فيزياء الكم: ما هو حقيقي؟

وفقا لأوين ماروني ، الفيزيائي في جامعة أكسفورد ، منذ ظهور نظرية الكم في القرن العشرين ، تحدث الجميع عن غرابة هذه النظرية. كيف تسمح للجسيمات والذرات بالتحرك في عدة اتجاهات في وقت واحد ، أو تدور في اتجاه واحد في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة. لكن لا يمكنك إثبات أي شيء بالكلمات. يقول ماروني: "إذا أخبرنا الجمهور أن نظرية الكم غريبة جدًا ، فنحن بحاجة إلى التحقق من هذا البيان تجريبيًا". "وإلا فإننا لا نقوم بالعلوم ، ولكننا نتحدث عن كل أنواع الضربات على السبورة".

هذا ما دفع شركاء ماروني إلى تطوير سلسلة جديدة من التجارب للكشف عن جوهر دالة الموجة - الجوهر الغامض الذي يكمن وراء غرائب ​​الكم. على الورق ، تعد الدالة الموجية مجرد كائن رياضي ، يُشار إليه بالحرف psi (Ψ) (واحد من تلك المتمايل) ، ويستخدم لوصف السلوك الكمي للجسيمات. اعتمادًا على التجربة ، تسمح الدالة الموجية للعلماء بحساب احتمالية مراقبة الإلكترون في مكان معين ، أو احتمالات توجيه دورانها لأعلى أو لأسفل. لكن الرياضيات لا تذكر ما هي وظيفة الموجة. هل هذا شيء مادي؟ أو مجرد أداة حوسبة تسمح لك بالعمل مع جهل المراقب حول العالم الحقيقي؟

الاختبارات المستخدمة للإجابة على السؤال خفية للغاية ، ولا يزال يتعين عليها إعطاء إجابة محددة. لكن الباحثين متفائلون بأن الخاتمة قريبة. وأخيرًا ، سيتمكنون من الإجابة على الأسئلة التي ابتليت بها طوال العقود. هل يمكن أن يكون الجسيم في العديد من الأماكن في نفس الوقت؟ هل ينقسم الكون باستمرار إلى عوالم متوازية ، يوجد في كل منها نسختنا البديلة؟ هل هناك شيء يسمى الواقع الموضوعي؟

يقول أليساندرو فيدريتشي ، الفيزيائي بجامعة كوينزلاند (أستراليا): "تأتي مثل هذه الأسئلة عاجلاً أم آجلاً إلى أي شخص". "ما هو حقيقي؟"

بدأ الجدل حول جوهر الواقع حتى عندما وجد علماء الفيزياء أن الموجة والجسيم هما وجهان لعملة واحدة فقط. المثال الكلاسيكي هو تجربة بفتحتين ، حيث تطلق الإلكترونات الفردية على حاجز بفتحتين: يتصرف الإلكترون كما لو كان يمر عبر شقين في نفس الوقت ، مما يخلق نمطًا مخططًا للتداخل من جانبه الآخر. في عام 1926 ، ابتكر الفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر دالة موجية لوصف هذا السلوك واشتق معادلة جعلت من الممكن حسابها لأي موقف. ولكن لا هو ولا أي شخص آخر يمكن أن يقول أي شيء عن طبيعة هذه الوظيفة.

النعمة في الجهل

من وجهة نظر عملية ، طبيعتها ليست مهمة. يستخدم تفسير كوبنهاجن لنظرية الكم ، الذي تم إنشاؤه في عشرينيات القرن العشرين من قبل نيلز بور وفيرنر هايزنبرغ ، الدالة الموجية ببساطة كأداة للتنبؤ بنتائج الملاحظات ، مما يسمح لك بعدم التفكير في ما يحدث في الواقع. يقول جين بريكمونت ، المتخصص في الفيزياء الإحصائية في الجامعة الكاثوليكية في بلجيكا: "لا يمكنك إلقاء اللوم على الفيزيائيين لمثل هذا النموذج السلوكي ، والسكوت والعد ، لأنه أدى إلى اختراقات كبيرة في الفيزياء النووية والذرية ، وفيزياء الحالة الصلبة وفيزياء الجسيمات الأولية". لذا ينصح الناس بعدم القلق بشأن القضايا الأساسية.

لكن البعض لا يزالون قلقين. بحلول ثلاثينيات القرن الماضي ، رفض أينشتاين تفسير كوبنهاغن ، على الأقل لأنه سمح لجزيئين بالتشويش على وظائف الموجة ، مما أدى إلى موقف يمكن فيه لقياسات أحدهما أن تعطي على الفور حالة الآخر ، حتى إذا تم فصلها بواسطة ضخمة المسافات. من أجل عدم تحمل هذا "التفاعل المخيف عن بعد" ، فضل آينشتاين الاعتقاد بأن وظائف الموجات للجسيمات كانت غير مكتملة. وقال إنه من الممكن أن تحتوي الجسيمات على بعض المتغيرات الخفية التي تحدد نتيجة القياس ، والتي لم تلاحظها نظرية الكم.

أثبتت التجارب منذ ذلك الحين أداء التفاعلات المخيفة عن بعد ، والتي ترفض مفهوم المتغيرات الخفية. لكن هذا لم يمنع علماء الفيزياء الآخرين من تفسيرهم بطريقتهم الخاصة. وتنقسم هذه التفسيرات إلى معسكرين. يتفق البعض مع أينشتاين على أن الدالة الموجية تعكس جهلنا. هذا ما يسميه الفلاسفة نماذج psi-epistemic. ويرى آخرون أن الدالة الموجية هي الشيء الحقيقي - نماذج psi-ontic.

لفهم الفرق ، تخيل تجربة Schrodinger العقلية التي تم وصفها في عام 1935 في رسالة إلى أينشتاين. القطة في صندوق فولاذي. يحتوي الصندوق على عينة من مادة مشعة ، والتي لديها فرصة بنسبة 50 ٪ لانبعاث منتج اضمحلال في ساعة واحدة ، وجهاز يسمم قطة إذا تم الكشف عن هذا المنتج. بما أن الانحلال الإشعاعي هو حدث على المستوى الكمومي ، يكتب شرودنغر ، فإن قواعد نظرية الكم تقول أنه في نهاية الساعة ، يجب أن تكون وظيفة الموجة من داخل الصندوق عبارة عن خليط من قطة ميتة وقطة حية.

يقول فيدريتشي بلطف: "تقريبًا ، في نموذج psi-epistemic ، القطة في الصندوق إما حية أو ميتة ، ونحن لا نعرف هذا لأن الصندوق مغلق". وفي معظم النماذج psi-ontic ، هناك اتفاق مع تفسير كوبنهاغن: حتى يفتح المراقب الصندوق ، ستكون القطة حية وميتة.

ولكن هنا تأتي الحجة إلى طريق مسدود. أي من التفسيرات صحيح؟ من الصعب الإجابة على هذا السؤال تجريبيًا ، لأن الفرق بين النماذج دقيق للغاية. من حيث الجوهر ، يجب عليهم أن يتنبأوا بالظاهرة الكمية نفسها مثل تفسير كوبنهاجن الناجح للغاية. قال أندرو وايت ، الفيزيائي بجامعة كوينزلاند ، إنه خلال حياته المهنية التي استمرت 20 عامًا في مجال التكنولوجيا الكمومية ، "كانت هذه المهمة بمثابة جبل ناعم سلس بدون حواف ، لا يمكن الاقتراب منها".

تغير كل شيء في عام 2011 ، مع نشر نظرية حول القياسات الكمومية ، والتي يبدو أنها قضت على نهج "وظيفة الموجة كجهل". ولكن عند الفحص الدقيق ، اتضح أن هذه النظرية تترك مساحة كافية لمناورتها. ومع ذلك ، فقد ألهم علماء الفيزياء التفكير بجدية في طرق حل النزاع عن طريق اختبار حقيقة دالة الموجة. لقد طور ماروني بالفعل تجربة ، من حيث المبدأ قابلة للتطبيق ، وسرعان ما وجد هو وزملاؤه طريقة لجعلها تعمل في الواقع. أجريت التجربة العام الماضي من قبل Fedricci و White وآخرين.

لفهم فكرة الاختبار ، تخيل مجموعتين من البطاقات. في إحداها يوجد منها الأحمر فقط ، في الآخر الآس فقط. يقول مارتن رينجباور ، فيزيائي من نفس الجامعة: "إنهم يعطونك بطاقة ويطلبون منك تحديد المجموعة التي تأتي منها". إذا كان هذا الآس الأحمر ، "يحدث التقاطع ، ولا يمكنك قول ذلك بالتأكيد". ولكن إذا كنت تعرف عدد البطاقات في كل مجموعة ، فيمكنك حساب عدد المرات التي سيحدث فيها هذا الوضع الغامض.

