المشاركات

عرض المشاركات من ديسمبر, 2013

الكوانتم .. كابوس الكلاسيكية .. صراع العمالقة!

لا أستطيع أن أقبل بميكانيكا الكوانتم، لأنني أحبذ التفكير في أن القمر موجود، حتى لو لم أنظر إليه - ألبرت أينشتين

bhor-eines

ذكرنا في المقال السابق (العدد العاشر)، بدايات نظرية الكوانتم وكيف كانت حصيلة لأفكار مجموعة من العلماء، أولهم بلانك، ساهم كل منهم بقدر في محاولة الخروج على المألوف وصياغة مبادئ قامت عليها نظرية من أعظم النظريات العلمية إن لم تكن أعظمها في العصر الحديث.
عرجنا على الطبيعة المزدوجة للجسيمات (الموجة- جسيم)، وكيف أوضحتها تجربة الشق المزدوج. تلك التجربة التي أفرزت نتائج غريبة سنحاول تفسيرها بحسب أشهر العلماء في هذا المقال.
أولا وقبل كل شئ، نستطيع الآن وضع تعريف  ما لما يسمى بـ"ميكانيكا الكوانتم": وهي النظرية التي تصف سلوك المادة على المستويات الصغيرة جدا، مثل الفوتونات[i]


بور والاحتمالية ومدرسة كوبنهاجن
خلُصنا في المقال السابق لأن الفوتونات (أو الإلكترونات) عندما تلاحَظ فإنها تبدي سلوكا مختلفا عما كانت تفعله وهي غير ملاحَظة من حيث تحولها بين طبيعتي الموجة والجسيم!
كان أول تفسير من نصيب العالم الدنماركي "نيلز بور" ومجموعة من العلماء مثل "هايزنبرج" و"ماكس بورن" اتحدت أفكارهم تحت مسمى "مدرسة كوبنهاجن" أو "تفسير كوبنهاجن" (Copenhagen Interpretation)، وسمي كذلك نسبة لمدينة كوبنهاجن الدنماركية، كان لهم تفسير عجيب لهذا السلوك الشاذ المتغير بين الموجة والجسيم.[ii] [iii]
أدخل "الكوبنهاجيون"، إن صحت التسمية، ما يسمى بالموجة الاحتمالية إلى معمعة التفسيرات التي قدمت لتفسير سلوك الفوتونات الشاذ، وهي ليست موجة بالمعنى المعروف، وإنما تعبر عن احتمالية تواجد الجسيم في مكان ما. وعلى ذلك فصاحبنا الفوتون، لا نستطيع القول بأنه يوجد في هذا المكان أو ذاك، ولكن فقط يمكن القول بأن له احتمال بنسبة معينة أن يتواجد في هذه المنطقة أو تلك، وعندما نقول "احتمال" فنحن نعني انه موجود بالفعل في جميع مناطق الاحتمال ولكن بنسب متفاوته!
وللتوضيح أكثر، هذه الموجة الاحتمالية والمسماة (ψ-Function)  هي معادلة وضعها العالم النمساوي "اروين شرودنجر" لوصف سلوك نظام ما على المستوى الكوانتمي (أي على مقياس صغير جدا)، وكيفية تغير هذا النظام مع الوقت. وبعد وضع تلك المعادلة بعام واحد، افترض العالم الألماني "ماكس بورن" أنه عند تربيع القيمة المطلقة لهذه الدالة أي 2|ψ| ، ستنتج قيمة ما، هذه القيمة هي احتمالية تواجد الجسيم في مكان ما.[iv]

 b and Hالعالم الألماني "وارنر هايزنبرج"، وعلى اليسار العالم الدنماركي وقائد الكونهاجيين المحنك "نيلز بور"!

