الحركة الغريبة للنيوترونات تثبت أن الطبيعة غريبة في الأساس : ScienceAlert

على أصغر المقاييس، لم تعد رؤيتنا البديهية للواقع صالحة للتطبيق. الأمر أشبه بأن الفيزياء غير حاسمة في جوهرها، وهي حقيقة يصبح من الصعب تجاهلها كلما اقتربنا من الجسيمات التي تقسم كوننا إلى وحدات بكسل.

من أجل فهمه بشكل أفضل، كان على الفيزيائيين أن يبتكروا إطار عمل جديد كليا إن نظرية الكم هي نظرية تعتمد على الاحتمالية وليس اليقين. وهذه هي نظرية الكم، وهي تصف كل أنواع الظواهر، من التشابك إلى التراكب.

ولكن على الرغم من قرن من التجارب التي أظهرت مدى فائدة نظرية الكم في تفسير ما نراه، فمن الصعب أن نتخلص من وجهة نظرنا “الكلاسيكية” التي ترى أن لبنات بناء الكون هي مكونات موثوقة في الزمان والمكان. وحتى في هذه الحالة، لا نستطيع أن نتصور أن نظرية الكم مفيدة في تفسير ما نراه. لقد أُجبر أينشتاين ليطلب من زميله الفيزيائي، “هل تعتقد حقًا أن القمر غير موجود عندما لا تنظر إليه؟”

لقد تساءل العديد من علماء الفيزياء على مدى عقود من الزمن عما إذا كانت هناك طريقة ما يمكن من خلالها استخدام الفيزياء التي نستخدمها لوصف التجارب العيانية لتفسير الفيزياء الكمومية بأكملها.

وقد توصلت دراسة جديدة أيضًا إلى أن الإجابة هي “لا” كبيرة.

على وجه التحديد، يتم إطلاق النيوترونات في شعاع في مقياس التداخل النيوتروني يمكن أن توجد في مكانين في نفس الوقت، وهو أمر مستحيل في ظل الفيزياء الكلاسيكية.

يعتمد الاختبار على تأكيد رياضي يسمى عدم المساواة في نظرية ليجيت-جارج، والتي تنص على أن النظام يكون دائمًا في إحدى الحالتين المتاحتين له. وبصورة أساسية، فإن قطة شرودنجر إما أن تكون حية أو ميتة، ونحن قادرون على تحديد أي من هاتين الحالتين تكون فيها دون أن يكون لقياساتنا تأثير على النتيجة.

READ  يبدأ تلسكوب جيمس ويب الفضائي عمليات الفحص النهائية قبل الملاحظات العلمية

إن الأنظمة الكبرى ــ تلك التي نستطيع أن نفهمها على نحو موثوق باستخدام الفيزياء الكلاسيكية وحدها ــ تخضع لمتباينة ليجيت-جارج. ولكن الأنظمة في عالم الكم تنتهكها. فالقط حي وميت في نفس الوقت، وهو تشبيه للتراكب الكمي.

“الفكرة وراء ذلك مشابهة للفكرة الأكثر شهرة متباينة بيل“، والتي منحت لها جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2022،” تقول الفيزيائية إليزابيث كروزجروبر من جامعة فيينا للتكنولوجيا.

“ومع ذلك، فإن متباينة بيل تتعلق بمسألة مدى قوة ارتباط سلوك الجسيم بجسيم آخر متشابك كميًا. أما متباينة ليجيت-جارج فتتعلق بجسم واحد فقط وتطرح السؤال التالي: كيف ترتبط حالته عند نقاط محددة في الزمن بحالة نفس الجسم عند نقاط محددة أخرى في الزمن؟”

يتضمن مقياس التداخل النيوتروني إطلاق حزمة من النيوترونات على هدف. وبينما تنتقل الحزمة عبر الجهاز، تنقسم إلى قسمين، حيث يسلك كل من طرفي الحزمة مسارين منفصلين حتى يتم إعادة تجميعهما لاحقًا.

تنص نظرية ليجيت وجارج على أن القياس على نظام ثنائي بسيط يمكن أن يعطي نتيجتين فعليًا. إذا قمت بقياسه مرة أخرى في المستقبل، فستكون هذه النتائج مترابطة، ولكن فقط إلى نقطة معينة.

رسم تخطيطي للتجربة يظهر انقسام شعاع النيوترون إلى نصفين قبل إعادة دمجه. (جامعة فيينا للتكنولوجيا)

بالنسبة للأنظمة الكمومية، لم تعد نظرية ليجيت وجارج تنطبق، مما يسمح بوجود ارتباطات أعلى من هذه العتبة. وفي الواقع، من شأن هذا أن يمنح الباحثين وسيلة للتمييز بين ما إذا كان النظام يحتاج إلى نظرية كمومية لفهمه.

“ومع ذلك، فليس من السهل التحقيق في هذه المسألة تجريبياً،” يقول الفيزيائي ريتشارد فاغنر من جامعة فيينا للتكنولوجيا. “إذا أردنا اختبار الواقعية العيانية، فإننا نحتاج إلى جسم ذي طبيعة عيانية بمعنى معين، أي أن يكون حجمه مماثلاً لحجم الأشياء اليومية المعتادة لدينا.”

ومن أجل تحقيق ذلك، فإن المسافة بين جزأي شعاع النيوترون في مقياس التداخل تكون على مقياس أكبر من مقياس كمي.

READ  The new atomic clock loses only one second every 300 billion years

“تقول نظرية الكم أن كل نيوترون يسافر على كلا المسارين في نفس الوقت.” يقول الفيزيائي نيلز جيريتس من جامعة فيينا للتكنولوجيا. “ومع ذلك، فإن الشعاعين الجزئيين يفصل بينهما عدة سنتيمترات. بمعنى ما، نحن نتعامل مع جسم كمي ضخم وفقًا للمعايير الكمومية.”

وباستخدام عدة طرق قياس مختلفة، قام الباحثون بفحص حزم النيوترونات في أوقات مختلفة. وبالفعل، كانت القياسات مترابطة بشكل وثيق للغاية بحيث لا يمكن تطبيق القواعد الكلاسيكية للواقع الكلي. وتشير قياساتهم إلى أن النيوترونات كانت في الواقع تسافر في وقت واحد على مسارين منفصلين، تفصل بينهما مسافة عدة سنتيمترات.

إنه مجرد أحدث إصدار في سلسلة طويلة من تجارب ليجيت-جارج وهذا يُظهر أننا نحتاج بالفعل إلى نظرية الكم من أجل وصف الكون الذي نعيش فيه.

“تظهر تجربتنا أن الطبيعة غريبة حقًا كما تدعي نظرية الكم” يقول الفيزيائي ستيفان سبونار من جامعة فيينا للتكنولوجيا. “بغض النظر عن النظرية الكلاسيكية الواقعية التي تتوصل إليها: فلن تتمكن أبدًا من تفسير الواقع. فهي لا تعمل بدون فيزياء الكم”.

وقد تم نشر البحث في رسائل المراجعة المادية.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *