فريمان
دايزون Freeman Dyson آخر العمالقة الذين صنعوا النظرية الكمومية الحديثة
عمره 96 سنة و مازال يصنع و يريد ان يصنع ثورات اخرى فى الفيزياء النظرية.
آخر شطحاته الفيزيائية العميقة هو تحديه (ومنذ العام 2001) لمسلمة فيزيائية-رياضية من اكثر المسلمات رسوخا وهى لرسوخها لا يتكلم عنها اى احد فهى عقيدة فيزيائية من نوع عقائد "ايمان او فيزياء العجائز".
فالمسلمة ان الجميع يسلم تسليما مطلقا لا تفكير معه ان كل الواقع المادى بدون استثناء هو كمومى اى انه يجب ان يخضع لقوانين الميكانيك الكمومى.
اذن القوى الكونية الاربعة (الكهرومغناطيسية و النووية الصغرى و النووية الكبرى) هى كلها قوى كمومية بالاساس و هذا تم البرهان عليه نظريا و تجريبيا بما لا يدع اى مجال للشك. لكن ايضا قوة الجذب الثقالى (وهى القوى الرابعة و اقدم القوى اكتشافا) يجب ان تكون هى الاخرى قوة كمومية.
هذه هى المسلمة. المسلمة ان كل شيء مادى و من بين ذلك قوة الجذب الثقالى يجب ان يخضع لقوانين الميكانيك الكمومى.
لكن الصعوبات الهائلة التى يجدها الفيزيائيون فى عملية تكميم القوة الثقالية هى صعوبات غير مسبوقة فى تاريخ الفيزياء النظرية و العجز عن ايجاد هذه القوة الكمومية للثقالة هو عجز شامل رغم كثرة العباقرة و الاذكياء الذين حاولوا و يحاولون و منذ حوالى 100 سنة و ايضا فان الاقتراحات و البرامج المطروحة لحل هذا المشكل (ايجاد ما يسمى "الثقالة الكمومية" او "نظرية كل شيء" و هو الاسم الشعبى) لا تعد و لا تحصى لكنها كلها فاشلة و فشلت فى تقديم اى حل مقبول (ومن هذه الاقتراحات نظرية الاوتار string theory و الثقالة الكمومية الحلقية loop quantum gravity و الهندسة غير التبديلية noncommutative geometry و النماذج المصفوفية matrix models و التثليت الديناميكى dynamical triangulation و المجموعات السببية causal sets و غيرها كثير جدا لا يمكن ان يحصيها المقام).
اذن السؤال الذى بدأ يطرحه الفيزيائيون هل هذا العجز و الفشل راجع الى عدم توفر الادوات و كذا الفهم المناسبين لحل هذه المعضلة ام انه راجع الى كون المعضلة غير قابلة للحل اصلا لان الثقالة كلاسيكية اصلا ليس لها اى علاقة بالكمومى?
(انظر مثلا ستيافن كارليب Stephan Carlip وهو رجل ذو نظرة خاصة به فى هذا المجال الذى راجع هذه النقطة بشكل مقتضب فى مقال بعنوان (هل الثقالة الكمومية ضرورية?
انظر هنا
https://arxiv.org/abs/0803.3456)
الجواب الذى يعطيه دايزون ابن ال 96 سنة هو لا.
الثقالة الكمومية ليست ضرورية.
لان قوة الجذب الثقالى هى بالاساس قوة كلاسيكية عكس باقى القوى.
و على هذا الرأى فان الكون تحكمه ثنائية duality (وهذا امر تقمته الفيزياء و الفلسفة معا).
فمن جهة هناك الميكانيك الكمومى الذى هو النظرية المضبوطة لكل شيء فى الكون باستثناء قوة الثقالة و هناك النسبية العامة الكلاسيكية التى تحكم بشكل مضبوط قوة الجذب الثقالى.
وهذا رأى وجيه جدا فى رايى.
وقد ذهب روجر بنروز Roger Penrose فى تفسيره للميكانيك الكمومى (وايضا المجرى لايوس ديوسى Lajos Diosi) الى شيء من هذا القبيبل بالقول ان عملية انهيار دالة الموجة collapse of the wave function هى عملية ديناميكية (ولهذا يسمى هذا التفسير بتفسير الانهيار الموضوعى objective collapse) تتسبب فيه بالضبط بنية الفضاء-زمن الكلاسيكية المستمرة الصلبة. و هذا قد يعنى ضمنيا ان الفضاء-زمن لا يمكن ان يدخل او يكون متراكبا خطيا linearly superposed مثلما يحدث للمادة اى انه لا يمكن للفضاء-زمن ان يكون منحنيا بشكل معين و منحنيا بشكل آخر فى نفس الوقت فى تركيب خطى.
