إذا سقطت شجرة في غابة، هل تُحدِث صوتًا؟ ربما لا وفقًا لرأي بعض الناس، ماذا لو شاهد السقوط شخص ما وأتيح له سماع الصوت؟ إن كنت تعتقد أن سماع شخص لذلك السقوط يعني بالضرورة أن ذلك الحدث نتج عنه صوت فعليك أن تراجع نفسك. وجدنا معضلة جديدة في ميكانيكا الكم -وهي واحدة من النظريتين العلميتين الأكثر رسوخًا إلى جانب نظرية النسبية العامة لأينشتاين- تلقي بظلال الشك على بعض الأفكار التي تبدو بديهية بشأن الواقع المادي.
ميكانيكا الكم والنظرة البديهية
لنلق نظرة على العبارات الثلاث الآتية:
- عندما يرصد شخص ما حدثًا وقت حدوثه، فإنه حدث بالفعل.
- يمكن إجراء اختيارات حرة، أو على الأقل اختيارات عشوائية إحصائيًا.
- وقوع حدث في مكان ما لا يؤثر في حدث على مسافة أبعد، وهو ما يسميه الفيزيائيون المحلية، أي إن تأثير حدث ما لا يتجاوز نطاقه المحلي.
تُعد تلك الأفكار بديهية ومعتَنَقة على نطاق واسع حتى بين الفيزيائيين، لكن يُظهر بحث جديد نُشر في مجلة Nature حديثًا أن تلك الأفكار التي تبدو بديهية قد لا تكون كلها صحيحة، أو أنها ستسبب انهيار ميكانيكا الكم عند مستوى معين، وتُعد تلك النتيجة الأقوى بين سلسلة من المكتشَفات الثورية في ميكانيكا الكم التي غيرت أفكارنا عن الواقع. لفهم مدى أهميتها، لنلق نظرة على التاريخ.
معركة الواقع
تصف ميكانيكا الكم بكفاءة منقطعة النظير سلوك الأجسام متناهية الصغر مثل الذرات أو الفوتونات، لكن هذا السلوك، لنقل إنه شديد الغرابة، ففي الكثير من الحالات لا تقدم ميكانيكا الكم إجابات محددة عن أسئلة مثل «أين يقع الجسيم حاليًا؟»، بل تقدم احتمالات لمكان وجود الجسيم عند رصده.
بالنسبة إلى نيلز بور، وهو من مؤسسي نظرية الكم منذ قرن مضى، لا يكمن السبب وراء عدم إمكانية إعطاء إجابة محددة عن مكان الجسيم في افتقارنا إلى المعلومات، بل لأن الخصائص الفيزيائية مثل «الموضع» لا توجد فعليًا قبل قياسها، إضافةً إلى ذلك، نظرًا إلى عدم إمكانية رصد بعض خصائص الجسيم آنيًا -مثل الموضع والسرعة- لا يمكن وجودهما في الواقع آنيًا.
إن كنت تشعر بصعوبة هضم هذه الفكرة فاطمئن، لست وحدك، إذ يشاركك ألبرت أينشتاين هذا الشعور، ففي مقال له عام 1935 مع زميليه عالمي الفيزياء النظرية بوريس بودولسكي وناثان روسين، صرح أينشتاين بأنه لا بد من وجود تفسير للواقع أكثر إقناعًا مما تقدمه ميكانيكا الكم.
للتدليل على تلك الفكرة، وصفت المقالة زوجًا من الجسيمات في حالة خاصة تُعرف الآن بحالة التشابك الكمي. في تلك الحالة، عند قياس نفس الخاصية مثل سرعة جسمين في حالة تشابك أو موضعهما، فإن النتيجة ستكون عشوائية، لكن ثمة ترابط بين نتائج القياس للجسيمين.
مثلًا، يستطيع ملاحظ يقيس موضع الجسيم الأول توقع موضع الجسيم الثاني المتشابك كميًا مع الجسيم الأول بدقة دون لمسه، ويمكن بالمثل توقع سرعة جسيم في لحظة ما بمعلومية سرعة الجسيم المتشابك معه كميًا. يمكن تفسير ذلك طبيعيًا وفقًا لأينشتاين وزميليه إذا كانت تلك الخصائص موجودة قبل عملية القياس، على النقيض من تفسير بور.
