ما هي نظريّة الكم؟

عرفنا أخيرًا وبعد بضعة آلاف السنين من النقاش ممَ تتكون المادة، فهي جسيماتٌ صغيرةٌ تُدعى إلكترونات وكواركات Quarks، تجتمع معًا في عائلاتٍ صغيرةٍ لتكوّن الذرات، مثل: الهيدروجين والأوكسجين، أو جزيئات، مثل: الماء H2O. تُعتبر الذرات والجزيئات قطع الليغو Lego Blocks لعالمنا، ولشرح الطريقة التي يعمل بها هذا العالم الصغير يستخدم العلماء مجموعةً من الأفكار تُدعى نظرية الكم.  

تُقدِّم هذه النظرية تنبؤاتٍ غريبة، فعلى سبيل المثال يمكن للجسيمات أن تكون في مكانين في وقتٍ واحدٍ، ومع ذلك، تبقى هذه النظرية الأكثر تصديقًا بشكلٍ دقيقٍ في الفيزياء.

حين يؤثر المستقبل على الماضي في صيف عام 1935، انخرط الفيزيائيان ألبرت آينشتاين Albert Einstein وإرفين شرودنغر Erwin Schrödinger في مراسلاتٍ ثريةٍ ومتعددة الأوجه، وأحيانًا فظيعة، حول الآثار المترتبة على النظرية الجديدة لميكانيكا الكم.

كان محور قلقهما هو ما أطلق عليه شرودنغر فيما بعد التشابك Entanglement: وهو عدم القدرة علي وصف نظامين أو جسيمين كمومين بشكلٍ منفصل بعد تفاعلهما.   لقد بقي آينشتاين حتى وفاته مقتنعًا بأن التشابك يظهر انعدام كمال ميكانيكا الكم.

فيما كان شرودنغر يعتقد أن التشابك هو السمة المميزة للفيزياء الجديدة، لكن هذا لا يعني أنه قَبِلها بسهولة.  
كتب شرودنغر إلى آينشتاين في 13 تموز/يوليو من عام 1935: "أعرف بالطبع كيف تعمل الخزعبلات رياضيًا". وكان رد آينشتاين واضحًا عندما قال: "لكنني لا أحب نظريةً كهذه"، من الجدير بالذكر أن قطة شرودنغر الشهيرة المعلقة بين الحياة والموت ظهرت لأول مرة في هذه الرسائل، وهي منتجٌ ثانوي لهذا الصراع يبين ما كان يزعجهما.  

المشكلة هي أن التشابك ينتهك الكيفية التي ينبغي للعالم أن يعمل وفقها، حيث أنه ينتهك أهم مبادئ نظرية النسبية الخاصة، وهي أنّه لا يمكن للمعلومات أن تنتقل أسرع من الضوء وهذا أولًا.  

لكن في الورقة الشهيرة والتي تُسمى بـ مفارقة EPR نسبةً إلى الحروف الأولى لمؤلفيها وهم آينشتاين وبولدوسكي وروزن عام 1935 وعنوانها (هل يُعتبر وصف ميكانيكا الكم للعالم المادي كامل؟)، أظهر آينشتاين والكتّاب المشاركون كيف يؤدي التشابك إلى ما يُسمى الآن اللاتموضع الكمومي quantum nonlocality، وهو الرابط الغريب الذي يبدو أنه موجود بين الجسيمات المتشابكة.  

إذا التقى نظامان ومن ثم انفصلا، وحتى إن كانت المسافة الفاصلة بينهما آلاف السنين الضوئية، يصبح قياس خصائص أحدهما، كالموضع والزخم والاستقطاب مستحيلًا دون توجيه الآخر إلى حالةٍ متجاوبةٍ معه وبشكلٍ لحظي، وحتى اليوم اُختبرت معظم التجارب التشابك عبر الفجوات المكانية فقط.

الافتراض هو أن الجزء "غير المتموضع" من اللاموضعية الكمومية يشير إلى تشابك الخصائص عبر الفضاء (المكان)، ولكن ماذا لو حدث التشابك عبر الزمن؟ هل هناك شيء مثل لا موضعية الزمن؟ الجواب كما تبين حديثًا، هو نعم!   حسنًا، إن كنت تعتقد أن ميكانيكا الكم لن تكون أكثر غرابةً إليك الآتي: فقد ذكر فريقٌ من الفيزيائيين في الجامعة العبرية في القدس Hebrew University of Jerusalem في عام 2013 أنهم قد نجحوا في شبك فوتونات لم تتعايش (تتواجد) سويًا أبدًا.

