام 1900 استقبلت الجمعية الألمانية المادية عرض قدمه " ماكس بلانك " عن روايته في النظرية حيث أدلى بحدسه لتلك الوحدات الفردية من القوى التي يشار إليها بكونتا ، وأخذت رواية بلانك خطوات أبعد ومستمدة بنظام عالمي ثابت والتي تعرف باسم نظام بلانك ، وهي التي أصبحت تستخدم لوصف أحجام الكميات في ميكانيكا الكم ، "نظام بلانك الدولي" هو أن الطاقة من كل كمية متساوية لتردد الإشعاعات مضروباً في النظام العالمي الثابت (6.626068 × 10-34 m2 kg / s) .
ـ في عام 1905 نظر ألبرت إنيشتاين أن الطاقة ليست هي فقط التي تستطيع تحجيمها لكن أيضاً الإشعاعات تحجم بنفس الأسلوب وتلخص بأن الموجات الكهرومغناطيسية مثل الضوء نستطيع وصفها وتسمى الصورة مع الطاقة المنفصلة والتي تتبعها على أنها تردد ..
ـ في سنة 1911اكتشف "Ernest Rutherford" أن معظم كتلة الذرة متواجدة في النواة ، و كرر"Niels Bohr " نموذج " Rutherford " بإدخال مدارات مختلفة في الالكترونات التي تدور حول النواة ..
ـ في عام 1924 ذُكر التطور الرئيسي في موجة الجسيمات المزدوجة بواسطة "Louis de Broglie" حيث أشار إلى أن الجسيمات الأولية تصرف من كل من المادة والطاقة المعتمدة على بعض الحالات مثل الجسيمات أو الموجات ..
العديد من الأشخاص ساهموا في تطوير النظرية بما في ذلك "Max Born" ، "Wolfgang Pauli" ، "Werner Heisenberg" مع الأخذ بمبدأ عدم اليقين لا الحصر . وليس بالضرورة القول أن نظرية الكم هي مزيج من مساهمات العديد من أفكار العلماء وبالتالي لا يمكن أن ننسبها لأي فرد واحد .. باختصار نظرية الكم تسمح لنا بفهم العالم الصغير جدا وخصائص المادة الأساسيــة .
فهمنا العميق عن العالم الذري يأتي من نظرية الكم وبعد هذا الفهم العميق لمختلف عناصر النظرية يسمح لنا بأن نفعل أكثر بكثير من تحريك أو تحويل الذرات بأن نعرف لماذا الأشياء تتصرف بالطريقة التي يفعلونها..
النظرية نفسها ترتكز عليها بنية كاملة من العالم الذي نراه اليوم وما بعده .. كما أنها تسمح لنا في النهاية بالتطور والتقدم في التكنولوجيا لتجعل حياتنا أسهل .. وتتضمن عجائب العلوم التي نراها ونستخدمها في كل يوم " الإنترنت ، والهواتف النقالة ، ونظام تحديد المواقع ، وبريدك الالكتروني ، والتلفزيون جميعها يأتي من فهمنا العميق لهذه النظرية .. تُقدم النظرية بطرق مختلفة جدا لمشاهدة العالم الواحد الذي نعيش فيه حيث القوانين الفيزيائية التقليدية البسيطة لا تنطبق على الجميع .
إن نظرية الكم هي حالة غريبة وخاصة حتى أن اينشتاين أيضاً بنفسه لم يستغرق بأفكاره حولها ، ذات مرة أعلن العالم الفيزيائي الكبير " Richard Feynman" أنه من المستحيل بكل تأكيد من المستحيل تماماً تفسيرها بأي طريقة كلاسيكية " ..
بعضاً مما تتنبأ به نظرية الكم والدول هو تقريبا ما يشبه الخيال العلمي .. و من المحتمل أن هناك العديد من الأشياء في العالم أو الأكوان المتعددة تتلاشي وتختفي ثم تعود إلى الظهور في بعض الأماكن الأخرى ، ولا يمكنك في نفس الوقت معرفة الموقف المضبوط والقوة الدافعة لهذا الشيء و التشابك الكمي ( حتى اينشتاين أشار إليها كسلوك شبحي مخيف على مسافة ) حيث أنه من الممكن لجزيئات كميتين بربطهما فعليا أن نجعلهم جزاءً من كيان واحد أو متشابك .. أيضاً لو هذه الجزيئات انفصلت ستحدث تغير واحد في نهاية المطاف و سينعكس ذلك فوراً في نظيره ..
