الفيزيائيون يعيدون النظر في قانون الكم الأساسي لمساعدتنا على فهم الواقع

في أعماق قلب الفيزياء هناك تخمين محظوظ. لقد كان تخمينًا جيدًا إلى حدٍّ كبير، يبقى متينًا في وجه الزمن والتجربة، وهو الآن مبدأ أساسي في ميكانيكا الكم.

يطلق عليه بقاعدة بورن، وبينما تستخدم هذه القاعدة للتنبؤات، لا أحد يفهم حقا كيف تعمل. لكن محاولة جديدة جريئة لإعادة كتابته يمكن أن تكون هي الكسر الذي كنا نبحث عنه حتى نفهمه بالكامل في النهاية.

تعاون كل من الفيزيائيين في جامعة لندن بلويس ماسانيس وتوماس جالي مع ماركوس مولر من الأكاديمية النمساوية للعلوم لإيجاد طريقة جديدة لوصف هذا القانون الأساسي للفيزياء.

إنهم ليسوا أول من يبحث عن حقائق أعمق إلى هذا الحد المعقول من المبادئ الكمومية. ولنكن صادقين، لن يكونوا هم الأخيرين. ولكن إذا كان هناك حل يمكن العثور عليه، فربما يتطلب منهجًا فريدًا مثل نهجهم.

أولاً، لكي نفهم ما هو الأمر المميز في قانون بورن، نحتاج إلى إجراء نسخ احتياطي قليلاً.

أصبح من المألوف أن نقول أن ميكانيكا الكم أمر غريب. مع القطط التي كانت في وقت واحد حية وميتة والجسيمات التي تنقل المعلومات عبر الفضاء والزمان، اعتدنا على رؤية سرداب الفيزياء كعرض سحري.

إن الأسماء الكبيرة مثل شرودنغر وهيزنبرغ وأينشتاين تميل إلى الحصول على المجد، لكن الفيزيائي والرياضي الألماني ماكس بورن يستحق بالفعل الفضل في الصداع الهائل الذي توفره ميكانيكا الكم.

لفهم مساهمته، نحتاج فقط إلى النظر إلى الفيزياء الساخنة، التي وجد العلماء أنفسهم في مواجهتها في أوائل العشرينات. وقد تم مؤخراً الكشف عن بنية الذرة بحيث تتكون من نواة كثيفة موجبة الشحنة ومحاطة بجسيمات صغيرة سالبة الشحنة.

لماذا لم ينهار النظام بأكمله كان السؤال الكبير يدور حوله، إلى أن توصل الفيزيائي الفرنسي لويس دي بروغلي إلى اقتراح جريء – مثلما كانت الموجات الضوئية ذات طبيعة جسيمية، فإن هذه الإلكترونات السلبية يمكن أن تبقى إذا كانت موجية أيضاً.

كانت ثنائية الضوء صعبة بما يكفي للابتلاع. لكن وصف المادة الصلبة كما لو كانت موجة على المحيط سهل ذلك وأظهرت التجارب أنها مقارنة جيدة.

بعد ذلك، في عام 1926، توصل بورن باقتراح بسيط – من خلال استخلاص البصيرة من رياضيات زملائه، أظهر كيف أن هذه الموجات تعكس الاحتمالية وتوصل إلى قاعدة اقترنت بمشاهدات ومقاييس. تسمح هذه القاعدة للفيزيائيين بتوقع موضع الجسيمات في التجارب، باستخدام الاحتمالات التي تعكسها اتساع هذه الوظائف الموجية.

لكن قاعدة بورن لم تكن مبنية على مجموعة أساسية من البديهيات، أو حقائق أعمق للطبيعة. في محاضرة ألقاها في الحصول على جائزة نوبل في الفيزياء عن عمله في عام 1954 ، أوضح بورن “آها!” ظهرت لحظة من عمل آينشتاين.

وقال بورن “لقد حاول جعل ازدواجية الجسيمات – كوانتم الضوء أو الفوتونات – والموجات مفهومة بتفسير مربع سعة الموجات الضوئية ككثافة احتمالية لحدوث الفوتونات”.

لقد كان تخمينًا مُلهمًا، ودقيقًا في ذلك. لكن لم تكن هناك مسلمات أساسية، ولا توجد قوانين أساسية توصل بورن لختام عمله. كان تنبّؤًا بحتًا، ولم يقل شيئًا عن المبادئ الأعمق التي تحول عددًا كبيرًا من الاحتمالات إلى حقيقة واحدة.

كان آينشتاين يكره العواقب، ويزعم أن الله لا يلعب النرد، ويرى أن ميكانيكا الكم كانت نظرية غير مكتملة تنتظر قطعًا جديدة لتوضح الصورة.

ما يقرب من قرن من الزمان، تلك القطع هي بعيدة المنال كما كانت دوما ولا تزال قاعدة بورن تجلس في قلبها، وتتنبأ بصمت دون الكشف عن السر الذي تختاره.

ما نحتاجه هو إعادة صياغة القانون الشهير الذي يحتفظ بسلطته للتنبؤ في الوقت الذي يشير فيه إلى مزيد من الحقائق. لذا أعاد ماسانز ومولر صياغة القاعدة على أساس حفنة من الافتراضات الطفيفة على ما يبدو.

أولا، أشاروا إلى أن الحالات الكمية موصوفة وفقا لمقاييس الحجم والاتجاه.

ثانيا، أظهروا كيف يمكن وصف هذه الحالات وفقا لما يعرف باسم الوحدة. يشير هذا المصطلح إلى المعلومات التي تربط نقطة البداية والنهاية الخاصة بالعملية. (لاستخدام القياس الخام، قد لا نعرف كيف وصلنا إلى المنزل من البار، لكن الطريقة التي أوصلتنا إلى هناك أيضًا تصف الطريق إلى الخلف).

بعد ذلك، افترضوا أن يتم اختيار تجميع أجزاء من نظام كمومي معقد، لا ينبغي أن يكون له تأثير في قياس الحالة النهائية. إن تقسيم قوس قزح إلى سبعة ألوان هو اختيار نجعله خاضعًا للسياق؛ لا تهتم الطبيعة دائمًا بالانقسامات المريحة.

وأخيراً، أكدوا أن قياس الحالة الكمية أمر فريد. بعد كل ما يقال ويفعل، ينتهي بهم الأمر إلى عدد لا يحصى من الاحتمالات في إجابة صلبة.

من نقاط البداية البسيطة هذه، البناء الثلاثي المنطقي هذا أعادهم إلى قاعدة بورن.

إنه ليس حلاً بحد ذاته، فكر في الأمر، لأنه لا يفسر سبب انهيار موجة الاحتمالية في الواقع الذي نلاحظه.

بدلا من ذلك، فإنه يوضح كيف يمكن للافتراضات الأساسية أن تؤدي إلى نفس القانون، وتوفير منظور جديد حول كيفية التعامل مع المشكلة.

في الوقت الراهن، لا يزال الله يرمي النرد، ربما هذه هي الطريقة التي من خلالها سنمسك به وهو يغش.

ترجمة: حسام عبدالله

المصادر: 1