إذا وصلت لهنا، أرجو ألا تتهمني أو تتهم نفسك بالجنون، فقط أكمل السطور التالية والتي ستشرح عمل هذا الافتراض العجيب على تجربة الشق المزدوج التي سبق وأن شرحناها.
أولا: عند استخدام الشق الواحد، وعندما يخرج فوتون واحد من المصدر فهو يسير كموجة احتمالية تمر هذه الموجة خلال الشق إلى أن تصطدم بالشاشة، وعند لحظة الاصطدام تلك، تنهار الموجة الإحتمالية، ويصبح الفوتون في موضع واحد، وهو الموضع الذي ضرب فيه الشاشة.
ثانيا: وعندما يتم إطلاق فوتون خلال الشقين، فإن الفوتون يسير بموجة احتمالية حتى يصل للشقين، وعندها يتكون احتمال أن يمر من الشق الأول واحتمال أن يمر من الشق الثاني، فيتداخل الاحتمالان ويكونان نمط التداخل!
ثالثا: إذا حاولنا وضع جهاز يستطيع مراقبة للفوتون قبل دخوله الشقين لمعرفة ما الذي يحدث بالضبط، فإن الفوتون المنطلق كموجة احتمالية، وعندما يحاول الجهاز رصده، يتحول "بقدرة قادر" إلى جسيم بعد أن تنهار موجته الإحتمالية تلك!
وبوجه عام، فإن أي محاولة لملاحظة الفوتون، تؤدي إلى انهيار موجته الاحتمالية، وتصرفه كجسيم وحيد.
ويؤكد ذلك الحقيقة الغريبة، وهي أن الجسيمات الصغيرة جدا كالإلكترونات والفوتونات تتفاعل بشكل أو بآخر مع الذي يشاهدها!!
تخيل أنك تلعب كرة القدم، هذا باعتبار أن الكرة صغيرة وتخضع لقوانين العالم الكوانتمي، ما ان تنظر إليها فهي كرة بيضاء جميلة المنظر، وبمجرد أن ترمش وفي لحظة إغماض عينيك، تتحول إلى موجة، ومن ثم تعود لطبيعتها عندما تفتح عينيك مرة أخرى!!
هذا الجنون دفع أينشتين (والذي سنبرز موقفه بالتفصيل بعد حين) لقول:
لا أستطيع أن أقبل بميكانيكا الكوانتم، لأنني أحبذ التفكير في أن القمر موجود، حتى لو لم أنظر إليه!
حسنا، هناك تفسير من نوع ما قُدم لما يحدث هنا. فالجميع يعلم أنه لكي تتم الملاحظة، يستخدم شعاع ضوئي، والذي بدوره يتكون من فوتونات، وهذه الفوتونات عندما تسقط على النظام الكوانتمي، الذي يحتوي إلكترونات أو أي جسيمات كمومية، فإنه يصطدم بتلك الموجة محولا إياها لجسيم!
ولكن ما زال هناك سؤال يطرح نفسه وبقوة، ما الذي جعل الفوتون يغير من النظام ليجعل الموجة تنهار وتصبح جسيما؟ أي لماذا مثلا لم يغير الفوتون اتجاه الموجه، بل غير من طبيعتها أساسا؟ والإجابة بكل بساطة، لاأحد يعرف![v]

