تأثير النفق

الجزيئات في غاز فائق البرودة تشبه المغناطيسات الصغيرة التي تنجذب عندما تكون بعيدة، لكنها قد تلتصق ببعضها بشدة عند الاقتراب. هذا الالتصاق يدمر الغاز: فالجسيمات تخرج من اللعبة، ولا يمكن الوصول إلى النظام الكمومي حيث تتصرف جميعها ككل واحد. وضع علماء من برينستون وفيينا حاجزاً غير مرئي بين الجزيئات يمنعها من الاقتراب أكثر من اللازم. كان الحاجز عبارة عن حقل كهربائي ساكن مضبوط بحيث تتنافر الجزيئات على مسافات قصيرة.

البلازما هي غاز متأين، حيث تنفصل الإلكترونات عن الذرات وتتحرك بحرية. أحيانًا تنشأ تلقائيًا في هذا الوسط مناطق تكاد تخلو من الإلكترونات؛ وتُسمى ثقوبًا. وكما تظهر دوامة في مجرى مائي تجذب كل ما حولها، تبقى كيفية نشوء هذه الدوامة لغزًا طويلًا. حتى الآن، استطاع الفيزيائيون وصف حالتين فقط: قبل ظهور الثقب وبعده.

السائل الذي يتدفق حول عائق يولّد دوامات وموجات صدمة. وصف سلوكها يعني حل معادلة لاخطية، حيث تعتمد سرعة التدفق على نفسها. الحواسيب الفائقة التقليدية تقضي أيامًا في هذا، بينما الحواسيب الكمومية لم تُستخدم تقريبًا حتى الآن: لغتها الطبيعية هي العمليات الخطية، بينما السائل «لاخطي» بطبيعته. مؤلفو العمل الجديد وجدوا طريقًا ملتويًا.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة إلى شظيتين، يبقى بينهما خيط كمومي غير مرئي. هذا الخيط هو التشابك: حالة إحدى الشظيتين مرتبطة فورًا بحالة الأخرى، وكأنهما ما زالتا كيانًا واحدًا. ولأول مرة، تمكن الفيزيائيون من حساب مدى طول هذا الخيط ومتانته بدقة، بتتبعهم خطوة بخطوة لعملية انشطار النواة. التشابك هو أن يتصرف جسيمان كجسيم واحد، حتى عبر المسافات.

ألقِ حصاتين في الماء على مسافة بينهما. ستجري الأمواج باتجاه بعضهما وتُلغي بعضهما في مواضع معينة — فيصبح الماء أملس، رغم أن كل حصاة بمفردها كانت ستُحدث تموجات. بطريقة مشابهة، يتصرف زوج من الفوتونات — كَمّات الضوء المولودة في بلورة واحدة والمتطايرة في اتجاهين مختلفين. لكن بدلاً من أمواج الماء، تتداخل هنا دوالها الموجية.

الغاز فائق السيولة هو حالة كمومية للمادة تتصرف فيها الذرات ككيان واحد، تمامًا كحشد من الناس يسيرون بخطى موحدة: كل ذرة «تعرف» اتجاه الحركة ولا تخرج عن الإيقاع الجماعي. لكن لهذا الحشد الكمومي ثلاث «وديان» — ثلاث حالات كمومية مسموحة تتوافق مع اتجاهات مختلفة للحركة الجماعية. في التجربة الجديدة، أنشأ الفيزيائيون اختلالًا في الطاقة بجعل إحدى الوديان أكثر ملاءمة قليلًا، وراقبوا كيف «تتخبط» النظام بين هذه الحالات.

يُوصِل ساعي البريد الطرود إلى مبنى له مدخلان. فبينما يكون الباب مفتوحًا، يدخل بحرية من كليهما. ولكن بمجرد أن يبدأ أحد البابين في الانغلاق، يصبح الدخول أكثر صعوبة. هكذا تقريبًا تتصرف المعلومات عند أفق الثقب الأسود — الحدود غير المرئية التي لا يمكن لأي شيء أن يفلت من ورائها. في دراسة جديدة، وصف العلماء هذه العملية بأنها تياران متعاكسان.