وقد أظهرت التجارب السابقة التي تتضمن تقنية تُسمى مبادلة التشابك Entanglement swapping وجود ارتباطاتٍ كموميةٍ عبر الزمن بالفعل، عن طريق تأخير قياس أحد الجسيمات المتعايشة المتشابكة، لكن إيلي مجديش Eli Megidish ومساعديه كانوا أول من أظهر التشابك بين الفوتونات التي لم تتقاطع دورات حياتها أبدًا.

كيف يَعملُ التَّشابُك الكُموميُّ الزَّمنيّ؟

فعلوا ذلك عن طريق تطبيق خطة مُحكمة كالتالي:   أولًا، أنشؤوا زوجًا متشابكًا من الفوتونات، "1-2" (الخطوة الأولى Step I في الرسم البياني أدناه). وبعد فترةٍ وجيزة، قاسوا استقطاب الفوتون 1 (وهي خاصية تصف اتجاه تذبذب الضوء)، مما نتج عنه "قتل" الفوتون 1 في الخطوة الثانية.

بعد ذلك، يُرسل الفوتون 2 بعيدًا بينما يُنشأ زوجٌ جديدٌ متشابكٌ، "3-4" (في الخطوة الثالثة).

ثم يُقاس الفوتون 3 جنبًا إلى جنب مع الفوتون 2 المتجول، مما يجعل علاقة التشابك تتبادل من الأزواج القديمة ("1-2" و "3-4") مع الزوج الجديد "2-3" (في الخطوة الرابعة). 

بعد مرور بعض الوقت (في الخطوة الخامسة)، يُقاس استقطاب الفوتون الناجي الوحيد، الفوتون 4، وتُقارن النتائج مع الفوتون 1 الميت منذ زمن (مرة أخرى في الخطوة الثانية).  

بالطبع أنت تتساءل عن النتيجة، وهي بالفعل صادمة! كشفت البيانات عن وجود علاقات ارتباطٍ كموميةٍ بين الفوتونين 1 و4 اللذَين لم يتموضعا معًا زمنيًا، أي أن التشابك يمكن أن يحدث عبر نظامين كموميين لم يتعايشا أبدًا.

ماذا يعني هذا؟ هل عدنا إلى المعتقدات القديمة، يبدو الأمر مثيرًا للبلبلة كما القول إن قطبية ضوء النجوم في الماضي البعيد الساحق (ماضٍ سحيق يفصلنا عنه زمن يتجاوز ضعفي عمر الأرض) أثرت على قطبية ضوء النجوم التي تراها خلال تلسكوبك الشخصي في ليلةٍ من ليالي الشتاء!   والأمر الأكثر غرابةً أنّ ذلك ربما يعني ضمنًا أن القياسات التي أجريتها بعينك على ضوء النجوم من خلال تلسكوبك هذا الشتاء أملت على نحوٍ ما قطبية الفوتونات منذ ما يزيد عن 9 مليارات سنة! ولئلا يصدمك هذا السيناريو بشكلٍ غريب، فحتى البروفيسور مجديش وزملاؤه لا يمكنهم مقاومة التكهنات حول التفسيرات المحتملة والمبهمة نوعا ما لنتائجهم.  

ولعل قياس استقطاب الفوتون 1 في الخطوة الثانية يوجه بطريقةٍ ما استقطاب الفوتون 4، أو قياس استقطاب الفوتون 4 في الخطوة الأخيرة، بطريقةٍ ما يعيد صياغة حالة الاستقطاب السابقة للفوتون 1. وفي الاتجاهين المباشر والعكسي، تمتد الارتباطات الكمومية إلى الفراغ السببي بين موت فوتون واحد وولادة الآخر.  

ربما القليل من النسبية سيساعد على التخفيف من الذهول، في تطوير نظريته للنسبية الخاصة، عزل آينشتاين مفهوم التزامن من قاعدته النيوتونية (نسبةً لنيوتن)، ونتيجةً لذلك، انتقل مفهوم التزامن من كونه مطلقًا إلى كونه نسبيًّا.