قطة شرودنجر المسكينة
في العام 1935، حاول " شرودنجر" (الذي كان له فضل في بروز الاحتمالية بطريقة ما) أن يبرز غرابة تفسير الإحتمالية هذا بتجربة ذهنية غريبة جدا.
هب أنك هناك قطة داخل صندوق. وبداخل الصندوق أيضا، هناك مادة مشعة، وعداد جايجر(وهو عداد لقياس الإشعاع). وصمم هذا العداد بحيث إذا استشعر إشعاعا  قادما من المادة المشعة فإنه يقوم بجعل مطرقة (جاكوش) بتكسير قارورة بها غاز سام. والصندوق مغلق، لذلك فما بداخله بعيد عن الملاحظة.
ستبقى القطة في الصندوق لمدة ساعة، وفي خلال هذه الساعة هناك احتمالية لأن تتحلل المادة المشعة وهناك احتمالية بألا تتحلل. فإذا تحللت المادة المشعة ووصلت للعداد، فإنه سيجعل المطرقة تكسر القارورة وينطلق الغاز السام قاتلا القطة. والنتيجة النهائية في هذه الحالة هي أن القطة ميتة. أما إذا لم تتحلل المادة المشعة، فسيؤول الحال في النهاية لوجود القطة حية غير ممسوسة بسوء!
على حسب الاحتمالية التي ذكرناها آنفا، فاحتمال تحلل المادة المشعة واحتمال عدم تحللها، موجودان ومتلازمان في نفس الوقت (مثل الفوتون الذي كان احتمالي مروره في كل من الشقين موجودا في نفس الوقت) طالما ان النظام غير ملاحَظ. وسنحصل في النهائية على نتيجة غريبة وهي وجود القطة حية وميتة في نفس الوقت![vi]
الآن .. لابد أنك تنتظر رد الكوبنهاجيون على هذه التجربة، وربما قد تفكر في أن هذا قد يثنيهم عن تفسيرهم الاحتمالي لعدم اتساقه مع المألوف! ولكن يبدو أنهم وبعد ما تعرضوا له من نتائج تجعل المجنون عاقلا والعاقل مجنونا، لم يعد للمألوف في نظرهم مكان.
بالفعل القطة حية وميتة في نفس الوقت، هذا هو ردهم البسيط، المريح لهم، الصادم لمن يعرفه دونهم.
عندما يكون النظام غير ملاحظ، فالقطة بالفعل حية وميتة. وهذان الاحتمالان في حالة تراكب (Superposition) ومتلازمان، ولكن عندما يفتح أحد الصندوق، فسيزول التراكب وتنهار الموجة الاحتمالية ونرى أمامنا احتمال واحد فقط وهو موت القطة، أو وجودها على قيد الحياة![vii] وإليك الصورة التالية[viii]، والتي توضح قصة القطة بشكل رسومي جميل.

cat 
قطة شرودنجر المسكينة!

مبدأ عدم التأكد
في عام 1927، وضع "هايزنبرج" مبدأ "عدم التأكد"، ويسمى كذلك "اللا التعيين"، أو "الريبة" (Uncertainty principle) ،  ويعتبر هذا المبدأ امتداد لتأثير الملاحظة على سلوك الأنظمة الكمومية، وينص على أنه لا يمكن تحديد خاصيتين كميتين إلا ضمن حدود معينة من الدقة، أي أن تحديد أحد الخاصيتين بدقة متناهية يصاحبه عدم تأكد كبير في قياس الخاصية الأخرى، ويشيع تطبيق هذا المبدأ بكثرة على خاصيتي تحديد الموضع والسرعة لجسيم أولي.  فلا أنت ولا أنا ولا أي شخص آخر يستطيع أن يعرف الحقيقة كاملة!
ولو امتلك البشر ادق اجهزة القياس وأكثرها تطورا لما استطاعوا تحديد خاصيتين كميتين للإلكترون مثلا في نفس الوقت، فيستحيل تحديد سرعة ومكان الإلكترون معا! فخاصية عدم التعيين موجودة في الطبيعة ذاتها.[ix]
وللعلم، فإن مبدأ عدم التاكد ينطبق على الأجسام مهما كبرت أو صغرت. ولكن لا يظهر تأثيره جليا إلا على مستوى الجسيمات الصغيرة كالإلكترون والفوتون. وللتوضيح بمثال:
افرض أن هناك كرة ما كتلتها 145 جرام، تتحرك بسرعة قدرها 4.5 سم/ثانية.
الآن لديك السرعة ، وتريد ان تحسب الموضع باستخدام أي جهاز للقياس.
سيكون لديك خطأ في التعيين بـ 8*10-30  مليمتر، وهي كما ترى كمية غير ملاحظة بالمرة!
(بالطبع هذا الرقم ناتج من قانون عدم التأكد، وليس من بنات أفكاري)[x]

التشابك الكمومي واعتراض أينشتاين
كما اتفقنا مسبقا، لا تتعجل في إطلاق حكمك بالجنون على كل من قرأت أسمائهم من العلماء في هذا المقال، فمازال للجنون بقية!



