الواقع المذهل لميكانيكا الكم

محمد عبد الكريم يوسف
مدرب ومترجم وباحث
(Mohammad Abdul-karem Yousef)

الحوار المتمدن-العدد: 8589 - 2026 / 1 / 16 - 15:07
المحور: قضايا ثقافية
    

حوار مع جيم الخليلي حول الواقع المذهل لميكانيكا الكم
في هذه المحاضرة الآسرة التي ألقاها في المؤسسة الملكية( 7 نوفمبر 2025 ) ، يستكشف الفيزيائي جيم الخليلي عالم ميكانيكا الكمّ المُحيّر والقوي في آنٍ واحد، مُحييًا بذلك الذكرى المئوية لاكتشاف فيرنر هايزنبرغ الرائد. ويشرح كيف أن مفاهيم أساسية كالتراكب، والنفق الكمومي، والتشابك الكمومي - التي رفضها آينشتاين سابقًا ووصفها بأنها "تأثيرات غريبة عن بُعد" - تُحرك الآن ثورة كمّية ثانية.
يتجاوز الخليلي الجانب النظري ليُسلّط الضوء على أحدث التقنيات الناشئة اليوم، بدءًا من الساعات الشبكية البصرية التي تتأخر أقل من ثانية واحدة على مدار عمر الكون، وصولًا إلى كاميرات التصوير الطيفي التي تُتيح رؤية الأجسام دون النظر إليها مباشرةً. ومن تطوير أجهزة الاستشعار الكمومية لإجراء مسح دقيق للغاية للدماغ، إلى السباق نحو تطوير حاسوب كمومي عملي، يكشف هذا الحديث كيف يتم تسخير عالم الجسيمات دون الذرية لإحداث نقلة نوعية في الطب والأمن وفهمنا للواقع نفسه.
نشأة ميكانيكا الكم
جيم الخليلي: قبل مئة عام، في صيف عام 1925، تغيرت نظرتنا إلى الكون إلى الأبد. كان العالم الألماني الشاب، فيرنر هايزنبرغ، يتعافى من نوبة حمى القش على جزيرة هيليغولاند الجرداء في بحر الشمال. جزيرة قاحلة. وبينما كان هناك، خلال فترة نقاهته، وضع الإطار الرياضي الذي نسميه اليوم ميكانيكا الكم.
لقد انشغلتُ بميكانيكا الكم لأكثر من أربعة عقود. في الواقع، كانت أول محاضرة ألقيتها مساء يوم جمعة قبل 21 عامًا عن ميكانيكا الكم. كان ذلك بعد عام تقريبًا من نشر كتابي حول هذا الموضوع، "الكم: دليل للمتحيرين". أقول دائمًا لمن يقرأ الكتاب: لا أستطيع أن أعدكم بأنكم ستتخلصون من حيرتكم بعد قراءة الكتاب، بل ستفهمون فقط سبب حيرتكم.
في الواقع، يوجد على الغلاف الخلفي للكتاب اقتباس شهير للفيزيائي الدنماركي العظيم نيلز بور، الذي يقول: "إذا لم تندهش من ميكانيكا الكم، فمن الواضح أنك لم تفهمها".
ما ستتناوله هذه المحاضرة
الآن، ما أريد فعله في هذه المحاضرة هو عدة أمور.
أودّ أن أقدّم لكم لمحةً عامةً، تاريخاً موجزاً للموضوع، ولماذا هو محيّرٌ وغريبٌ إلى هذا الحد، ولكن أيضاً لماذا يُعدّ أقوى نظرية في العلم برمّته. في الواقع، عليّ تصحيح ذلك. ميكانيكا الكم ليست نظريةً فحسب، بل هي إطارٌ، إطارٌ رياضيٌّ، لفهم آليات عمل العالم الميكروسكوبي، عالم الجسيمات دون الذرية، عالم الذرات وما وراءه.
بنفس الطريقة التي لا تُعتبر بها الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية نظريةً، بل هي إطارٌ لفهم كيفية عمل عالمنا اليومي، من قوى وزخم وطاقة وما إلى ذلك، فإن ميكانيكا الكم هي مكافئها على المستوى الميكروسكوبي. وهي مختلفة تمامًا، بل ومخالفةٌ للحدس، ومع ذلك فهي قوية وناجحة، وقد بنينا عالمنا الحديث عليها.
نبذة تاريخية عن نظرية الكم
لذا أود أن أبدأ أولاً بنبذة تاريخية. لا أريد الإطالة، لدي ساعة واحدة لتغطية الكثير من المواضيع. لذلك سأستعرض التاريخ بإيجاز. وأظن أن الكثير منكم، إن كنتم على دراية بميكانيكا الكم، تعرفون بعض هذه الأسماء، بعض رواد الكم العظماء الذين يعود تاريخهم إلى ما قبل عام ١٩٢٥.
في الواقع، بدأت نظرية الكم الأصلية، أو بالأحرى بذرة الفكرة، في عام 1900، بفضل الفيزيائي الألماني ماكس بلانك. اقترح بلانك أن الإشعاع المنبعث من الأجسام الدافئة ليس متصلاً، كتدفق الماء من الصنبور، بل هو متقطع، يأتي على شكل قطرات منفصلة.
بعد بضع سنوات، قام أينشتاين بتوسيع تلك الفكرة وقال إن جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية، والضوء، بجميع أطواله الموجية، يمكن اعتبارها في النهاية جسيمات كمية من الضوء، والتي نسميها الآن الفوتونات.
رواد الكم
أبدى فيزيائيون آخرون اهتمامًا بالموضوع وانخرطوا فيه. حتى أن نيلز بور نفسه، الفيزيائي الدنماركي، وسّع الفكرة لتشمل وصف طاقة الذرات، أو بالأحرى، طاقة الإلكترونات، وهي تترتب حول نواة الذرة. جاء ذلك بعد فترة وجيزة من تقديم إرنست رذرفورد أولى ملامح شكل الذرة. معظمها فراغ، ونواة صغيرة كثيفة في المنتصف تحيط بها الإلكترونات. كانت تلك صورة للذرة تشبه نظامًا شمسيًا مصغرًا، سرعان ما اكتشفنا أنها لم تكن دقيقة تمامًا.
لكن الفكرة، هذه النظرية الكمومية، فكرة أن الأشياء مُكمّمة، وطاقة الإلكترونات حول الذرة تأتي أيضاً في مستويات منفصلة، وقيم منفصلة. لا يمكن للإلكترونات أن تمتلك أي طاقة تريدها.
وتحدث آخرون، مثل الفرنسي لويس دي بروي، عن أن الموجات يمكن أن تتصرف كالجسيمات، والجسيمات تتصرف كالموجات. بدأت الأمور تأخذ منحىً غريباً بعض الشيء. كان هناك علماء مثل ماكس بورن، وهو فيزيائي ألماني آخر، وولفغانغ باولي، والفيزيائي البريطاني بول ديراك.
نحتفل هذا العام، وهو العام الدولي لعلوم وتكنولوجيا الكم، بمرور مئة عام على ابتكار ميكانيكا الكم الكاملة، كما تطورت من نظرية الكم القديمة، والتي يعود الفضل فيها ليس فقط إلى هايزنبرغ، بل أيضاً إلى الفيزيائي النمساوي شرودنغر - صاحب قصة القطة الشهيرة في الصندوق التي هي ميتة وحية في الوقت نفسه. سنتناول هذا الموضوع بمزيد من التفصيل لاحقاً.
طوّر كلٌّ من هايزنبرغ وشرودنغر مناهج رياضية لفهم عالم الذرة، لكنهما اختلفا في منهجهما. وسرعان ما تبيّن أنهما متكافئان. واليوم، عندما نتحدث عن ميكانيكا الكم، وعندما نُدرّسها للطلاب، نستخدم مزيجًا من كلا المنهجين.
