حالات الفوتونات والإلكترونات المتصلة بالهندسة

1997 عجائب الضوء والمادة تجريباً وتأويلاً

KFAS

حالات الفوتونات الإلكترونات الفيزياء

واقع الأمر أن الفوتونات تتخذ أربع حالات مختلفة ، تسمى استقطابات ، وتتصل هندسياً باتجاهات محاور الزمكان.

يوجد إذن فوتونات مستقطبة وفق الاتجاهات T,Z,Y,X. (ربما كنتم قد قرأتم، قبل الآن وفي كتاب ما ، أن الضوء ليس له سوى حالتين استقطابيتين – إن الفوتون الذاهب باتجاه Z ، مثلاً ، يمكن أن يكون مستقطباً عرضانياً باتجاه X أو باتجاه Y.

حسناً ولكنكم تتوقعون ما يلي: عندما يقطع الفوتون مسافة كبيرة ويبدو ذاهباً بسرعة الضوء، فإن سعتي الحدين T,Z  تُعدِّل إحداهما الأخرى. أما في حال الفوتونات الوهمية، الذاهبة في الذرة من بروتون إلى الكترون، فإن إسهام T هو الأعظم).

وللإلكترون، على غرار ذلك، أربع حالات لها أيضاً صلة بالهندسة،  لكنها صلة أكثر عمقاً. لنرمز لهذه الحالات ب 1 ،2 ،3 ،4 .

إن حساب سعة مرور الإلكترون من نقطة A إلى نقطة B في الزمكان تتعقد ، بسبب بروز أسئلة من النوع : ((ما هي سعة أن يذهب فوتون ، هو في الحالة 1 ،  من A ويصل إلى B وهو في الحالة 2 ؟)) إن التراكيب الثنائية، بهذا الصدد والتي عددها ستة عشر – الآتية من أربع حالات بدئية متاحة للإلكترون وهو في A وأربع حالات نهائية متاحة وهو في B – تدخل بشكل رياضي بسيط في الوصفة التي تعطي E (A إلى B) الذي تكلمت عنه.

 

لكن هذا النوع من التحوير غير ضروري من أجل الفوتون. فالفوتون المستقطب باتجاه X وهو في ظل A يظل مستقطبا باتجاه X وهو في B، حيث سعة وصوله  P(A إلى B).

إن الاستقطاب يولَّد عدداً من الاقترانات المتاحة المختلفة . إذ يمكن مثلا أن نتساءل: ((ما سعة أن يمتص الكترون في الحالة 2 فوتوناً مستقطباً باتجاه X ليصبح إلكتروناً في الحالة 3؟))

إن هذه التراكيب المتاحة، من إلكترونات وفوتونات مستقطبة، لا تنفصم كلها، لكنها عندما تنفصم تفعل ذلك بالسعة نفسها j مصحوبة أحياناً بتدوير إضافي للسهم قيمته أضعاف 90°.

نستطيع أن نستنتج ، بأناقة بالغة ،  كل هذه الإمكانات من أجل شتى أنواع الاستقطاب ، وكذلك نوع اقتراناتها، انطلاقاً من مبادئ الإلكتروديناميك الكمومي ومن فرضيتين إضافيتين هما : 1) إن تدوير كامل العتاد التجريبي، ليتخذ اتجاهاً آخر، لا يؤثر في نتائج التجربة ، 2) إن إجراء التجربة بعتادها في مركبة فضائية متحركة بسرعة ثابتة لا يؤثر في نتائجها (مبدأ النسبية relativity).

 

إن هذا التحليل الأنيق، والعام جدا، يدل على أن كل جسيم يجب أن ينتظم في أحد أصناف الاستقطاب الممكنة، وأصناف الاستقطاب هي: سبين spin O ، سبين 2/1 ، سبين 2/3 ، سبين 2 ، وهكذا دواليك .

وأبسطها الجسيمات ذات السبين الصفري ، فليس للجسيم منها سوى مركبة واحدة ، والواقع أنها ليست مستقطبة بالمرة. (إن الإلكترونات والفوتونات الوهمية التي تناولناها في هذه المحاضرة هي جسيمات ذات سبين صفرى . ونحن لم نعثر قط حتى اليوم على جسيم أساسي ذي سبين صفري).

والإلكترون الحقيقي مثال على جسيم سبينه 2/1 ، والفوتون الحقيقي جسيم سبينه 1. وللجسيمات التي سبينها 2/1 ، كتلك التي سبينها 1 ، أربع مُركِّبات. أما الجسيمات الأخرى فلها مركبات أكثر، عشر مثلاً للجسيمات التي سبينها 2 .

ذكرتُ أن العلاقة بين النسبية والاستقطاب بسيطة وأنيقة، لكني غير واثق من أن أستطيع شرحها لكم ببساطة وأناقة! (يلزمني من أجل ذلك إضافة محاضرة أخرى على الأقل). ورغم أن تفاصيل الاستقطاب ليست ضرورية لفهم روح الإلكتروديناميك الكمومي وطبعه، إلا أنها جوهرية لإجراء الحساب المضبوط لعملية حقيقية، ولها في معظم العمليات آثار عميقة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]