كان أينشتين يرى شيئا مريبا في التفسيرات الكوانتية التي قدمت خلال تلك الفترة، كتفسير كوبنهاجن الاحتمالي، وكذلك مبدأ عدم التأكد.
ويوصف الجدال الذي دار بين الكوبنهاجيين وأينشتاين ومدرسته بأنه واحد من أقوى الجدالات الفلسفية التي تمخضت عن نظرية علمية، ونرى رفض أينشتين المطلق للاحتمالات في قولته الشهيرة "إن الله لا يلعب بالنرد"(God does not play with dice). ويتبعه الرد السريع من بور "توقف عن إخبار الله ماذا يفعل" (Stop telling god what to do).

bhor eines
صورة تجمع بور وأينشتين، الإخوة الأعداء![/caption]

في عام 1935، نشر " أينشتاين" وعالمان آخران هما "بوريس بودولوسكي"(Boris Podolsky) و"ناثان روزين"( Nathan Rosen) نشرة علمية بعنوان "هل يمكن أن نعتبر توصيف الحقيقة الفيزيائية الذي تقدمه ميكانيكا الكم توصيفا حقيقيا؟" (Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?)[xi].

ملحوظة :يطلق على أسماء العلماء الثلاثة أ.ب.ر (EPR)  ويطلق على ما قُدم في النشرة "مفارقة أ.ب.ر" (ERP Paradox).