مؤتمر سولفاي الخامس: الصورة الأكثر ذكاءً على الإطلاق
بلغت ميكانيكا الكم ذروتها في هذا المؤتمر الشهير، مؤتمر سولفاي الخامس للفيزياء الذي عُقد في بروكسل عام ١٩٢٧. وكثيراً ما تُعتبر هذه الصورة أذكى صورة التُقطت على الإطلاق. الآن، قد يستمتع الفيزيائيون منكم، ولا شك أنهم استمتعوا في الماضي، بمحاولة معرفة هوية كل هذه الأسماء اللامعة. بالطبع، الجميع يعرف آينشتاين في الصف الأمامي. ماري كوري، المرأة الوحيدة في الصورة بأكملها. لكنها تتفوق على البقية بشيء مميز، فقد فازت بجائزتي نوبل، وهو إنجاز لم يحققه أي منهم.
لكن بالطبع، كان هناك هندريك لورنتز، وكان هناك أيضًا نيلز بور. في ذلك الوقت، كان نيلز بور لا يزال في بداياته، ولم يكن حتى من بين كبار العلماء. ثم ظهر جيل جديد من العلماء الشباب: هايزنبرغ وباولي وشرودنغر. كل من كان له شأن في هذه النظرية الجديدة للعالم الذري كان حاضرًا في ذلك المؤتمر.
وغالباً ما يُفترض في تدريس التاريخ أن ميكانيكا الكم قد اكتملت، وأنها قد انتهت، وأنهم قد حسموا كل شيء. والآن، فلنستخدمها لفهم الفيزياء والكيمياء وبناء العالم الحديث بحلول هذا الوقت.
أينشتاين ضد بور: المناظرة الشهيرة حول الواقع
اشتهر مؤتمر سولفاي عام 1927 بمناظرة عملاقي هذا المجال، أينشتاين ونيلز بور، الشهيرة حول طبيعة الواقع. ويمكن تبسيط الروايات التاريخية بالقول: حسناً، لقد انتصر بور في هذه المناظرة. كان لبور معهده الشهير في كوبنهاغن، وقد ساهمت رؤيته، بالتعاون مع مجموعة من العباقرة الشباب - هايزنبرغ وباولي - في صياغة ما يُعرف اليوم بصورة كوبنهاغن، وهي الرؤية التي زعموا أنها فُرضت علينا من خلال الرياضيات والنظرية والأدلة التجريبية.
هذا يشير إلى أن العالم الذري ليس شيئًا يمكننا تصوره. لا يمكننا الحديث عن الذرة كنظام شمسي مصغر بإلكترونات تدور حول النواة. لا يمكنك حتى تخيل شكل الذرة. إنه علم رياضيات مجرد. ما يمكن أن تقدمه ميكانيكا الكم، كما جادلوا، هو تنبؤات حول نتائج القياسات إذا ما بحثت. إذا بحثت لترى ما تفعله الذرة أو أين يوجد الإلكترون، فهذا ما تخبرك به ميكانيكا الكم. وبالفعل، هذا ما وجدوه.
وتفسر ميكانيكا الكم العديد من النتائج التجريبية التي عجز العلماء عن فهمها حتى ذلك الحين. لقد أثبتت ميكانيكا الكم صحتها. ولكن في جوهرها، كان هناك لغزٌ محير: هل يعقل حقًا ألا نفهم ما يحدث فعلاً؟ هل يعجزنا فهم الصورة الكاملة؟
قال أينشتاين قولته الشهيرة: "إذا كان كل شيء في نهاية المطاف مصنوعًا من جسيمات الكم، فهل القمر غير موجود عندما لا أنظر إليه؟ هل أنا فقط أجعله موجودًا عندما أراقبه، كما تقول لي أنه يحدث عندما أراقب الذرات؟"
حسناً، قال الأشخاص الذين يعملون في مجال ميكانيكا الكم: "نعم، حسناً، هذه فلسفة، أليس كذلك؟ دعونا نمضي قدماً في الأمور." وقد فعلوا ذلك.
تطور ميكانيكا الكم خلال القرن العشرين
إذا تأملنا في تطور ميكانيكا الكم خلال القرن العشرين، نجد أننا نبدأ بنظرية الكم القديمة لعام 1900. وبحلول عشرينيات القرن نفسه، كنا قد وصلنا إلى ميكانيكا الكم المتكاملة. وفي أواخر العشرينيات، كان علماء مثل بول ديراك قد بدأوا بالفعل في تطوير ميكانيكا الكم، قائلين: "حسنًا، النظرية الكبرى الأخرى في الفيزياء هي نظرية النسبية - النسبية الخاصة، التي تنص على أنه لا شيء يمكن أن يتحرك أسرع من الضوء، وأن الطاقة تساوي الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء، وكل ما يتعلق بذلك، وأن الزمن هو البعد الرابع".
بدأ علماء مثل بول ديراك في البناء على أسس ميكانيكا الكم، ومن هنا ظهرت الأفكار الأولى لنظرية الحقل الكمومي. وقد تطورت هذه النظرية بعد أربعينيات القرن العشرين. قام علماء مثل الفيزيائي الأمريكي العظيم ريتشارد فاينمان، إلى جانب شوينجر وتوموناغا، بتطوير الديناميكا الكهربائية الكمومية. تُطبق الديناميكا الكهربائية الكمومية على جميع المواد وجميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية - الضوء والإشعاع - وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. تُعد الديناميكا الكهربائية الكمومية، بلا منازع، النظرية الأكثر دقة في تاريخ العلوم. إنها تتمتع بقوة هائلة. ويمكننا تفسير معظم الظواهر التي نراها اليوم باستخدام الديناميكا الكهربائية الكمومية.
بل إن الفيزيائيين قد ذهبوا أبعد من ذلك. فهناك قوى أخرى في الطبيعة، قوى تُبقي نواة الذرة متماسكة. في ستينيات القرن الماضي، تمكنوا من دمج إحدى هذه القوى، وهي القوة النووية الضعيفة، مع الديناميكا الكهربائية الكمومية، ليحصلوا على ما أطلقوا عليه، إلى جانب الكهرومغناطيسية، ما نسميه اليوم نظرية الكهروضعيفة. ولم يتوقفوا عند هذا الحد. فقد كانت هناك قوة أخرى في النواة، وهي القوة النووية القوية. ماذا لو طبقنا عليها نظرية الكم؟ ومن هنا تطور ما يُعرف بالديناميكا اللونية الكمومية.
النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات
في سبعينيات القرن الماضي، جُمعت كل هذه القوى فيما يُعرف اليوم بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات - وهو اسمٌ مُبهم، يوحي بأنها فيزياء مملة. لكن في الواقع، بحسب ما نعرفه، يُفسر هذا النموذج جميع القوى والظواهر التي نراها، باستثناء الجاذبية. وحتى الآن، وبالتأكيد خلال العقود القليلة الماضية، يظل التحدي الأكبر في فيزياء الكم هو كيفية إدخال الجاذبية في الحسبان. هذا هو الهدف الأسمى للفيزياء النظرية، وهو أمر لم يتحقق بعد بطريقة ميكانيكا الكم.
حسناً، كان الفيزيائيون يستخدمون ميكانيكا الكم. لقد كانت فعالة، وكانت قوية، وكانوا يطورون نظريات أكثر قوة، لكن لم يكن الجميع راضين.
اعتراضات أينشتاين ومفارقة إي بي آر
لم يستسلم آينشتاين، على سبيل المثال، قط. فرغم كونه الأب المؤسس لنظرية النسبية، إلا أنه كرّس ما تبقى من حياته لمحاولة دحض الطبيعة الاحتمالية لميكانيكا الكم. في ثلاثينيات القرن العشرين، نشر بحثًا شهيرًا جدًا مع زميليه بوريس بودولسكي وناثان روزن. ربما لا تعني أسماؤهم الكثير بالنسبة لك - فهم ليسوا بشهرة آينشتاين - لكن هذا البحث اشتهر باسم بحث EPR، نسبةً إلى الأحرف الأولى من أسماء الزملاء الثلاثة: آينشتاين، بودولسكي، وروزن. وفي هذا البحث، طرحوا معضلة ميكانيكا الكم، والتي تُعرف اليوم باسم مفارقة EPR. أودّ شرح هذه المفارقة لأنها ستعود للظهور مجددًا عند الحديث عن تقنيات الكم في المستقبل.
