"أي شخص قرأ نظرية الكم ولم تصبه الدهشة فهو لم يفهمها"

العالم والفيزيائي الدنماركي نيلز بور

    

في هذه الحياة ثمة عالم مذهل، حيث كل ما نتصوره حول الكون، وما ندركه حول الطبيعة خاطئ، وحيث أعادت قوانين هذا العالم طريقة فهمنا للواقع بشكل جديد، ومدهش: إنها قوانين الكم في العالم الصغروي أو ما تحت المجهري. إن قوانين هذا العالم على غرابتها إلا أنها ليست تخيلات أو هرطقات أو مدونات شعرية لا تسمن في دنيا العلم ولا تغني من جوع، بل هي حقائق أكدتها المعادلات الرياضية والتطبيقات العملية في شتى مجالات الحياة، من الهواتف الذكية والترنزستورات، مرورًا بالتصوير عن طريق الرنين المغناطيسي، وصولًا إلى الحواسيب الكمية. على الرغم من ذلك، ما انفكت فيزياء الكم أن توجه الضربة تلو الأخرى لحس البداهة والمنطق السليم، حيث إنها تتحدى المنطق الأرسطي بركائزه الثلاثة.

  

بدأت القصة عندما ظهرت بعض الإشكاليات والظواهر الطبيعية التي لم تستطع قوانين الفيزياء الكلاسيكية من تفسيرها. من هذه الظواهر أنه عندما يتم تسخين أنبوب من الغاز فستنطلق منه طاقة على شكل توهج ضوئي وحرارة. وعند تحليل هذا الأنبوب على موشور، فإننا سنرى مجموعة منفصلة من الألوان وهو ما يخالف السائد آنذاك بأن الطاقات المنبعثة من الأجسام تخرج باستمرار وتواصل. جاء العالم الألماني الفذ ماكس بلانك ليثبت أن تلك الطاقات تنبعث من الأجسام في شكل وحدات أو «كم» معين يمكن قياسه بمعادلة أنيقة: الطاقة تساوي ثابت بلانك في التردد.

  

ترتكز النظرية الكمومية على مفهومين أساسيين: الأول هو مفهوم التراكب، والذي يعني أن الجُسيم يمكن أن يأخذ حالتين أو أكثر في نفس الوقت، وأن عملية القياس أو الرصد هي التي تدفعه لأن يأخذ حالة واحدة لا غير، فالإلكترون مثلًا يمكن أن يتواجد في أكثر من مكان في نفس الوقت، وعندما نقوم برصده ستختفي كل الاحتمالات، وسيتعيّن الإلكترون في مكان واحد. بالنسبة لنيلز بور فالقياس يغير كل شيء، فهو الذي يجبر الجسيم على التخلي عن كل الأماكن المحتمل أن يكون فيها، وأن يختار مكانًا محددًا حيث ستجده.

 

لكن ألبرت أينشتاين لم يقتنع بهذه المقاربة ورفضها بشدة، وقال جملته الشهيرة: ألا يتواجد القمر في مكانه عندما لا أنظر إليه؟ حاول العالم النمساوي إرفين شرودنجر شرح ما توصل إليه بور عن طريق تجربة ذهنية شهيرة تدعى قطة شرودنجر. تخيل أنه قد تم وضع قطة داخل صندوق، ومعها جهاز يصل بين مادة مشعة وغاز السيانيد السام، عندما تتحلل المادة المشعة فسوف ينطلق الغاز السام ويقتل القطة. الآن سنغلق الصندوق، وسنتساءل قبل فتحه هل القطة حية أم ميتة؟ في مجال الحس المشترك والمنطق السليم، فإن القطة إما أن تكون حية، وإما أن تكون ميتة، أما في عالم الكم فإن القطة ستكون في حالة تراكب أي أنها حية وميتة في نفس الوقت من خلال تراكب بين دالتين موجتين: الأولى (الذرة لا تتحلل/ القطة حية)، والدالة الموجية للحالة الأخرى (الذرة تتحلل/ القطة ميتة). وعندما نفتح الصندوق ونشاهد ونرصد داخله، فإن الدالة الموجية ستنهار وستأخذ حالة واحدة إما حية وإما ميتة.

