حالة أرضية

الإلكترونات في المادة الصلبة عادةً إما تتحرك بحرية (معدن) أو تكون محبوسة في مكانها (عازل). لكن أحيانًا، التنافر المتبادل القوي يحبسها في حالة نصفية: الشحنات ثابتة، بينما السبينات — الأسهم المغناطيسية الصغيرة — تواصل حياتها الخاصة. يُسمى هذا عازل موت. مؤلفو العمل الجديد بنوا سلسلة ذرية أحادية البعد من نوعين — A و B.

التربة ليست إسفنجة متصلة، بل متاهة من المسام ذات أحجام مختلفة. بعد المطر، لا تمتلئ كل المسام دفعة واحدة: أولاً الأضيق، ثم الأوسع. بنى الفيزيائيون نظرية لهذه العملية، معتمدين على صورة بسيطة — مجموعة من الأوعية المتصلة. تخضع التدفقات بين المسام لقوانين تدفق السوائل اللزجة، وتعمل قوة الدافعة كفرق في الجهد الكيميائي. بشكل تقريبي، هذا هو «رغبة» الماء في شغل مسام معينة مع مراعاة القوى الشعرية والجاذبية.

النجوم البوزونية هي ذرات جاذبية. لكن بدلاً من الشحنة الكهربائية، تعمل الجاذبية نفسها كنواة تحتجز سحابةً من الحقل القياسي في تكتلات مكممة. في ثلاثينيات القرن الماضي، اشتبه فريتز زفيكي في نقص الكتلة المرئية في عناقيد المجرات، ثم أكدت فيرا روبين لاحقًا هذا الأمر من خلال دوران الحلزونات.

تشبه مراصد الموجات الثقالية أذنًا حساسة تصغي إلى قصف بعيد للكوارث الكونية. ولسماع الهمس الخافت لاندماج الثقوب السوداء، تستخدم كاشفات الموجات الثقالية ضوءًا مُعدًّا خصيصًا يُدعى الفراغ المضغوط. هذا الضوء يكبح الضجيج الكمومي الطبيعي، مما يسمح للأجهزة بتجاوز الحد الكمومي القياسي.

كوننا لا يتوسع فحسب، بل يفعل ذلك بسرعة متزايدة. يشبه ذلك عجينًا به زبيب داخل فرن: حبات الزبيب تبتعد عن بعضها، وكلما ابتعدت أكثر، زادت سرعة تباعدها. القوة الغريبة التي تدفع الكون إلى التمدد سُميت بالطاقة المظلمة. يعتقد معظم العلماء أنها ثابتة، مثل نابض دائم مدمج في نسيج الفضاء نفسه. لكن هناك فكرة أخرى: الطاقة المظلمة ربما كانت مختلفة في الماضي.

فقاعة صابون معلقة في الهواء، وشكلها يحوي بالفعل كل ما يلزم لحساب التوتر الداخلي. مبدأ مشابه نجح في عمل جديد حول الجاذبية الكمومية. أخذ الفيزيائيون سطحًا مغلقًا — وهو ما يعادل تلك الفقاعة — وحددوا عليه عدة أرقام: مثلًا شدة المجال الكهربائي والانحناء. وكان ذلك كافيًا لينشأ من الداخل جسم كمومي من تلقاء نفسه.

في الأوركسترا، يعزف موسيقي واحد بهدوء شديد لدرجة أن صوته لا يكاد يُسمع في الجوقة العامة. في العالم الكمومي، تسمى هذه الحالات «الهادئة» بالداكنة — طاقتها لا تتسرب إلى الخارج تقريبًا، مثل الضوء في غرفة مظلمة. ولكن إذا كان هناك العديد من الموسيقيين، فإن تأثيرهم المتبادل قد يوقظ حتى أكثرهم صمتًا بشكل غير متوقع.

