اختبار بيل

راقصان على خشبة واحدة يكرران حركات بعضهما حتى عندما يفصل بينهما ستار. في العالم الكمومي، تُسمى هذه الأزواج متشابكة، ويختبر الفيزيائيون منذ نصف قرن مدى امتداد هذا الارتباط. حتى الآن، كانت جميع الاختبارات على الجسيمات الضخمة تتعلق بخصائصها الداخلية، مثل السبين، وليس بحركتها نفسها. غير أن الحركة هي التي تحدد كيفية انتشار المادة في الفضاء واستجابتها للجاذبية. الآن، جعل فيزيائيون أستراليون العزوم نفسها ترقص.

يشبه الاتصال الكمي إرسال رسالة سرية تتمزق عند أي محاولة للاطلاع عليها. حتى الآن، لا يمكن إرسال مثل هذه الرسالة إلا عبر طريق واحد، وهذا بطيء. ابتكر العلماء طريقة لإرسال 16 ساعيًا عبر 16 طريقًا متوازيًا — ترددات ضوئية مختلفة — وتأكدوا من وصول الرسائل سليمة.

في قاعة تضم ألف متفرج، تندمج التصفيقات في ضجيج واحد، لكن بمجرد أن يخرج أحدهم عن الإيقاع، تموج موجة من الاضطراب عبر القاعة. العالم الكمومي مشابه: الذرات المحاصرة قد تتصرف ككل واحد، أو قد تتفرق إلى أفراد مستقلين. لم يكن من السهل رؤية هذا التزامن حتى آخر ذرة — فالمجاهر كانت تُظهر فقط أين تقف الجسيمات، وليس كيف تتناسق اهتزازاتها. الأداة الجديدة تنظر أعمق.

حبيبتان من الألماس المجهري تطفوان في فراغ عميق، تفصل بينهما مسافة لا يستطيع الضوء قطعها خلال زمن التجربة. داخل كل منهما، مثل شرارة متجمدة، تعيش لفّة متشابكة (spin) — حالة كمومية تربطهما في كيان واحد. الآن يبدأ الألماسان في التحرك، ولكن ليس بشكل عادي: فكل منهما يبدو وكأنه ينقسم إلى نسختين، فيوجد في مكانين في آن واحد.

مراقبان، أليس وبوب، يجلسان في طرفي مختبر واحد. بينهما مصدر يطلق نبضتين بالتناوب. كل نبضة تولد حزمة موجية تتجه نحو كاشفها. حتى الآن يبدو الأمر كتجربة عادية مع جسيمات كمية. لكن إذا كان الزمكان غير تبديلي حقًا — أي أن الإحداثيات فيه لا تُضرب بأي ترتيب، مثل المصفوفات — فعندما تتبادل الجسيمات أماكنها، يتسلل إلى دالتها الموجية دوران إضافي، طور يعتمد على عزمها.

الجاذبية في عالمنا هي انحناء الزمكان. هكذا تصفها النظرية النسبية العامة لأينشتاين Albert Einstein. لكن ماذا يحدث للجاذبية على مستوى الذرات والجسيمات، حيث تسود ميكانيكا الكم؟ يظل هذا السؤال بلا إجابة منذ ما يقرب من قرن.

كل عملية فناء بوزيترون تشبه ظهور راقصين يتحركان بتناغم، مربوطين بخيط غير مرئي من الاستقطاب. ينطلق فوتونا أشعة غاما بعيداً، لكن حالتيهما تظلان متشابكتين: قياس أحدهما يحدد الآخر فوراً – كما لو أن أحدهما يستشعر حركة الآخر فوراً مهما كانت المسافة.

سباحان متزامنان يغوصان في البحر. أحدهما يجد نفسه في مياه هادئة، والآخر في دوامة. حركاتهما، المتناغمة تمامًا عند البداية، تتباعد. هذا ما يحدث تقريبًا لجسيمين كموميين عندما يتحرك أحدهما في فضاء مسطح والآخر في فضاء منحنٍ.