الفيزياء في خطر

يحدث الغموض نفسه في الأنظمة الكمومية. ليس من الممكن دائمًا معرفة قياس واحد ، على سبيل المثال ، كيف يتم استقطاب الفوتون. يقول وايت: "في الحياة الواقعية ، من السهل تمييز الغرب عن الاتجاه جنوب الغرب مباشرةً ، ولكن في الأنظمة الكمومية ليس بهذه البساطة". وفقًا لتفسير كوبنهاجن القياسي ، لا معنى للسؤال عن الاستقطاب ، لأن السؤال ليس له إجابة - حتى يحدد قياس آخر الإجابة بالضبط. ولكن وفقًا لنموذج "الدالة الموجية كجهل" ، فإن السؤال منطقي - فالأمر فقط أن التجربة ، بالإضافة إلى تلك التي تحتوي على أوراق اللعب ، تفتقر إلى المعلومات. كما هو الحال مع البطاقات ، من الممكن التنبؤ بعدد المواقف الغامضة التي يمكن تفسيرها بمثل هذا الجهل ، والمقارنة مع العدد الكبير من المواقف الغامضة التي تسمح بها النظرية القياسية.

هذا هو بالضبط ما فحصه فيدريتشي مع الفريق. قامت المجموعة بقياس الاستقطاب والخصائص الأخرى في حزمة الفوتونات ، ووجدت مستوى التقاطعات ، والتي لا يمكن تفسيرها بنماذج "الجهل". النتيجة تدعم نظرية بديلة - إذا وجد الواقع الموضوعي ، فهناك دالة موجية. تقول أندريا ألبيرتي ، عالمة الفيزياء بجامعة بون (ألمانيا): "من المثير للإعجاب أن الفريق كان قادرًا على حل هذه المهمة الصعبة بمثل هذه التجربة البسيطة".

لم يتم نحت الاستنتاج بعد في الجرانيت: نظرًا لأن الكواشف التقطت خمس الفوتونات المستخدمة في الاختبار فقط ، يجب أن نفترض أن الفوتونات المفقودة تصرفت بنفس الطريقة تمامًا. هذا افتراض قوي ، وتعمل المجموعة الآن على تقليل الخسائر وتحقيق نتيجة أكثر تحديدًا. في الوقت الحالي ، يعمل فريق ماروني في أكسفورد مع جامعة نيو ساوث ويلز (أستراليا) لتكرار هذه التجربة مع الأيونات التي يسهل تتبعها. يقول ماروني: "في الأشهر الستة المقبلة ، سيكون لدينا نسخة لا يمكن إنكارها من هذه التجربة".

ولكن حتى لو كان النجاح بانتظارهم وفازت نماذج "الموجة مع الواقع" ، فإن هذه النماذج لها خيارات مختلفة. سيتعين على المجربين اختيار واحد منهم.

أحد أقدم التفسيرات تم إجراؤه في عشرينيات القرن الماضي من قبل الفرنسي لويس دي بروجلي ، ووسعه في الخمسينات من قبل الأمريكي ديفيد بوم. وفقًا لنماذج Broglie-Bohm ، فإن الجسيمات لها موقع وخصائص محددة ، لكنها مدفوعة بـ "موجة تجريبية" معينة ، والتي يتم تعريفها على أنها دالة موجية. وهذا يفسر التجربة بفتحتين ، لأن الموجة التجريبية يمكن أن تمر عبر الفتحتين وتعطي صورة تداخل ، على الرغم من أن الإلكترون نفسه ، الذي يجذبه ، يمر عبر شق واحد فقط.

في عام 2005 ، حصل هذا النموذج على دعم غير متوقع. طلب الفيزيائيون إيمانويل فورت ، الذين يعملون الآن في معهد لانجفين في باريس ، وإيف كودييه من جامعة باريس ديدرو ، للطلاب مهمة بسيطة ، في رأيهم: إجراء تجربة يتم فيها دمج قطرات الزيت التي تسقط على صينية بسبب اهتزازات الدرج. ولدهشة الجميع حول القطرات ، بدأت الموجات تتشكل عندما اهتزت الصينية بتردد معين. يقول فورت: "بدأت القطرات تتحرك بشكل مستقل على طول موجاتها". "لقد كان جسمًا مزدوجًا - جسيم رسمته موجة."

منذ ذلك الحين ، أظهر Fort و Code أن مثل هذه الموجات يمكنها إجراء جزيئاتها في تجربة بفتحتين تمامًا كما تتوقع نظرية الموجة التجريبية ، ويمكنها إعادة إنتاج تأثيرات كمية أخرى. لكن هذا لا يثبت وجود موجات تجريبية في العالم الكمي. يقول فورت: "قيل لنا إن مثل هذه التأثيرات مستحيلة في الفيزياء الكلاسيكية". "ثم أظهرنا أنها ممكنة."