حجر يُلقى على جدار يرتد عنه. في العالم الكمومي، يمكن للجسيم أن يعبر من خلاله، وكأن الجدار منسوج من الضباب. هذا هو النفاذ الكمومي — ظاهرة يعبر فيها الجسيم حاجز الطاقة دون أن يمتلك الطاقة الكلاسيكية اللازمة لذلك. إنه يشعل النجوم، ويعمل في الرقائق الدقيقة، وحتى في خلايا أجسامنا.

حجر يُلقى على جدار يرتد عنه. في العالم الكمومي، يمكن للجسيم أن يعبر من خلاله، وكأن الجدار منسوج من الضباب. هذا هو النفاذ الكمومي — ظاهرة يعبر فيها الجسيم حاجز الطاقة دون أن يمتلك الطاقة الكلاسيكية اللازمة لذلك. إنه يشعل النجوم، ويعمل في الرقائق الدقيقة، وحتى في خلايا أجسامنا.

تحضّر أليس جسيمًا كموميًا في إحدى حالات متعددة محتملة وترسله إلى بوب. القناة التي ينتقل عبرها الجسيم ليست مثالية: فهي تُحدث ضوضاء، وتشتت، وتتفاعل مع المحيط — مثل نهر عكر تفقد فيه ملامح الجسم المُلقى. يستقبل بوب الإشارة ويحاول فهم ما أرسلته أليس بالضبط. هذا هو المخطط الكلاسيكي "حضّر وأرسل وقِس"، وفيه دائمًا خطر فقدان شيء ما.

في العالم الكمومي، تتصرف الجسيمات أحيانًا كبهلوانيين على حبال غير مرئية. حقل الإنستانتون هو دوامة حقل قصيرة العمر تظهر وتختفي فورًا، مغيرًا طوبولوجيا الفضاء. عندما يدخل فرميون (جسيم مثل الإلكترون) في مثل هذه الدوامة، لا تبقى طاقته ثابتة. بل تنزلق بسلاسة من مستوى إلى آخر، ككرة تتدحرج على منحدر.

خيط فضي رفيع طوله تقريبًا سُمك شعرة — وفيه تسكن قوانين كمومية نقية. بنى الفيزيائيون موصلًا لا تستطيع الإلكترونات فيه التحرك إلا للأمام أو للخلف، كما لو كانت على طريق أحادي المسار مستقيم تمامًا بلا جوانب. على مثل هذا الطريق، عادةً ما تدمر أي حفرة أو حصاة صغيرة الحالة الكمومية الهشة. لكن هنا، اتضح أن الطريق أملس بشكل مدهش.

العصبون الذي ينقل الإشارة يشبه بطارية صغيرة تفرغ وتشحن بسرعة. لنحو سبعة عقود، كان يُعتقد أن مرحلة إعادة الشحن تتم بواسطة «صمام بوتاسيوم» خاص — قناة أيونية تفتح بتأخير. العمل الجديدة تؤكد: هذا التيار شبح، قطعة أثرية للتفسير. نشأ لأن غشاء العصبون اعتُبر مكثفًا بسيطًا، متجاهلين هندسته المعقدة. الخطأ كان مختبئًا في النموذج الكهربائي.

شبكات الكمومية المستقبلية تشبه برج بابل: كل عقدة تتحدث لغتها الخاصة. بعضها يخزن المعلومات في استقطاب الفوتون — أي اتجاه اهتزاز موجة الضوء. والبعض الآخر في بتات زمنية، أي في اللحظة التي يصل فيها النبض. وحتى الأطوال الموجية مختلفة: فالذرات تصدر في النطاق المرئي، بينما الألياف البصرية تنقل الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل. نحتاج إلى مترجم عالمي.