التشابك الكمومي ظاهرة تتصرف فيها الجسيمات كشريكين في رقصة متزامنة، لكنها لا تُرى إلا من زاوية معينة. بمجرد تغيير طريقة الرصد، يختفي تناسقها، مما يحد من استخداماتها في الاتصالات الآمنة. الآن حصل الفيزيائيون على زوج من الفوتونات — كَمّات الضوء — التي تكون «رقصتها» مثالية من جميع الزوايا.

توأمان يدخلان الغرفة من بابين مختلفين. يحصل كل منهما على صندوق بزر — وفي كل مرة يضغطان على الزر، يضيء مصباح إما أحمر أو أخضر. إذا كان التوأمان متطابقين تمامًا، يمكن توقع أن تضيء المصابيح لديهما وفقًا لنفس القواعد الداخلية. ولكن ماذا لو كانت القواعد مختلفة، على الرغم من أن التوأمين نسختان طبق الأصل؟ هذا هو بالضبط الموقف الذي درسه مؤلفو العمل.

جسيمان يفصل بينهما كيلومترات يغيران حالاتهما بشكل متناسق، وكأن لا مسافة بينهما. هذا ما يُسمى بالتشابك الكمومي، ومنذ اكتشافه حيّر الفيزيائيين: لا يمكن لأي ناقل معروف أن يتحرك أسرع من الضوء، ومع ذلك تظهر الارتباطات فورًا. يقترح ماركو بيتيني تفسيرًا يعيد للتشابك سرعة محدودة، لكنه يخفيها في بُعد زمني إضافي. ظل على الحائط لجسم يتحرك في عمق الغرفة قد يتحرك أسرع من الجسم نفسه.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره دون أن يستمع إلى الآخرين. فجأة، دون أمرٍ ظاهر، يبدأ الجيران المتجاورون في التزامن التام، لكن اللحن العام لم يكتمل بعد. شيء مشابه يحدث في بعض المواد عند التبريد: تفقد الإلكترونات طاقتها وكأنها تستعد للتوصيل الفائق، لكنها لا تنتقل إليه أبدًا. هذه الحالة تُعرف باسم الفجوة الزائفة، وظلت لغزًا محيرًا لعقود.

فوتونان متشابكان يطيران في اتجاهين متعاكسين، لكنهما يظلان يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر. هذا هو التشابك الكمومي. لكنه أحيانًا يشبه جاسوسًا محترفًا — لا يترك أثرًا تراه الفحوصات العادية. هذا التشابك «المقيد» (bound entanglement) لا يصلح للاتصالات فائقة الأمان، لكن اكتشافه مهمة مهمة لفهم العالم الكمومي. وجد مؤلفو المقال طريقة لكشف هذا التشابك.

دوامة القهوة يمكن أن تشغل نقطتين في فنجان — ضبابية من سائل دوّار. تتصرف الجسيمات الكمومية بشكل مشابه: دوامة في الزمكان حيث تتواجد في مكانين في آنٍ واحد. لكن الجاذبية تعمل كالملعقة التي تحرك نسيج المكان والزمان. كتلة الجسيم تولد تموجات صغيرة — موجات جاذبية — تستنزف طاقة الدوامة.

جسيمان كموميان يتصرفان كزوج من النرد الغريب: يفصل بينهما طرفا الكون، ومع ذلك يظهران نفس النتيجة عند كل قياس. الفيزيائي جون ستيوارت بيل حسب رياضيًا: إذا كانت للجسيمات قواعد خفية — خصائص محددة مسبقًا — فإن تكرار هذه التطابقات سيكون له حد صارم، يُعرف بمتباينة بيل.

يحاول مصوّرٌ التقاط تداخل الضوء، لكن لا يملك سوى عدسة واحدة وإمكانية تغيير زمن التعريض. مهمة مماثلة واجهها علماء الكونيات الذين يدرسون البصمات الكمية في إشعاع الخلفية الكونية — وهج ما بعد الانفجار العظيم. يتطلب اختبار بيل الكلاسيكي جهازين: كلٌّ منهما يقيس خاصيةً لجسيم من زوج.