تحاول مجموعة أخرى من النماذج المستندة إلى الواقع ، التي تم تطويرها في الثمانينيات ، تفسير الاختلاف القوي في الخصائص بين الأشياء الكبيرة والصغيرة. يقول أنجيلو باسي ، الفيزيائي بجامعة تريست (إيطاليا): "لماذا يمكن أن تكون الإلكترونات والذرات في مكانين في نفس الوقت ، ولا يمكن أن تكون الطاولات والكراسي والأشخاص والقطط". تقول هذه النظريات ، المعروفة باسم "نماذج الانهيار" ، إن الوظائف الموجية للجسيمات الفردية حقيقية ، ولكنها يمكن أن تفقد خصائصها الكمية وتضع الجسيم في موضع معين في الفضاء. يتم بناء النماذج بحيث تكون فرص حدوث مثل هذا الانهيار صغيرة للغاية بالنسبة لجسيم فردي ، بحيث تهيمن التأثيرات الكمية على المستوى الذري. لكن احتمال الانهيار يزداد بسرعة عندما يتم الجمع بين الجسيمات ، وتفقد الأجسام الماكروسكوبية خصائصها الكمية تمامًا وتتصرف وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية.

إحدى طرق التحقق من ذلك هي البحث عن التأثيرات الكمية في الأجسام الكبيرة. إذا كانت نظرية الكم القياسية صحيحة ، فلا توجد قيود على الحجم. وقد أجرى الفيزيائيون بالفعل تجربة مع شقين باستخدام جزيئات كبيرة. ولكن إذا كانت نماذج الانهيار صحيحة ، فلن تكون التأثيرات الكمية مرئية إذا تم تجاوز كتلة معينة. تخطط مجموعات مختلفة للبحث عن هذه الكتلة باستخدام الذرات الباردة والجزيئات والعناقيد المعدنية والجسيمات النانوية. يأملون في اكتشاف النتائج في السنوات العشر المقبلة. يقول ماروني: "الشيء الرائع في هذه التجارب هو أننا سنخضع نظرية الكم لاختبارات صارمة حيث لم يتم اختبارها بعد".

عوالم موازية

أحد نماذج "دالة الموجة كواقع" معروف بالفعل ومحبوب من قبل كتاب الخيال العلمي. هذا هو تفسير عالمي تم تطويره في الخمسينات من قبل هيو إيفريت ، الذي كان آنذاك طالبًا في جامعة برينستون في نيو جيرسي. في هذا النموذج ، تحدد الدالة الموجية تطور الواقع بقوة بحيث ، مع كل قياس كمي ، ينقسم الكون إلى عوالم متوازية. بعبارة أخرى ، عند فتح صندوق به قطة ، نولد عالمين - أحدهما بقطة ميتة والآخر بحي.

من الصعب فصل هذا التفسير عن نظرية الكم القياسية ، حيث تتزامن توقعاتهم. لكن في العام الماضي ، اقترح هوارد وايزمان من جامعة جريفيث في بريسبان وزملاؤه نموذجًا للأجهزة المتعددة يمكن التحقق منه. لا توجد دالة موجية في نموذجها - الجسيمات تطيع الفيزياء الكلاسيكية ، قوانين نيوتن. وتظهر التأثيرات الغريبة للعالم الكمومي بسبب وجود قوى تنافر بين الجسيمات واستنساخها في أكوان متوازية. يقول وايزمان: "تولد القوة البغيضة بينهما موجات تنتشر عبر جميع العوالم الموازية".

باستخدام محاكاة الكمبيوتر التي تفاعل فيها 41 كونًا ، أظهروا أن النموذج يعيد إنتاج العديد من التأثيرات الكمية ، بما في ذلك مسارات الجسيمات في تجربة مع شقين. مع زيادة عدد العوالم ، يميل نمط التدخل إلى الواقع. نظرًا لأن تنبؤات النظرية تختلف اعتمادًا على عدد العوالم ، كما يقول وايزمان ، يمكنك التحقق مما إذا كان نموذج الأكوان المتعددة صحيحًا - أي أنه لا توجد وظيفة موجية ، وأن الواقع يعمل وفقًا للقوانين الكلاسيكية.

نظرًا لعدم وجود حاجة إلى دالة الموجة في هذا النموذج ، فإنها ستبقى قابلة للتطبيق حتى إذا استبعدت التجارب المستقبلية النماذج ذات "الجهل". بالإضافة إلى ذلك ، ستبقى النماذج الأخرى على قيد الحياة ، على سبيل المثال ، تفسير كوبنهاغن ، الذي يدعي أنه لا يوجد واقع موضوعي ، ولكن فقط الحسابات.

ولكن بعد ذلك ، كما يقول وايت ، سيكون هذا السؤال موضوع الدراسة. وعلى الرغم من أن لا أحد يعرف كيفية القيام بذلك بعد ، "ما سيكون مثيرًا للاهتمام حقًا هو تطوير اختبار يتحقق مما إذا كان لدينا أي واقع موضوعي".

Source: https://habr.com/ru/post/ar388179/