نسخة جديدة من تجربة الشق المزدوج الشهيرة تكشف أن أينشتاين كان مخطئًا (قليلاً) بشأن الفيزياء الكمومية

لأكثر من مئة عام، علّمتنا فيزياء الكم أن الضوء موجة وجسيم في آن واحد. والآن، أجرى باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) تجربةً جريئةً باستخدام ذراتٍ منفردة، تؤكد أنه على الرغم من أن الضوء يمكن أن يتصرف كجسيم أو كفوتون، إلا أنه لا يمكن رؤيته وهو يتصرف ككلاهما في الوقت نفسه.

يعود الجدل حول طبيعة الضوء إلى قرون مضت، إلى القرن السابع عشر وعصر إسحاق نيوتن وكريستيان هويجنز. اعتقد البعض، مثل نيوتن، أن الضوء يجب أن يكون مكونًا من جسيمات لتفسير حدة الصور المرآوية وعدم قدرتنا على الرؤية حول الزوايا. ومع ذلك، أشار هويجنز وآخرون إلى أن الضوء يُظهر سلوكًا موجيًا، مثل الانعراج والانكسار.

تجربة الشق المزدوج، حيث سلّط مصدر ضوء متماسك عبر شقين ضيقين على جدار. لو كان الضوء جسيمًا، لتوقعنا ظهور بقعتين متداخلتين من الضوء على الجدار عند مرور فوتونين مختلفين عبر كل من الشقين. لكن ما وجده يونغ هو أن الضوء ينتشر على الجدار في أنماط تداخل متناوبة بين الضوء والظلام. لا يمكن تفسير ذلك إلا بانتشار موجات الضوء من كل شق وتفاعلها مع بعضها البعض، مما ينتج عنه تداخل بنّاء وهدّام.

أظهر ألبرت أينشتاين أن كمّ الضوء هو جسيم يُسمى فوتونًا. علاوة على ذلك، أظهرت فيزياء الكم أن الفوتونات تُظهر أيضًا سلوكًا موجيًا. لذا، كان كلٌّ من نيوتن وهويجنز مُحقًّا: الضوء موجة وجسيم في آنٍ واحد. نُسمّي هذه الظاهرة الغريبة ازدواجية الموجة والجسيم.

ومع ذلك، ينص مبدأ عدم اليقين على أنه لا يمكننا أبدًا ملاحظة فوتون يتصرف كموجة وجسيم في الوقت نفسه. وقد أطلق نيلز بور، أبو فيزياء الكم، على هذه الظاهرة اسم "التكاملية"، بمعنى أنه لا يمكن قياس الخصائص التكاملية لنظام كمي، مثل السلوك كموجة وجسيم، في آن واحد.

لم يكن أينشتاين يومًا مولعًا بالعشوائية التي أدخلها التكامل ومبدأ عدم اليقين في قوانين الطبيعة. لذا بحث عن سبل لدحض التكامل، وفي سبيل ذلك عاد إلى تجربة يونغ الكلاسيكية للشق المزدوج. جادل بأنه عند مرور فوتون عبر أحد الشقين، يجب أن تتأثر جوانب الشق بقوة صغيرة نتيجة "خشخشة" الفوتون المار. بهذه الطريقة، يمكننا قياس الضوء كجسيم فوتوني أثناء مروره عبر الشق، وكموجة عند تفاعله مع فوتونات أخرى في آنٍ واحد.

خالف بور هذا الرأي. يصف مبدأ عدم اليقين كيف، على سبيل المثال، لا يمكننا معرفة زخم الفوتون وموقعه الدقيق – وهما خاصيتان متكاملتان – في الوقت نفسه. لذلك، قال بور إن قياس "حفيف" الفوتون المار لن يؤدي إلا إلى إزالة السلوك الموجي، وسيُستبدل نمط التداخل الناتج عن تجربة الشق المزدوج بنقطتين ساطعتين فقط.