لكن السؤال يبقى فعلا. هل الثقالة كلاسيكية ام كمومية من الناحية التجريبية المحضة. فالفيزياء علم مادى و تبقى طريقته الاساسية فى الحسم هو الحس و ليس العقل. اذن هل يمكن القيام بالتجربة.
الجواب كما تبين مؤخرا نعم يمكن القيام بالتجربة و هى تجربة معقدة جدا من الناحية التكنولوجية لان قوة الثقالة ضعيفة جدا على مستوى المسافات النى نعيش فيها (قوة الثقالة تصبح هائلة و تصبح هى المهيمنة فقط على مستوى الكون ككل و مستوى الثقوب السوداء). و هذا الضعف يتسبب فى صعوبات مستحيلة تقريبا فى قياس و رصد اثار هذه القوة فى المختبرات.
لكن الجواب يبقى نعم و التجربة فعلا اصبحت ممكنة و قابلة للاجراء خلال السنوات العشر القادمة ان شاء الله.
انظروا مقال الكوانطا quanta magazine (اروع مجلة علمية فى التاريخ كله) من أجل وصف الاقتراحات و ذكر المراجع هنا
https://www.quantamagazine.org/physicists-find-a-way-to-se…/
نلخص خطوات هذه التجربة كما يلى.
اولا نعتبر كرتان صغيرتان من الماس وهما كرتان كلاسيكيتان اى تتصرفان بشكل كلاسيكى.
نحول كل كرة ماس الى جسيم كمومى عن طريق غرس ذرة نيتروجين فى قلب الكرة مكان احدى ذرات الكربون بجوار شغور vacancy فى البنية الشبكية lattice structure للماس. هذا الشغور عبارة عن عيب نقطى point defect فى شبكة الماس (تذكروا ان الماس هو بلور من الناحية الذرية عبارة عن شبكة من ذرات الكربون) اى لا توجد ذرة كربون اين كان يجب ان تكون ذرة كربون.
اذن ندخل على كرة الماس عيب يسمى عيب نقطى عبارة عن جملة نيتروجين-شغور nitrogen-vacancy system كما فى الصورة الثانية.
ثانيا نُشع على كل كرة ماس (و جملة النيتروجين-شغور التى فى مركزها) نبضة ميكروية microwave pulse و هذا من اجل اثارتها to excite. اذن الالكترون الذى يدور حول جملة النيتروجين-شغور اما انه يمتص هذا الاشعاع النبضة او لا يمتص لانه جسيم كمومى. وهكذا تصبح كرة الماس كمومية لانها تصبح فى حالة تركيب خطى لسبينين (مفرد سبين spin و هو عزم اللف). فاذا امتص الاكترون النبضة فان جملة النيتروجين-شغور تصبح مثارة و عندها يصبح السبين لجملة كرة الماس علوى spin-up و اذا لم يمتص الالكترون النبضة فان جملة النيتروجين-شغور تبقى فى الحالى الاساسية و يبقى عندها سبين جملة كرة الماس سفلى spin-down.
ثالثا نضع كرتا الماس فى حقل مغناطيسى. اذن الحقل المغناطيسى سيجعل كرة الماس اذا كانت حالتها هى السبين العلوى تنحرف فى حركتها الى اليمين اما اذا كانت حالتها هى السبين السلفى فهى ستنحرف فى حركتها الى اليسار.
اذن تصبح كل كرة ماس فى حالة تركيب خطى لمسارين مختلفين.
رابعا اذن الكرتان ستتجاذبان ثقاليا. هنا تدخل طبيعة الثقالة هل هى كلاسيكية حقيقة ام هى كمومية مثل باقى القوى الاساسية للطبيعة.
اذن كرة الماس الاولى (الحمراء مثلا) هى فى حالة تداخل خطى لمسارين و كرة الماس الثانية (الزرقاء مثلا) هى ايضا فى حالة تداخل خطى لمسارين. اذن قوة قوة الجذب الثقالى بين الكرتين ستتعلق بمكان كل كرة فى تركيبها الخطى. اذن هناك اربعة امكانيات.
-الحمراء انحرفت الى اليمين و الزرقاء انحرفت الى اليمين. فهذه قوة ما.