إذن، ما هي مفارقة إي بي آر؟ حسنًا، سأشرحها. ربما لا يكون الشرح مطابقًا لما ورد في بحثهم، لكن يمكنك البحث على الإنترنت - فهناك طرق عديدة لشرحها. تخيل أن لديك جهازًا يُنتج جسيمين ضوئيين، فوتونين، ويقذفهما متقابلين، يسيران في اتجاهين متعاكسين بزخم وطاقة متعاكسين. لقد سميتهما هنا بالفوتون الأول والفوتون الثاني. الآن، إذا تم رصد جسيم في الفضاء، فإنه يكشف عن طبيعته كجسيم وليس كموجة. ونحن نعلم أن الضوء يتصرف أيضًا كموجة.
في الواقع، هذه على المكتب الطبعة الأولى من محاضرات توماس يونغ، الذي يُعتبر غالبًا آخر الموسوعيين العظماء. لقد أنجز كل شيء. ولكن قبل أكثر من 200 عام، هنا في المؤسسة الملكية، أثبت أن الضوء يتصرف كموجة. سلط الضوء من شقين، فظهر نمط تداخل عند مروره بينهما. يحتوي هذا الكتاب على رسومات بيانية رائعة. خلال القرن التاسع عشر، ثبت أن الضوء يتصرف كموجة. حسنًا، أثبت أينشتاين أن الضوء يتصرف كجسيم. لذا أحاول التوفيق بين ازدواجية الموجة والجسيم، بين يونغ وأينشتاين. إنه جسيم لأنه يُرصد، ولا يتلاشى، ولكنه يتصرف أيضًا كموجة.
ألاحظ أن هذا النص مكتوب باللغة الويلزية، ويبدو أنه خطأ في النسخ أو جزء غير صحيح. لا يتطابق هذا مع المحتوى الإنجليزي المتوقع حول ميكانيكا الكم من محاضرة جيم الخليلي في المؤسسة الملكية.
يتناول النص المقدم مفاهيم من المفترض أن ترتبط بالتشابك الكمي، والفوتونات، واعتراضات أينشتاين على ميكانيكا الكم، ولكنه مكتوب بالكامل باللغة الويلزية. وبناءً على القرائن السياقية المتعلقة بـ "فوتون 1" و"فوتون 2" (الفوتون 1 والفوتون 2)، و"أينشتاين"، ومفاهيم ميكانيكا الكم، يبدو أن هذا النص إما:
1. ترجمة غير صحيحة بلغة خاطئة
2. النص خاطئ تماماً
3. خطأ تقني في المادة المصدرية

هل يمكنك تزويدي بالنص الإنجليزي الصحيح للجزء 4/13؟ أنا مستعد لتنسيقه بشكل صحيح مع العناوين المناسبة، وفواصل الفقرات، وتصحيح علامات الترقيم، وإزالة الكلمات الزائدة كما هو مطلوب، لكنني أحتاج إلى النص الإنجليزي الأصلي من محاضرة جيم الخليلي للقيام بذلك بدقة.
نقول إنها متشابكة مع فوتون. فهي تُثار بواسطة نفس مصدر الفوتون، مصدر فوتون واحد يقسم ذلك الفوتون إلى اثنين. يمكن للفوتون الواحد أن يتصرف كموجة أو كفوتون، وبحسب قدراتك، فهو ليس فوتونًا واحدًا، بل فوتونان. إنه متشابك. وينطبق الأمر نفسه على الفوتون الثاني. يحتاج الفوتون الأول إلى تحديد ما يفعله الفوتون الثاني بدقة - متشابك كميًا.
مشكلة أينشتاين مع ميكانيكا الكم
حسنًا، لم تتناول ورقة إي بي آر حقيقة استحالة معرفة موقع وزخم الجسيم في آنٍ واحد. هذا ما ينص عليه مبدأ هايزنبرغ للشك. لم يُعجب آينشتاين بهذا في البداية، لكنه تقبّل الفكرة بحلول عام ١٩٣٥. لم تكن هذه مشكلته. بل كانت مشكلته هي كيفية اكتساب الفوتون ٢ لهذه الخاصية منذ البداية، وحقيقة أن المراقبين المختلفين لن يدركوا ذلك. ثم كان هناك شيء ما يحدث بين المراقبين المختلفين، أليس كذلك؟ كان هذا هو الحل. في الواقع، في الجملة الأخيرة من ورقتهم، أوضحنا أن الوصف الميكانيكي الكمي لا يُقدّم وصفًا كاملاً للواقع الفيزيائي، وقد اخترنا - والسؤال هو ما إذا كان هذا الوصف كاملاً. نعتقد، مع ذلك، أن مثل هذا الاختيار ممكن.
قال أتباع نيلز بور: "لا، سنمضي قدمًا في هذا. هذا غير ممكن. يمكنك وصف هذين الفوتونين بكل الطرق التي يرتبطان بها بمراقب جسيم واحد." حسنًا، أثارت الورقة البحثية ضجة كبيرة. في الواقع، تصدرت الصفحة الأولى من صحيفة نيويورك تايمز. في عام 1935، كان أينشتاين مهتمًا بالفوتونات - وليس بالمؤلفين الآخرين للورقة البحثية، أينشتاين واثنين من المتعاونين معه. كان أينشتاين، في ذلك الوقت، أشهر فيزيائي في العالم، لذا كان من المفترض أن يُنسب إليه الفضل في هذا العمل. لكن في الحقيقة، لم يكتب أينشتاين تلك الورقة البحثية. كتبها بوريس بودولسكي، ولم يكن أينشتاين سعيدًا بالقول إن بوريس بودولسكي قد تحدث إلى صحيفة نيويورك تايمز عنها أيضًا. لذلك لم تعجبه فكرة النشر بهذه الطريقة. لم يكن يعارض أفكار الورقة البحثية، لكنه لم يكتبها.
قطة شرودنغر والتشابك الكمي
كان إرفين شرودنغر، الفيزيائي النمساوي، على تواصل مع آينشتاين. في العام نفسه، وبعد فترة وجيزة من نشر ورقة إي بي آر، كان شرودنغر يكتب مجموعة من الأبحاث. في هذه الأبحاث، وصف لأول مرة حالة القطة في الصندوق - القطة التي تكون حية وميتة في الوقت نفسه حتى تفتح الصندوق لتنظر إليها. لم يكن مشروع شرودنغر معنيًا بغرابة ميكانيكا الكم، ولا بفكرة عدم اليقين، بل كان معنيًا بما يحدث عند إجراء قياس. كيف يمكن لشيء قادر على أن يكون في حالات متعددة وأن يقوم بأشياء كثيرة في آن واحد أن يعطينا نتيجة محددة عند النظر إليه؟ ما هي البيئة المحيطة؟ ولذلك استخدم شرودنغر القطة كمثال. كيف يمكن للقطة أن تكون حية وميتة في الوقت نفسه؟
الأهم في سياق ما أريد قوله هو أن آينشتاين قدّم مفهوم التشابك الكمومي لأول مرة في تلك الورقة البحثية. أقصد بكلمة "Verschränkung" الألمانية. في الواقع، بعد بضع سنوات، كتب آينشتاين رسالة إلى الفيزيائي ماكس بورن، وصف فيها ما يحدث في التشابك الكمومي في ورقته البحثية حول فيزياء الإلكترون-بوزيترون. وهنا استخدم مصطلح "Spooky Action at a Distance" (التأثير المخيف عن بُعد) لأول مرة. وهذا المصطلح ألماني بامتياز، وهو ما يهمني في هذا السياق.
كيف يمكن للفوتونين 1 و2 التواصل مع بعضهما البعض بشكل فوري؟ يقول الفوتون 1: "لقد قاسوا موقعي، من الأفضل أن تكون في موجة. لقد قاسوا زخمي، من الأفضل أن تكون في جسيم." يتساءل أينشتاين: "كيف يمكن ذلك؟ بالتأكيد لا يوجد شيء يمكنه التواصل بينهما أسرع من سرعة الضوء." لكن في عالم الكم، يبدو أن هذا يحدث.
هذا هو التشابك الكمي، وسنرى لاحقًا كيف يساعدنا التشابك الكمي في ثورتنا، الثورة التكنولوجية اليوم.
