حتى القرن العشرين بقيت فيزياء المواد محكومة بأفكار وقوانين إسحق نيوتن التي كوّنت مع إسهامات كثير من العلماء البارزين الآخرين طوال قرنين بعده، أساس الميكانيك العادي. تصف هذه القوانين بدقة نسبياً جميع أنواع الحركة التي تستطيع رؤيتها في سُلَّم المقاسات الكبيرة، ومن أمثلتها حركة السيارة، ومفعول الثقالة ومسار كرة القدم المقذوفة. لكن عندما يدرس الفيزيائيون البني الصغيرة جداً في سُلَّم المقاسات النانوية أو في ما دونه تُخفق بعض القواعد الموجودة في الفيزياء العادية في العمل وفقا للمتوقع منها. فالذرّات لا تتصرف تماماً كمنظومات شمسية ضئيلة، وتُبدي الإلكترونات كلاً من الخواص الموجية والجُسيمية. وبسبب هذه الاكتشافات والكثير غيرها استعيض عن بعض أفكار الميكانيك العادي أو جرى استكمالها بنظرية أحدث تُسمّى الميكانيك الكمومي quantum mechanics.

ينطوي الميكانيك الكمومي على مجموعة من الأفكار الأنيقة المثيرة الاستفزازية. لكن فيما يخص أغراضنا هنا سوف نقتصر على بضع ملاحظات ذات مغزى ضرورية لنا. أولاً، وفي هذا السلَّم الصغير جداً من المقاسات، لا يمكن إضافة الطاقة والشحنة باستمرار إلى المادة بل على شكل أجزاء صغيرة. تُسمى هذه الأجزاء كمات quanta إذا كانت تخصّ الطاقة، وهي وحدات الشحنة الكهربائية في حالة الشحنة. فتغيير شحنة شاردة مثلاً يمكن أن يحصل فقط بإضافة أو إزالة إلكترونات. لذا تكون شحنة الشاردة مكمَّمة (متزايدة أو متناقصة) بمقدار شحنة إلكترون واحد وليس ثمة طريقة لإضافة أو إزالة نصف إلكترون.

لا تقدم لنا الحياة اليومية أمثلة كثيرة على السلوك الكمومي. فالتيار الكهربائي يبدو مستمراً، ومقدار الطاقة التي يُمكن إضافتها إلى كرة قدم بركلة أو إلى كرة بلياردو بنقرة عصا تبدو متغيّرة تغيراً مستمراً: كلما كانت الدفعة أقوى تحركت الكرة بسرعة أكبر. ومع ذلك ثمة بعض الأشياء المكممة في حياتنا اليومية. والنقود من الأمثلة الجيّدة على ذلك، إذ لا يمكنك تجزئة البنس، أما في حالة المبالغ التي هي أكبر من بنس واحد فيمكن دائماً (نظرياً) العثور على نقود أصغر قيمة لإجراء استبدال تام.

إن كثيراً من القواعد الأساسية التي تحدد سلوك البنى النانوية هي أوجه مختلفة لقوانين الميكانيك الكمومي. ومن الأمثلة على ذلك مسائل من قبيل الحدود الدنيا لمقاس السلك التي يبقى عندها قادراً على نقل الشحنة الكهربائية، أو مقدار الطاقة الذي يجب وضعه في جُزَيء قبل أن يغير حالة شحنته أو يسلك سلوك عنصر ذاكرة.

مواضيع ذات صلة

Equipartition and the quantum oscillator

philosophical implications of quantum mechanics

Crystal diffraction

Measurement of position and momentum

Probability wave amplitudes

The uncertainty principle

First principles of quantum mechanics

Watching the electrons

An experiment with electrons

An experiment with waves

An experiment with bullets

Chance and likelihood