في نهاية اليوم ، تشابُك العالم جعل الفيزيائيون أمثال انشتاين ممن يكرهون التوقعات و ويشعرون بشيء آخر مثلاً إذا كانت هناك أخطاء جسيمة في الحسابات كما كتب ذات مرة انشتاين : "وجدت أن فكرة الإلكترون المعرض للإشعاع ووجوب اختيار واحد منها بمحض إرادتها لا تحتمل تماماً ليس فقط في لحظة انتقالها لكن أيضا في لحظة توجيهها .. أود في هذه الحالة لو أكون اسكافي أو حتى أجيراً في منزل ألعاب غير عالم فيزيائي " .
حثت النبوءات الغريبة من نظرية الكم أيضاُ العديد من أفكار التجارب الشهيرة مثل "قطة Schrodinger’s " التي ابتكرت بواسطة Erwin Schrodinger سنة 1935 . كما أني أذكر في كتابي " Hyperspace" بصفحة 261 : قًدم قط Schrodinger خيالي في صندوق مغلق .. القط يواجه المدفع الذي يرتبط بعداد جايجر وهو بدوره يدور ليرتبط إلى قطعة اليورانيوم ، ذرة اليورانيوم غير مستقرة و ستخضع للاضمحلال الإشعاعي ، ولو تفككت نواة اليورانيوم سوف يلتقطها عداد جايجر ، الذي سيكون بعد ذلك البندقية التي رصاصتها تقتل القط ..ولنقرر سواءً كان القط ميتاً أم حي يجب علينا فتح الصندوق وملاحظة القط ...
مع ذلك .. ما هي حالة القط قبل أن تفتح الصندوق ؟ طبقاً لنظرية الكم ، يمكننا أن نذكر وصف القط بواسطة الموجة التي تصف مبلغ الميتة ليستطيع أن يعيش القط . وفكرة schrodinger من الاعتقاد حول القطط التي لا تموت ولا تعيش كانت جدا سخيفة ،وبالرغم من ذلك البرهان التجريبي لميكانيكا الكم أجبرنا على هذا استنتاج .. في الوقت الحاضر .. كل ما حققته تجارب نظرية ميكانيكا الكم " لذا تبدو نظرية الكم غير معقولة وتنبؤاتها تبدو كشيء من سينما الخيال العلمي ، ومع ذلك فقط شيء صغير جدا تسير عليه : أنها تعمل .
في القرن القادم ، إتقاننا لنظرية الكم سوف يمكننا من تحويل عالمنا جذريا بطرق لم نتخيلها سابقاً ، على سبيل المثال فائقية التوصيل هي معجزة فيزياء الكم و مثال بارز لنا وشيئاً فشيئاً ستتغلب على المادة نفسها .
لو أخذت نظرة في التطورات الجارية للقطارات فائقة السرعة ، ستتمكن من رؤية عالم النقل وسوف يكون مختلف فعليا في المستقبل نتيجة زيادة فهم هذه النظرية . وفي المستقبل سنتمكن أيضاً من إنشاء مواد ذات خصائص جديدة مذهلة لا توجد في الطبيعة . كما أن تعزيز تطور المواد الفوقية أو المواد الصناعية سوف يسمح لنا بإنشاء أشياء كأجهزة التغطية . ويمكن للتطورات الأخرى أن تشمل المواد الزلزالية الفوقية المصممة لمواجهة الآثار السلبية لزلازل الهياكل التي صنعها الإنسان . وإنشاء مانعة صوت رقيقة جدا للحوائط و حتى عدسات فائقة قادرة على التقاط تفاصيل حادة أدنى بكثير من طول موجة الضوء .
كما أننا لا نزال في المراحل الأولى من فهمنا لتطورات هذه المواد الصناعية ، ويبدو أن السطح خدش عليه وبالتالي لا تكون هناك أي أخبار عن ما يخبئه المستقبل لنا .. في العشر السنوات القادمة على الأرجح أن سماع كلمة " كم " سوف تكون قليلة جدا كفهمنا وصغيرة جدا وهي ستساعدنا تقريباً على إحداث ثورة في كل الجوانب التكنولوجية التي نراها اليوم وحتى إنشاء أخرى جديدة ..