مع ذلك، أثبت الفيزيائي الإيرلندي الشمالي جون بيل سنة 1964 فشل تفسير أينشتاين عند إجراء مجموعة معقدة من القياسات المختلفة على الجسيمين، فقد أظهرت تجربة بيل أنه عند اختيار المراقِبَين لقياس خاصية أو أخرى من خصائص الجسيمات تحت الدراسة بصورة مستقلة وعشوائية، بطريقة لا يعلم فيها أحد المراقبين باختيار المراقب الآخر، مثل السرعة أو الموضع، فإن متوسط النتائج لا يمكن تفسيره في ضوء أي نظرية تفترض وجود الموضع والسرعة قبل قياس الراصد.
رغم عدم المعقولية التي يبدو عليها هذا الأمر، أظهرت التجارب بما لا يدع مجالًا للشك وجود العلاقة التي أشار إليها جون بيل، وبالنسبة إلى الكثير من الفيزيائيين، يُعَد هذا دليلًا على أن بور كان محقًا: لا توجد الخصائص الفيزيائية حتى تُقاس، ما يثير تساؤلًا جوهريًا: ما المُمَيَّز جدًا في «القياس»؟
رصد الراصد
سنة 1961 ابتكر الفيزيائي المجري الأمريكي يوجين واينر تجربة لإظهار غموض فكرة القياس وغرابتها، ففي تجربته افترض معملًا محكم الغلق حيث يقيس صديق له موضع جسيم كمي. مثلًا، لاحظ واينر أن تطبيق معادلات ميكانيكا الكم لوصف الموقف من الخارج يُنتج نتائج مختلفة، فبدلًا من قياس صديقه لموضع الجسيم الفعلي أصبح ذلك الصديق -من وجهة نظر وينجر- متشابكًا مع الجسيم وخاضعًا لنفس مبدأ عدم اليقين الذي يحيط بالجسيم، بصورة مشابهة لقطة شرودنجر الشهيرة التي ارتبط فيها مصير القطة في الصندوق بحدث كمي عشوائي. بالنسبة إلى واينر كانت تلك نتيجة سخيفة، وبدلًا من ذلك افترض واينر أنه فور إدراج وعي الراصد في عملية القياس ينهار التشابك لتصبح ملاحظات صديقه يقينية، لكن ماذا لو كان واينر مخطئًا؟
تجربتنا
تجربتنا مبنية على نسخة معدلة من تجربة واينر، قدمها لأول مرة ساسلاف بروكنر من جامعة فيينا. لدينا في هذا السيناريو فيزيائيان -لنطلق عليهما أليس وبوب- لكل منهما صديق -تشارلي وديبي- في معملين متباعدين، إذ يقيس تشارلي وديبي الآن زوجين من الجسيمات المتشابكة مثل تجربة بيل.
كما في تجربة واينر، تخبرنا معادلات ميكانيكا الكم أن تشارلي وديبي يجب أن يصبحا متشابكين مع الجسيمات التي يرصدانها، لكن تشارلي وديبي نفسيهما يجب أن يكونا متشابكين نظريًا.
ما الذي يعنيه ذلك تجريبيًا؟
في تجربتنا يجري الآتي: يدخل الصديقان معمليهما ويقيسان جسيماتهما وفي وقت لاحق يرمي أليس وبوب بعملة معدنية، إن ظهر الوجه يفتحا الباب ويطلبا من صديقيهما وصف ما رأياه، وإن ظهر الذيل يجريا قياسًا مختلفًا.
يُظهر ذلك القياس المختلف دومًا نتيجة إيجابية لأليس إن كان تشارلي متشابكًا مع جسيمه المرصود بنفس الطريقة التي حسبها واينر، وكذلك الحال بالنسبة إلى بوب وديبي، مع ذلك، في أي إدراك لهذا القياس يُحجب أي تسجيل لملاحظات صديقيهما داخل المعمل عن العالم الخارجي، إذ لن يتذكر تشارلي وديبي رؤية أي شيء داخل المعمل كما لو كانا مخدَّرين.
لكن هل هذا هو ما حدث فعلًا رغم عدم تذكرهما له؟
إن كانت ثلاث الأفكار البديهية التي ذكرناها في بداية المقال صحيحة، فإن ذلك يعني أن كلًا من تشارلي وديبي رأيا نتيجة واقعية وفريدة لقياسهما داخل المعمل بصورة مستقلة عما إذا قرر أليس أو بوب فتح الباب لاحقًا، كذلك، ما رآه أليس وتشارلي لا يجب أن يعتمد على كيفية سقوط العملة التي يلقيها بيل، أي وجهها الظاهر، والعكس بالعكس.