قدر من الحساء تُرك على الموقد وبرد حتى وصل إلى درجة حرارة الغرفة. يبدو أن كل شيء قد سكن. لكن إذا نظرت إلى الداخل بعدسة مكبرة كمومية، ستجد أن جزيئات الماء لم تتجمد، بل تواصل رقصتها. فقط أصبحت هذه الرقصة منتظمة بدلاً من أن تكون عنيفة كما كانت عند الغليان.

ارمِ حجرًا في بركة ماء — ستنتشر دوائر على سطح الماء. وإذا رميت حجرين متجاورين، ستتقاطع الدوائر مكوّنة نمطًا من موجات معززة وأخرى مطفأة. هذا هو التداخل (interference). في العالم الكمومي، تلعب موجات الاحتمال دور هذه الدوائر، وتُسمى قدرة الجسيم على إحداث التداخل بالترابط (coherence).

وُضعت ورقتان رفيعتان مرسوم عليهما خلايا سداسية فوق بعضهما ودُوِّرتا قليلًا. ينشأ نمط جديد — تموّج (moiré) يشبه لمعة الحرير. تقريبًا هكذا تصرفت الإلكترونات في التجربة: اصطفّت في طبقتين، وكانت إحداهما منزاحة عن الأخرى بمقدار 30 درجة بالضبط. تتصرف الإلكترونات ككائنات خجولة: حتى في حالة السكون التام لا تبقى مكانها، بل تهتز باستمرار.

البطارية الكمومية ليست صندوقًا يحتوي على مواد كيميائية، بل سلسلة من المغناطيسات الصغيرة (السبينات) قادرة على تخزين الطاقة. حيلتها الرئيسية: شحن العديد من الجسيمات في وقت واحد باستخدام التشابك الكمومي (quantum entanglement). لكن هناك مشكلة — ليس كل تشابك مناسب. يطلق الفيزيائيون على «السحر» (أو اللاثباتية) خاصية خاصة بدونها لا يمكن للحاسوب الكمومي أن يتفوق على الحاسوب العادي.

يشبه العالم الكمومي أوركسترا، حيث يعزف كل موسيقي — وهو جسيم — دوره الخاص، ومعًا يصنعون سيمفونية متناغمة. ولكن بمجرد ظهور ضوضاء في القاعة — نقرات واضطرابات عشوائية — يبدأ اللحن في التذبذب. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن مثل هذه الضوضاء (التي يسميها الفيزيائيون بفقدان الترابط الكمومي) تدمر ببساطة أي حالات كمومية هشة، محولة إياها إلى فوضى كلاسيكية عادية.

صيادٌ يُلقي شبكته في مياه راكدة هادئة. كلما طال الحبل، ضعُف إحساسه بأدقّ حركة للسمكة — فالموجة تتبدد في الطريق. لكن ماذا لو لم يكن الإشارة تخفت بل تتصاعد؟ هذا تقريبًا هو الخدعة التي يصفها مؤلفو العمل على مجموعة من الجسيمات موضوعة في مجال ذي تدرّج قوة "مدرَّج" خاص.

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.

الفراغ الكمومي في النموذج القياسي ليس فراغًا مطلقًا، بل وفقًا لـالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، هو وسط فيزيائي يشبه وترًا مشدودًا بإحكام، تولد فيه وتفنى باستمرار جسيمات افتراضية.

غبارتان صغيرتان تحومان في نقطة تقاطع أشعة الليزر. كل واحدة تُمسك بواسطة «ملقط» خاص بها — شعاع مركّز يمنع الجسيم من السقوط. داخل تجويف مرآوي، يرتد الضوء بين الجدران، وترتبط تذبذباته بارتعاش الغبارتين. عادةً، تهتز هذه الجسيمات باستمرار بسبب الحركة الحرارية، وهذا الاهتزاز يحجب رؤية التأثيرات الكمومية. لإيقاف الاهتزاز، يستخدم العلماء الضوء: فهو يسحب الطاقة من الحركة، مثل يد تهدئ أرجوحة تتأرجح.