لا يوجد للكون مؤقتٌ وحيد، فعلى وجه التحديد عندما يحدث شيءٌ ما يعتمد على موقعك الدقيق بالنسبة إلى ما تراقبه، والذي يعرف باسم الإطار المرجعي الخاص بك.

لذا فإن المفتاح لتفادي السلوك السببي الغريب (توجيه المستقبل أو إعادة صياغة الماضي) في حالات الفصل الزمني هو أن تقبل أن أحداث الاتصال المتزامنة تحمل القليل من الوزن الميتافيزيقي.

إنّها خاصية إطار محدد فحسب، إنّه خيارٌ من عدة خياراتٍ بديلة لكن للجميع قابلية الحياة نفسها، إنها مسألة تقليدٍ أو حفظٍ للسجلات، وينتقل هذا الدرس مباشرةً إلى اللاموضعية الكمومية المكانية والزمنية، وتقابل الألغاز المتعلقة بالأزواج المتشابكة من الجسيمات الخلافات حول الأسماء التي تُحدثها النسبية. ولكن لحسن الحظ، أظهر آينشتاين أنه لا يمكن أن يكون أيّ تسلسلٍ للأحداث مميزًا بشكلٍ ميتافيزيقي (يمكن اعتباره أكثر واقعيةٍ) من أي شيء آخر، وفقط من خلال قبول هذه المسلمة يمكننا أن نحرز تقدمًا في مثل هذه الألغاز الكمومية.

إن الأطر المرجعية المختلفة في تجربة الجامعة العبرية (كالمختبر والفوتون 1 والفوتون 4، وهكذا) لها مؤرخين خاصين بها، إذا جاز التعبير، وفي حين أن هؤلاء المؤرخين سيختلفون حول الكيفية التي سارت بها الأمور، لا يمكن لأحدهم أن يدعي وجود زاوية للحقيقة المطلقة، وتتكشف سلسلةً مختلفةً من الأحداث داخل كلٍّ منها، وفقًا لوجهة النظر الزمكانية.  

من الواضح إذن أن أيّ محاولة لتخصيص خصائص محددة الإطار بالعموم، أو ربط خصائص عامةٍ بإطار معين، ستسبب نزاعات بين هؤلاء المؤرخين، ولكن هناك شيء يجب أن يكون ثابتًا، ففي حين قد يكون هناك خلافًا منطقيًا حول الخصائص التي ينبغي نسبتها لأي الجسيمات ومتى، لا ينبغي أن يكون هناك خلاف حول وجود هذه الخصائص، والجسيمات، والأحداث.

هذه النتائج تقود إلى إسفين آخر يُدق في حدسنا الكلاسيكي والحقائق التجريبية لميكانيكا الكم.

وكما كان الحال بالنسبة إلى شرودنغر ومعاصريه، فإن التقدم العلمي سيشمل التحقيق في حدود بعض الآراء الميتافيزيقية.   كما نعلم في تجربة قطة شرودنغر الفكرية، فإنه وفقًا لمبدأ الاحتمال، نصفها ميت والآخر حي، واستُخدمت هذه التجربة لتوضيح كيف يؤدي تشابك الأنظمة إلى ظواهرَ عينيةٍ تتحدى الفهم المعتاد للعلاقات بين الأشياء وخصائصها، فالكائن الحي مثل القطة إما ميت أو حي، ولا يوجد هناك احتمالٌ آخر يتوسط الحالتين.

في الواقع، وإلى غاية يومنا هذا فإنّ معظم الحسابات الفلسفية المعاصرة للعلاقات بين الأشياء وخصائصها تستوعب التشابك الكمومي فقط من منظور اللاتموضع المكاني. ولكن لا يزال هناك عملًا كبيرًا يجب القيام به لدمج اللاموضعية الزمنية، ليس فقط في المناقشات المتعلقة بخصائص الأشياء، ولكن أيضًا في المناقشات حول تكوين المواد (مثل العلاقة بين كتلة من الطين والتمثال الذي تشكله)، والعلاقات الجزئية المتكاملة (مثل كيفية ارتباط اليد بالأطراف أو الأطراف بشخص ما).

