Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

المترجم: ahmed turk المدقّق: Anwar Dafa-Alla

One of the most amazing facts in physics is this:

واحدة من أروع الحقائق في الفيزياء هي:

كل عنصر في الكون بدءاً من الضوء إلى الإلكترونات وحتى الذرات،

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

تسلك سلوك الجسيم والموجة في نفس الوقت

وكل الاشياء الغريبة التي سمعت عنها في فيزياء الكم،

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

قط شرونغر، الإله يلعب النرد، الارتباط المريب عن بعد

all of it follows directly from the fact

كل هذه منبثقة من حقيقة

that everything has both particle and wave nature.

أن كل العناصر لها طبيعة جسيم وموجة

This might sound crazy.

ربما هذا يبدو جنونا.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

إذا نظرت حولك، سترى موجات في المياه وقطع من الحجر

and they're nothing alike.

وهما لايتشابهان أبدا.

So why would you think to combine them?

اذا لماذا التفكير في الجمع بينهما؟

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

لم يقرر الفيزيائيون فجأة الجمع بين هذه الأشياء معا من العدم

Rather, they were led to the dual nature of the universe

في الواقع، كانوا منساقين نحو طبيعة الكون المزدوجة

through a process of small steps,

من خلال عمليه مكونه من خطوات بسيطه

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

جامعة الكثير من الأدلة معًا، مثل أجزاء الأحجية

The first person to seriously suggest the dual nature of light

الشخص الأول الذي اقترح جديًا الطبيعة المزدوجة للضوء

was Albert Einstein in 1905,

كان ألبرت أينشتاين سنة 1905،

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

ولكنه كان يسترجع فكره سابقه من ماكس بلانك.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

بلانك فسّر ألوان الضوء المنبعثة من الأجسام الساخنة

like the filament in a light bulb,

مثل السلك الكهربائي داخل المصباح،

but to do it, he needed a desperate trick:

لكن لفعل ذلك، احتاج لخدعه يائسة:

he said the object was made up of oscillators

قال بأن الجسم يتكون من مجموعة من المتذبذبات

that could only emit light in discrete chunks,

والتي تبعث الضوء بكميات محدده فقط

units of energy that depend on the frequency of the light.

وحدات من الطاقة معتمدة على تردد الضوء

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

بلانك لم يكن سعيدًا بذلك التفسير، ولكن أينشتين التقط الفكره وانطلق منها.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

وطبّق فكرة بلانك على الضوء ذاته، قائلاً بأن الضوء،

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

والذي كان يعرف الجميع بأنه موجه، هو في الحقيقة سيل من الفوتونات،

each with a discrete amount of energy.

كل منها لها كم محدد من الطاقة.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

أينشتاين بنفسه أطلق عليها الفكرة الثورية الوحيدة التي قام بها

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

ولكنها تفسر الطريقة التي يحرر بها الضوء الساقط على المعادن الإلكترونات

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

حتى الأشخاص الذين كرهوا الفكره اتفقوا أنها ناجحة بشكل عبقري

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

الجزء التالي من الأحجية جاء من إرنست راذرفورد في إنجلترا

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

في 1909، إرنست مارسدن وهانز جايجر، والذان كانا يعملان لدى راذرفورد،

shot alpha particles at gold atoms

أطلقا جسيمات ألفا على ذرات الذهب

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

وكانوا مذهولين لاكتشاف أن بعضها كان يرتد للخلف تمامًا

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

هذا يشير لأن معظم كتلة الذره متركزة في نواه صغيره.

The cartoon atom you learn in grade school,

شكل نموذج الذره الذي تتعلمه في المدرسة الابتدائية

with electrons orbiting like a miniature solar system,

والذي تدور فيه الإلكترونات كنظام شمسي مصغر،

that's Rutherford's.

