فيزياء في دقيقة: تجربة الشق المزدوج

إنها واحدة من أشهر التجارب في عالم الفيزياء، والتي تجري بغرابة لا مثيل لها، فإن بضعة جزيئات من المادة تمتلك خاصية موجية، والتي توحي بأن مراقبة حركة الجزيء السريعة تؤثِّر بشكل مفاجئ على سلوكه.

مبدأياً، سنتخيَّل جداراً له شُقين، وقمنا برمي كرات تنس عليه، فإن بعضها سيرتد عن الحائط، والبعض الآخر سيعبر من خلال الشُقين.

وإذا افترضنا وجود جدار آخر خلفه، فإن الكرات التي عبرته سوف ترتطم بالأخير، وإذا لاحظنا كافة النقاط التي اصطدمت بها الكرة مع الجدار الثاني، ما المتوقَّع مشاهدته؟

سنرى علامتين مجردتين تقريباً لهما شكل شبيه بالشقوق.

وفي الصورة أدناه، الصورة الأولى تعرِض الجدار من الأعلى، أما الصورة الثانية تعرضه من المقدمة.

والآن تخيَّل إشعاع ضوئي من لون واحد: أي بطول موجي واحد، حيث نقوم بتوجيهه على الجدار ذي الشقين، ويجب أن تكون المسافة بين الشقين مساوية تقريباً لطول موجة الإشعاع الضوئي، وفي الصورة التالية فإننا نشاهد موجة الضوء والجدار من الأعلى، والخطوط الزرقاء تمثِّل قمم الموجات، وبما أن الموجة تمر عبر الشقين، فمن البديهي أن تنقسم لموجتين جديدتين، كل واحدة منهما تنتشر عبر أحد الشقين، ومن ثمة تتداخلان مجدداً، وعند بعض النقاط تلتقي قمة موجة مع بطن الموجة الأخرى، فينفيان بعضهما، وعندما تلتقي قمة موجة مع قمة موجة أخرى ( عند تقاطع الأقواس الزرقاء في المخطَّط) ، ينتج قمة أكبر.

وعند هذه النقاط يكون الإشعاع الضوئي في أَوجِهِ، وعندما يصطدم الضوء بالجدار الخلفي، سنشاهد مخططًا نموذجيًا، والذي يسمى مخطط التداخل؛ والضوء المخطط ينتج بسبب تقوية الموجتان بعضهما بعضاً.

وهذه الصورة لمخطط تداخل حقيقي، وهناك خطوط أكثر، لأن الصورة الحقيقية تلتقط تفاصيل أكثر من مخططنا النموذجي.

«وبغرض التعديل ، علينا القول أيضاً أن هذه الصورة تظهر انحراف الضوء الذي ينتج من شق وحيد، ولكننا لن ندخل في هذا السياق هنا، ولست بحاجة أن تفكر بهذه الطريقة».

والآن سوف ندخل إلى عالم (الفيزياء الكمومية – Quantum Physics)، لنتخيل الكترونات مضيئة أمام جدار له شقين،ولكننا أغلقنا أحد الشقين أُغلق للحظة، سنجد أن بعض الالكترونات ستعبر من خلال الشق المفتوح، وستضرب بالجدار الخلفي ككرة تنس فحسب.

أي النقاط التي تصل على هيئة خط يشابه الشق الطولاني (من حيث السماكة).

الآن سنفتح الشق الثاني، سوف نتوقع الحصول على خطوط مستطيلة للضوء على الجدار الثاني، مثلما يحدث لكرات التنس تماماً، ولكن ما الممكن مشاهدته فعلياً من جانب مختلف كلياً :

النقاط التي تصطدم بها الالكترونات، تزيد من طي التداخل النموذجي الأعظمي من الموجة.

والصورة الثانية تُظهر تجربة الشق المزدوج الحقيقية مع الكترونات، والصور المفردة تظهر أنه كلما زادت الالكترونات المشتعلة، سنحصل بالنتيجة على مخطط تداخل نموذجي.

وهناك إمكانية واحدة لتداخل الالكترونات مع بعضها بطريقة ما، لذا فهي لا تصل إلى الأمكنة نفسها، وإذا حصل فإنها تصل فرادى إليه.

ولكن فإن نموذج التداخل يبقى نفسه حتى لو أطلقنا الالكترونات المضيئة واحدة تلو الأخرى، أي ليس لديها فرصة للتداخل.

وبصورة غريبة، فإن كل الكترون يساهم بخلق نقطة من النموذج الكلي، الذي يبدو نموذج تداخل موجي.

أحد الاحتمالات أن ينشق كل الكترون بطريقة ما، ليعبر الشقين بنفس الوقت، ويتداخل مع نفسه، ومن ثمة يتحِّد مجدداً ليصطدم مع الجدار الخلفي كجزيء محلي.

ولنكتشف ماذا يحدث، علينا أن نضع كاشف عبر الشقين، سنعرف أي من هذين الشقين يعبره الالكترون، وهذا شيء مستهجن وغريب حقاً، وفي حال قمنا به، فإن المخطط على شاشة الكاشف ستظهر نموذج الجزيء إلى خطين منفصلين، كما شاهدنا في الصورة أعلاه ظهور نموذج التداخل،بطريقة ما فإن الحركة السريعة التي تُلاحظ تؤكد أن الالكترونات تتصرف تماماً مثل كرات تنس، وكأنها تعلم بأنها خاضعة للمراقبة، فتقرر ألا تُلاحظ وهي تقوم بممارساتها الكمومية الغريبة.