بعض الأمثلة على سبيل المثال عن التقنيات التي تعمل حالياً وهي :
حاسبات الكم وهي التي تستفيد مباشرة من ظاهرة ميكانيكا الكم مثل التشابك والتداخل في تنفيذ العمليات على البيانات ، وعلى النقيض من الحاسبات الكلاسيكية التي ذاكرتها مصنوعة من البت الواحد الذي يمثل من واحد إلى صفر (رمز ثنائي ) وكمبيوتر الكم سوف يعمل على ما يسمى بـ " qubits " وفقاً للوكبيديا ، ويمكن أن يمثل ال " qubit" الواحد والصفر أو الحاسم أي تشابك الكم من هذه ، فوق ذلك يمكن لزوج من (qubits ) ان يكون في أي تشابك كمي ل أربعة دول وثلاثة من qubits في أي تشابك كمي لثمانية وهكذا ..
يشير التشابك الكمي إلى خاصية ميكانيكا الكم التي تنص على أن جميع الجزيئات الموجودة في دولة واحدة لا تكون في حالة واحدة ولكن كل جميع الدول من المحتمل أن تكون واحدة . وباختصار ستكون قادرة على تحطيم أي خوارزمية وحل المشاكل الرياضية بسرعة أكبر بكثير وفي نهاية الأمر تشغيلها أسرع بملايين المرات من أجهزة الحواسيب التقليدية .
الكتابة المشفرة الكمية المثال الأكثر شهر (QKD ) والذي يستخدم ميكانيكا الكم لضمان الاتصال الآمن .. وهي تمكن طرفين من إنتاج بت عشوائي مشترك لا يعرفها سواهم والذي يمكن من استخدامها لفك وتشفير الرسايل .
والقائمة تطول على ما يلي : النقاط الكمية ، الأسلاك الكمية أو أنابيب الكربون الكمية الغير منظورة ، بصريات الكم ، الاتصالات ، التخاطر ، المصادم الفضائي ، وطاقة الكم الامحدودة ، ودرجة حرارة غرفة فائقية التوصيل ، تقنية النانو ، وحتى وقت السفر ..
ومن التطبيقات الأخرى التي سوف تسعى إلى التقدم الملحوظ هي تكنولوجيا البطاريات و الألواح الشمسية والتطبيقات الخفية وحتى التقدم في التكنولوجيا الحيوية والأدوية وغير ضروري القول أننا استخدمنا خدوش بعض هذه التقنيات و لدينا والوقت المثالي منهم ، ،
فلدينا ما يثير للاهتمام جدا في المستقبل وينتظرنا ..
Michio Kaku on June 15, 2010, 3:56 PM
"In fact, it is often stated that of all the theories proposed in this century, the silliest is quantum theory. Some say that the only thing that quantum theory has going for it, in fact, is that it is unquestionably correct."
Almost since its inception, the development of quantum theory has been built by some of the greatest minds of their day. Some of the framework for this theory can be traced back to the following discoveries:
•In 1897 the discovery of the electron proved there were individual particles that make up the atom.
•In 1900, the German Physical Society received a presentation by Max Plank on his version of the theory where he made the conjecture that energy was made of individual units which he referred to as quanta. Plank took his version of the quantum theory a step further and derived a universal constant which famously became known as Planck’s constant which is used to describe the sizes of quanta in quantum mechanics. Planck’s constant states that the energy of each quantum is equal to the frequency of the radiation multiplied by the universal constant (6.626068 × 10-34 m2 kg / s).
•In 1905, Albert Einstein theorized that not just the energy but the radiation was also quantized in the very same manner and summarized that an electromagnetic wave such as light could be described by a particle called the photo with a discrete energy dependent on it's frequency.
•Ernest Rutherford discovered that most of the mass of an atom resides in the nucleus in 1911. Niels Bohr refined the Rutherford model by introducing different orbits in which electrons spin around the nucleus.
•In 1924, the development of the principle of wave-particle duality by Louis de Broglie stated that elementary particles of both matter and energy behave, depending on the conditions, like particles or waves.
Many other people have since contributed to the advancement of the theory including Max Born, Wolfgang Pauli and Werner Heisenberg with the development of the Uncertainty Principle to name a few. Needless to say, the quantum theory is a combination of contributions of many great minds of science and thus cannot be attributed to any one individual. In short, the quantum theory allows us to understand the world of the very small and the fundamental properties of matter.
