مشكلة القياس

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.

في الليل، على قمة بركان، تنظر ستة تلسكوبات إلى نفس البقعة الضوئية. يلتقط كلٌّ منها نسخته من الموجة، وإذا وُصلت إشاراتها معًا، نحصل على صورة لا يستطيع أي جهاز منفرد تحقيقها. لكن هناك مشكلة: الضوء الذي تلتقطه محطات مختلفة لا يمكن ببساطة جمعه مثل الصور الفوتوغرافية. بل يجب قياسه، ومن طريقة القياس تتحدد مدى وضوح الصورة النهائية. حتى الآن، كانت شبكات التلسكوبات تعمل كأوركسترا بلا قائد.

حفنة من العملات تسقط على الطاولة — وجه أو كتابة، تستقر بشكل عشوائي. هكذا تبدو اللقطة اللحظية لسلسلة كمومية: في بعض المواضع يوجد جسيم، وفي أخرى لا. لكن خلف الفوضى تختبئ زاوية دقيقة. في الدراسة، أخذوا سلسلة من الجسيمات مغلقة في حلقة. قسّموها إلى أربعة أقواس: قاسوا اثنين وتركوا اثنين دون مساس. من المواضع المشغولة والفارغة في الأقواس المقاسة، حسبوا الزاوية δL. اتضح أن هذه الزاوية لا تعتمد على ما في الأقواس غير المقاسة.

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.

العالم الكمي يعشق التوازن. عندما يُجبر جسيم ضخم على الانقسام – أي السير في مسارين في وقت واحد – فلا بد أن يتأرجح شيء ما استجابةً لذلك. وهذا «الشيء» هو الجهاز نفسه الذي قام بتقسيم الجسيم. تنشأ الركلة من قانون حفظ الزخم: لا يمكن لعزم ثنائي القطب الكتلي الكلي لنظام الجسيم-الجهاز أن يتغير قفزة واحدة. منصة ثقيلة موضوعة على نوابض لينة.

زنبرك مضغوط يظل ساكنًا لسنوات. يبدو أنه تجمد إلى الأبد، لكن داخل المعدن تترتب الذرات ببطء — وفي يوم من الأيام ينقر الزنبرك، منتقلًا إلى وضع جديد أكثر حرية. يبدو أن الفيزيائيين يفكرون في الفراغ بطريقة مماثلة: قد لا يكون فارغًا حقًا وثابتًا، بل مجرد حالة متجمدة مؤقتًا يمكن أن تتحول فجأة إلى حالة أخرى — بكثافة طاقة مختلفة. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة عدة نماذج لمثل هذا الانتقال المتأخر.

عادةً ما يُرسم عالم الكم بنقاط، لكن الأجهزة الحقيقية لا ترى سوى بقع ضبابية. لطالما شك هايزنبرغ و فون نويمان في أن الدقة غير قابلة للتحقيق. تقترح النظرية الجديدة التفكير في الحالات على أنها «قطرات كم» – مناطق من القيم الممكنة، مثل قطرة ماء تحت المجهر ذات حدود غير واضحة.

في ملعب كرة القدم، تنشأ مشاعر الجمهور من أحاديث المشجعين الأفراد. لو كان باستطاعة المزاج أن يكون فرحًا وحزينًا في آنٍ واحد، لتشكل تراكب كمومي. لكن همسات آلاف الأصوات تُحيل هذا المزيج فورًا إلى حالة واحدة محددة.

إذا حملتَ فنجان قهوة بهدوء وثبات عبر الغرفة ثم عدت إلى نفس المكان، فلن يحدث شيء للمشروب. لكن في العالم الكمومي، الأمر مختلف: جسيم يقطع دائرة مماثلة لا يعود كما كان تمامًا. يكتسب "زيادة" خفية — طورًا هندسيًا يسميه الفيزيائيون طور بيري. هذه الإضافة تعتمد فقط على شكل المسار، وليس على زمن الرحلة.

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.

حجر يُقذف يطير في قوس واضح، بينما موقع الإلكترون في الذرة مشوش مثل الضباب. الانتقال من أحدهما إلى الآخر لغز. العمل الجديد يُظهر: الضبابية تختفي ليس بسبب المراقب، بل بسبب ثقل الجسيم نفسه.

الفراغ الفيزيائي ليس فراغاً مطلقاً: عند تطبيق مجال قوي بما فيه الكفاية، يمكنه تلقائياً أن يولد أزواجاً من الجسيمات. هذه الظاهرة، المعروفة بمفارقة ديراك-كلاين، توصف عادة بجهاز رياضي ضخم من نظرية الحقل الكمومي. ومع ذلك، يوجد تشبيه ميكانيكي واضح بشكل مدهش ينقل جوهر العملية دون معادلة واحدة.

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.

في نظرية الكم، يمكن للجسيم أن يمر عبر مسارين في آنٍ واحد. وعند القياس نرصده على مسار واحد فقط. وفقًا لـنيلز بور، تختفي كل الاحتمالات الأخرى فورًا — مثل غصن يُكسر من الشجرة.

