التشابك الكمي: كيف نفهم هذا المفهوم “المستحيل”

التشابك الكمي هو ظاهرة محيرة للعقل في ميكانيكا الكم والتي تثير اهتمام العلماء والجمهور على حد سواء.

على عكس القدرة على التنبؤ في الفيزياء الكلاسيكية، تزدهر ميكانيكا الكم على عدم القدرة على التنبؤ، والتي غالبا ما تتحدى تصوراتنا اليومية. وهذا واضح بشكل خاص في سلوك الجزيئات المحاصرة.

فهم التشابك الكمي

في ميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد، وهو مفهوم يعرف باسم التراكب. تثير المشكلة هذه الفكرة: عندما تتشابك الجسيمات، تصبح حالاتها متشابكة.

إن التغيير في حالة أحد الجسيمين، بغض النظر عن المسافة، يؤثر فورًا على الآخر – مصباحان بعيدان يومضان في انسجام تام عبر الكون.

يشير التشابك إلى أنه يمكن مشاركة المعلومات بشكل فوري بين الجسيمات، مما يدحض فكرة أن لا شيء يتحرك أسرع من الضوء.

وكما قال ألبرت أينشتاين في عبارته الشهيرة، فإن هذا “الحدث المخيف عن بعد” يثير أسئلة عميقة حول طبيعة المكان والزمان.

تحديات القياس

يمثل القياس في ميكانيكا الكم تحديات فريدة من نوعها. إن ملاحظة وجود جسيم في زوج متشابك تحدد موقع كليهما، مما يؤدي إلى استفسارات مهمة: ما هي “الكمية” وكيف تؤثر على فهمنا للواقع؟

الرياضيات المعقدة التي تقوم عليها ميكانيكا الكم – والتي تتضمن مفاهيم مثل فضاءات هيلبرت، والدوال الموجية، والمشغلات – يمكن أن تكون شاقة، مما يجعل المشكلة غير قابلة للوصول للكثيرين.

لغز رائع

ببساطة، التشابك الكمي معقد للغاية بحيث لا يستطيع معظم الناس فهمه بشكل كامل. إنه يتحدى الحدس الكلاسيكي، ويتضمن رياضيات متطورة ويجبرنا على إعادة تقييم فهمنا للواقع.

أي حتى الآن.

أدخل البروفيسور كارل كوشر، الرائد في دراسة التشابك الكمي. وهو حاليا عضو مسبك الكم سانتا باربرا والأستاذ الفخري في جامعة كاليفورنيا جامعة ولاية أوريغون.

البروفيسور كوشر هو مؤلف ورقة جديدة حدود العلوم والتكنولوجيا الكمومية1964-1967 يشرح تجاربه الرائدة حول التشابك الكمي ويناقش “مفارقة” التشابك الكمي.

في افتتاحية الضيف التالية، يساعد البروفيسور كوشر في توسيع عقولنا لفهم هذه الظاهرة المتناقضة.

فهم التشابك الكمي

مقالتي الجديدة ’’التشابك الكمي للفوتونات الضوئية: التجربة الأولى، 1964-1967“، يهدف إلى نقل روح مشروع بحثي صغير يصل إلى منطقة مجهولة.

يخالف المقال التقليد لأنه يقدم وصفًا شخصيًا لاستراتيجية التجربة وتحدياتها، بالإضافة إلى شرح للنتيجة النهائية وأهميتها. في افتتاحية هذا الضيف، أعرض موضوع “ما هي المفارقة؟”

لنبدأ بالجيروسكوب الذي اشتريته عندما كنت في الثامنة من عمري من متجر يبيع المستجدات والخدع السحرية. لم يسقط القرص الدوار، المدعوم من أحد طرفي عموده، بل تحرك ببطء في مستوى أفقي.

يبدو هذا السلوك غامضًا أو متناقضًا في سياق التجربة المشتركة التي تستبعد الجيروسكوبات، ولكنه يبدو منطقيًا تمامًا في سياق الميكانيكا النيوتونية، التي تحل المفارقة من خلال التنبؤ الدقيق بكيفية تصرف الجيروسكوبات.

حققت نظرية الكم، التي تم تطويرها في منتصف عشرينيات القرن العشرين، نجاحًا مثيرًا للإعجاب في تفسير خصائص الذرات والجزيئات وتفاعلاتها. في عام 1935، أثار أينشتاين وبودولسكي وروزن الجدل بتجربة فكرية انفصلت فيها جزيئين من أصل مشترك، مشيرين إلى أن نظرية الكم تتنبأ بالتفاعلات في القياسات المتعاقبة لدورانها.

يمكن أن يبدو الارتباط مربكًا جدًا لأن القياس على أحد الجسيمات يؤثر على القياس اللاحق للآخر، حتى لو لم تكن الجسيمات متفاعلة. في المصطلحات الحالية، هذه الارتباطات هي مثال على التشابك، وتسمى ظاهرة الارتباط مفارقة EPR.

لقد كان اللغز موضوعًا لكثير من النقاش والتحليل، خاصة أنه لا توجد (ولا تزال) آلية معروفة لتفاعل القياسات مع بعضها البعض.

فصل التشابك الكمي

في عام 1964، أثار اهتمامي هذا التأثير غير المألوف وبدأت أفكر في طريقة لإجراء تجربة EPR – أو على الأقل نسخة منها – لمراقبة التفاعل والتشابك. وستكون هذه تجربة منخفضة الطاقة يمكن إجراؤها في مختبر صغير.