   

  

المفهوم الثاني الذي ترتكز عليه النظرية الكمومية، والذي استمر معه الاختلاف بين بور واينشتاين هو مفهوم التشابك الكمي، أي أن جزيئين من نفس المنشأ يترابطان ويتشابكان ببعضهما، وتصبح خواصهما مرتبطة، حتى لو قمت بفصلهما عن بعضهما فإن الترابط يبقى قائمًا. فالإلكترونات تتميز بحركة مغزلية تعرف بالـ «Spin» حيث يقوم الإلكترون بالدوران في حالة تراكب عكس عقارب الساعة، ومع عقارب الساعة في نفس الوقت، وعندما نقوم بقياسه فإنه يختار اتجاهًا واحدًا للدوران، والغريب أن الإلكترون الثاني المترابط مع الأول يأخذ مباشرة الاتجاه الآخر مهما كانت المسافة بينهما بعيدة، أي لو افترضنا أن الإلكترون «أ» موجود على كوكب الأرض، وهو مترابط مع الإلكترون «ب» الموجود على القمر، سيكون الإلكترونان في حالة تراكب أي أنهما سيدوران مع عقارب الساعة وعكسها في نفس الوقت.

 

الآن سنقوم برصد الإلكترون «أ»، فسيأخذ حالة واحدة ولنفترض أنه اختار أن يدور مع عقارب الساعة، عندها وبشكل مباشر وتلقائي سيختار الإلكترون «ب» الموجود على القمر أن يدور عكس عقارب الساعة لأنه متشابك مع الإلكترون «أ». لكن كيف يحدث ذلك؟ كيف أثر الإلكترون «أ» في الإلكترون «ب» بهذه السرعة وهذه الكيفية، دون أن يكون بينهما أية أسلاك أو أدوات اتصال؟ بالنسبة لبور، يمكن تشبيه ذلك بقطعتي نقود معدنيتين «كالتي يتسعملها حكام كرة القدم في تحديد قرعة البداية»، كل قطعة مؤلفة من وجهين: الطرة والنقش، القطعتان تدوران في مكانين مختلفين. الآن عندما نوقف القطعة الأولى على الطرة، وبما أن القطعتين مرتبطتان تشابكيًّا مع بعضهما، فإن القطعة الثانية ستصبح نقشًا في نفس الوقت. فماذا حصل بين القطعتين جعل حالة إحداهما تؤثر بهذا الشكل الغريب على حالة الأخرى؟

 

رفض أينشتاين هذا الاتصال الغريب والفائق السرعة، واعتبر أنه لا تشابك بين الإلكترونين، وأن تمثيل بور وزملائه للأمر خاطئ تمامًا. بالنسبة له، الأمر يشبه زوجًا من القفازات أحدهما لليد اليمنى، والآخر لليد اليسرى، منفصلين داخل صندوقين، ونحن لا نعرف أيًّا من القفازين موجود في أي الصندوقين إلا بعد أن نفتح أحدهما، فلو أخذنا أحد الصندوقين إلى القمر والآخر تركناه على الأرض، ثم قمنا بفتح الصندوق على الأرض ووجدنا القفاز الأيمن فإنه حتمًا سيكون في الصندوق على القمر القفاز الأيسر، ولا تأثير عن بعد بين القفازين، كلاهما كانا إما يمينًا أو شمالًا منذ البداية.

 

إذًا من كان على حق؟ بور الذي دعم الفكرة التي تقول إن الإلكترونات المترابطة تشبه قطعتي نقود معدنيتين تدوران وتتصلان ببعضهما البعض حتى عبر مسافات بعيدة جدًّا؟ أم ألبرت أينشتاين الذي اعتبر أن لا وجود لاتصال بين الإلكترونات المترابطة، وأن كل شيء تحدد منذ الحظة التي انفصلا فيها كالقفازين تمامًا؟ توفي أينشتاين سنة 1955 دون أن يستطيع أحد حل هذه المعضلة ومعرفة من كان منهما على حق، وانتظر الأمر بضع سنوات حتى تمكنت أبحاث جون كلاوزر وآلان أسبيكت من حسم هذا الجدال الفيزيائي العميق، والنتائج كانت صادمةً، بور كان على حق والرابطة الشبحية موجودة، الجسيمات الكمية يمكنها الارتباط عبر الفضاء، قياس أحد الجسيمين المرتبطين يؤثر في حالة الجسيم الآخر.

 

المصادر:

براين غرين – الكون الأنيق

الفيزياء الكمية – راي ألاستير