راحة اليد فوق موقد ساخن تشعر بالحرارة حتى عندما يبدو الهواء المحيط باردًا. شيء مشابه يحدث للإلكترونات في تأثير أهارونوف-بوم: الجسيم يشعر بالجهد الكهربائي رغم دخوله منطقة أُطفئ فيها المجال بالفعل. النسخة الكهربائية من التأثير — عندما يتغير الجهد (الجهد القياسي) مع الزمن ويُزاح طور موجة الإلكترون — ظلت حتى الآن حبرًا على ورق. لم يقم أحد بتجربة مع جهود محمية ومتغيرة زمنيًا.

قمتان صغيرتان تدوران وتتباعدان بعد الاصطدام. دورانهما غير محدد مسبقًا — بل يصبح محددًا فقط لحظة القياس. هذا هو التشابك الكمي: حالة إحدى القمتين تستجيب فورًا لحالة الأخرى، مهما كانت المسافة بينهما. في عالم الجسيمات الأولية، تلعب لبتونات التاو دور هذه القمم — وهي أقارب ثقيلة وغير مستقرة للإلكترون.

كرتان معلقتان بخيوط تتأرجحان جنبًا إلى جنب. كل واحدة تتحرك من تلقاء نفسها، لكن بينهما خيطًا غير مرئي — جاذبية الكتلتين. إذا كانت الجاذبية كمومية، فقد تربطهما معًا في كل واحد: إذا هززت واحدة، تستجيب الأخرى، حتى دون تلامس. كان يُعتقد سابقًا أنه لا يمكن ملاحظة هذا الارتباط إلا بإلقاء الجسيمات في سقوط حر — كما في برج حيث يسقط كل شيء ويستمر انعدام الوزن لثوانٍ.

ثلاثة أشخاص يجلسون في زوايا غرفة ثلاث. يتلقى كل واحد منهم ظرفًا مختومًا من ساعي غير مرئي — لكن السعاة لا يتواطؤون ولم يلتقوا أبدًا. يفتح الأشخاص الأظرف ويجدون ورقة بكلمة واحدة: «نعم» أو «لا». هم أنفسهم لا يختارون شيئًا — يقرؤون فقط. بعد آلاف الجولات، يتبين أن مجموعات الإجابات تخضع لإحصاءات لا يمكن الحصول عليها دون تواطؤ سري بين السعاة. إلا إذا افترضنا أن الأوراق تؤثر على بعضها البعض فورًا، عبر الغرفة بأكملها.

صندوقان بريديان في طرفي مدينة. تضع رسالة في أحدهما، فتظهر رسالة مطابقة فورًا في الآخر. هكذا تقريبًا يعمل التشابك الكمي: جسيمان يتصرفان ككيان واحد حتى لو فُصلا عن بعضهما مسافات شاسعة. لكن حتى وقت قريب، كان الحفاظ على هذا الارتباط ممكنًا فقط داخل غرفة واحدة أو على طاولة مختبر. بمجرد أن تُبعد الجسيمات حقًا، كان الارتباط ينقطع.

الضوء ينحني حول الأجسام الضخمة — وهذا معروف منذ زمن أينشتاين. ولكن ماذا لو كانت الجاذبية نفسها ليست نسيجًا أملسًا للفضاء، بل تيارًا من جسيمات ناقلة متناهية الصغر؟ عندها، يجب أن لا ينحني الشعاع عند مروره بجسيم فحسب، بل أن يدخل معه في علاقات كمومية خاصة. هذه العلاقات تُسمى التشابك. مثل بيانوين في غرفتين مختلفتين: تضغط على مفتاح في الأول — فيستجيب الوتر في الثاني فورًا، دون أي أسلاك.

يشبه التشابك الكمومي شبكة عنكبوت غير مرئية تربط الجسيمات حتى لو كانت متباعدة جدًا عن بعضها البعض. في الأنظمة الكبيرة — مثل قطعة من مادة — يمكن لهذه الشبكة إما أن تنسج بسرعة حول جميع الذرات، أو أن تتشابك في كتلة وتبقى في مكانها. الحالة الأولى تسمى الفوضى الكمومية (quantum chaos)، والثانية تسمى التموضع (localization). فهم متى ولماذا يحدث الانتقال من حالة إلى أخرى أمر مهم لتطوير مواد جديدة وأجهزة كمبيوتر كمومية.