في تلك النشرة، أراد ثلاثتهم إثبات خطأ ألتفسيرات المشار إليها مسبقا. وإليك مختصر مبسط لما قاله الثلاثة:
في الفيزياء الجسيمية، هناك بعض الجسيمات التي تتحلل لجسيمين يسيران في اتجاهين متضادين. مثلا هناك جسيمات تسمى البايون (pion)، فعند تحللها ينتج فوتونين يسيران في اتجاهين متضادين وكل منهما يعاكس الآخر في كمية الدوران المغزلي. ولأن كل من الفوتونين جاء من نفس البايون، فيقال أنهما متشابكان.[xii]
افترض أينشتين ورفاقه في تجربتهما الذهنية (أي أنها لم تكن تجربة عملية) أنه إذا أمكننا قياس كمية الدوران المغزلي لفوتون منهما في اتجاه  X   مثلا  وقياس كمية الدوران المغزلي للفوتون الآخر في اتجاه Y فإننا بذلك استطعنا أن نقيس  كمية الدوران المغزلي للفوتونين الأول والثاني في اتجاه  X و Y معا، وذلك لأن - كما اتفقنا مسبقا- كمية الدوران المغزلي لأحدهما تعاكس كمية الدوران المغزلي للآخر.
وللتبسيط، فلنعتبر أن هناك شخصان. سيتكفل كل منهما بفوتون. الشخص (A)  سيتكفل بالفوتون (1) ، والشخص (B)  سيتكفل بالفوتون (2).
قام الشخص (A)  بقياس كمية الدوران المغزلي للفوتون (1) في الاتجاه X، وهذا نتج عنه أيضا معرفة كمية الدوران المغزلي للفوتون (2) في الاتجاه X ، وذلك لأن كلا من الفوتونين يعاكس الآخر في كمية الدوران (فلو عرفنا الأول سنعرف أن الثاني عكسه بطبيعة الحال). والنتيجة النهائية عند (A)  هي معرفة كمية الدوران المغزلي للفوتون (1) والفوتون (2) في الاتجاه X.
ونفس ما حدث للشخص (A) حدث عند الشخص (B). والفارق الوحيد هو أن الشخص (B)  سيقيس كمية الدوران المغزلي في الاتجاه Y والنتيجه النهائية عنده هي معرفة كمية الدوران المغزلي للفوتون (1) والفوتون (2) في الاتجاه Y.
ألا تلاحظ معي أن هذا يتعارض مع مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج؟ فقد استطعنا الآن معرفة خاصيتين كموميتين للفوتون (1) مثلا. عرفنا كمية دورانه المغزلي في الاتجاه X ، وعرفنا كمية دورانه المغزلي في الاتجاه Y !!  وكذلك يتعارض مع قول "بور" بعدم وجود قيمة محددة للخواص الكوانتية قبل قياسها، فنحن عرفنا كمية الدوران المغزلي للفوتون (2) بقياس كمية الدوران المغزلي للفوتون (1). فنحن فيما سبق شرحنا الموجة الاحتمالية وقلنا أن القياس هو الذي يوجد الحالة بانهيار الاحتمال!
إذا لم تكن قد استوعبت التجربة السابقة فيمكنك أن تقول أنه بما أن الفوتونين يتحركان في اتجاهين متعاكسين وبنفس السرعة فإنه إذا قمنا بقياس كمية تحرك الفوتون (1) وموضع الفوتون(2) ، فنحن بذلك عرفنا موضع الفوتون(1)، وكمية تحرك الفوتون (2) . وسنصل في النهاية لنفس النتيجة وهي معاكسة ومحاولة تحطيم عمودين أساسيين من أعمدة الكوانتم![xiii]
ولكن ميكانيكا الكوانتم ما زالت متمسكة برأيها بوجود استحالة لقياس أي خاصيتين كموميتين في نفس الوقت بدقة متناهية. فأينشتاين ورفاقه لم يقدموا حتى تلك اللحظة دليلا عمليا على ما قالوا، وإن كان به بعض المنطق.
أيهما صواب وأيهما خطأ؟ وإلى جانب من ستقف التجارب العملية؟ هذا ما ستنعرف عليه في المقال القادم بإذن الله.

sources
i-Sophie Hebden ,New Scientist Mag, Issue April20-26/2013, page 32
iv- Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics - http://plato.stanford.edu/entries/qm-copenhagen
v- Documentary -The Universe Season 7 - Quantum Physics - Microscopic Universe S07E05

viii- Same pervious source
xi- Download English translation of the paper - www.phys.uu.nl/~stiefelh/epr_latex.pdf
xii- Bell's Inequality and The EPR Paradox - http://library.thinkquest.org/C008537/cool/bellsinequality/bellsinequality.html
xiii- 88 ميكانيكا الكم بين الفلسفة والعلم، يوسف البناي، ص86-87-

مراجعة لرواية لقاءات من النوع الثالث، ستيفن سبيلبرج

لقاءات من النوع الثالث 

- رواية ممتعة لدرجة كبيرة، وبها جرعة كبيرة جدا من الغموض بالإضافة لمكون لايستهان به من الإثارة.
- خبرة "سبيلبرج" في الإخراج كانت له خير معين في وصف المشاهد بدقة زادت عن اللازم في بعض الأحيان.
- عدم الاحتكاك المباشر بالكائنات الفضائية أعطى لها تميزا عن مئات القصص التي تتحدث عن نفس الموضوع. كما أن نهاية القصة كانت ممتازة وغير تقليدية بالمرة.
- اختصارا، رواية جميلة جدا وتستحق القراءة.

Popular Posts

من كل علم شيء... مراجعة «واحد.. إثنان.. ثلاثة.. لا نهاية».. جورج جاموف

مؤامرة المقررات الدراسية... مراجعة كتاب "موجز تاريخ كل شيء تقريبًا"، بيل برايسون

عُبّاد الآلة... مراجعة لرواية «الآلة تتوقف»، إ. م. فورستر