كان الكون بعد الانفجار العظيم مباشرة يشبه مرجلاً يغلي: في كل مكان كانت تنفجر وتنمو فقاعات من حالة جديدة من المادة. كانت هذه تحولات طورية من الرتبة الأولى (first-order phase transitions) — تماماً مثل غليان الماء. إلا أن درجة الحرارة كانت تصل إلى تريليونات الدرجات.

$$10^{-35}$$ ثانية. لحظة ضئيلة يتمكن خلالها الكون من التوسع $$10^{26}$$ مرة. بعد ذلك مباشرة، يمر بآلاف التحولات السريعة — مثل كرة تقفز عبر سلسلة من الأنفاق. هذا التسلسل هو جوهر التضخم المتسلسل، الذي طرحه لأول مرة آلان غوث. في أبسط نموذج، جميع الأنفاق متطابقة. تقفز الكرة عبرها بنفس التردد.

$$10^{-35}$$ ثانية. لحظة ضئيلة يتمكن خلالها الكون من التوسع $$10^{26}$$ مرة. بعد ذلك مباشرة، يمر بآلاف التحولات السريعة — مثل كرة تقفز عبر سلسلة من الأنفاق. هذا التسلسل هو جوهر التضخم المتسلسل، الذي طرحه لأول مرة آلان غوث. في أبسط نموذج، جميع الأنفاق متطابقة. تقفز الكرة عبرها بنفس التردد.

الفضاء الفارغ ليس فارغًا كما يبدو. وفق نظرية الكم، يمتلئ الفراغ بجسيمات تُولد وتختفي باستمرار. في عام 1976، أظهر الفيزيائي ويليام أونروه أنه إذا تحرك راصد بتسارع، فإن هذا «الحساء الكمومي» يتحول بالنسبة له إلى حمام دافئ حقيقي — تأثير أونروه.

في الكون المبكر، عندما كان يبرد بعد الانفجار العظيم، ربما نشأت عيوب — تشبه الشقوق في الجليد. أحد هذه العيوب هو القطب الكوني الشامل، وهو كتلة صغيرة من الحقل حيث تُحبس الطاقة في عقدة. عندما يلتقي القطب مع نقيضه، يفنيان بعضهما مثل قطرة وفقاعة، ويصدران موجات — جسيمات عديمة الكتلة قريبة من المادة المظلمة (تُسمى بوزونات NG). حاكى مؤلفو العمل على الكمبيوتر رقصة هذه الأقطاب.

سطح أسود بارد — هكذا بدا بحر الطاقة المظلمة (dark energy) لمليارات السنين، وهي المادة غير المرئية التي تدفع توسع الكون (expansion of the universe). لكن مطياف DESI سجل تموجًا خفيًا. الموجات الصوتية المتجمدة — البنية واسعة النطاق (Large-Scale Structure) — أشارت إلى أن المسافات الكونية ليست على ما يرام.

في الحلقة التي يبلغ طولها 21 كيلومترًا في بروتفينو قرب موسكو، كان يُخطط يومًا لتسريع البروتونات. اليوم، يمكن لهذا النفق نفسه أن يستضيف آلة مختلفة تمامًا — مصادم ميوني. الميون هو قريب ثقيل للإلكترون، وهنا تكمن قوته. الإلكترون عند منعطف الحلقة يُصدر إشعاعًا كالكشاف الضوئي، فاقدًا طاقته الثمينة. أما الميون فيُصدر إشعاعًا أضعف بمليار مرة.

كل شيء يبدأ بندبةٍ صغيرةٍ — نفقٍ رفيعٍ يصل بين كونَين. في علم الكون الكمومي، كان النقاش منذ زمنٍ طويلٍ حول إمكانية أن يكون كوننا المغلق قد وُلد من «لا شيء» عبر النفق (وهي ظاهرةٌ يتجاوز فيها النظام حاجزًا لا يمكن تخطّيه بالمعايير العادية).

في البلورات، يأسرنا النظام المكاني المثالي: ذرات مجمدة في عقد الشبكة، كحبات خرز على خيط غير مرئي. لكن ماذا لو تجلت هذه التماثلية في الزمن؟ البلورات الزمنية هي أنظمة تبدأ، دون مؤثر خارجي، بتكرار حالاتها دوريًا، كساعة ملهمة من الطبيعة ذاتها. في عمق هذا الإيقاع الذي لا يكل، يبدو أنه لا مكان للعشوائية.