ينطلق فوتونان من نقطة واحدة في صدر المريض. إنهما توأمان: إذا غيّرت أحدهما، عرفت حال الآخر فورًا. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي. أثناء التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، تولد هذه الأزواج داخل الجسم عندما تلتقي المادة المشعة المحقونة بإلكترونات الأنسجة. درجة هذا التشابك ليست ثابتة. إنها تضعف إذا تفاعلت الفوتونات مع جزيئات الأكسجين في طريقها.

حجر يسقط في بركة — فتنتشر الدوائر في كل اتجاه. هكذا تقريبًا يولد الجسم الضخم تموجات في نسيج الزمكان. لكن ما يهتز ليس الماء، بل نسيج الواقع نفسه، وبدل الدوائر لدينا الموجات الثقالية. حتى الآن، كانت تُلتقط بواسطة منشآت ضخمة مثل LIGO، القادرة على رصد ارتجاف ناتج عن اندماج الثقوب السوداء.

الوصفة العادية تشرح كيفية تحضير طبق: خطوة بخطوة، من المكونات الأولية إلى النتيجة النهائية. النهج الجديد يقلب المنطق: تخيل أن الكعكة المستقبلية هي التي تملي كمية الدقيق التي يجب إضافتها الآن. في العالم الكمومي، يفترض الباحثون أن الجسيم يتلقى إشارات من نتيجة القياس المستقبلية. هذه النتيجة هي التي تحدد ما نراه في التجربة.

جسيمان يبتعدان في اتجاهين متعاكسين يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد حالة الآخر فورًا. هذا التشابك الكمومي معروف منذ زمن طويل للجسيمات الخفيفة، لكنه الآن رُصد لأول مرة في بوزونات Z الثقيلة — حاملات القوة الضعيفة.

تُلقى عملتان معدنيتان في مدينتين مختلفتين، لكنهما تسقطان دائمًا بنفس الطريقة. يسمي الفيزيائيون هذا بالتشابك (entanglement): تتصرف الجسيمات وكأن بينها خيطًا غير مرئي. ولكن ماذا لو لم يكن الخيط فوريًا، بل سريعًا جدًا، لكنه مع ذلك ليس أسرع من الضوء؟ عندها قد تتسلل إشارة ما بين القياسات، وتُفسَّر التطابقات دون أي سحر.

غاليليو، حسب الأسطورة، ألقى كرات من برج بيزا ليثبت أن الأجسام الثقيلة والخفيفة تسقط بالتساوي. أصبح هذا القانون أساس نظرية الجاذبية لـأينشتاين. اليوم، حوّل العلماء محطة فضائية كاملة إلى برج مماثل. لكن بدلاً من الكرات الحجرية — سحابتان من ذرات الروبيديوم: نوع من الذرات أخف قليلاً، والآخر أثقل قليلاً.

الفوتونات المتشابكة الفوتونات هما رسولان يسيران بخطى متزامنة: حالاتهما الكمومية، وخاصة الاستقطاب، مترابطة بحيث أن قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر، حتى عبر المسافات. في المادة، يختل هذا التزامن. من خلال طبيعة الاضطراب، يمكن تحديد ما وُجد في الطريق: مفترق طرق بدد المسارات، أو دوامة مغناطيسية لوت الخطى.

الوتر المقطوع في العود لا يصمت فورًا. بل يظل يرتجف لبعض الوقت، ومن طبيعة هذا الارتجاف يفهم الصانع ما هو الوتر أمامه — سميك أم رفيع، مشدود بقوة أم بضعف. وبنحو مماثل، يستمع الفيزيائيون إلى «ارتجاف» الأنظمة الكمومية عندما يريدون معرفة بنيتها. عادةً، التشابك هو علاقة بين جسيمين في مكانين مختلفين: تلمس أحدهما فيستجيب الآخر فورًا، حتى لو كانت بينهما كيلومترات.