على سبيل المثال، فإن لغز كيفية تناسب الأجزاء مع الجسم الكامل، يفترض حدودًا مكانيةً واضحة المعالم بين المكونات الأساسية، ومع ذلك فإن اللاموضعية المكانية تحذّر من هذا المشهد، إن عدم تحديد الوقت الزمني يزيد من تعقيد هذه الصورة: إذ كيف يصف الشخص كيانًا لا تتعايش أجزاؤه المكونة في نفس الزمن؟ قد تكون معرفة طبيعة التشابك في بعض الأحيان مشروع غيرُ مريح، ليس من الواضح ما هي الميتافيزيقيا الموضوعية التي قد تنشأ من التدقيق في الأبحاث الجديدة الرائعة من أمثال أبحاث مجديش والفيزيائيين الآخرين.

كيف ينام رواد الفضاء رغم الجاذبية الصغرى .

الحصول على ليلة نوم جيدة أمر مهم لصحتنا، وهذا لا يقتصر فقط على البشر على سطح الارض، وإنما أولئك الموجودين في الفضاء ايضاً. يختبر رواد الفضاء على متن محطة الفضاء الدولية أكثر من اثني عشر شروق شمس في فترة 24 ساعة، وغالبا ما بجدون صعوبة في إعادة ضبط ساعاتهم الداخلية أو البيولوجية المسؤولة عن تحديد أنماط النوم لدينا. لذلك تساعد وكالة ناسا على معالجة هذه المسألة الصحية في الفضاء من خلال بحوثها الجارية. 

-

توضح هذه الصورة موقع هبوط روفر كريوزيتي التابع لناسا فوق المريخ والوجهات التي يريد العلماء تحقيقها. هبط كريوزيتي في فوهة غيل على المريخ في 5 أوغست/آب 2012 بتوقيت المحيط الهادئ (6 أوغست/آب 2012 بتوقيت شرق الولايات المتحدة) عند النقطة الخضراء في الخريطة وداخل سهل يلونايف. اُختيرَ هذا المكان للانتقال إلى مكان آخر موضح بنقطة زرقاء في الخريطة ويحمل هذا المكان اسم غلينلغ (Glenelg). تُشكل هذه المنطقة تقاطعا بين ثلاث أنواع من التضاريس. ويعتقد الفريق العلمي أنّ اسم Glenelg كان مناسبا لأنه إذا قام كريوزيتي بالانتقال إلى ذلك المكان، فإنه سيزوره مرتين -ذهابا وإياباً- وبذلك يأتي الاسم Glenelg في سياق متناظر. بعد ذلك، سيتحرك روفر إلى النقطة الزرقاء التالية والمسماة "Base of Mt. Sharp"، التي تمثل فاصل طبيعي بين الكثبان التي سمحت لكريوزيتي ببدء قياس حجم الروافد المنخفضة من قمة شارب. في قاعدة شارب، يُوجد تلال وهضاب يأمل العلماء أن تكشف عن التاريخ الجيولوجي للمنطقة. أضيفت هذه التوضيحات إلى قمة الصورة التي تم التقاطها بواسطة كاميرا تجربة التصوير عالي الدقة العلمية (HiRISE) الموجودة في المستكشف المريخي المداري التابع لناسا.

نستطيع رصد مجرات بعيدة بملايين السنوات الضوئية بينما نجد صعوبة في رصد كواكب أو اجرام قريبة مثل بلوتو، كيف ذلك؟