جدل أينشتاين-بور وتداعياته
مع ترسيخ ميكانيكا الكم، بدا أن معظم الفيزيائيين قد تقبلوا حقيقة أن بور قد انتصر في النقاش. في الواقع، بدا أن التشابك الكمي هو الأساس، وأن آينشتاين كان مخطئًا، وأن ترسيخ ميكانيكا الكم أمرٌ ناجح. بالطبع، رحل آينشتاين عن الدنيا، وأظن أنه كان محقًا في رأيه، إذ لم يرغب في الخوض في التشابك الكمي. لم يكن ليقبل به.
تساءل معظم الفيزيائيين، إلى جانب علماء مثل يوجين ويغنر وجون ويلر في خمسينيات القرن الماضي: "هل تفسير التشابك الكمي هو التفسير الصحيح؟ هل نحن راضون عن فهمنا لما يحدث في التشابك الكمي؟" وبدا أنهم أكثر انفتاحًا على استكشاف الفيزيائيين الشباب، وأستخدم هذا المصطلح هنا، فقد كانوا بالفعل يستكشفون بدائل لمدرسة كوبنهاغن، مثل ديفيد بوم وهيو إيفريت. كانوا يقدمون تفسيرات بديلة تقول: "حسنًا، ورقة إي بي آر، التي أشارت إلى أن "القط في الصندوق"، والتجارب الفكرية، التي تحدت تفسير كوبنهاغن الذي يقول إن الشيء الوحيد المهم هو نتائج التجارب. تتنبأ ميكانيكا الكم بما ستحصل عليه عند إجراء تجربة، ولا يمكنك قول أي شيء عما يحدث عندما لا تراقبه."
كان هذا هو الرأي السائد، وكان الفيزيائي الأيرلندي جون بيل أحد الأصوات المعارضة في ستينيات القرن الماضي. لم يكن جون بيل راضيًا عن تفسير كوبنهاغن، إذ يتحدث عن فترة تتلمذ فيها على يد كبار الفيزيائيين، ويقول إنه لم يمتلك الشجاعة الكافية للتعبير عن رأيه في تفسير كوبنهاغن وعدم رضاه عنه تمامًا.
لقاء شخصي مع جون بيل
حسنًا، بعد سنوات عديدة، في ثمانينيات القرن الماضي، أتيحت لي فرصة التعرف على جون بيل. التقيت به في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية في بالتيمور عام ١٩٨٩. كنت حينها أُعدّ أطروحتي للدكتوراه وأبحث في تفسيرات النظرية في أمريكا. حضرتُ محاضرةً حول التفسيرات المختلفة، ألقاها شخصٌ بدا وكأنه يُقدّم فكرةً جديدةً رأيتها مُختلفة، وخرجتُ من المحاضرة برفقة جون بيل، وقد أعجبتني شخصيته. لم يجرؤ هو على مُعارضة الجمعية الفيزيائية الأمريكية، بينما تجرأتُ أنا على ذلك لأنني كنتُ أُقدّم عرضي مع جون بيل، ولذلك كان سعيدًا.
فقلت: "أوه، تلك المحاضرة الأخيرة، كنت أعرف أنها كانت في تلك المحاضرة أيضًا"، وقلت: "أجل"، وقلت: "أجل، أتفق معك". أعلم أنه لم يسمع بهذا التفسير، من الواضح أنه لم يكن يفهم الأعراف الاجتماعية. فقلت: "قلت، قلت، قلت، قلت، قلت..."
نظرية بيل والمحلية
الآن، تعني الموضعية أنك لا تستطيع التفاعل إلا مع الأشياء القريبة منك، وإذا كان الشيء بعيدًا، فسيستغرق الأمر وقتًا قبل أن تتمكن من الوصول إليه. في أقصى الأحوال، أسرع طريقة للحصول على المعلومات هي إرسال إشارات ضوئية. ولا يمكنك التفاعل مع شيء ما فورًا إذا كان بعيدًا. وقلت: "إذا كنتُ محقًا، وكانت الطبيعة موضعية، فهناك معادلة تنص على وجود حد لمدى الترابط بين الفوتونين، على سبيل المثال، في فوتونات EPR، لأنهما يتفاعلان معًا فقط، ويبدآن معًا. متصلان من خلال التفاعل في البداية، على سبيل المثال. لا يمكنهما تغيير ما يفعلانه عندما يتباعدان بعد ذلك إذا لم يكن لديهما الوقت لإخبار بعضهما البعض بما يحدث."
قال: "لقد صاغ هذه الصيغة، على شكل متباينة، عالمان فيزيائيان آخران، هما كلاوزر وهورن وشيموني وهولت، الذين أطلقوا على المتباينة اسم CHSH". لقد صِيغت هذه الصيغة الرياضية بشكل أنيق، بحيث يمكن اختبارها تجريبيًا، ويمكن للمُجرِّبين اختبارها. فهل يُمكننا أخيرًا إثبات خطأ أينشتاين؟
إذا قمت بقياس هذه الأشياء في تجربة وحصلت على رقم أكبر من اثنين، فلا بد أنها تتواصل بعد مغادرتها. لا بد من وجود نوع من الاتصال غير الموضعي بينها، أو ما يُسمى بالتشابك الكمي الفوري. حسنًا، أُجريت هذه التجربة لأول مرة على يد جون كلاوزر في بيركلي في أوائل سبعينيات القرن الماضي، ثم أعادها آلان أسبكت وزملاؤه في أورساي بفرنسا في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، ثم تلتها العديد من التجارب الأخرى، وخاصة من قِبل الفيزيائي النمساوي أنطون زيلينغر. في الواقع، انتظر هؤلاء الرجال الثلاثة وقتًا طويلاً. في عام 2022، فازوا بجائزة نوبل لاختباراتهم لمتباينة بيل. ماذا وجدوا؟ ميكانيكا الكم صحيحة. ستحصل على رقم أكبر من اثنين. لا يمكن أن يكون أينشتاين على صواب. التشابك الكمي، مهما بدا غريبًا، حقيقي.
لا تزال الأفكار الكمومية وبعض غرائب ميكانيكا الكم قائمة حتى يومنا هذا، وفي الواقع، فاز ثلاثة فيزيائيين كموميين آخرين بجائزة نوبل في الفيزياء هذا العام فقط لاكتشافهم جانبًا غريبًا آخر من عالم الكم، ألا وهو النفق الكمومي.
التراكب والتداخل
حسنًا، أريد أن أنتقل إلى ما هو غريب في ميكانيكا الكم. سأشرح هذا بإيجاز. التراكب والتداخل. التراكب والتداخل هما خاصيتان للأمواج. كان توماس يونغ واضحًا جدًا بشأن أمواج الضوء، لكن يمكننا أن نتخيل أمواج الماء أو الصوت تتصرف بهذه الطريقة. عندما نقول إن الأمواج تتراكب، فإننا نعني هذا النوع من التراكب. أسقط حصاتين في الماء، وستتداخل الأمواج، أي الدوائر المتداخلة التي تتحرك للخارج، وستبدأ في الحصول على قمم وقيعان غريبة تلغي بعضها بعضًا وتتراكب وهكذا. هذا ما نسميه التداخل.
حسنًا، في عالم الكم، يمكن للجسيمات أيضًا أن تُظهر تأثير التداخل هذا. لكنه تراكب، وليس تراكب موجات. يمكن أن يكون لدينا تراكبات للجسيمات، على سبيل المثال، أن يكون لها طاقتان في الوقت نفسه أو أن تكون في موقعين مختلفين في الفضاء في الوقت نفسه. إذا فكرنا في مفتاح إضاءة مُضاء، بالنسبة للمشاهدين في الولايات المتحدة، سيكون على الأرجح مُطفأً. لا أعرف لماذا يستخدمونه بالمقلوب. إنهم يقودون على الجانب الخطأ من الطريق ولا يعرفون كيفية إصلاح مفاتيح الإضاءة. لذا، سيكون هذا مُضاءً وذاك مُطفأً. في عالم الكم، سيكون الأمر أشبه بوجود شيء مُضاء ومُطفأ في الوقت نفسه. قطة ميتة وحية في الوقت نفسه. لكننا لا نهتم بالقطط. كانت هذه تجربة فكرية، أما ما نتحدث عنه هنا فهو يتعلق بالأجسام في عالم الكم. الجسيمات، والإلكترونات، والفوتونات، والذرات، وما إلى ذلك. لذا، وكما نقول، يمكن أن توجد في حالات كمومية مختلفة، ويمكن أن يكون لها قيم طاقة مختلفة، وهكذا. وليس حالتين فقط، ولا مجرد تشغيل وإيقاف. بل يمكن أن يكون لها حالات متعددة في الوقت نفسه.