تُظهر تجربتنا أنه إذا كان الحال كذلك، فستوجد حدود للعلاقة بين النتائج التي يُتوقع أن يراها أليس وبوب، وكذلك بينّا أن ميكانيكا الكم تستطيع أن تتوقع أن يرى أليس وبوب العلاقة بين النتائج التي تتخطى تلك الحدود.
أجرينا لاحقًا تجربة لتأكيد التوقعات الميكانيكية الكمية باستعمال زوج من الفوتونات المتشابكة، إذ يلعب دور الأصدقاء الذين يُجريان القياسات أحد المسارات التي يتخذها كل فوتون اعتمادًا على خاصية من خصائص الفوتون تُسمى الاستقطاب، أي إن المسار يقيس الاستقطاب، ومع أن الأصدقاء في تجربتنا بسيطان ومتناهيا الصغر -فوتونات- فإن التجربة تطرح سؤالًا: هل كنا سنحصل على نفس النتائج براصدين أكثر تعقيدًا؟
ربما كان من المستحيل إجراء تلك التجربة على بشر حقيقيين، لكننا نأمل في إجراء تجربة حاسمة إذا كان لدى صديقنا ذكاء اصطناعي في مستوى الذكاء البشري يُنفَّذ داخل حاسوب كمي عملاق.
ماذا يعني كل ذلك؟
مع أن التجربة الحاسمة ما تزال بعيدة المنال، ربما بعد عقود من الآن، إن صمدت توقعات ميكانيكا الكم، فسيؤثر ذلك بدرجة كبيرة في فهمنا للواقع، ربما أكثر بكثير مما افترض بيل، مثلًا، لا يمكن تفسير العلاقة بين الجسيمات المتشابكة بمجرد القول إن الخصائص الفيزيائية لا توجد حتى تُقاس، فهذا يضع واقع نتائج القياس نفسها في موضع التساؤل.
تُجبر نتائجنا الفيزيائيين على التعامل مع مشكلة القياسات بشجاعة: إما أن تكون تجربتنا غير قابلة للتطبيق على نطاق أوسع فتعطي ميكانيكا الكم المجال لما يُسمى نظرية انهيار الهدف، وإما أن نرفض أحد المبادئ البديهية الثلاثة التي ذكرناها سابقًا.
توجد نظريات مثل نظرية «دي برولي-بوم» التي تفترض «التأثير من بُعد»، وفيها تؤثر الأحداث لحظيًا في أماكن أخرى في الكون، ومع ذلك تتعارض تلك النظرية مباشرةً مع نظرية النسبية لأينشتاين.
يبحث بعض العلماء عن نظرية ترفض حرية الاختيار، لكنهم يجدون إما السببية وإما صورة تآمرية ظاهرية من الحتمية تُسمى بالحتمية الفائقة.
من طرق إزالة التعارض إضفاء المزيد من النسبية على نسبية أينشتاين. بالنسبة إلى أينشتاين، قد يختلف راصدان حول وقت حدوث شيء ما أو مكانه، لكن ما حدث يظل حقيقة مطلقة.
مع ذلك، في بعض التفسيرات مثل ميكانيكا الكم العلائقية (Qbism)، أو العوالم المتعددة، ربما تحدث الأحداث نفسها بالنسبة إلى مراقب أو أكثر، فالشجرة الساقطة المرصودة بواسطة مراقب ربما لا تكون حقيقة بالنسبة إلى مراقب آخر.
مما سبق لا نستطيع القول إنه بإمكانك اختيار واقعك. بدايةً، بإمكانك اختيار الاسئلة التي تطرحها، لكن الكون هو من يعطيك الإجابة، وحتى في كون علائقي، عندما يتواصل مراقبان فإن واقعهما يتشابك، وبهذا قد يظهر واقع مشترك لكلا المراقبين، ما يعني أنه إذا شهد كلانا نفس الشجرة تسقط وقلت إنك لا تستطيع سماعها، فربما عليك الاستعانة بمكبر صوت خارجي.
اقرأ أيضًا:
ميكانيكا الكم – هل ترهق فيزياء الكم ذهنك؟ اليك هذه المقالة
ترجمة: أحمد جمال
تدقيق: عون حدّاد
مراجعة: أكرم محيي الدين