Our deepest understanding of the atomic world comes from the advent of the quantum theory. Having this deep understanding of the various elements of the theory allows us to do much more than just move atoms around or know exactly why things behave the way they do. The theory itself underlies the entire architecture of the world we see today and beyond. It has ultimately allowed us to develop the most advanced technologies to make our lives easier. The marvels of science that we see and use every single day including the Internet, your cell phone, GPS, your email, HD television—all of it—comes from our deep understanding of this theory.This theory offers a very different way to view the world they we live in—one where the simple laws of conventional physics simply don’t apply at all. Quantum theory is so eccentric and peculiar that even Einstein himself couldn’t wrap his head around it. The great physicist, Richard Feynman once stated that “It is impossible, absolutely impossible to explain it in any classical way”.
Some of what quantum theory predicts and states is almost like something out of science fiction. Matter can essentially be in an infinite number of places at any given time; it is possible that there are many worlds or a multiverse; things disappear and reappear somewhere else; you cannot simultaneously know the exact position and momentum of an object; and even quantum entanglement (Einstein referred to it as spooky action at a distance) where it’s possible for two quantum particles to link together effectively making them part of the same entity or entangled. Even if these particles are separated, a change in one is ultimately and instantly reflected in it’s counterpart. At the end of the day, the world of entanglement caused physicists like Einstein to both dislike the predictions and feel nothing more as if their were serious errors in the calculations. As Einstein once wrote: "I find the idea quite intolerable that an electron exposed to radiation should choose of its own free will, not only its moment to jump off, but also its direction. In that case, I would rather be a cobbler, or even an employee in a gaming house, than a physicist".
The strange predictions of quantum theory also prompted many famous "thought" experiments such as "Schrodinger’s Cat" devised by Erwin Schrodinger in 1935. As I state in my book "Hyperspace," on page 261: “Schrodinger placed an imaginary cat in a sealed box. The cat faces a gun, which is connected to a Geiger counter, which in turn is connected to a piece of uranium. The uranium atom is unstable and will undergo radioactive decay. If a uranium nucleus disintegrates, it will be picked up by the Geiger counter, which will then trigger the gun, whose bullet with kill the cat. To decide whether the cat is dead or alive, we must open the box and observe the cat. However, what is the state of the cat before we open the box? According to quantum theory, we can only state that the cat is described by a wave function that describes the sum of a dead can and live cat. To Schrodinger, the idea of think about cats that are neither dead nor alive was the height of absurdity, yet nevertheless the experimental confirmation of quantum mechanics forces us to this conclusion. At present, every experiment has verified quantum theory.” So quantum theory sounds preposterous and its predictions seem to be something out of a science fiction movie. Yet it has only tiny thing going for it: It works.
In the coming century, mastering the quantum theory will enable us to radically transform our world in ways previously thought unimaginable. Superconductors, for example, are a miracle of quantum physics and they are an outstanding example of us gradually becoming masters of matter itself. If you take a look at the ongoing advancements of Maglev trains, you can see that the world of transportation will be substantially different in the future as a result of our increased understanding of this theory. In the future we will also create materials with amazing new properties not found in nature. The furthering development of meta-materials or artificial materials will allow us to create things like cloaking devices. Other developments could include seismic meta-materials designed to counteract the adverse effects of seismic waves on man-made structures; the creation of ultra-thin sound-proof walls; and even super-lenses capable of capturing sharp details far below the wavelength of light. As we are still only in the early stages of understanding the development of these artificial materials, it appears that the surface has a merescratch on it so there is no telling what the future holds.
In the coming decades, you will most likely be hearing the word "quantum" quite a bit as our understanding of very small is helping us revolutionize virtually every aspect of technology we see today and even creating entirely new ones. Some examples of technologies that we are currently working on but not limited to are:
-- Quantum Computing which is making direct use of the quantum mechanical phenomena, such as superposition and entanglement to perform operations on data. In contrast with a classical computer which has memory made of bits where each bit represents a one or a zero (binary code), a quantum computer will operate on what is called "qubits." According to Wikipedia, a single qubit can represent a one, a zero, or, crucially, any quantum superposition of these; moreover, a pair of qubits can be in any quantum superposition of 4 states, and three qubits in any superposition of 8 and so on. Superposition refers to the quantum mechanical property which states that all particles exist in not one state but all possible states at once. In short, a quantum computer will essentially be able to crack any algorithm, solve mathematical problems much more quickly and ultimately operate millions of times faster than conventional computers.