-الحمراء انحرفت الى اليمين و الرزقاء انحرفت الى اليسار فهذه قوة مختلفة.
-الحمراء انحرفت الى اليسار و الزرقاء انحرفت الى اليمين فهذه قوة ثالثة مختلفة.
-الحمراء انحرفت الى اليسار و الزرقاء انحرفت الى اليسار فهذه قوة رابعة مختلفة.
اذن يصبح سبين او عزم لف جملة النيتروجين-شغور الموجودة فى مركز الكرة الحمراء مرتبطا correlated ب سبين او عزم لف جملة النيتروجين-شغور الموجودة فى مركز الكرة الزرقاء.
خامسا اذا كانت قوة الثقالة كمومية فعلا فان حالة الجملة الكلية (كرة الماس الحمراء+ كرة الماس الزرقاء) متشابكة تشابكا كموميا quantum entanglement وهى ظاهرة كمومية مخصوصة جدا. بعبارة اخرى تصبح الكرتان فعلا غير مستقلتان تماما بل تشكلان معا جملة واحدة توصف بحالة واحدة.
اما اذا كانت قوة الثقالة كلاسيكية فعلا فان انهيار دالة الموجة سيقع و هذا يعنى ان كرة الماس الحمراء اما ان تكون هناك او هنا و كرة الماس الزرقاء ستكون اما هنا او هناك و يقع التجاذب الثقالى بينهما على حسب ما وُجد فعلا فى الواقع.
اذن اما ان نحصل على حالة تشابك كمومى (حالة الثقالة الكمومية) او نحصل على توزيع احصائى عادى (حالة الثقالة الكلاسيكة).
سادسا بعد سقوط الكرتان جنبا الى جنب لوقت معين يتم ادخالهما الى حقل مغناطيسى ثانى عكسى من اجل دمج المسارات مجددا التى تم تفريقها فى الخطوة الثالثة.
سابعا آخر خطوة هى ما يسمى بروتوكول "شاهد التشابك" entanglement witness الذى يسمح لنا بقياس او رصد حالة الكرتان و التأكد من ماهيتها (هل هى تشابك كمومى اذن هى ثقالة كمومية ام هى توزيع احصائى اذن هى نسبية عامة كلاسيكة).
كل هذه الخطوات فى الصورة الثالثة.
آخر شطحاته الفيزيائية العميقة هو تحديه (ومنذ العام 2001) لمسلمة فيزيائية-رياضية من اكثر المسلمات رسوخا وهى لرسوخها لا يتكلم عنها اى احد فهى عقيدة فيزيائية من نوع عقائد "ايمان او فيزياء العجائز".
فالمسلمة ان الجميع يسلم تسليما مطلقا لا تفكير معه ان كل الواقع المادى بدون استثناء هو كمومى اى انه يجب ان يخضع لقوانين الميكانيك الكمومى.
اذن القوى الكونية الاربعة (الكهرومغناطيسية و النووية الصغرى و النووية الكبرى) هى كلها قوى كمومية بالاساس و هذا تم البرهان عليه نظريا و تجريبيا بما لا يدع اى مجال للشك. لكن ايضا قوة الجذب الثقالى (وهى القوى الرابعة و اقدم القوى اكتشافا) يجب ان تكون هى الاخرى قوة كمومية.
هذه هى المسلمة. المسلمة ان كل شيء مادى و من بين ذلك قوة الجذب الثقالى يجب ان يخضع لقوانين الميكانيك الكمومى.
لكن الصعوبات الهائلة التى يجدها الفيزيائيون فى عملية تكميم القوة الثقالية هى صعوبات غير مسبوقة فى تاريخ الفيزياء النظرية و العجز عن ايجاد هذه القوة الكمومية للثقالة هو عجز شامل رغم كثرة العباقرة و الاذكياء الذين حاولوا و يحاولون و منذ حوالى 100 سنة و ايضا فان الاقتراحات و البرامج المطروحة لحل هذا المشكل (ايجاد ما يسمى "الثقالة الكمومية" او "نظرية كل شيء" و هو الاسم الشعبى) لا تعد و لا تحصى لكنها كلها فاشلة و فشلت فى تقديم اى حل مقبول (ومن هذه الاقتراحات نظرية الاوتار string theory و الثقالة الكمومية الحلقية loop quantum gravity و الهندسة غير التبديلية noncommutative geometry و النماذج المصفوفية matrix models و التثليت الديناميكى dynamical triangulation و المجموعات السببية causal sets و غيرها كثير جدا لا يمكن ان يحصيها المقام).