بالنسبة للتجربة الموضحة هنا، فإن الجسيمات محل الاهتمام هي فوتونات الضوء المرئي التي تنبعث من ذرات الكالسيوم المثارة في عملية انبعاث تلقائية على مرحلتين. يمكن قياس حالات استقطاب الفوتونات، بالنسبة إلى دورانها، بسهولة باستخدام المستقطبات الخطية العادية.

تحسب كاشفات المضاعف الضوئي الفوتونات الفردية رقم 1 (الأخضر) ورقم 2 (البنفسجي)، وتساعد دوائر التوقيت في تحديد أزواج الفوتون من نفس الذرة. يتم تركيب مستقطب خطي قابل للتدوير أمام كل كاشف.

بعبارات بسيطة، تتضمن التجربة حساب معدل اكتشاف أزواج الفوتون كدالة لاتجاه المستقطبات. يتم تسجيل زوج الفوتون المكتشف من نفس الذرة على أنه “عدد مصادفة”.

النظرية والتجربة متفقتان

تقدم نظرية الكم التنبؤات التالية:

1. كل فوتون فردي، بغض النظر عن زاوية اتجاهه، لديه فرصة بنسبة 50٪ للانتقال بسبب استقطابه.
2. إذا كانت محاور الاستقطاب متوازية، فسيتم احتساب فوتونين من نفس الذرة قاطعين استقطابيهما. سيتم ملاحظة التهم العشوائية.
3. إذا كانت محاور المستقطب متعامدة، فإن الفوتونين لا يعبران مستقطبيهما أبدًا. ولذلك، لا يتم مراعاة التهم العشوائية.

التوقعات رقم 1 ورقم 2 ليست مفاجئة لأن أشعة الضوء الخضراء والبنفسجية غير مستقطبة.

التنبؤ رقم 3، والذي تمت مناقشته بمزيد من التفصيل في مقالتي، هو تأثير التشابك الكمي الذي ليس له تناظر في الفيزياء الكلاسيكية (غير الكمومية). وهذا أمر مثير للاهتمام بشكل خاص لأنه يمكن اختباره تجريبيا. لقد صممت التجربة خصيصًا لهذا الغرض.

وتظهر نتائج التجربة، بعد ما يقرب من ثلاث سنوات من الجهد في المختبر، بوضوح أنه يتم تسجيل أعداد المصادفات إذا كانت المحاور القطبية متوازية، ولا يتم تسجيل أي مصادفات إذا كانت المستقطبات متعامدة. الاتفاق بين النظرية والتجربة لا لبس فيه ورائع.

فهل هناك تناقض؟

في مناقشتنا الموجزة للجيروسكوب، لا نعترف بأي تناقض لأن نظرية نيوتن (الديناميكيات الكلاسيكية) تشرح بشكل كامل كيفية تحرك الجيروسكوب.

علاوة على ذلك، تتوافق كل من النظرية والسلوك الجيروسكوبي المرصود مع تجربتنا الحية وقدرتنا البديهية على فهم العمليات الطبيعية في المجال الكلاسيكي.

في هذه القضية، تفسر نظرية الكم الارتباط الملحوظ لاستقطابات الفوتون. ولكن حتى لو تتنبأ النظرية بالنتائج التجريبية، فهناك تناقض إذا لم يتمكن الحدس من الارتباط بها.

انظر مرة أخرى إلى التوقعات رقم 1 ورقم 3 أعلاه. إذا أخذنا تجربتنا الحياتية في العالم غير الكمي، فيمكننا أن نلاحظ شيئًا غريبًا جدًا عندما “تتقاطع” المستقطبات بمقدار 90 درجة.

إذا كان لكل فوتون فرصة 50% للانتشار عبر مستقطبه، فلماذا لا نحصل على 25% مصادفة؟ وبدلا من ذلك، فإننا لا نلاحظ أي شيء.

تمتد العقل لحل الصراع

للوهلة الأولى، يعتبر هذا مفارقة. قد يتضمن أحد التفسيرات المحتملة عنصرًا مفقودًا في نظرية الكم، ربما آلية سببية تسمح لفوتون واحد أو قياس واحد بالتفاعل مع آخر. ومع ذلك، على الرغم من الأبحاث المكثفة، لم يتم العثور على أي دليل على وجود مثل هذه الآلية.

وبما أننا لا نعيش في عالم كمي شفاف، فإن الظواهر الكلاسيكية يمكن أن تؤثر على عمليات تفكيرنا – حتى لو دخلنا عالم الكم. ولذلك فإن دمج التعقيد في الحدس يمكن أن يشكل تحديًا.

أعتقد أن المفارقة سيتم حلها إلى حد ما من خلال المزيد من التفكير والخبرة، مثل التجربة المذكورة هنا، “تمديد العقل”، لاحتضان التشابك والظواهر الكمومية الأخرى بشكل كامل.

لقد أصبحت أرى هذه الجوانب من الطبيعة على أنها “معجزات غريبة”.

يمكننا قراءة الورقة كاملة والدورة حدود العلوم والتكنولوجيا الكمومية.

—–

هل أعجبك ما قرأته؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا للحصول على مقالات جذابة ومحتوى حصري وآخر التحديثات.

تفضل بزيارتنا على EarthSnap، وهو تطبيق مجاني من Eric Ralls وEarth.com.

—–