ما هو التشابك الكمومي؟ عالم فيزياء يشرح علم “العمل المخيف عن بعد” لأينشتاين

كرمت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022 ثلاثة علماء قدموا مساهمات رائدة في فهم واحدة من أكثر الظواهر الطبيعية غموضًا: التشابك الكمومي.

في أبسط المصطلحات ، يعني التشابك الكمومي أن جوانب جسيم واحد من زوج متشابك تعتمد على جوانب الجسيم الآخر ، بغض النظر عن المسافة بينهما أو ما يقع بينهما. يمكن أن تكون هذه الجسيمات ، على سبيل المثال ، إلكترونات أو فوتونات ، ويمكن أن يكون الجانب هو الحالة التي هي عليها ، مثل ما إذا كان “يدور” في اتجاه أو آخر.

الجزء الغريب من التشابك الكمومي هو أنه عندما تقيس شيئًا ما عن جسيم واحد في زوج متشابك ، فأنت تعرف على الفور شيئًا عن الجسيم الآخر ، حتى لو كان يفصل بينهما ملايين السنين الضوئية. هذا الارتباط الغريب بين الجسيمين فوري ، ويبدو أنه يكسر قانونًا أساسيًا للكون. من المعروف أن ألبرت أينشتاين أطلق على هذه الظاهرة اسم “العمل المخيف عن بعد”.

بعد أن أمضيت الجزء الأكبر من عقدين من الزمن في إجراء تجارب متجذرة في ميكانيكا الكم ، أصبحت أتقبل غرابتها. بفضل أدوات أكثر دقة وموثوقية وعمل الفائزين بجائزة نوبل لهذا العام ، آلان أسبكت وجون كلوزر وأنتون زيلينجر ، يقوم الفيزيائيون الآن بدمج الظواهر الكمومية في معرفتهم بالعالم بدرجة استثنائية من اليقين.

ومع ذلك ، حتى سبعينيات القرن الماضي ، ظل الباحثون منقسمين حول ما إذا كان التشابك الكمي ظاهرة حقيقية. ولأسباب وجيهة – من يجرؤ على تناقض آينشتاين العظيم ، الذي كان يشك في ذلك بنفسه؟ لقد تطلب الأمر تطوير تقنية تجريبية جديدة وباحثين جريئين لوضع نهاية لهذا اللغز.

موجود في دول متعددة في وقت واحد

لفهم شبح التشابك الكمومي حقًا ، من المهم أن نفهم أولاً التراكب الكمي. التراكب الكمي هو فكرة أن الجسيمات توجد في حالات متعددة في وقت واحد. عندما يتم إجراء القياس ، يبدو الأمر كما لو أن الجسيم يختار إحدى الحالات في التراكب.

على سبيل المثال ، العديد من الجسيمات لها خاصية تسمى الدوران والتي تقاس إما “لأعلى” أو “لأسفل” لاتجاه معين للمحلل. ولكن حتى تقيس دوران الجسيم ، فإنه يوجد في نفس الوقت في تراكب الدوران لأعلى ولأسفل.

هناك احتمال مرتبط بكل حالة ، ومن الممكن التنبؤ بمتوسط ​​النتيجة من العديد من القياسات. يعتمد احتمال ارتفاع أو انخفاض قياس واحد على هذه الاحتمالات ، ولكنه في حد ذاته لا يمكن التنبؤ به.

على الرغم من كونها غريبة جدًا ، فقد أظهرت الرياضيات وعدد كبير من التجارب أن ميكانيكا الكم تصف الواقع المادي بشكل صحيح.

جسيمان متشابكان

ينشأ رعب التشابك الكمومي من واقع التراكب الكمومي ، وكان واضحًا للآباء المؤسسين لميكانيكا الكم الذين طوروا النظرية في عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي.

لإنشاء جسيمات متشابكة ، فأنت تقوم بشكل أساسي بتقسيم النظام إلى قسمين ، حيث يُعرف مجموع الأجزاء. على سبيل المثال ، يمكنك تقسيم جسيم بلفه صفر إلى جسيمين لهما دوران معاكس بالضرورة بحيث يكون مجموعهما صفرًا.

في عام 1935 ، نشر ألبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين ورقة تصف تجربة فكرية مصممة لتوضيح العبثية الظاهرة للتشابك الكمومي الذي يتحدى القانون التأسيسي للكون.