اذن السؤال الذى بدأ يطرحه الفيزيائيون هل هذا العجز و الفشل راجع الى عدم توفر الادوات و كذا الفهم المناسبين لحل هذه المعضلة ام انه راجع الى كون المعضلة غير قابلة للحل اصلا لان الثقالة كلاسيكية اصلا ليس لها اى علاقة بالكمومى?
(انظر مثلا ستيافن كارليب Stephan Carlip وهو رجل ذو نظرة خاصة به فى هذا المجال الذى راجع هذه النقطة بشكل مقتضب فى مقال بعنوان (هل الثقالة الكمومية ضرورية?
انظر هنا
https://arxiv.org/abs/0803.3456)
الجواب الذى يعطيه دايزون ابن ال 96 سنة هو لا.
الثقالة الكمومية ليست ضرورية.
لان قوة الجذب الثقالى هى بالاساس قوة كلاسيكية عكس باقى القوى.
و على هذا الرأى فان الكون تحكمه ثنائية duality (وهذا امر تقمته الفيزياء و الفلسفة معا).
فمن جهة هناك الميكانيك الكمومى الذى هو النظرية المضبوطة لكل شيء فى الكون باستثناء قوة الثقالة و هناك النسبية العامة الكلاسيكية التى تحكم بشكل مضبوط قوة الجذب الثقالى.
وهذا رأى وجيه جدا فى رايى.
وقد ذهب روجر بنروز Roger Penrose فى تفسيره للميكانيك الكمومى (وايضا المجرى لايوس ديوسى Lajos Diosi) الى شيء من هذا القبيبل بالقول ان عملية انهيار دالة الموجة collapse of the wave function هى عملية ديناميكية (ولهذا يسمى هذا التفسير بتفسير الانهيار الموضوعى objective collapse) تتسبب فيه بالضبط بنية الفضاء-زمن الكلاسيكية المستمرة الصلبة. و هذا قد يعنى ضمنيا ان الفضاء-زمن لا يمكن ان يدخل او يكون متراكبا خطيا linearly superposed مثلما يحدث للمادة اى انه لا يمكن للفضاء-زمن ان يكون منحنيا بشكل معين و منحنيا بشكل آخر فى نفس الوقت فى تركيب خطى.
لكن السؤال يبقى فعلا. هل الثقالة كلاسيكية ام كمومية من الناحية التجريبية المحضة. فالفيزياء علم مادى و تبقى طريقته الاساسية فى الحسم هو الحس و ليس العقل. اذن هل يمكن القيام بالتجربة.
الجواب كما تبين مؤخرا نعم يمكن القيام بالتجربة و هى تجربة معقدة جدا من الناحية التكنولوجية لان قوة الثقالة ضعيفة جدا على مستوى المسافات النى نعيش فيها (قوة الثقالة تصبح هائلة و تصبح هى المهيمنة فقط على مستوى الكون ككل و مستوى الثقوب السوداء). و هذا الضعف يتسبب فى صعوبات مستحيلة تقريبا فى قياس و رصد اثار هذه القوة فى المختبرات.
لكن الجواب يبقى نعم و التجربة فعلا اصبحت ممكنة و قابلة للاجراء خلال السنوات العشر القادمة ان شاء الله.
انظروا مقال الكوانطا quanta magazine (اروع مجلة علمية فى التاريخ كله) من أجل وصف الاقتراحات و ذكر المراجع هنا
https://www.quantamagazine.org/physicists-find-a-way-to-se…/
نلخص خطوات هذه التجربة كما يلى.
اولا نعتبر كرتان صغيرتان من الماس وهما كرتان كلاسيكيتان اى تتصرفان بشكل كلاسيكى.
نحول كل كرة ماس الى جسيم كمومى عن طريق غرس ذرة نيتروجين فى قلب الكرة مكان احدى ذرات الكربون بجوار شغور vacancy فى البنية الشبكية lattice structure للماس. هذا الشغور عبارة عن عيب نقطى point defect فى شبكة الماس (تذكروا ان الماس هو بلور من الناحية الذرية عبارة عن شبكة من ذرات الكربون) اى لا توجد ذرة كربون اين كان يجب ان تكون ذرة كربون.
اذن ندخل على كرة الماس عيب يسمى عيب نقطى عبارة عن جملة نيتروجين-شغور nitrogen-vacancy system كما فى الصورة الثانية.