التلسكوب هو عبارة عن جهاز استقبال للضوء. ليس عدسة تكبير عملاقة، أي نعم يستطيع تكبير الأشياء لكن ليس الى الحجم الهائل مثلما تتوقع، إنه ببساطة جهاز استقبال للضوء.
من السهل جداً رؤية المجرات والسدم البعيدة بشكل أفضل من الكويكبات والأجرام في مجموعتنا الشمسية، وذلك ببساطة لأن المجرات احجامها أكبر بكثير، صحيح هي بعيدة، لكن حجمها وبعدها عنا يتناسبان ليعطونا حجم ظاهري كبير أكبر من بقية الكواكب.
الحجم الظاهري: هو حجم غير حقيقي تراه من موقع رؤيتك. على سبيل المثال، شاحنة كبيرة جداً، ستبدو من بعيد وكأنها نقطة، وكلما ابتعدت كلما قل حجمها الظاهري، يعني بالإعتماد على مسافة هذه الشاحنة عنك سترى الحجم الظاهري المناسب. فبعد مجرة ما عنك يعطيها حجماً مناسباً لتبدو أكير من الكواكب الأقرب.
بالإضافة الى أن المجرات والسدم ترسل الكثير من الضوء في اتجاهنا. تحتوي كل واحدة من تلك المجرات على بلايين النجوم، وكل منها يبعث سيل من الفوتونات، يشع في كل اتجاه. ويصل عدد قليل منهم إلى التلسكوب.
الأجرام في نظامنا الشمسي مثل بلوتو، هي أجسام مظلمة وباردة. تعكس القليل من الضوء وبالتالي فإن رصدها يكون أصعب.

لاحظوا مثلا في الصورة كيف سيبدو حجم القمر الظاهري بالمقارنة مع مجرة اندروميدا. على الرغم من قرب القمر الينا.❗

إذا تلامست قطعتين معدنيتين في الفضاء، ستذوبان مع بعضهما وتصبحان قطعة واحدة. وهذا يدعى بالالتحام البارد أو الإلتحام بالتلامس. وهذا لايحدث على الأرض لأن الأتموسفير تضع طبقة من المواد المؤكسدة على السطوح مما يمنع هذا من الحدوث.

الكثير منا يعتقد أنه يعرف كل الكواكب الموجودة في نظامنا الشمسي، فالكواكب المعروفة هي، عطارد، الزهرة، الأرض، المريخ، المشتري، زحل، أورانوس، نيبتون. يوجد أيضاً بلوتو ولكن بعد عام 2006 لم يعد بلوتو مصنفاً ككوكب، بل أصبح من فئة الكواكب القزمة (الصغيرة).

طبعاً بلوتو ليس الكوكب القزم الوحيد هنا فمثلاً يوجد، سيريس، إيريس، ماكي ماكي، هاومِيا، سِيدْنا، أوركاس، كواوار، إكسايان، فيرنا، كي وس، والعديد من الكواكب التي لم تعطى أسماء رسمية. ويعد كويكب سيريس مميزاً لأن مساره الدائري حول الشمس يتموضع بين المريخ والمشتري

تليسكوب هابل يلتقط صورة رائعة لموت نجم في سديم "البيض الفاسد" يُمثل "سديم الكالاباش" The Calabash Nebula الواضح في هذه الصورة -والذي يحمل الاسم التقني Oh231.8+O4.2- مثالاً مذهلاً على موت نجمٍ ذي كتلة صغيرة مثل الشمس.

تُظهر هذه الصورة المُلتقطة بواسطة تليسكوب هابل الفضائي التابع لوكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ESA، النجم أثناء مروره عبر تحول سريعٍ من عملاقٍ أحمر إلى سديم كوكبي، حيث يعصف بطبقاته الخارجية الغازية والغبارية خارجاً باتجاه الفضاء المحيط به.
تَظهر المواد المقذوفة مؤخراً بالاتجاه المعاكس بسرعة هائلة باللون الأصفر، والتي تُمثل غازاً يتحرك بسرعةٍ تُقارب المليون كيلومتر في الساعة (621,371 ميل في الساعة).

نادراً ما يتمكن الفلكيون من رصد نجمٍ أثناء مرحلة تطورية كهذه، لأن ذلك يحدث بسرعة كبيرة جداً وفقاً للمقاييسٍ فلكية.
كما أنه من المتوقع أن يتطور إلى سديمٍ كوكبي كامل التشكل خلال الألف سنة القادمة.
يُعرف سديم الكالاباش أيضاً باسم سديم البيض الفاسد (Rotten Egg Nebula) لأنه يحتوي على الكثير من الكبريت، حيث تفوح منه رائحة شبيهة برائحة البيض الفاسد عند خلطه مع عناصر أخرى -ولكن لحسن الحظ، فإنه يبعد عن الأرض مسافة 5000 سنةٍ ضوئية في كوكبة الكوثل Puppis.