قد يمتلك النظام الكمومي خاصية تُسمى السحر. هذه ليست خدعًا، بل مقياس لمدى صعوبة محاكاة سلوكه على حاسوب تقليدي. الحالات العادية — التي تُسمى الحالات المثبِّتة — يستطيع الحاسوب حسابها بسهولة. أما الحالات ذات السحر فتُحيّره. المشكلة أن التحقق من وجود السحر عادةً ما يتطلب قياس النظام من كل الاتجاهات — وهو أمر شاق ومكلف. يقترح مؤلفو الدراسة الجديدة تجاوز هذه القياسات المعقدة.

في قبو مختبر بمدينة يوفاسكولا، يوجد مصيدة تمسك بذرة واحدة معلقة في الهواء، كأنها كرة على طرف إصبع مشعوذ. ذرة القصدير-113 غير مستقرة: عاجلاً أم آجلاً تلتقط أحد إلكتروناتها وتتحول إلى إنديوم-113، باعثةً جسيمًا خفيًا هو النيوترينو. كمية الطاقة المنبعثة في هذه العملية لم تكن معروفة من قبل إلا بشكل تقريبي.

تتوهج اليراعات في غابة مظلمة — نرى كل ومضة، لكننا لا نرى الطيران. المجهر الغازي الكمومي قادر على إظهار ذرات باردة منفردة، مثل تلك اليراعات. لكنه حتى الآن لم يكن قادرًا على تحديد سرعة حركتها. الآن وجد العلماء طريقة لإصلاح ذلك. يقترحون إضاءة الذرات بطريقة خاصة بحيث تُلقي "ظلًا" على جسيمات مساعدة مجاورة. من هذا الظل يمكن استنتاج ليس فقط موقع الذرة، بل أيضًا زخمها — أي اتجاه وسرعة الحركة.

النقطتان الكموميتان هما بمثابة جيبين صغيرين في قطعة سيليكون، حيث يمكن للإلكترون أن يستقر ككرة في حفرة. عندما تكون الجيوب بعيدة عن بعضها، يعيش كل إلكترون بمفرده، وتكون طاقته مشابهة لمستويات ذرة منعزلة. ولكن عندما تقترب الجيوب من بعضها، يبدأ الإلكترون بالإحساس بجاره، فتنقسم المستويات — وينتج ما يشبه الجزيء بحالات مشتركة ومنفصلة.

في العالم الكمومي، يشبه الطريق إلى السكون أحيانًا سباقًا متناقضًا: عند الانطلاق من نقطة أبعد عن خط النهاية، يصل النظام إلى التوازن بسرعة أكبر. يعود هذا التأثير، وهو النظير الكمومي لظاهرة مبيمبا، إلى النمو المتسارع لـ الإنتروبيا — مقياس الفوضى. فالتغيير القوي في البداية يشبه إطلاق سيل من التغيرات، مما يُسرّع الوصول إلى الهدوء.

وفقًا للميكانيكا التقليدية، يجب أن يدور الإلكترون حول النواة ويسقط عليها بسرعة — مثل متزلج الأمواج الذي يفقد سرعته ويسقط عن لوحه. لكن الذرات تعيش مليارات السنين. لأن الفضاء ليس فارغًا. حتى في الفراغ المطلق، يتلاطم بحر كهرومغناطيسي غير مرئي — يُعرف بحقل النقطة الصفرية. أمواجه تدفع الإلكترون باستمرار. سر الاستقرار يكمن في الإيقاع.

النقطة الكمومية هي صندوق صغير جدًا لدرجة أن الإلكترون بداخله لا يمكنه امتلاك أي طاقة عشوائية، بل قيمًا محددة بدقة فقط، تمامًا كدرجات السلم. على كل درجة يمكن أن يتسع لعدة إلكترونات، لكن السؤال هو: كم بالضبط؟ إذا كانت الدرجة مزدوجة، يتسع لاثنين، وإذا كانت مفردة، يتسع لواحد فقط. سابقًا، لمعرفة ذلك، كان يتم تسخين النقطة أو التقاط كل إلكترون يمر على حدة. كلتا الطريقتين كانتا متقلبتين.