ثانيا نُشع على كل كرة ماس (و جملة النيتروجين-شغور التى فى مركزها) نبضة ميكروية microwave pulse و هذا من اجل اثارتها to excite. اذن الالكترون الذى يدور حول جملة النيتروجين-شغور اما انه يمتص هذا الاشعاع النبضة او لا يمتص لانه جسيم كمومى. وهكذا تصبح كرة الماس كمومية لانها تصبح فى حالة تركيب خطى لسبينين (مفرد سبين spin و هو عزم اللف). فاذا امتص الاكترون النبضة فان جملة النيتروجين-شغور تصبح مثارة و عندها يصبح السبين لجملة كرة الماس علوى spin-up و اذا لم يمتص الالكترون النبضة فان جملة النيتروجين-شغور تبقى فى الحالى الاساسية و يبقى عندها سبين جملة كرة الماس سفلى spin-down.
ثالثا نضع كرتا الماس فى حقل مغناطيسى. اذن الحقل المغناطيسى سيجعل كرة الماس اذا كانت حالتها هى السبين العلوى تنحرف فى حركتها الى اليمين اما اذا كانت حالتها هى السبين السلفى فهى ستنحرف فى حركتها الى اليسار.
اذن تصبح كل كرة ماس فى حالة تركيب خطى لمسارين مختلفين.
رابعا اذن الكرتان ستتجاذبان ثقاليا. هنا تدخل طبيعة الثقالة هل هى كلاسيكية حقيقة ام هى كمومية مثل باقى القوى الاساسية للطبيعة.
اذن كرة الماس الاولى (الحمراء مثلا) هى فى حالة تداخل خطى لمسارين و كرة الماس الثانية (الزرقاء مثلا) هى ايضا فى حالة تداخل خطى لمسارين. اذن قوة قوة الجذب الثقالى بين الكرتين ستتعلق بمكان كل كرة فى تركيبها الخطى. اذن هناك اربعة امكانيات.
-الحمراء انحرفت الى اليمين و الزرقاء انحرفت الى اليمين. فهذه قوة ما.
-الحمراء انحرفت الى اليمين و الرزقاء انحرفت الى اليسار فهذه قوة مختلفة.
-الحمراء انحرفت الى اليسار و الزرقاء انحرفت الى اليمين فهذه قوة ثالثة مختلفة.
-الحمراء انحرفت الى اليسار و الزرقاء انحرفت الى اليسار فهذه قوة رابعة مختلفة.
اذن يصبح سبين او عزم لف جملة النيتروجين-شغور الموجودة فى مركز الكرة الحمراء مرتبطا correlated ب سبين او عزم لف جملة النيتروجين-شغور الموجودة فى مركز الكرة الزرقاء.
خامسا اذا كانت قوة الثقالة كمومية فعلا فان حالة الجملة الكلية (كرة الماس الحمراء+ كرة الماس الزرقاء) متشابكة تشابكا كموميا quantum entanglement وهى ظاهرة كمومية مخصوصة جدا. بعبارة اخرى تصبح الكرتان فعلا غير مستقلتان تماما بل تشكلان معا جملة واحدة توصف بحالة واحدة.
اما اذا كانت قوة الثقالة كلاسيكية فعلا فان انهيار دالة الموجة سيقع و هذا يعنى ان كرة الماس الحمراء اما ان تكون هناك او هنا و كرة الماس الزرقاء ستكون اما هنا او هناك و يقع التجاذب الثقالى بينهما على حسب ما وُجد فعلا فى الواقع.
اذن اما ان نحصل على حالة تشابك كمومى (حالة الثقالة الكمومية) او نحصل على توزيع احصائى عادى (حالة الثقالة الكلاسيكة).
سادسا بعد سقوط الكرتان جنبا الى جنب لوقت معين يتم ادخالهما الى حقل مغناطيسى ثانى عكسى من اجل دمج المسارات مجددا التى تم تفريقها فى الخطوة الثالثة.
سابعا آخر خطوة هى ما يسمى بروتوكول "شاهد التشابك" entanglement witness الذى يسمح لنا بقياس او رصد حالة الكرتان و التأكد من ماهيتها (هل هى تشابك كمومى اذن هى ثقالة كمومية ام هى توزيع احصائى اذن هى نسبية عامة كلاسيكة).
كل هذه الخطوات فى الصورة الثالثة.
No comments:
Post a Comment