-- Quantum Cryptography whose most famous example (quantum key distribution or QKD) which uses quantum mechanics to guarantee secure communication. It enables two parties to produce a shared random bit string known only to them, which can be used as a key to encrypt and decrypt messages.
The list goes on an on an on: Quantum Dots; Quantum Wires or Carbon Nanotubes; Metamaterials; Invisibility; Quantum Optics; Teleportation; Communication; Space Elevators; Limitless Quantum Energy; Room Temperature Superconductors; Personal Fabicators; Nanotechnology and even Time Travel. Other applications that will strive are advances in battery technology; solar panels; stealth applications; and even advances in biotechnology and medicine. Needless to say, we have only scratched the surface of some of these technologies and time will perfect them. We've got a very interesting future ahead of us....
To be continued..
بقلم البروفسيور ميشو كاكو
ترجمة : ايمان عبدو
العالم الغريب والعجيب من نظرية الكم
وكيف نفهم في النهاية أنها غيرت حياتنا ؟؟
في الواقع ، دائماً ما يصرح بأن من كل النظريات المقترحة في هذا القرن تعتبر نظرية الكم هي الأسخف ، كما يقول البعض بأن بعض الأشياء لنظرية الكم تعود لها وفي الواقع هو أن ذلك صحيح بما لاشك فيه ..
تطورت نظرية الكم تقريبا منذ نشأتها وتأسست منذ ذلك الحين بواسطة عقول عظيمة .. ويمكننا في إطار هذه النظرية أن نرجع لبعض الاكتشافات التالية :
ـ في عام 1897 أثبت اكتشاف الإلكترون وجود الجزئيات الفردية التي تتشكل منها الذرة .
ـ في عام 1900 استقبلت الجمعية الألمانية المادية عرض قدمه " ماكس بلانك " عن روايته في النظرية حيث أدلى بحدسه لتلك الوحدات الفردية من القوى التي يشار إليها بكونتا ، وأخذت رواية بلانك خطوات أبعد ومستمدة بنظام عالمي ثابت والتي تعرف باسم نظام بلانك ، وهي التي أصبحت تستخدم لوصف أحجام الكميات في ميكانيكا الكم ، "نظام بلانك الدولي" هو أن الطاقة من كل كمية متساوية لتردد الإشعاعات مضروباً في النظام العالمي الثابت (6.626068 × 10-34 m2 kg / s) .
ـ في عام 1905 نظر ألبرت إنيشتاين أن الطاقة ليست هي فقط التي تستطيع تحجيمها لكن أيضاً الإشعاعات تحجم بنفس الأسلوب وتلخص بأن الموجات الكهرومغناطيسية مثل الضوء نستطيع وصفها وتسمى الصورة مع الطاقة المنفصلة والتي تتبعها على أنها تردد ..
ـ في سنة 1911اكتشف "Ernest Rutherford" أن معظم كتلة الذرة متواجدة في النواة ، و كرر"Niels Bohr " نموذج " Rutherford " بإدخال مدارات مختلفة في الالكترونات التي تدور حول النواة ..
ـ في عام 1924 ذُكر التطور الرئيسي في موجة الجسيمات المزدوجة بواسطة "Louis de Broglie" حيث أشار إلى أن الجسيمات الأولية تصرف من كل من المادة والطاقة المعتمدة على بعض الحالات مثل الجسيمات أو الموجات ..
العديد من الأشخاص ساهموا في تطوير النظرية بما في ذلك "Max Born" ، "Wolfgang Pauli" ، "Werner Heisenberg" مع الأخذ بمبدأ عدم اليقين لا الحصر . وليس بالضرورة القول أن نظرية الكم هي مزيج من مساهمات العديد من أفكار العلماء وبالتالي لا يمكن أن ننسبها لأي فرد واحد .. باختصار نظرية الكم تسمح لنا بفهم العالم الصغير جدا وخصائص المادة الأساسيــة .
فهمنا العميق عن العالم الذري يأتي من نظرية الكم وبعد هذا الفهم العميق لمختلف عناصر النظرية يسمح لنا بأن نفعل أكثر بكثير من تحريك أو تحويل الذرات بأن نعرف لماذا الأشياء تتصرف بالطريقة التي يفعلونها..