مقارنة رائحتين أمر سهل حتى دون معرفة تركيبهما — يكفي إدراك مدى تشابههما. أصبح هذا المبدأ اليومي أساسًا لفئة جديدة من متباينات جون ستيوارت بيل، مُعادةً تصوّر اختبارات الارتباط غير المحلي بين الجسيمات. فيما مضى، كانت القياسات الدقيقة للخواص، كاتجاه الدوران، مطلوبة، لكن المؤلفين أظهروا أنه يمكن ببساطة مقارنة النتائج.

يذوب مكعب الثلج في الشاي دون أثر. هكذا تنسى الأنظمة الكمومية عادة ماضيها بسرعة. ولكن في ظل الفوضى الشديدة، ينشأ تمركز الأجسام المتعددة — فتبدو الجسيمات وكأنها تتجمد، محافظةً على الذاكرة. استمرت التجربة على معالج IBM ذي 144 كيوبت لـ5000 دورة.

الطباخ الماهر يتذوق الحساء ثم يضيف رشة ملح. الميزان العادي لن يلاحظ هذه الرشة، لكن الميزان الحساس سيلاحظها. في العالم الكمومي، تلعب أزواج الجسيمات المرتبطة ببعضها دور هذه الموازين. كان يُعتقد سابقًا أن الارتباط يجب أن يكون في أقصى درجات القوة، وإلا فلن تتحسن الدقة. لكن العمل الجديد يُظهر أن حتى شريطًا مطاطيًا ضعيفًا بين الجسيمات يكفي.

ضوء الشمس تيارٌ هائج يحمل أزواجًا لا تنفصل من القطرات. هكذا يبدو التشابك الكمي: جسيمان مرتبطان بشدة لدرجة أن اهتزاز أحدهما ينعكس فورًا في الآخر. في السابق، كان إنتاج هذه الأزواج يتطلب ’بركة هادئة‘ – شعاع ليزر مضبوط بدقة.

على مصادم الهادرونات الكبير، بتسريع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء، تُنتج الكواركات القمية — أثقل لبنات النموذج المعياري. تعيش لجزء ضئيل من الثانية، لكنها تتمكن من إظهار ترابطات كمومية معقدة. هذه الترابطات تشبه مستويات التناغم في فرقة موسيقية.

طبقة من الإلكترونات محبوسة بين طبقتين من أشباه الموصلات، عند درجة حرارة منخفضة، تصطف في شبكة منتظمة - مثل خرزات على خيط مشدود بين الأصابع. وعندما ترتفع درجة الحرارة، ينهار النظام: تذوب البلورة. لكن كيف تذوب بالضبط، ظل لغزًا لفترة طويلة.

الرسائل العادية تُعترض، ولا يلاحظ أحد. ابتكر الفيزيائيون وسيلة لإنشاء سر مشترك يتحطم فورًا بنظرة دخيلة. بدلاً من الورق، تُستخدم جسيمات الضوء المفردة. هذا الارتباط الكمومي يستغل القانون: أي قياس يغير الجسم الكمومي. يشبه ذلك عملتين مرتبطتين ارتباطًا لا ينفصم. ترمي الأولى — والثانية، حتى على بُعد 100 كم، تسقط دائمًا على نفس الوجه.

في العالم الكمومي، لا يدمر تصادم الجسيمات فرديتها بل ينسجها في عقدة لا تنفصم: تتشابك الحالات الداخلية والحركات كخيوط في نسيج معقد. طور الباحثون طريقة عامة تسمح بقياس هذا التشابك — الظاهرة التي وصفها ألبرت أينشتاين بأنها "تأثير شبحي عن بعد" — مباشرة من بيانات التصادمات.

النواة الذرية ليست مجرد كيس يحتوي بروتونات ونيوترونات. إنها نظام كمي حيث ترتبط الجسيمات بخيوط غير مرئية من التشابك. عندما يتفاعل بروتونان أو نيوترونان، تتشابك حالاتهما بحيث يستحيل وصف أحدهما دون الآخر.