يمكن للضوء ألا يكون مجرد تدفق من الجسيمات، بل موجة ذات شكل معين في الزمن. أحيانًا يتغير هذا الشكل بسرعة كبيرة لدرجة أن التقاطه يشبه تصوير رصاصة أثناء طيرانها. ابتكر العلماء طريقة لقياس هذه الحالات الكمومية العابرة للضوء. لهذا الغرض، يُستخدم جهاز يسمى كاشف التغاير المتوازن (balanced homodyne detector).

العالم الكمومي مليء بالمفاجآت: حتى مجرد ملاحظة جسيم يغيّر سلوكه. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن القياس المستمر للطاقة يمكن أن يجعل الفوضى الكمومية أكثر وضوحًا. استخدموا كمية تُظهر كم تبقى الحالة الكمومية مشابهة لنفسها عند تكرار القياسات. بندول يتأرجح بشكل فوضوي، وأنت تراقبه وتقيس طاقته باستمرار.

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.

يشبه الزمن طريقًا: من بعيد يبدو أملس تمامًا، لكن تحت التكبير الشديد تظهر كل الشقوق. هذه النتوءات هي ارتعاشات الفراغ الكمومية التي تمنع القياس الدقيق للمسار المقطوع. بنى الفيزيائيون نموذجًا لساعة تعتمد دقاتها على التوالد التلقائي للجسيمات من الفراغ. وتبين أن ساعات مختلفة، حتى المتجاورة، تدق بشكل مختلف، وذلك يرجع إلى كيفية تفاعل تركيبها الداخلي مع الخلفية المرتعشة.

يمكن للجسيم الكمومي أن يتواجد في مكانين في آن واحد، لكن الأجسام الكبيرة لا تفعل ذلك أبدًا. هل السبب هو التشويشات التي تحول النظام إلى فوضى وتزيد من الإنتروبيا؟ أم أن الطبيعة نفسها تمنع العالم الكبير من القيام بحيل كمومية؟ تفترض إحدى النظريات أن «التشوش» الكمومي يختفي تلقائيًا، ويزداد اختفاؤه سرعة كلما زادت كتلة الجسم.

نظريتان عظيمتان تصفان الواقع: إحداهما تصف كيف تسبب الأجسام الضخمة انحناء الزمكان، والأخرى – النموذج المعياري – تحكم الجسيمات الأولية. لم يتم التوفيق بينهما بعد، وكأننا نحاول وصف عاصفة محيطية بلغة شبكة الماس. ربما يكمن الحل في مقياس بلانك، حيث يبدو الفضاء كرغوة تغلي. لقد صنع المجربون كاشفًا على شكل شوكة رنانة.

فوتون مفرد يمر عبر شقين ويترك نمط تداخل على الشاشة. تصف ميكانيكا الكم هذه العملية بدالة موجية، لكن ماذا يحدث للجسيم نفسه؟ قبل قرن تقريبًا، اقترح لويس دي برولي فكرة الموجة المُرشدة، وطوّرها ديفيد بوم إلى نظرية صارمة حيث لكل جسيم مسار. ومع ذلك، فإن التعميم النسبي لهذه النظرية ظل لفترة طويلة مجرد بناء رياضي.

في سبتمبر 2024، لم يكن على خشبة المسرح في قاعة الحفلات في لينتس سوى الأوركسترا فحسب. فإلى جانب الموسيقيين، عملت منشأة تولد أزواجًا من الفوتونات المتشابكة: ليزر بطول موجة 405 نانومتر يصطدم ببلورة غير خطية وينقسم إلى فوتونين بطول موجة 810 نانومتر، ينطلقان إلى محطتي قياس: أليس وبوب.

يولد ميونان في اضمحلال ميزون إيتا وينطلقان مترابطين عبر التشابك الكمي. تجري أليس، إحدى الباحثتين، قياسًا لدوران الميون السالب، بينما يسجل بوب اتجاه البوزيترون الناتج عن اضمحلال الميون الموجب. يبدو للوهلة الأولى أن ترتيب الأحداث يجب أن يؤثر على الارتباطات. لكن الحسابات تُظهر عكس ذلك.

ميكانيكا الكم نظرية خطية. هذه الخاصية أساسية لدرجة أن انتهاكها يعني فقدان مبدأ التراكب، وبالتالي إمكانية نقل المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء. لكن الفيزيائيين يشتبهون منذ زمن طويل في أن الخطية قد لا تصمد على المستوى العميق حيث تلتقي الجاذبية بالكم.

الحالة الكمومية تحت القياس المستمر ليست صورة ثابتة، بل رقصة عشوائية. كل نتيجة قياس تُزيح الحالة قليلًا في اتجاه أو آخر، وللتنبؤ بالمستقبل، يجب تتبع المسار بأكمله. بالنسبة للأنظمة ذات عدد كبير من المستويات، هذا كابوس حسابي: مصفوفة الكثافة تنمو بشكل أسي مع حجم النظام. لكن هناك خبر جيد.