النظرية نفسها ترتكز عليها بنية كاملة من العالم الذي نراه اليوم وما بعده .. كما أنها تسمح لنا في النهاية بالتطور والتقدم في التكنولوجيا لتجعل حياتنا أسهل .. وتتضمن عجائب العلوم التي نراها ونستخدمها في كل يوم " الإنترنت ، والهواتف النقالة ، ونظام تحديد المواقع ، وبريدك الالكتروني ، والتلفزيون جميعها يأتي من فهمنا العميق لهذه النظرية .. تُقدم النظرية بطرق مختلفة جدا لمشاهدة العالم الواحد الذي نعيش فيه حيث القوانين الفيزيائية التقليدية البسيطة لا تنطبق على الجميع .
إن نظرية الكم هي حالة غريبة وخاصة حتى أن اينشتاين أيضاً بنفسه لم يستغرق بأفكاره حولها ، ذات مرة أعلن العالم الفيزيائي الكبير " Richard Feynman" أنه من المستحيل بكل تأكيد من المستحيل تماماً تفسيرها بأي طريقة كلاسيكية " ..
بعضاً مما تتنبأ به نظرية الكم والدول هو تقريبا ما يشبه الخيال العلمي .. و من المحتمل أن هناك العديد من الأشياء في العالم أو الأكوان المتعددة تتلاشي وتختفي ثم تعود إلى الظهور في بعض الأماكن الأخرى ، ولا يمكنك في نفس الوقت معرفة الموقف المضبوط والقوة الدافعة لهذا الشيء و التشابك الكمي ( حتى اينشتاين أشار إليها كسلوك شبحي مخيف على مسافة ) حيث أنه من الممكن لجزيئات كميتين بربطهما فعليا أن نجعلهم جزاءً من كيان واحد أو متشابك .. أيضاً لو هذه الجزيئات انفصلت ستحدث تغير واحد في نهاية المطاف و سينعكس ذلك فوراً في نظيره ..
في نهاية اليوم ، تشابُك العالم جعل الفيزيائيون أمثال انشتاين ممن يكرهون التوقعات و ويشعرون بشيء آخر مثلاً إذا كانت هناك أخطاء جسيمة في الحسابات كما كتب ذات مرة انشتاين : "وجدت أن فكرة الإلكترون المعرض للإشعاع ووجوب اختيار واحد منها بمحض إرادتها لا تحتمل تماماً ليس فقط في لحظة انتقالها لكن أيضا في لحظة توجيهها .. أود في هذه الحالة لو أكون اسكافي أو حتى أجيراً في منزل ألعاب غير عالم فيزيائي " .
حثت النبوءات الغريبة من نظرية الكم أيضاُ العديد من أفكار التجارب الشهيرة مثل "قطة Schrodinger’s " التي ابتكرت بواسطة Erwin Schrodinger سنة 1935 . كما أني أذكر في كتابي " Hyperspace" بصفحة 261 : قًدم قط Schrodinger خيالي في صندوق مغلق .. القط يواجه المدفع الذي يرتبط بعداد جايجر وهو بدوره يدور ليرتبط إلى قطعة اليورانيوم ، ذرة اليورانيوم غير مستقرة و ستخضع للاضمحلال الإشعاعي ، ولو تفككت نواة اليورانيوم سوف يلتقطها عداد جايجر ، الذي سيكون بعد ذلك البندقية التي رصاصتها تقتل القط ..ولنقرر سواءً كان القط ميتاً أم حي يجب علينا فتح الصندوق وملاحظة القط ...
مع ذلك .. ما هي حالة القط قبل أن تفتح الصندوق ؟ طبقاً لنظرية الكم ، يمكننا أن نذكر وصف القط بواسطة الموجة التي تصف مبلغ الميتة ليستطيع أن يعيش القط . وفكرة schrodinger من الاعتقاد حول القطط التي لا تموت ولا تعيش كانت جدا سخيفة ،وبالرغم من ذلك البرهان التجريبي لميكانيكا الكم أجبرنا على هذا استنتاج .. في الوقت الحاضر .. كل ما حققته تجارب نظرية ميكانيكا الكم " لذا تبدو نظرية الكم غير معقولة وتنبؤاتها تبدو كشيء من سينما الخيال العلمي ، ومع ذلك فقط شيء صغير جدا تسير عليه : أنها تعمل .