نسخة مبسطة من هذه التجربة الفكرية ، منسوبة إلى ديفيد بوم ، تدرس تحلل جسيم يسمى باي ميزون. عندما يتحلل هذا الجسيم ، فإنه ينتج إلكترونًا وبوزيترونًا لهما دوران معاكس ويتحركان بعيدًا عن بعضهما البعض. لذلك ، إذا تم قياس دوران الإلكترون بحيث يكون لأعلى ، فإن الدوران المقاس للبوزيترون يمكن أن ينخفض ​​فقط ، والعكس صحيح. هذا صحيح حتى لو كانت الجسيمات متباعدة بمليارات الأميال.

سيكون هذا جيدًا إذا كان قياس دوران الإلكترون دائمًا مرتفعًا وكان الدوران المقاس للبوزيترون دائمًا منخفضًا. ولكن بسبب ميكانيكا الكم ، فإن دوران كل جسيم يكون جزئيًا لأعلى وجزءًا لأسفل حتى يتم قياسه. فقط عندما يحدث القياس “تنهار” الحالة الكمومية للدوران إما لأعلى أو لأسفل – مما يؤدي على الفور إلى انهيار الجسيم الآخر في الدوران المعاكس. يبدو أن هذا يشير إلى أن الجسيمات تتواصل مع بعضها البعض من خلال بعض الوسائل التي تتحرك أسرع من سرعة الضوء. لكن وفقًا لقوانين الفيزياء ، لا شيء يمكن أن يسافر أسرع من سرعة الضوء. من المؤكد أن الحالة المقاسة لجسيم ما لا تستطيع على الفور تحديد حالة جسيم آخر في النهاية البعيدة للكون؟

اقترح الفيزيائيون ، بمن فيهم أينشتاين ، عددًا من التفسيرات البديلة للتشابك الكمومي في الثلاثينيات. لقد افترضوا وجود بعض الخصائص غير المعروفة – يطلق عليها اسم المتغيرات الخفية – التي تحدد حالة الجسيم قبل القياس. لكن في ذلك الوقت ، لم يكن لدى الفيزيائيين التكنولوجيا ولا تعريفًا للقياس الواضح الذي يمكن أن يختبر ما إذا كانت نظرية الكم بحاجة إلى التعديل لتشمل المتغيرات الخفية.

دحض النظرية

استغرق الأمر حتى الستينيات قبل أن تكون هناك أية أدلة على إجابة. ابتكر جون بيل ، الفيزيائي الأيرلندي اللامع الذي لم يعش حتى يحصل على جائزة نوبل ، مخططًا لاختبار ما إذا كان مفهوم المتغيرات الخفية منطقيًا.

أنتج بيل معادلة تُعرف الآن باسم عدم مساواة بيل وهي دائمًا صحيحة – وصحيحة فقط – للنظريات المتغيرة الخفية ، وليس دائمًا لميكانيكا الكم. وبالتالي ، إذا وُجد أن معادلة بيل غير راضية عن تجربة في العالم الحقيقي ، فيمكن استبعاد نظريات المتغيرات المحلية المخفية كتفسير للتشابك الكمومي.

كانت تجارب الحائزين على جائزة نوبل عام 2022 ، ولا سيما تجارب آلان أسبكت ، هي الاختبارات الأولى لعدم مساواة بيل. استخدمت التجارب فوتونات متشابكة ، بدلاً من أزواج من الإلكترون والبوزيترون ، كما هو الحال في العديد من التجارب الفكرية. استبعدت النتائج بشكل قاطع وجود متغيرات خفية ، وهي سمة غامضة من شأنها أن تحدد مسبقًا حالات الجسيمات المتشابكة. بشكل جماعي ، أثبتت هذه التجارب والعديد من التجارب اللاحقة ميكانيكا الكم. يمكن ربط الأشياء عبر مسافات كبيرة بطرق لا تستطيع الفيزياء تفسيرها قبل ميكانيكا الكم.

الأهم من ذلك ، أنه لا يوجد أيضًا تعارض مع النسبية الخاصة ، التي تمنع الاتصال الأسرع من الضوء. حقيقة أن القياسات على مسافات شاسعة مترابطة لا تعني أن المعلومات تنتقل بين الجسيمات. لا يستطيع طرفان متباعدان لإجراء قياسات على جسيمات متشابكة استخدام هذه الظاهرة لتمرير المعلومات بشكل أسرع من سرعة الضوء.

اليوم ، يواصل الفيزيائيون البحث عن التشابك الكمي والتحقيق في التطبيقات العملية المحتملة. على الرغم من أن ميكانيكا الكم يمكنها التنبؤ باحتمالية القياس بدقة لا تصدق ، يظل العديد من الباحثين متشككين في أنه يوفر وصفًا كاملاً للواقع. ثمة شيء واحد أكيد، مع ذلك. يبقى الكثير ليقال عن العالم الغامض لميكانيكا الكم.