ويمكن أن تتواجد جسيمات كثيرة مجتمعة في حالة تراكب في الوقت نفسه. هذه الظواهر الغريبة كانت معروفة ومفهومة منذ بدايات ميكانيكا الكم. وهذا ما نقصده عندما نقول إن ميكانيكا الكم محيرة ومخالفة للحدس.
تشبيه المتزلج الكمومي
مثالي الشهير هو المتزلج الكمومي. تبدو الشجرة سليمة. لا يوجد ما يمنع أن يكون قادرًا على الإنجاب. لم تُلحق به أي ضرر. لكنك ترى شيئًا كهذا، لا، هذا مستحيل، أليس كذلك؟ في عالم الكم، هذا ما يحدث.
تجربة الشق المزدوج
هذا ما يحدث في تجربة الشق المزدوج الشهيرة. كان توماس يونغ أول من أجرى هذه التجربة باستخدام الضوء. لكننا نعلم الآن أنه بإمكاننا إجراء النسخة الكمومية منها باستخدام مواد أخرى غير الضوء. يمكننا استخدام الضوء، ولكن يمكننا أيضًا استخدام الذرات. لن أتطرق إلى هذا بالتفصيل، وسأشرح السبب.
كان آخر حديث لي في مؤتمر RI عام ٢٠١٣، وتحدثت فيه عن تجربة الشق المزدوج. شرحتُ حينها كيف جرت التجربة، وتطرقتُ إلى جميع مراحلها، مُبينًا مدى غرابتها وتعقيدها. ثم ارتكبتُ خطأً. قلتُ: "أي شخص في الجمهور يعتقد أن لديه تفسيرًا منطقيًا لكيفية وصول الذرة إلى الشقين، فهذا يتعلق بالضوء"، ثم انتقلتُ إلى عرض التجربة باستخدام الذرات. عند إطلاق ذرة واحدة في كل مرة، نحصل على نمط التداخل. كيف تمر الذرة عبر الشقين في الوقت نفسه؟ نعم، تمر، ولكن إذا راقبنا مسارها، يبدو أنها تمر عبر شق واحد فقط. يبدو أنها تعرف ما إذا كنا نراقبها.
قلتُ: إن كان لديك تفسير منطقي، فتواصل معي، فقد يرغب ملك السويد في الاتصال بك. حتى يومنا هذا، لا أدري لماذا ظننتُ أن ملك السويد سيستمع إلى توصياتي من أشخاصٍ غرباء. قال: "يا جلالة الملك، امنحوا ذلك الرجل جائزة نوبل".
لكن خطئي الحقيقي كان أنني ألقيت محاضرة في قاعة محاضرات يوم السبت، أمام بضع مئات من الأشخاص، ناسياً أن المحاضرة تُبث مباشرةً عبر الإنترنت، ثم تُنشر على قناة المؤسسة الملكية على يوتيوب. وقد حصد هذا المقطع ملايين المشاهدات. وحتى يومنا هذا، وبعد مرور 12 عاماً، ما زلت أتلقى رسالة أو رسالتين أسبوعياً من أشخاص يقولون: "لقد حللتُ تجربة الشق المزدوج، امنحوني جائزة نوبل". وكان عليّ أن أفكّر: لا، لا، لم تفعلوا، لم تحلّوها. إنه لأمر محزن، ولكن كما تعلمون، من الرائع أن يفكر الناس في العلم بهذه الطريقة، ولكن ليس من الرائع أن يعتقدوا أنهم حلّوا مشكلة فكّر فيها الكثيرون ملياً، ولم يتمكنوا من حلّها ببساطة.
النفق الكمومي
إذن، يُعدّ النفق الكمومي جانبًا آخر غريبًا من عالم الكم. والمثال الذي أُحبّ أن أذكره، والذي يُفضّله الكثيرون، هو: إذا كان لديك كرة وتلّ، فعليك ركل الكرة بقوة كافية إلى أعلى التلّ لتصل إلى قمّته وتعبر إلى الجانب الآخر. إذا لم تركلها بقوة كافية، فستصعد نصف التلّ ثمّ تعود إلى أسفل.
في عالم الكم، استبدل الكرة بذرة أو إلكترون أو أي شيء آخر، واستبدل التل بحاجز طاقة. يمكنك منح تلك الذرة، على سبيل المثال، طاقة كافية للوصول إلى منتصف التل، ولن تتدحرج عائدةً إلى أسفل. هناك احتمال معين أن تصل إلى منتصف الطريق، ثم تختفي، وتظهر مجددًا على الجانب الآخر، وتتدحرج إلى أسفل. مثل شبح يمشي عبر جدار صلب. لو رأينا ذلك في عالمنا اليومي، لقلنا إنه أمر سخيف. من الواضح أنك فقدت التركيز، فأنت لا تمارس العلم الآن، بل تمارس أشياءً تافهة. النفق الكمومي حقيقة، وليس فقط لأن العلماء فازوا بجائزة نوبل هذا العام.
إن سبب وجودنا هنا اليوم هو أننا نستمد الحياة، والحياة تستمد الطاقة والضوء والدفء من الشمس، والشمس تشرق بفضل ظاهرة النفق الكمومي. تستطيع نوى الهيدروجين، أي البروتونات، أن تنفق كموميًا معًا في الخطوة الأولى نحو الاندماج النووي لتكوين الهيليوم، وهذا ما يُنتج الاندماج النووي الحراري، طاقة الشمس. إذن، الشمس تشرق بفضل ظاهرة النفق الكمومي.
كيف نتحدث عن ذلك بلغة الكم؟ حسنًا، ببساطة، الجسيمات عبارة عن موجات، والموجات قادرة على اختراق الحاجز. لذا، هناك احتمال معين، فجزء من الموجة يرتد بينما يعبر الجزء الآخر. ماذا يعني هذا؟ حسنًا، إنه يعطينا احتمالية عبور الجسيم، وهذه الاحتمالية تعتمد على حجم الموجة التي تعبر الحاجز. كل شيء منطقي، كما ترى، والتجارب التي نجريها للتحقق من صحة هذه الحسابات تتفق جميعها مع ما تتوقعه. لكننا نواجه صعوبة في فهم المنطق، أو الصورة البديهية.
التشابك الكمي: الشفرة المصدرية للواقع
حسنًا، ثم هناك التشابك الكمومي. هل تتذكرون نظرية EPR، الفعل الغريب كمسافة؟ لقد اعتُبر التشابك الكمومي، لسنوات عديدة، جانبًا غريبًا للغاية ومخالفًا للحدس في ميكانيكا الكم. إنه أغرب بكثير من النفق الكمومي أو تداخل التراكب الكمومي. اليوم، نعلم أن التشابك منتشرٌ لدرجة أنه ربما يكون أهم سمة من سمات الواقع المادي.
لا نزال لا نُدرّس التشابك الكمومي بجدية لطلاب الفيزياء في الجامعات، وأعتقد أنه ينبغي علينا ذلك لأهميته البالغة. بل إن النظريات الحالية، وأساسيات الفيزياء، تشير إلى أن التشابك الكمومي قد يكون الشفرة المصدرية للواقع. حتى أن الزمان والمكان أنفسهما قد ينبثقان من التشابك الكمومي، وهذا أحد الاقتراحات.
لكن الأهم من ذلك، أن العديد من التقنيات التي سأذكرها بعد قليل تعتمد على التشابك الكمومي وتستخدمه. إنه ليس مجرد أمر غريب، بل هو واقع ملموس. مهما بدا غريباً، فهو يُستخدم بالفعل. نحن نعمل على تطوير أجهزة ستفيد البشرية لأن ميكانيكا الكم حقيقة واقعة.