يشبه الحاسوب الكمومي إبريق شاي ساخنًا جدًا: الجسيمات بداخله تتحرك بعشوائية، ويحتاج المرء إلى تهدئتها للحصول على إجابة مفيدة. في العمل الجديد، ابتكر الفيزيائيون طريقة لتبريد سلسلة من 19 لفة كمومية (مغناطيسات صغيرة) مباشرة على جهاز حقيقي. استخدموا أسلوبًا يشبه التلاشي البطيء لحركة البندول: يُضاف إلى النظام «احتكاك» يخمد الحركات الزائدة.

في كل حفنة من التربة الخصبة تعيش بكتيريا تفعل ما لا يستطيعه أي مصنع: تأخذ النيتروجين مباشرة من الهواء وتحوّله إلى سماد. السر مخبأ في إنزيم النيتروجيناز، وعقدة العمل فيه – مجموعة من ذرات الحديد والموليبدينوم – تشبه ورشة مصنع صغيرة. يحاول الكيميائيون منذ زمن طويل فهم كيفية عمل هذه الورشة من الداخل.

سحابة ذرية فائقة البرودة، تشبه الضباب، تشير إلى أن الجاذبية قد لا تعمل وفق نيوتن. على أطراف المجرات تتحرك النجوم أسرع من المتوقع، وتغير نظرية MOND قانون الجذب على المسافات الكبيرة، مما يزيل الحاجة إلى المادة المظلمة. عندما وُضع هذا الضباب في مصيدة MOND، تمدد أكثر وتأرجح بشكل أبطأ.

الإبر المغناطيسية الصغيرة داخل بلورة أكسيد التيربيوم والإيريديوم تتصرف بشكل غريب: فبدلاً من أن تستقر على طول محورها المفضل، تقف عرضيًا عليه. هذه الحالة تتشكل بالكامل عند التبريد إلى 1.5 كلفن — وهي درجة حرارة أبرد من الفضاء الخارجي. قام الباحثون بمسح البلورة بالنيوترونات ورأوا كيف تهتز هذه الإبر المقلوبة وتتبادل الطاقة.

الماء الساخن الماء يتجمد أحيانًا أسرع من البارد — هذا هو تأثير ميمبا، مفارقة كلاسيكية يعرفها الكثيرون من تجارب المطبخ. في العالم الكمومي يكتسب هذا التأثير معنى جذريًا: نظام ذو إنتروبيا عالية — أي مقياس للاضطراب، وكأنه يغلي بالتقلبات الفوضوية — يمكن أن يصل إلى التوازن أسرع بما لا يُقاس من نظام شبه هادئ تكون إنتروبياه منخفضة بالفعل.

الفراغ ليس دائمًا فارغًا: يمكن أن يخفي طاقةً كامنة، مثلما يخفي الماء فائق التبريد الجليد. يطلق الفيزيائيون على هذه الحالة اسم الفراغ الكاذب — حالة لا تحتاج إلا إلى دفعة صغيرة لتتحول انهيارًا إلى الفراغ الحقيقي. في التجربة، لعبت حلقة من ذرات رايدبرغ دور الماء، وهي جسيمات عملاقة تستجيب للحقول الكهربائية كما تستجيب الهوائيات.

بعد تبريده إلى ما يقارب الصفر المطلق باستخدام الهيليوم السائل هيليوم، بلغ قرص شبه الموصل مستوى منخفضًا جدًا من الإنتروبيا لدرجة أن ارتجاجه الحراري أصبح أقل من فونون واحد — كم الصوت. وتر الغيتار العادي بعد النقر يولد مليارات الفونونات؛ أما هنا فأقل من واحد، وكأنه وتر متجمد في حالة من اللايقين الكمومي: يتحرك ولا يتحرك في آن واحد.