تأثير مبيمبا هو لغز حيث يتجمد الماء الساخن أحياناً أسرع من الدافئ. عادةً ما يُعزى ذلك إلى كيفية فقدان الماء للحرارة و الإنتروبيا (مقياس الفوضى). لكن في كوب من الماء، تعوق الفوضى وضع نموذج دقيق. بنى الفيزيائيون نموذجاً كمياً: جسيم في بئر ذات تجويفين يفصل بينهما حاجز. مثل كرة على منحدر به منخفضان: للانتقال من أحدهما إلى الآخر، يلزم طاقة.

الفراغ الكاذب ليس مجرد سائل فائق التبريد، بل هولوغرام كمومي مستعد للحياة عند الإسقاط الصحيح. يوصف اضمحلاله بنفق حقل كمومي من حد أدنى شبه مستقر، والحساب الكلاسيكي عبر الإنسطانتونات الإقليدية أنيق كلوحة طبيعة صامتة في ضوء الكشافات. لكن المحاكاة الشبكية المباشرة تصرفت كآلة تصوير عتيقة: بدل الصورة الحادة — ظل مشوش، معرّض بزمن تعريض طويل.

منذ أن لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتحرك بسرعة كبيرة، وقامت فيرا روبين بقياس دوران الأذرع الحلزونية، ظلت المادة المظلمة اللغز الأكبر في علم الكون.

الكيوبتات فائقة التوصيل هي القلب النابض لـ الحواسيب الكمومية، لكن إيقاعها يضطرب بفقدان التماسك: حيث تذوب الكمومية في الضوضاء. البنى التقليدية إما تفقد دقة التحكم، أو تعتمد على المجالات المغناطيسية — وهذه، كقادة أوركسترا غير مدعوين، تُدخل تداخلاً متبادلاً. أليكسي كيتايف ابتكر الحماية التماثلية — وسيلة لترميز الكيوبت بحيث لا تراه ضوضاء الشحنة.

في نظرية الحقل الكمومي لغز قديم: التباعدات تحت الحمراء. عادةً ما تُعتبر عائقاً تقنياً مزعجاً يجب «تغطيته» بحذر في الحسابات. لكن ماذا لو لم تكن خللاً، بل ميزة؟ تقلب نظرة جديدة المنظور: التباعدات تحت الحمراء ليست عائقاً، بل دليل مباشر على أن الفراغ ليس خواءً جامداً. إنه متجوّل، يتحرك باستمرار عبر عائلة من الحالات المتعامدة.

المفارقة الكلاسيكية لمبيمبا — تجمد الماء الساخن أسرع من البارد — ظلت تحير العلماء لقرون. لم تقدم الميكانيكا الإحصائية غير المتوازنة تفسيرًا إلا مؤخرًا: المسألة كلها تتعلق بالشروط الحدودية؛ فكأن النظام يبحث عن ذريعة «للاصطدام بالجدار» كي يسرع التبريد. هذا المبدأ نفسه، عند نقله إلى العالم الكمومي، يولد تأثيرًا أكثر إدهاشًا — اندفاع تبريد كمومي نفقي.

شعاع ضوء يدخل زجاجًا معتمًا وينطفئ — أمر عادي. لكن الفيزيائيين يعرفون منذ زمن كيف يجعلون الضوء يعبر دون فقدان فوتون واحد. هذه الحيلة تسمى الشفافية المستحثة كهرومغناطيسيًا: موجتان ضوئيتان تلغيان بعضهما عند نقطة معينة، فيختفي الامتصاص. الآن طُبِّقت حيلة مشابهة على الذرات.

النفق الكمومي — قدرة الجسيمات على عبور حواجز تمنعها الفيزياء الكلاسيكية — يغذي النجوم عبر الاندماج النووي الحراري، ويشعل التخليق النووي البدائي، ويهبنا ذاكرة الفلاش. لكن عندما يتسرب عبر الحاجز ليس فرداً واحداً، بل مجموعة كاملة من الجسيمات، فإن سلوكها يشبه حشداً يحاول الضغط عبر ممر ضيق: التفاعل بينها يغير الصورة جذرياً.

في منتصف القرن الماضي، لاحظ الفيزيائيون أمرًا غريبًا: تصرفت مستويات الطاقة في نوى الذرات المعقدة بأسلوب غير متوقع تمامًا، مثل أرقام تظهر بشكل عشوائي. منذ ذلك الحين، لم يتوقف البحث عن هذه الفوضى الخفية في العالم المجهري. حتى وقت قريب، كان يُعتقد أن الفوضى تظهر فقط في الأنظمة التي تُدفع باستمرار، مثل الخلاط.