التفكك: الشقيق الصغير المزعج للتشابك
حسنًا، يأتي التشابك الكمومي مصحوبًا بظاهرة أخرى تُسمى فك الترابط. إنها بمثابة شقيقه الأصغر المزعج. يحدث فك الترابط عندما يُؤثر عالمنا اليومي على التشابك الكمومي ويُخلّ به. التشابك الكمومي، أي وجود فوتونين متقابلين، حالة كمومية بالغة الحساسية. إذا قمت بقياسه، كأن تفتح صندوق شرودنغر مثلاً، أو تُحدد ما إذا كان الفوتون الأول جسيمًا أم موجة، فإنك تُدمر التشابك. أنت تُجبر الجسيم الآخر على فعل ما يُملى عليه، ما ينبغي عليه فعله، ليكمل عمل الفوتون الأول.
إذن، يؤدي فقدان الترابط الكمومي إلى تدمير التشابك الكمومي. وقد طُوِّرَ فقدان الترابط الكمومي بشكل رئيسي على يد ديسوزا وويتشيك زوريك قبل نصف قرن تقريبًا. وهو مفهوم راسخ في الفيزياء، إذ يحلّ مسائل مثل مفارقة قطة شرودنغر. والآن، بتنا نفهم الكثير عن فقدان الترابط الكمومي والتشابك الكمومي.
ماذا فعلنا بميكانيكا الكم؟
حسنًا، الجزء الثالث. ماذا فعلنا بميكانيكا الكم إذًا؟ في الفيزياء، بالطبع، استخدمنا ميكانيكا الكم لفهم بنية المادة. نفهم أن الرسم التخطيطي للذرة، حيث تدور الإلكترونات حولها، غير دقيق، لكننا ما زلنا نستخدمه لتبسيط صورة الذرة. نفهم أن نواة الذرة تتكون من بروتونات ونيوترونات، وأن البروتونات والنيوترونات تتكون من كواركات وغلوونات.
لقد بنينا مسرعات جسيمات أكبر فأكبر لسحق المادة معًا بطاقات متزايدة باستمرار، بهدف تفتيتها إلى مكونات أصغر فأصغر، وهكذا وصلنا إلى النموذج القياسي الذي ذكرته سابقًا، والذي يُحدد لنا اللبنات الأساسية للمادة على حد علمنا حتى الآن. لا تزال هناك بعض الأمور التي تحتاج إلى توضيح، مثل ما هي المادة المظلمة وما هي الطاقة المظلمة؟ على أي حال، هذه هي الفيزياء.
الكيمياء. هذا جدول دوري حديث للعناصر، كما تراه على جدران أي مدرسة في العالم. حديث لأنه، حسنًا، هو بالتأكيد أكثر حداثة من الجدول الدوري الأصلي الذي وضعه مندليف في القرن التاسع عشر. لم يكن يعرف سوى نصف العناصر التي نعرفها اليوم. أما هذا الجدول فيحتوي على العديد من العناصر الجديدة التي ربما لم تسمع بها من قبل.
إذن، هذا العنصر OG هو أثقل عنصر تم تصنيعه، وهو الأوغانيسون، العنصر رقم 118. ويعود سبب تصنيف الجدول الدوري بهذه الطريقة، وفقًا للخصائص الفيزيائية والكيميائية للعناصر، إلى ميكانيكا الكم. تشرح ميكانيكا الكم قواعد ترتيب الإلكترونات حول نوى الذرات، مما يُحدد خصائص العناصر. بدون ميكانيكا الكم، لن نفهم لماذا وكيف يبدو الجدول الدوري على هذا النحو.
الثورة الكمومية الأولى
من الناحية التكنولوجية، بالطبع، انطوت ما نسميه الآن الثورة الكمومية الأولى على تطوير العديد من الأجهزة التي اعتمدت على أفكار ميكانيكا الكم. يُعد الليزر أحد أشهرها، ولكن لدينا أيضًا الصمام الثنائي، ومصابيح LED، والدوائر المتكاملة، والحاسوب، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والإنترنت، والهواتف الذكية. كل ما نعتمد عليه ونعتبره من المسلّمات في حياتنا اليومية يعتمد على فهمنا لعالم الكم. لولا هذا الفهم، لما كان لدينا أي من هذه الأشياء، ناهيك عن أشياء مثل المجهر الإلكتروني، والمضاعف الضوئي، وهو جهاز ربما لم يسمع به الكثيرون منكم ولكنه يُستخدم في العديد من الأجهزة الأخرى، مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. إنها أجهزة كمومية. الأمر لا يقتصر على وضع المريض في مجال مغناطيسي قوي، بل يعمل بفضل ميكانيكا الكم.
في الواقع، يعود الفضل في كل هذه التطورات، بل في عالم الإلكترونيات الحديثة برمته، إلى فهمنا لعالم الكم، إذ منحنا فهمًا لأشباه الموصلات والرقائق الإلكترونية وغيرها، وها نحن نمتلك أجهزة الكمبيوتر. يعتمد كل ذلك على ميكانيكا الكم التي طُوّرت في أوائل القرن العشرين، كالنفق الكمومي والتداخل الكمومي، وغيرها. لكننا نشهد الآن ثورة كمومية ثانية. يُطلق عليها أحيانًا اسم "الكم 2.0"، لكن هذا يوحي بوجود نسخة ثالثة (3.0) منها، وكأنها نسخة مُعدّلة من نظام ويندوز. هذا غير صحيح. إنها الثورة الكمومية الثانية، وسأستعرض بعض التقنيات الناشئة اليوم بفضل هذه الثورة.
التوقيت الكمي والساعات الذرية
التوقيت الكمومي هو أولها، وأعني بذلك الساعات الكمومية، وتحديدًا الساعة الذرية. تعتمد الساعات الذرية الأصلية على خاصية مبكرة في عالم الكم، وهي فكرة أن الإلكترونات والذرات لا يمكن أن تمتلك طاقة عشوائية، ولا يمكنها الدوران حول النواة على أي مسافة. يجب أن تمتلك طاقات محددة، وهذا ما يُستخدم في الساعات الذرية الأولى لتوليد ضوء، أو بالأحرى إشعاع ميكروي صادر من نوع معين من الذرات، يمكن قياس طول موجته بدقة متناهية. إذا أمكن قياس الطول الموجي، فهذا يعني عدد الموجات التي تمر عبر نقطة معينة. وهذا يوفر عدادًا، أي طريقة لقياس الوقت، ليس عن طريق تأرجح البندول أو اهتزاز بلورة الكوارتز، بل عن طريق الإشعاع الميكروي المنبعث من الذرات والذي يمر عبر ما يُسمى مخروط التردد البصري، وهذا ما يمنحنا توقيتًا دقيقًا للغاية يصل إلى أجزاء من ملايين وملايين من الثانية.
تُعدّ هذه الساعات الذرية أساس أنظمة الملاحة العالمية، وأنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS). فسبب وجود هاتفك الذكي، أو استخدامك لبرنامج جوجل إيرث أو جوجل مابس لتحديد موقعك، هو أن الأقمار الصناعية التي تُرسل إشارات الراديو إلى هاتفك مزودة بساعات ذرية. هذه الساعات الذرية ضرورية لقياس الوقت بدقة متناهية، ما يُتيح لنا قياس المسافة من تلك الأقمار الصناعية بدقة عالية، لأن هذه هي الطريقة الوحيدة لتحديد موقعك بدقة متناهية.
ساعات الشبكة البصرية
شهدت الساعات الذرية خلال العقد أو العقدين الماضيين تصغيرًا ملحوظًا، شأنها شأن العديد من التقنيات الأخرى. إليكم إحداها بجانب حبة بن واحدة. كما أنها أصبحت أكثر دقة. لذا، يوجد الآن ما يُسمى بساعات الشبكة الضوئية. هذه ساعات ذرية تستخدم الليزر لضخ الطاقة في الذرات، ثم تُطلق هذه الذرات نفس الطاقة بدقة متناهية، ولكن ليس في نطاق الموجات الميكروية من الطيف الكهرومغناطيسي، بل في نطاق طاقة أعلى بكثير في الطيف الضوئي. وبالتالي، فإن الطاقة الأعلى تعني ترددًا أعلى، والتردد الأعلى يعني مرور المزيد من الموجات عبر هذا العداد، نقطة التحقق، وهذا يعني دقة أعلى بكثير في ضبط الوقت.
يدور الحديث الآن حول دقة الساعات الذرية الفائقة، إذ لا يتجاوز فارقها ثانية واحدة على مدى عمر الكون بأكمله. دقة مذهلة بكل معنى الكلمة، ومع ذلك فهي ضرورية للعديد من التقنيات. لذا، تتجه الأبحاث حاليًا نحو الساعات النووية بدلًا من الذرية، وذلك من خلال ضخ الطاقة في نواة الذرة ودراسة كيفية انبعاث هذه الطاقة بترددات أعلى بكثير لتحقيق دقة أكبر.
التصوير الكمي والاستشعار الكمي
هذه تطورات تقنية رائعة. التصوير الكمي، حسناً، المثال الذي أردت ذكره، سأشرحه بإيجاز. التصوير الشبح فكرة مذهلة، حيث يمكنك رؤية شيء ما وأنت لا تنظر إليه فعلياً. ترسل ضوءاً لاستكشافه، ثم ينتقل ضوء آخر إلى كاميرا، فتلتقط الكاميرا صورة الشيء الذي لم تكن تنظر إليه. أعلم، إنه أمر مذهل، أليس كذلك؟
لكنها تعتمد على فكرة التشابك الكمومي، أي أن الفوتونين المتقابلين يظلان متشابكين، ويتواصلان مع بعضهما. الفكرة الأساسية هي كالتالي: إذا كان لديك جهاز يُطلق فوتونات ضوئية عالية الطاقة، فإنها تمر عبر بلورة، وهي مادة تمتص بعض الفوتونات، ثم تُطلق الطاقة الممتصة من الطرف الآخر على شكل فوتونين، تمامًا كما في حالة الفوتونين المتقابلين في نموذج EPR.
لكن ما يميز هذه الحالة هو أن هذين الفوتونين لا يشترط أن يمتلكا نفس الطاقة أو اللون. فعلى سبيل المثال، قد يكون أحدهما فوتونًا تحت أحمر، والآخر فوتونًا من الضوء المرئي ذي طاقة أعلى. طالما أن الطاقة الكلية لهما تساوي طاقة الفوتون الأصلي، فإن الطاقة محفوظة، وكل شيء على ما يرام. لذا، قد يكون أحدهما ضوءًا مرئيًا والآخر تحت أحمر، فهما لا يزالان متشابكين كميًا. وبالتالي، فإن ما يحدث لأحدهما يؤثر على ما يحدث للآخر.
وبالتالي، إذا تفاعل فوتون الأشعة تحت الحمراء مع جسم ما، أو مر من خلاله، أو قاسه، أو نظر إليه، فإننا نرى الصورة مع فوتون الضوء المرئي، وهي صورة مرتبطة زمنيًا، مما يعني أنه عندما نعرف أي الفوتونات تصل وأيها يقترن بها، فإن هذا ما يسمى بالتصوير الطيفي.
كاميرا التشابك
والأمر يزداد غرابة. سأخبركم شيئًا عن كاميرا التشابك. تعتمد هذه الفكرة على التشابك وتجربة التداخل وأنماط التداخل. حسنًا، دعونا نشرحها لكم بإيجاز. تخيلوا أن الفوتون يدخل عموديًا بدلًا من أفقيًا. يمر عبر بلورة أولى، وهذا ما يُسمى بالتحويل السفلي. ينتج عن ذلك فوتونان بطاقتين مختلفتين: الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء. ينعكسان عن مرايا، ثم يعودان مرة أخرى. في الوقت نفسه، يمر فوتون آخر ويخضع للتحويل السفلي في بلورة ثانية، مما ينتج عنه فوتون آخر من الأشعة تحت الحمراء وفوتون من الضوء المرئي في الاتجاه المعاكس.
وتحصل على نمط تداخل. ترى هذه الأهداب التداخلية. هذه هي أهداب تجربة الشق المزدوج أو أهداب يونغ. لديك هدب الأشعة تحت الحمراء وهدب الضوء المرئي. الآن، إذا وضعت جسمًا في مسار فوتون الأشعة تحت الحمراء الأول، فإن ذلك يُغير نمط التداخل هنا. ولأنها متشابكة، تحصل على الصورة على الجانب الآخر. إنه لأمر مذهل حقًا أن تنظر إلى شيء ما، وتراه دون أن تنظر إليه.
ليس هذا من الخيال العلمي. تُستخدم هذه التقنية حاليًا لالتقاط أدق التفاصيل في خزعات أورام سرطان الثدي. فهي قادرة على التقاط تفاصيل أكثر بكثير مما يمكن الحصول عليه باستخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء وحدها، على سبيل المثال، لأن كاميرات الضوء المرئي أكثر دقةً ووضوحًا. إنه لأمرٌ مذهل حقًا ما يمكنها فعله. ويجري تطوير هذه الكاميرات بالفعل.
الآن، كاميرا تعتمد على التشابك الكمومي، ماذا تسميها؟ أجل، كاميرا فيلم. ممتاز. وبالفعل، إليك جهاز العرض التوضيحي.
هنا يعرض الباحثون في إمبريال كوليدج وجامعة برمنغهام، الذين يعملون على هذه الأفكار، نتائج أبحاثهم في معرض الصيف لهذا العام في الجمعية الملكية، والذي يقع على مقربة من هنا.
تطبيقات الاستشعار الكمي
حسنًا. الاستشعار الكمومي تقنية أخرى موجودة بيننا اليوم، ولها تطبيقات عديدة. على سبيل المثال، يمكن استخدامها لقياس جاذبية الأرض بدقة متناهية، حتى في أعماق البحار أو تحت الأرض. هذه الأجهزة متعددة الاستخدامات. هناك تطبيقات كثيرة ومتنوعة تتطلب قياس جاذبية الأرض بدقة عالية. كيف تعمل؟ بدلًا من إرسال الفوتونات عبر شقين، تعمل هذه الأجهزة على ما يُسمى بتداخل الذرات. فبدلًا من أن يتحول فوتون واحد إلى فوتونين ويرتد عن المرايا، نحصل على ذرات متشابكة كموميًا. هذا مؤخرتي والميكروفون يلامسان الطاولة. من الأفضل ألا أكرر ذلك.
على اليمين يوجد جهاز مسح للدماغ، يشبه خوذة الدراجة، يستخدم الليزر والذرات والتشابك الكمي، وهو شديد الحساسية لدرجة أنه يستطيع التقاط أضعف المجالات المغناطيسية، حتى تلك الناتجة عن نشاط عصبون واحد في الدماغ. لذا، فبدلاً من وضع شخص ما في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، وهي عملية مخيفة للغاية تتطلب الاستلقاء دون حراك لمدة ساعة، خاصةً للأطفال الصغار، فإن دراسة العديد من الاضطرابات العصبية بمجرد ارتداء خوذة الدراجة هذه والقدرة على التقاط موجات الدماغ أمرٌ مذهل حقاً. هذه الأجهزة والتقنيات متاحة لنا اليوم.
وعد وواقع الحوسبة الكمومية
الحوسبة الكمومية، بالطبع، هي الأشهر، وتعتمد على فكرة التراكب، حيث أصبح لدينا الآن، بدلاً من بوابة منطقية تمثل صفرًا أو واحدًا في النظام الثنائي، صفرًا وواحدًا في آن واحد. هل تمكنا من بناء حواسيب كمومية؟ حسنًا، نحن نقترب من ذلك. ليست متقدمة تمامًا مثل تقنيات التصوير والاستشعار. ما الذي ستقدمه لنا؟ لا أريد الخوض كثيرًا في تفاصيل الحواسيب الكمومية لأننا سمعنا عنها الكثير، ولكن من المؤكد أنها ستساعدنا، متى ما ظهرت، في اكتشاف الأدوية في الطب، وربما في تصميم بطاريات أو ألواح شمسية أفضل للمساهمة في مكافحة تغير المناخ. ستعمل أيضًا في مجالي التمويل والخدمات اللوجستية. وبالنسبة للباحثين، من فيزيائيين وكيميائيين وعلماء مواد، قد تساعدنا في محاكاة عالم الجسيمات دون الذرية. من المنطقي، عند محاولة وصف نظام كمومي، استخدام حاسوب كمومي يُشغّل خوارزمية كمومية لإنجاز المهمة.