في القرن القادم ، إتقاننا لنظرية الكم سوف يمكننا من تحويل عالمنا جذريا بطرق لم نتخيلها سابقاً ، على سبيل المثال فائقية التوصيل هي معجزة فيزياء الكم و مثال بارز لنا وشيئاً فشيئاً ستتغلب على المادة نفسها .
لو أخذت نظرة في التطورات الجارية للقطارات فائقة السرعة ، ستتمكن من رؤية عالم النقل وسوف يكون مختلف فعليا في المستقبل نتيجة زيادة فهم هذه النظرية . وفي المستقبل سنتمكن أيضاً من إنشاء مواد ذات خصائص جديدة مذهلة لا توجد في الطبيعة . كما أن تعزيز تطور المواد الفوقية أو المواد الصناعية سوف يسمح لنا بإنشاء أشياء كأجهزة التغطية . ويمكن للتطورات الأخرى أن تشمل المواد الزلزالية الفوقية المصممة لمواجهة الآثار السلبية لزلازل الهياكل التي صنعها الإنسان . وإنشاء مانعة صوت رقيقة جدا للحوائط و حتى عدسات فائقة قادرة على التقاط تفاصيل حادة أدنى بكثير من طول موجة الضوء .
كما أننا لا نزال في المراحل الأولى من فهمنا لتطورات هذه المواد الصناعية ، ويبدو أن السطح خدش عليه وبالتالي لا تكون هناك أي أخبار عن ما يخبئه المستقبل لنا .. في العشر السنوات القادمة على الأرجح أن سماع كلمة " كم " سوف تكون قليلة جدا كفهمنا وصغيرة جدا وهي ستساعدنا تقريباً على إحداث ثورة في كل الجوانب التكنولوجية التي نراها اليوم وحتى إنشاء أخرى جديدة ..
بعض الأمثلة على سبيل المثال عن التقنيات التي تعمل حالياً وهي :
حاسبات الكم وهي التي تستفيد مباشرة من ظاهرة ميكانيكا الكم مثل التشابك والتداخل في تنفيذ العمليات على البيانات ، وعلى النقيض من الحاسبات الكلاسيكية التي ذاكرتها مصنوعة من البت الواحد الذي يمثل من واحد إلى صفر (رمز ثنائي ) وكمبيوتر الكم سوف يعمل على ما يسمى بـ " qubits " وفقاً للوكبيديا ، ويمكن أن يمثل ال " qubit" الواحد والصفر أو الحاسم أي تشابك الكم من هذه ، فوق ذلك يمكن لزوج من (qubits ) ان يكون في أي تشابك كمي ل أربعة دول وثلاثة من qubits في أي تشابك كمي لثمانية وهكذا ..
يشير التشابك الكمي إلى خاصية ميكانيكا الكم التي تنص على أن جميع الجزيئات الموجودة في دولة واحدة لا تكون في حالة واحدة ولكن كل جميع الدول من المحتمل أن تكون واحدة . وباختصار ستكون قادرة على تحطيم أي خوارزمية وحل المشاكل الرياضية بسرعة أكبر بكثير وفي نهاية الأمر تشغيلها أسرع بملايين المرات من أجهزة الحواسيب التقليدية .
الكتابة المشفرة الكمية المثال الأكثر شهر (QKD ) والذي يستخدم ميكانيكا الكم لضمان الاتصال الآمن .. وهي تمكن طرفين من إنتاج بت عشوائي مشترك لا يعرفها سواهم والذي يمكن من استخدامها لفك وتشفير الرسايل .
والقائمة تطول على ما يلي : النقاط الكمية ، الأسلاك الكمية أو أنابيب الكربون الكمية الغير منظورة ، بصريات الكم ، الاتصالات ، التخاطر ، المصادم الفضائي ، وطاقة الكم الامحدودة ، ودرجة حرارة غرفة فائقية التوصيل ، تقنية النانو ، وحتى وقت السفر ..
ومن التطبيقات الأخرى التي سوف تسعى إلى التقدم الملحوظ هي تكنولوجيا البطاريات و الألواح الشمسية والتطبيقات الخفية وحتى التقدم في التكنولوجيا الحيوية والأدوية وغير ضروري القول أننا استخدمنا خدوش بعض هذه التقنيات و لدينا والوقت المثالي منهم ، ،
فلدينا ما يثير للاهتمام جدا في المستقبل وينتظرنا ..