لقد أظهرت التجارب على مر السنين أن بور كان على حق، ولكن كان هناك دائمًا شك صغير ومزعج في أن الأجهزة الضخمة يمكن أن تسبب تأثيرات تخفي رؤية الضوء كموجة وجسيم في وقت واحد.

وصفٌ بسيط لتجربة الشق المزدوج القياسية التي ربما أجريتها في دروس العلوم المدرسية. (حقوق الصورة: Future)

لمعالجة هذه المشكلة، قام فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، بقيادة الفيزيائيين فولفغانغ كيتيرل وفيتالي فيدوسيف، بتقليص تجربة الشق المزدوج إلى أبسط جهاز ممكن على المستوى الذري. باستخدام الليزر، رتبوا 10,000 ذرة فردية مبردة إلى أجزاء ضئيلة من الدرجة فوق الصفر المطلق. تصرفت كل ذرة كشق، بمعنى أن الفوتونات يمكن أن تتشتت عنها في اتجاهات مختلفة، وتُنتج، على مدار العديد من التجارب، نمطًا من المناطق المضيئة والمظلمة، بناءً على احتمالية تشتت الفوتون في اتجاهات معينة أكثر من غيرها. وبهذه الطريقة، يُنتج التشتت نفس نمط الحيود المُستخدم في تجربة الشق المزدوج.

قال كيتيرلي في بيان: "ما فعلناه يُعدّ تحوُّلاً جديدًا لتجربة الشقّ المزدوج. هذه الذرات المفردة تُشبه أصغر شقوق يُمكن بناؤها".

أظهرت التجربة أن بور كان مُحقًا تمامًا عندما جادل بشأن التكاملية، وأن أينشتاين أخطأ. كلما زاد قياس حفيف الذرات، ضعف نمط الحيود، لأن الفوتونات التي قيست كجسيمات لم تعد تتداخل مع الفوتونات التي لم تُقاس كجسيمات.

أظهرت التجارب أيضًا أن الجهاز – في هذه الحالة، أشعة الليزر التي تُثبّت الذرات في مكانها – لم يؤثر على النتائج. تمكّن فريق كيترلي وفيدوسيف من إيقاف تشغيل الليزر وإجراء قياس في غضون جزء من مليون من الثانية، قبل أن تتاح للذرات فرصة للاهتزاز أو الحركة بفعل الجاذبية. وكانت النتيجة واحدة دائمًا – إذ لم يكن من الممكن تمييز طبيعة الضوء الجسيمية والموجية في آنٍ واحد.

قصص ذات صلة

قال فيدوسيف: "ما يهم هو ضبابية الذرات". يشير هذا الضبابية إلى الضبابية الكمومية التي تُحيط بموضع الذرة الدقيق، وفقًا لمبدأ عدم اليقين. يمكن ضبط هذا الضبابية من خلال مدى ثبات الليزر في تثبيت الذرات في موضعها، وكلما كانت الذرات ضبابية وغير ثابتة، زاد شعورها بحفيف الفوتونات، مما يكشف الضوء كجسيم.

"لم يكن أينشتاين وبور ليتصورا مطلقًا أن إجراء مثل هذه التجربة باستخدام ذرات منفردة وفوتونات منفردة أمر ممكن"، كما قال كيتيرل.

تُعزز هذه التجربة غرابة فيزياء الكم، حيث للجسيمات طبيعة مزدوجة، ولا يُمكننا قياس خصائص مُتكاملة في آنٍ واحد، مثل كون الضوء موجةً أو جسيمًا، أو موضع الجسيم وزخمه. يبدو أن الكون يعمل على أساس الاحتمالات، والخصائص الناشئة التي نراها قادمة من عالم الكم ليست سوى تجلٍّ لإحصائيات تشمل عددًا كبيرًا جدًا من الجسيمات، وجميعها، لحزن أينشتاين، "مجرد لعبة نرد".

نُشر البحث في 22 يوليو/تموز في مجلة Physical Review Letters.