هذه فكرة راذرفورد.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

هناك مشكلة صغيرة في ذرة راذرفورد: لا يمكنها أن تعمل بهذا الشكل

Classical physics tells us that an electron

الفيزياء الكلاسيكية تخبرنا بأن الإلكترون

whipping around in a circle emits light,

المتحرك بشكل دائري يبعث الضوء

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

ونحن نستخدم هذا دائمًا لتوليد موجات الراديو وال X-rays

ذرة راذرفورد لابد أن تنشر ال X-ray في جميع الجهات للحظه وجيزه

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

وذلك قبل أن يدور الإلكترون حلزونيًا مصطدمًا بالنواة.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

ولكن نيلز بور، عالم الفيزياء النظرية الدنماركي والذي عمل مع راذرفورد

pointed out that atoms obviously exist,

أشار الى أن الذرات موجودة بوضوح،

so maybe the rules of physics needed to change.

وعليه فعلى الأرجح علينا تغيير قوانين الفيزياء

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

اقترح بور أن الإلكترون في مدارات مخصصه ومحدده

doesn't emit any light at all.

لا يبعث أي ضوء مطلقًا.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

الذرات تمتص وتبعث الضوء فقط عندما يغير الإلكترون مداره،

and the frequency of the light depends on the energy difference

وتردد الضوء يعتمد على الفرق في الطاقة

in just the way Planck and Einstein introduced.

بالطريقة التي قدّمها بلانك وأينشتاين

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

ذرة بور قامت بحل مشكلة راذرفورد

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

وفسّرت لماذا تطلق الذرات ألوانًا محددةً من الضوء فقط

كل عنصر يمتلك مداراته المميزة،

Each element has its own special orbits,

and thus its own unique set of frequencies.

وعليه فإنه يمتلك مجموعة الترددات المميزه له

The Bohr model has one tiny problem:

نموذج بور كان به مشكلة واحدة صغيرة

there's no reason for those orbits to be special.

ليس هناك الحاجه لتكون تلك المدارات مميزة.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

لكن لويس دي بروي، طالب دكتوراه فرنسي،

brought everything full circle.

قام بتجميع الافكار منذ البدايه

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

فقد أشار الى أنه إذا كان الضوء، والذي عرف الجميع أنه موجه

behaves like a particle,

يتصرف كجسيم،

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

فمن المحتمل أن الإلكترون، والذي عرف الجميع أنه جسيم

behaves like a wave.

يتصرف كموجه.

And if electrons are waves,

وإذا كانت الإلكترونات موجات،

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

فمن السهل تفسير نظرية بور في اختيار مدارات مميزه.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

بمجرد أن تدرك فكرة أن الإلكترونات تتصرف كالأمواج

you can go look for it.

يمكنك البحث عنها.

And within a few years, scientists in the US and UK

وخلال سنوات قليله، قام علماء من الولايات المتحدة والمملكة المتحدة

had observed wave behavior from electrons.

بملاحظة السلوك الموجي للإلكترونات

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

في هذه الأيام لدينا تجربة واضحة بشكل رائع لذلك:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

إطلاق إلكترون منفرد نحو حاجز به شقوق طوليه

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

كل الكترون تم رصده في مكان محدد في وقت محدد،

like a particle.

مثل الجسيم.

But when you repeat the experiment many times,

ولكن عندما تكرر التجربة عددًا من المرات،

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

كل تلك الإلكترونات المنفردة تترك أثرًا من الخطوط المتوازية ذات النمط المحدد،

characteristic of wave behavior.

والتي هي صفة مميزه للسلوك الموجي.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

فكرة أن الجسيمات تسلك سلوك الموجات، والعكس،

is one of the strangest and most powerful in physics.

هي واحدة من أغرب وأقوى الظواهر في الفيزياء

Richard Feynman famously said

ريتشارد فاينمان قال جملته الشهيرة

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

بأن ذلك يوضح قلب الغرابه لميكانيكا الكم.

Everything else follows from this,

كل شيء آخر يتبع ذلك،

like pieces of a puzzle falling into place.

مثل أجزاء الأحجية توضع في مكانها الصحيح.