في العام الماضي فقط، نشرتُ بحثًا مع طالب الدكتوراه لانس وزميلي بول ستيفنسون، حيث كنا نحاول دراسة نواة الذرة. لذا، ورغم عدم وجود حاسوب كمومي حتى الآن، يمكننا استخدام حاسوب كلاسيكي يحاكي الحاسوب الكمومي لنرى إن كان ذلك يمنحه ميزة في حل بعض هذه المشكلات المهمة في الفيزياء النظرية.
التحديات والجدول الزمني لأجهزة الكمبيوتر الكمومية
ما مدى بُعد الحوسبة الكمومية إذن؟ على عكس أجهزة الاستشعار والصور التي نمتلكها حاليًا، هناك مشاكل وتحديات. أولًا، نحتاج إلى عدد كبير من الكيوبتات، وهي وحدات كمومية من المعلومات، لكي تعمل. يجب التأكد من أن فقدان الترابط الكمومي لا يُنهي التشابك الكمومي بسرعة. هذا ما يُسمى بتصحيح الأخطاء. لا نعرف حتى الآن المواد التي سنستخدمها لبناء حاسوب كمومي. سأعرض لكم بعض الأمثلة لاحقًا. ثم البرمجيات. نحتاج إلى كتابة الخوارزميات التي ستعمل على الحاسوب الكمومي. لدينا بعض الخوارزميات، ولكن ليس الكثير حتى الآن.
ستسمع الشركات الكبرى العاملة في جوجل وآي بي إم وغيرها تقول، كما تعلمون، "لقد فعلناها، لقد حللناها، إنها هنا، وستكون هنا في العام المقبل أو الذي يليه". في الواقع، نحن نتحدث عن عقد أو عقدين قبل أن تصل أجهزة الكمبيوتر الكمومية فعليًا.
إذن، كيف يُمكن بناء واحد؟ حسنًا، هناك العديد من الخيارات. أحدها استخدام ما يُسمى بالكيوبتات فائقة التوصيل. هذا مثال على جهاز تبريد ثريا شهير طوّرته جوجل.
باختصار، ما تراه هو الأسلاك التي تُبرّد الجهاز الذي يُجري الحوسبة الكمومية إلى درجة حرارة تقارب الصفر المطلق. هذا مثالٌ قدّمه الباحث ناي بيكر من مركز الحوسبة الكمومية. هذا معالج كمومي رباعي الكيوبتات. المربعات الزرقاء هي الكيوبتات. وهي متشابكة كموميًا، ومرتبطة ببعضها، ويجب إدخال المعلومات إليها. تقوم الكيوبتات بعملها، ثم تُرسل المعلومات.
يُعدّ الحاسوب الكمومي ذو الأربع كيوبتات بدايةً جيدة. لكن بالطبع، تسعى العديد من هذه الشركات إلى ما هو أبعد من ذلك. فهي تحتاج إلى المزيد من الكيوبتات لإنجاز مهام مفيدة. يعتمد جزء كبير من التكنولوجيا المُطوّرة هنا باستخدام هذه الحواسيب الكمومية فائقة التوصيل على جوانب عديدة من عالم الكم. على سبيل المثال، ظاهرة التوصيل الفائق، وهي ظاهرة لم تتح لي الفرصة للحديث عنها بعد. تفقد المواد المُبرّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق مقاومتها الكهربائية في أسلاكها، وبالتالي لا يوجد ما يمنع تدفق التيار دون أي عائق، وهذا ما يجعلها أجهزة بالغة القوة.
إنهم يطورون معالجاتهم باستخدام المزيد والمزيد من الكيوبتات، وهذا، كان لديّ واحد، نسيت اسمه. ربما يعرفه بعض الحضور. على أي حال، هذا هو أحدث معالج.
تقنيات الحوسبة الكمومية البديلة
هناك حواسيب كمومية أخرى مرشحة تستخدم الضوء، وتحديدًا الفوتونات التي تُسمى كيوبتات ضوئية. وهناك أيضًا كيوبتات ذرية متعادلة. هذا نموذج آخر مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وقد علمني بذلك باحث آخر يعمل في مجال الحوسبة الكمومية، لوك فيرنلي. الفكرة هنا هي أنه بدلًا من استخدام أسلاك فائقة التوصيل أو فوتونات، يتم استخدام ذرات، أو بالأحرى سحب من الذرات، يتم تبريدها بواسطة الليزر.
إذن، تتكون سحابة من الذرات، عادةً ما تكون ذرات السيزيوم في الأسفل. نستخدم الليزر، الذي يعود إلى الثورة الكمومية الأولى، لتبريد الذرات. ثم تُرفع الذرات إلى الأعلى، وتُثبّت في مكانها بواسطة مجال مغناطيسي، ثم تُستخدم ليزرات أخرى لتبريدها أكثر. بعد ذلك، تُستخدم ليزرات أخرى لتحريكها والتحكم بها. ثم تُستخدم ليزرات أخرى لتزويدها بالطاقة ووضعها في حالة تراكب كمومي، ثم تُجري عملياتها الكمومية. لذا، فإن كل ذلك مرتبط بالليزر، بهذا المعنى.
وهناك أنواع أخرى مثل الحواسيب الكمومية للأيونات المحصورة. فهي تشبه الذرات المتعادلة، ولكن الأيون، كما تعلمون، هو ذرة اكتسبت أو فقدت إلكترونات، لذا فهي مشحونة. وتكمن الميزة هنا في إمكانية استخدام المجالات الكهرومغناطيسية لتثبيتها في مكانها.
لا نعلم أيًّا من هذه الحواسيب الكمومية سيكون الأكثر كفاءةً وقوةً، والذي سيمنحنا الحوسبة الكمومية في السنوات القادمة. الأمر ليس سهلاً. انظروا إلى هذه الفوضى! لا أستطيع حتى توصيل جهاز استقبال القنوات الفضائية (Skybox) بالتلفاز، فالأسلاك في الخلف لا أعرف كيف. إنها أشعة ليزر ومرايا وأسلاك. لهذا السبب أصبحتُ فيزيائيًا نظريًا، لأن هذا سيُسبب لي كوابيس حقيقية.
التطلع إلى المستقبل
أودّ أن أختم حديثي سريعًا بالحديث عن الاتصالات الكمومية والتشفير الكمومي. لا أريد الإسهاب في هذا الموضوع، فهذه أمورٌ ستُكتشف في المستقبل. سيربط الإنترنت الكمومي أجهزة الكمبيوتر ببعضها. كما ترون، كنتُ مصممًا على إنهاء حديثي في الوقت المحدد. لكن المستقبل قريبٌ جدًا، وهو قادمٌ إلينا بوضوحٍ وسرعةٍ كبيرين. بعض هذه الأجهزة موجودةٌ بين أيدينا اليوم.
أودّ أن أختتم كلمتي بالشكر... لقد ألقيتُ محاضرةً عن البيولوجيا الكمومية في ندوةٍ سابقة، لذا لن أتطرق إلى ذلك الآن. ولكنني أودّ أن أخصّ بالشكر معهد الفيزياء (IOP) لمنحي شرف إلقاء هذه المحاضرة، التي تُعدّ تتويجًا لمساهمة المملكة المتحدة في السنة الدولية للعلوم والتكنولوجيا الكمومية. لقد كان من دواعي سروري، فشكرًا جزيلًا لكم. شكرًا جزيلًا.

#محمد_عبد_الكريم_يوسف (هاشتاغ)       Mohammad_Abdul-karem_Yousef#          

---

ترجم الموضوع إلى لغات أخرى - Translate the topic into other languages

---

الحوار المتمدن مشروع تطوعي مستقل يسعى لنشر قيم الحرية، العدالة الاجتماعية، والمساواة في العالم العربي. ولضمان استمراره واستقلاليته، يعتمد بشكل كامل على دعمكم. ساهم/ي معنا! بدعمكم بمبلغ 10 دولارات سنويًا أو أكثر حسب إمكانياتكم، تساهمون في استمرار هذا المنبر الحر والمستقل، ليبقى صوتًا قويًا للفكر اليساري والتقدمي، انقر هنا للاطلاع على معلومات التحويل والمشاركة في دعم هذا المشروع.
 

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتبة انتصار الميالي حول تعديل قانون الاحوال الشخصية العراقي والضرر على حياة المراة والطفل، اجرت الحوار: بيان بدل	حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل