إنتروبيا فون نيومان

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

الحالة الكمومية مثل الطقس في الجبال: تتغير من نظرة إلى أخرى. لتقدير عدم يقينها، يصنع الفيزيائيون نسخًا ويجرون قياسات. كل نسخة هي مقياس حرارة ينكسر بعد الاستخدام. السؤال: كم عدد موازين الحرارة اللازمة لمعرفة درجة الحرارة بالدقة المطلوبة؟ في السابق، كانت الإجابات متباينة. قال المنظرون: «لا يمكن أن يكون أقل من كذا».

مقياس حرارة متقلب يُظهر درجات حرارة مختلفة اعتمادًا على من ينظر إليه. هذا تقريبًا ما يفعله الثقب الأسود: خصائصه الحرارية — الإنتروبيا (مقياس المعلومات المخفية) ودرجة الحرارة — تعتمد على كيفية وصفنا للمعلومات المخفية فيه.

يضع الصياد أفخاخه في الغابة. إنه يعرف طباع الوحش، لكنه لا يعرف ما إذا كان سيقع في الفخ من الأساس. وبالمثل، ينصب الفيزيائيون كاشفاتهم في محاولة لاصطياد جسيمات المادة المظلمة — المادة غير المرئية التي يُعتقد أنها تشكل معظم كتلة الكون. يقدم العمل الجديد للصيادين أداة غير عادية: ليس فخًا، بل شريط قياس.

في مركز نجم يحتضر، عندما ينضغط نواته إلى كرة نيوترونية، تولد عاصفة غير مرئية. تريليونات من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة — تندفع في البلازما شديدة الحرارة. وهي كثيرة جدًا لدرجة أنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض، مغيرًة "نكهاتها" (الأنواع: إلكتروني، ميوني، تاو-نيوترينو) مثل الحرباء.

الفراغ الكمومي ليس فراغًا خاويًا، بل وسط ممتلئ بالتشابك الكمومي: حالات الجسيمات في مناطق بعيدة تكون مترابطة. ومع ذلك، فإن محاولات حساب مقدار هذا التشابك كانت تصطدم باللانهاية. مصدر المشكلة هو جسيمات ذات طاقة منخفضة جدًا، والتي تشبه أمواجًا بلا شواطئ، إذ يمكنها أن «تتمدد» على حجم كبير بشكل تعسفي، مما يجعل مساهمتها في التشابك غير محدودة.

العالم الكمومي مليء بالروابط الغريبة. قد يصبح جسيمان «متشابكين»: حالة أحدهما تؤثر فورًا على الآخر حتى لو كانت بينهما كيلومترات. ولكن كيف نعرف ما إذا كانا متشابكين حقًا؟ يشبه ذلك خيطًا ملفوفًا: من النظرة الأولى لا يتضح إن كان كتلة واحدة متماسكة أم مجرد أجزاء متشابكة. في السابق، كان التحقق يتطلب حسابات هائلة — لم يكن استعراض جميع الاحتمالات ممكنًا إلا للأنظمة الصغيرة جدًا.

علامة مائية دقيقة على ورق مبلل — وزجاج مُضبَّب أمام العينين. هكذا تبدو تقريبًا مهمة قراءة الحالات الكمومية للضوء: أنماط الفوتونات الرقيقة تتشوه بسبب الفقدان، والكواشف تلتقط جزءًا صغيرًا فقط من الإشارة. النهج المعتاد — التصوير المقطعي المتجانس (homodyne tomography) — يتطلب ظروفًا شبه مثالية، لكن في العالم الحقيقي يخفت الضوء والأجهزة غير كاملة. يقترح مؤلفو العمل طريقًا مختلفًا.

المترجم ينشغل بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هكذا تقريبًا يزعج الضجيج الحراري النقل الآني الكمومي: تفقد الجسيمات الناقلة تزامنها، ويتلف الرسالة. في العمل الجديد، درس الفيزيائيون ما سيحدث إذا بدأ أحد الطرفين — جهاز الاستقبال المسمى روب — بالتسارع بسرعة، مثل متسابق عند الانطلاق، بينما تبقى المرسلة أليس في مكانها.

إذا عجّلنا مراقبًا إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء، فإن الفراغ من حوله لن يبقى باردًا. ينشأ توهج حراري — تأثير تنبأ به في عام 1976 وسُمي باسم ويليام أونروه. بالنسبة للتسارعات الأرضية، يكون هذا التوهج ضعيفًا للغاية، مثل همس في حفلة موسيقى الروك.

تمشط مجموعة بحثية حقلًا ضبابيًا. في البداية ينتشر الأفراد على نطاق واسع: "درجة حرارة" البحث المرتفعة تعني تنوعًا كبيرًا في المحاولات. وعند اكتشاف أثر، يتقاربون. لكن سرعة التقارب حاسمة — فتضييق الدائرة مبكرًا قد يجعل أفضل اكتشاف بعيدًا عنهم. يقيّم المنسق تشتت الباحثين ويصدر أوامره بالتسريع أو الإبطاء. في الروبوتيات، تعمل الإنتروبيا كمنسق — إنها مقياس لعدم اليقين والتنوع.

شبكة الكهرباء أشبه بمطبخ ضخم، حيث تهدد آلاف 'أطباق' الأعطال بالتقديم كل لحظة. الفحص الكامل لكل طبق يستغرق ساعات، والتفحص السريع قد يغفل خطرًا خفيًا، كما قد يغفل النظر العابر عن شرخ خفي في جدار. طريقة فون نيومان (الذي ابتكر كيفية القبض على الغشاشين بفحص جزء فقط من البطاقات) تقدم سبيلاً آخر. في البداية، يستبعد مرشح سريع الحالات الآمنة بوضوح.

في العالم المصغر، الضوضاء — التقلبات العشوائية — عادةً ما تدمر الحالات الكمومية الهشة، تمامًا كما تكسر تموجات الماء انعكاس الصورة في بركة ماء. ومع ذلك، في بعض الأنظمة، تولد الضوضاء الجماعية المنسقة لتعدد الجسيمات تأثيرًا معاكسًا: ينشأ تدفق أحادي الاتجاه مستقر.

البحث عن الأنيونات غير الأبيلية هو مطاردة شبح كمومي لا يترك سوى دليل واحد: الإنتروبيا. تعيش هذه الجسيمات في أنظمة ثنائية الأبعاد عند درجات حرارة فائقة الانخفاض. تبادلها لا يقتصر على تغيير إشارة الدالة الموجية، بل يُشابك الحالات، خالقاً نظاماً طوبولوجياً.

يدخل السوق ثمانمائة مشارك — شركات وعاملون. يحمل كلٌّ منهم قائمة تفضيلات صارمة في ذهنه. المهمة: الانقسام إلى أزواج بحيث لا يرغب أحد في إعادة اللعبة. في الرياضيات، يُطلق على هذا اسم لعبة تعاونية مع حظر تكرار الاقترانات، وتعود جذورها إلى أعمال جون فون نيومان وأوسكار مورغنسترن.

السلك النانوي فائق التوصيل الطوبولوجي يشبه جسراً، على طرفيه يقف حارسان لا يفترقان، أنماط ماجورانا. هذه أشباه الجسيمات الغريبة، التي تم التنبؤ بها في الثلاثينيات، تعد بأن تكون أساس حاسوب كمي محصن ضد الأخطاء. لكن العالم الواقعي مليء بالضوضاء: أي قياس أو تسرب للجسيمات يهدد بتمزيق الرابط الهش.

عندما ينهار مبنى، يتحول حديد التسليح إلى بوصلة مغناطيسية فوضوية. الإنتروبيا — مقياس الفوضى — تزداد، لكن هذه الفوضى بالتحديد تشير إلى الفراغات التي قد يكون فيها الناس.

اعتدنا أن نعتقد أن ملاحظة تأكيدات تخميناتنا فقط هي خطأ. لكن حسابات حديثة مستوحاة من سلوك الموجات تقلب هذه النظرة. اتضح أن عادة البحث عن المألوف هي أفضل وسيلة لتقليل الضجيج المعلوماتي (يسميه العلماء الإنتروبيا). وقد أوضح جون فون نيومان أن الاحتمالات قد تتصرف لا كنسب مئوية، بل كموجات متداخلة.

المترجم لا يسمع الكلمات فحسب، بل أيضًا النبرة والتوقفات والارتعاش في الصوت. تحليل الإنتروبيا العادي للاضطرابات الكونية يشبه محضر اجتماع: يوثق الحقائق لكنه يفقد الفروق الدقيقة. الإنتروبيا الزائفة للإنتروبيا — أداة جديدة تلتقط «الموسيقى» الخفية للكون المبكر.

إن صنع سبيكة من عدة معادن يشبه تحضير طبق من مكونات مجهولة: يكاد يكون من المستحيل تخمين القوام النهائي دون تجربة. غالبًا ما تخطئ النماذج التقليدية عندما يزيد عدد الذرات المختلفة عن ثلاثة. تستبدل الطريقة الجديدة التجارب اللامتناهية بالحساب: فكلما زاد عدد خيارات ترتيب الذرات المختبرة، زادت الإنتروبيا المعلوماتية — مقياس مدى استكشاف فضاء '<الوصفة>'.

الغلاية المغلية بغطاء مغلق لا تظهر الفقاقيع، لكن الصوت والاهتزاز يكشفان عن قوة غليان الماء. تشبه الأنظمة الكمومية ذلك: فحساسيتها القصوى — أي الدقة التي تتحسس بها المجال المغناطيسي أو الموجة الثقالية — كانت تُحسب سابقًا عبر إعادة بناء جميع الخصائص (التصوير المقطعي). وهذا يشبه إعداد جرد لكل قطرة.

مصيدة غير مرئية من ضوء الليزر تحتجز 11 ألف ذرة — رقم قياسي في الهندسة الكمومية. في السابق، كان الفيزيائيون يتعاملون مع عشرات من هذه الجسيمات؛ أما الآن فقد وصل العدد إلى الآلاف. كل ذرة تصبح كيوبتًا — بتًا كموميًا، يكون صفرًا وواحدًا في آنٍ واحد، مثل عملة تدور على حافتها. مفتاح النجاح هو سطح ميتا مسطح بحجم عملة معدنية. يعمل كعدسة بدون زجاج ضخم، يُركب خارج حجرة التفريغ.

تخيل مكتبة لا تحتوي على كتب، بل على جميع التركيبات الممكنة لعشرات الجسيمات الكمومية. عدد هذه التركيبات يتضاعف ككرة الثلج: أضف جسيمًا واحدًا فيتضاعف الحجم. لخمسين جسيمًا، عدد الأرفف يتجاوز عدد الذرات في الكون المرئي. كان يُعتقد سابقًا أن البحث في هذه الفوضى عن حالات مناسبة للقياسات فائقة الدقة هو بمثابة الفوز باليانصيب.

الإنتروبيا هي مقياس للفوضى. مجموعتان من أوراق اللعب المخلوطة، إذا سُكِبَتا في كومة واحدة، لن تصبحا أكثر فوضوية من مجموع فوضاهما المنفصلتين. هذه هي قاعدة الجمعية التحتية: الكل ليس أكثر فوضوية من أجزائه. وإذا أضفت بطاقة الجوكر، فإنها تُحدث اضطراباً أكبر في المجموعة المخلوطة سلفاً مقارنة بالمجموعة المرتبة - هذه هي الفوقية التركيبية، حيث يتفاعل النظام بحدة أكبر مع الجديد كلما كان 'ممزوجاً' أكثر.

في كون أبدي، حيث مقياس الاضطراب — الإنتروبيا — يتزايد بلا هوادة، يسود الفراغ المتجانس معظم الوقت. ومن حين لآخر، في هذا الفراغ، وطاعةً للتقلبات العشوائية التقلبات، تتجمع بنى معقدة تلقائيًا، بما فيها وعيٌ عابر أسماه لودفيغ بولتزمان "أدمغة بولتزمان".

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.

تقاطع مزدحم بلا إشارة مرور. سيارات تتحرك، تتوقف، تغير مسارها — ومن الخارج يبدو أن الفوضى تسود. لكن إذا راقبت لفترة أطول، يمكنك ملاحظة إيقاع: التدفق يزداد تارة ويقل تارة أخرى. في الفيزياء، يُسمى هذا الإيقاع للاضطراب الإنتروبيا — وهي تُظهر مدى بُعد النظام عن التوازن الهادئ، مثل الماء في غلاية تغلي.

إذا قمت بتسريع أحد الجسيمات الأربعة المتشابكة إلى سرعة هائلة، فإن تشابكها الكمومي لا يذوب فحسب، بل يضعف أولاً ثم يقوى مرة أخرى. هذا التحول غير المتوقع اكتشفه الفيزيائيون أثناء دراسة سلوك حالة خاصة تسمى حالة ديكي في عالم تخضع فيه قوانين النظرية النسبية. التشابك الكمومي يشبه خيطًا غير مرئي يربط الجسيمات بحيث يؤثر قياس أحدهما فورًا على الآخر، حتى لو كانا بعيدين عن بعضهما البعض.

يتجمد الماء العادي بشكل متوقع: كلما كان أبرد، تحول إلى جليد أسرع. ومع ذلك، في بعض الأحيان يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من البارد — وهذه مفارقة تُعرف بتأثير ميمبا.

الإحداثي الخامس، المطوي في حلقة صغيرة جدًا، قد يكون مختبئًا تحت أنوفنا مباشرة. في مثل هذا الكون، كل ما نراه سيكون ملتصقًا بغشاء رباعي الأبعاد — البران — مثل قطرات الماء على زجاج النافذة. ولكن لماذا لا تنزلق المادة إلى البعد الخامس؟ ربما يكمن الجواب في التواء الفضاء نفسه. حسب الفيزيائيون سلوك الحقول الفرميونية — لبنات المادة — في عالم خماسي الأبعاد.

الزمكان ليس مسرحًا سلبيًا، بل نسيج ديناميكي تشوّهه الأجسام الضخمة، مثلما يشوّه الحرير المشدود تحت ثقل الكرات. في كل طيّة جاذبية من هذه الطيّات تُخزَّن معلومات — ووفقًا لـمبدأ لانداوير، فإن محو أي بت يتطلب إطلاق حرارة.

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.

يجلس مترجمان فوريان في كابينة واحدة. الأول يترجم من الإنجليزية إلى العربية، لكنه يبتلع نصف الكلمات. والثاني يترجم من العربية إلى الفرنسية، وهو أيضًا يفقد نصف الكلمات. إذا جلسا معًا، يبدو أن النتيجة ستكون فوضى: ستتراكم الخسائر، ولن يصل إلى المستمع سوى ربع المعنى. ولكن ماذا لو بدآ بتصحيح أخطاء بعضهما البعض؟ أحدهما يسمع جزءًا من الجملة، والآخر يكمله بالتخمين. الدقة النهائية تكون أعلى من دقة كل منهما على حدة.

تسجيل من مسجّل صوتي في ساحة مدينة. يُسمع همهمة الحشد، وخطوات الأقدام، ومقاطع من أحاديث، وضجيج السيارات. وفي مكان ما وسط هذه الفوضى الصوتية، يعزف موسيقي الشارع لحنًا بسيطًا على الناي. ليس من السهل سماعه، فثمة الكثير من الأصوات المختلطة. تقريبًا هذه هي المهمة التي تحلها خوارزمية جديدة باسم Edwin (ضغط إنتروبيا قصوى مع اكتشاف نماذج غير خطية قابلة للتفسير).

التشابك الكمومي شيء هشّ. صديقان يتفرقان في مدينتين مختلفتين، ويحمل كلٌّ منهما صندوقاً يحتوي زوجاً من القفازات: إذا كانت في أحد الصندوقين قفازاً أيسر، ففي الآخر أيمن. تتصرف الجسيمات المتشابكة بشكل مشابه، لكن لا أحد يعرف أيهما في أي مكان قبل القياس. لكن بينما تنتقل، تهتز الصناديق، وتتشوش الحالات الكمومية الرقيقة — ضوضاء القناة تفسد الاتصال. المنهج المعتاد هو تنظيف ما تم استلامه بالفعل.

نردان دائمًا ما يسقطان بنفس الطريقة، مهما كانت المسافة بينهما. في الفيزياء الكمومية، يُسمى هذا السلوك تشابكًا، وهو المورد الأساسي لحواسيب المستقبل والاتصالات الآمنة. لكن المشكلة أن ليس كل تشابك يسهل رصده. بعض أشكاله — مثل حبر غير مرئي: الارتباط موجود، لكن الفحص القياسي (ويُسمى «معيار الإيجابية تحت النقل الجزئي») يُظهر صفحة بيضاء.

إذا ضغطت قطعة معدنية عادية، فإنها تسخن — وهذا معروف حتى لمن نفخ إطار دراجة. ولكن ماذا يحدث إذا ضغطت مغناطيسًا ترفض فيه الأسهم الذرية أن تستقر حتى عند الصفر المطلق؟ قررت مجموعة من الفيزيائيين اختبار ذلك على بلورات خاصة — مغناطيسات محبطة (frustrated magnets)، حيث تكون العزوم المغناطيسية للذرات (بوصلات صغيرة) مرتبة في شبكة مثلثية ولا تستطيع أن…

قطعة نقدية تُقذف باليد اليمنى تسقط دائمًا على الوجه، وباليد اليسرى على الكتابة. هذا تقريبًا سلوك جسيم لامدا-b: دورانه الداخلي (اللف المغزلي) مرتبط ارتباطًا وثيقًا بنوع جسيم D الذي سينتج عن الاضمحلال. هذا الارتباط هو تشابك كمومي، لكن ليس بين جسيمين مختلفين، بل بين خاصيتين لنفس الجسيم. درس الفيزيائيون اضمحلال Λb إلى Λ وميزونات D المحايدة (جسيمات تحتوي على كوارك ساحر).

أربع برك صغيرة، وفيها تموج قطرات من سائل فائق الميوعة. هذه القطرات هي ذرات مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، ومقترنة في أزواج مثل مغناطيسات صغيرة. عندما يدور الهيكل بأكمله، يتدفق السائل بين البرك. يكفي ببساطة عدّ عدد القطرات في كل بركة — فتصبح الزاوية وسرعة الدوران معروفتين. عادةً، تكون هذه القياسات محدودة بالضوضاء الكمومية — وهي تموجات لا يمكن إزالتها تطمس الصورة.

لنفترض أننا نضع حفنة من العملات المعدنية على الطاولة. كل عملة تمثل نتيجة محتملة: صورة، كتابة، أو شيء آخر. إذا عرفنا مدى فوضوية هذه المجموعة (إنتروبياها)، فما التوليفات الاحتمالية التي ستظهر أكثر؟ اتضح أن الإجابة تعتمد على مقدار الفوضى التي سمحنا بها. الإنتروبيا هنا ليست مجرد مقياس للاضطراب، بل طريقة لقول كم عدد الخيارات المختلفة التي لا يزال من الممكن تحقيقها.