كل شيء يسعى إلى التوازن: يبرد الشاي، ويسكن البندول. ومقياس هذه الحركة هو الإنتروبيا — الفوضى المتزايدة. لكن أحيانًا يتجمد الماء الساخن قبل الفاتر. تأثير مبيمبا ليس مجرد طرفة — إنه يظهر أيضًا في العالم الكمومي. لقد ابتكر العلماء طريقة للتحكم في هذه المفارقة.

أي فعل عاقل يبدأ بنمذجة داخلية — أي وضع خطة. وكالمهندس المعماري الذي يعدّ رسومات متعددة لتقييم خيارات التصميم، يجب على الفاعل الذي يمتلك إرادة أن ينسخ تمثيلات الواقع مرارًا ويقارن بينها. غير أن ميكانيكا الكم تفرض حظرًا أساسيًا: الاستنساخ الدقيق لحالة كمومية غير معروفة مستحيل.

أوركسترا بلا قائد، حيث لا يسمع كل عازف سوى صدى القاعة، قادرة على تأليف لحن قوي. هكذا تعمل البطارية الكمومية: جسيمات عديدة مغمورة في وسط دافئ لا تبدد الحرارة، بل تتبادلها بشكل متزامن. بدلًا من الفوضى، ينشأ شحن منتظم. الوسط نفسه هو الوسيط: الجسيمات تمتصه وتشعه بتناغم. ينشأ صدى جماعي يحول الارتعاش الحراري إلى عمل مفيد.

مسافران يسيران نحو هدف واحد. أحدهما يبدأ أقرب، لكنه يختار طريقًا ريفيًا متعرجًا. والآخر يبدأ أبعد، لكنه يصل مباشرة إلى طريق سريع. الثاني يصل أولاً. في الفيزياء الكمومية، تُعرف هذه المفارقة بتأثير ميمبا الكمومي: حالة أبعد ابتداءً عن التوازن تصل إليه أسرع من حالة أقرب إليه. لفترة طويلة، لوحظ هذا التأثير فقط في أنظمة صُممت فيها قنوات الاسترخاء بشكل اصطناعي، مثل مسارات مخصصة.

في القاعة سكون تام، لكن قائد الأوركسترا رفع عصاه بالفعل. الأوركسترا صامتة، لكن النوتة الموسيقية تتغير. هكذا الحال في الرنان البصري: لا يوجد ضوء، لكن الفراغ الكمومي — الفراغ الممتلئ بتذبذبات قصيرة العمر للحقول — يقود المادة بالفعل. المادة الموضوعة بين مرآتين تبدأ في العيش وفق قواعد جديدة.

تخيل مغنياً منفرداً يحاول دمج صوته مع جوقة. إذا غنّى أفراد الجوقة في انسجام تام، يظل صوت المنفرد بارزاً لفترة طويلة؛ أما إذا تفرقت الجوقة على نطاق واسع — من أصوات الجهير العميقة إلى السوبرانو الرنّانة — يذوب صوت المنفرد على الفور تقريباً. في الفيزياء الكمومية، يؤدي دور هذه الجوقة ما يُعرف بالحمام الحراري — البيئة المحيطة الواسعة.

لطالما كان التشابك الكمومي أمرًا غريبًا - "تأثيرًا شبحيًا عن بُعد"، كما وصفه إرفين شرودنغر، وهو ما يخالف الصورة المألوفة للعالم. لكن في عام 2008، أدرك الفيزيائيون أنه يمكن استخدام التشابك ليس فقط لنقل البتات، بل أيضًا لنقل الطاقة فوريًا. اقتصرت التجارب الأولى على جسيمين: حالة GHZ الشائعة تنهار عند القياس.