في اللحظات الأولى من عمر الكون، كان يشبه مرجلًا يغلي. أثناء تبريده، حدثت فيه تحولات طورية — تقريبًا مثل تحول البخار إلى ماء، لكن بدلًا من الجزيئات، تغيرت حالة الفضاء نفسه. في هذا المرجل وُلدت فقاعات من الطور الجديد، تشبه الفقاعات في قدر يغلي. كانت قوة الفراغ تدفع جدرانها، بينما كانت البلازما من الخارج تقاوم وتسخن بسبب الاحتكاك.

في عالم المغناطيسية، سادت لفترة طويلة ثنائية بسيطة: المغناطيسات الحديدية، حيث تشير السبينات في اتجاه واحد، والمغناطيسات المضادة، حيث تصطف السبينات بنمط متناوب كرقعة الشطرنج، ملغيةً بعضها البعض. لكن لاعبًا ثالثًا حديثًا — المغناطيسات المتناوبة — أجبر على إعادة كتابة القواعد.

تخيّل نهراً عند منحدر: يتسارع التيار حتى لا تستطيع أي موجة التقدم عكس اتجاهه. وهذا ما يحدث للغاز بجوار الثقب الأسود: حين يبلغ سرعة الصوت، يحبس نفسه — يتولّد ثقب أسود صوتي، توأم الهاوية الجاذبية. هنا يُنسج أفق الحدث من تيار أسرع من صوته.

كرة صغيرة تستقر في حفرة. لن تخرج من تلقاء نفسها — تحتاج إلى دفعة. لكن في العالم الكمومي، يمكن للجسيم أن يتسرب عبر الحاجز دون طاقة إضافية. هذه الحيلة تُسمى النفق الكمومي (quantum tunneling). قد يقوم فراغ الكون بحيلة مماثلة: إذا لم يكن الأكثر استقرارًا (يقول الفيزيائيون «فراغ كاذب»)، فقد ينتقل تلقائيًا يومًا ما إلى حالة أخرى. ستكون العواقب كارثية. تتأثر هذه العملية بشدة بالجاذبية.

التشوه اللدن هو اللغة التي تحكي بها المواد عن توتراتها الداخلية. لقرن تقريباً، كانت نظرية الانخلاعات هي قواعده: عيوب خطية دقيقة تنزلق عبر الشبكة البلورية حاملةً القص. تعمل هذه الصورة بلا عيب في البلورات، لكنها تفقد معناها عند حدود الحبيبات، وفي السبائك غير المتبلورة والزجاج – حيث تختفي الشبكة.

كان المرق الحار للكون المبكر يبرد بشكل غير متجانس. وفي لحظة ما، بدأت فقاعات من طور جديد تظهر فيه — مثل فقاعات البخار في الماء المغلي. لكن هذه الفقاعات لم تكن من البخار، بل من حالة جديدة من المادة، حيث تجمعت جسيمات القطاع المظلم في كتل أكبر. وهكذا ربما وُلدت المادة المظلمة.

يسقط حجر في الماء فتنتشر دوائر في كل اتجاه. وإذا ألقيت حفنة من الحجارة دفعة واحدة، تتداخل الدوائر فلا يمكن تمييز أثر كل حجر. هكذا تقريبًا يبدو شعاع النيوترونات الساقط على كاشف: بقعة مضيئة غير واضحة لأسباب متعددة. أهم سببين هما حجم كل جسيم-موجة على حدة، ومدى تناسق (تماسك) تذبذبات الجسيمات المختلفة.

ألقِ حفنة من الفوسفور في السيليكون، وعند تركيز معين من الشوائب، يبدأ المادة فجأة في توصيل التيار. هذا هو الانتقال الطوري من معدن إلى عازل، ويحدث فجأة. ولكن ما الذي يتغير بالضبط في الدوال الموجية للإلكترونات عندما يتحول العازل إلى معدن؟ يمكن استخلاص الإجابة من كيفية امتصاص المادة للضوء.