قط شرودنجر : من اغرب نظريات ميكانيكا الكم

إروين شرودنجر الفيزيائي الذي صمم التجربة الفكرية قطة شرودنجر في عام 1935 كاعتراض على التفسير السائد لكوبنهاغن لميكانيكا الكم

يُنظر غالبًا إلى معادلة شرودنغر، التي ابتكرها عام 1926، على أنها مركزية في فيزياء الكم بقدر ما تُعتبر قوانين نيوتن للحركة مركزية في الفيزياء الكلاسيكية. وهي في جوهرها معادلة موجية تصف شكل موجات الاحتمال (أو دوال الموجة) التي تتحكم في حركة الجسيمات الصغيرة وكيفية تغيّر هذه الموجات مع مرور الوقت. تأخذ حلول المعادلة صورة دوال موجية لا يمكن ربطها إلا بالاحتمال المرتبط بحدوث أحداث فيزيائية. وقد استخدم شرودنغر المعادلة للتنبؤ بخصائص ذرة الهيدروجين، وتبقى هذه المعادلة حتى اليوم حجر أساس في ميكانيكا الكم

مع ذلك، لم يكن شرودنغر نفسه راضيًا عن الكيفية التي جرى بها تفسير معادلته، والمقصود هنا هو تفسير كوبنهاغن (الذي سُمّي كذلك نسبةً إلى المدينة التي عاش فيها رائد هذا التفسير، نيلز بور). فبخلاف معادلات نيوتن للحركة، التي قدّمت إجابات ملموسة عن أسئلة الكون، فإن تفسير كوبنهاغن لمعادلة شرودنغر اعتمد على مفهوم أكثر تجريدًا، وهو الاحتمال. وبدلًا من تحديد المواقع والكميات بدقة، لم تستطع ميكانيكا الكم أن تنتج سوى نتائج لا تتجاوز احتمال وجود الإلكترون في موضع معين بعد فترة زمنية محددة

شعر شرودنغر أنه رغم أن ميكانيكا الكم صحيحة في وصف ضبابية العالم دون الذري، فإن تطبيقها بلا تمييز يؤدي إلى نتائج غريبة وقد كتب في بحثه " الوضع الراهن في ميكانيكا الكم" (1935)

One can even set up quite ridiculous cases. A cat is penned up in a steel chamber, along with the following device (which must be secured against direct interference by the cat): in a Geiger counter there is a tiny bit of radioactive substance, so small, that perhaps in the course of the hour one of the atoms decays, but also, with equal probability, perhaps none; if it happens, the counter tube discharges and through a relay releases a hammer which shatters a small flask of hydrocyanic acid. If one has left this entire system to itself for an hour, one would say that the cat still lives if meanwhile no atom has decayed. The psi-function of the entire system would express this by having in it the living and dead cat (pardon the expression) mixed or smeared out in equal parts.

Schrödinger’s cat argues that, in the Copenhagen interpretation, until an observer opens the box and reveals the cat’s fate, the cat is both alive and dead—a state described as a “superposition.” Schrödinger thought that the cat being both alive and dead was “quite ridiculous” and intended his thought experiment to challenge other scientists’ suppositions about quantum mechanics. However, scientists have since been able to place particles such as ions and photons in superposed states. French physicist Serge Haroche and American physicist David Wineland won the 2012 Nobel Prize for Physics for their work in devising experiments to create such “Schrödinger cat states,” in which particles can be observed as simultaneously being in two different states.

يمكن للمرء أن يضع حالات سخيفة تمامًا. فهناك قطة محبوسة في غرفة فولاذية، مع الجهاز التالي (الذي يجب أن يُحكم تأمينه ضد أي تدخل مباشر من القطة): في عدّاد غايغر يوجد مقدار ضئيل من مادة مشعة، صغير جدًا بحيث يمكن أن يتحلل أحد الذرات في غضون ساعة، وربما أيضًا لا يحدث أي تحلل، بنفس الاحتمال. إذا حدث التحلل، فإن أنبوب العداد يفرغ شحنته ومن خلال مرحّل يطلق مطرقة تكسر قارورة صغيرة من حمض الهيدروسيانيك. وإذا تُرك النظام كله بمفرده لمدة ساعة، فإننا سنقول إن القطة ما زالت حية إذا لم يتحلل أي ذرة في هذه الأثناء. إن دالة ψ للنظام بأكمله ستعبّر عن ذلك بوجود القطة الحية والميتة (اعذروا التعبير) مختلطتين أو منتشرتين بنسب متساوية."

ثم جاء التفسير:

"تجربة قطة شرودنغر توضح أنه وفقًا لتفسير كوبنهاغن، حتى يفتح المراقب الصندوق ويكشف مصير القطة، فإنها تكون في حالة مزدوجة: حية وميتة في الوقت ذاته، وهي حالة تُعرف بـ«التراكب الكمومي». وقد اعتبر شرودنغر أن فكرة كون القطة حية وميتة معًا أمر «سخيف تمامًا»، وأراد من خلال هذه التجربة الذهنية أن يتحدى افتراضات العلماء الآخرين حول ميكانيكا الكم. ومع ذلك، فقد تمكن العلماء لاحقًا من وضع جسيمات مثل الأيونات والفوتونات في حالات تراكب حقيقية. وقد حصل الفيزيائي الفرنسي سيرج أروش والأمريكي ديفيد وينلاند على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2012 عن ابتكارهما تجارب تُمكّن من إنشاء مثل هذه «حالات قطة شرودنغر»، حيث يمكن ملاحظة الجسيمات وهي في حالتين مختلفتين في الوقت نفسه

كيف تلتقي فيزياء الكم مع عالمنا الذي نعيشه؟

يقول صحفي العلوم آدم باكر Adam Becker في كتابه “ما هو حقيقي “What is Real”: “تفتقد فيزياء الكم لمكوّن مهمّ، هو القصة التي تخبرنا كيف تلتقي فيزياء الكم مع عالمنا الذي نعيشه”. ويضيف: “كيف لعدد من الذرّات الاستثنائية التي تحكمها فيزياء الكم أن تبدأ العالم الذي حولنا اليوم؟” هل قطة شرودنجر حقيقية؟ إن قطة شرودنجر هي لب تفسير بور عن الواقع: عدم وجود خط فاصل واضح بين عالم الكم والحياة التي نعيشها يومياً. رغم أن معظم الناس يعتقدون أن تجربة شرودنجر هي مثال توضيحي لكيفية أن الأجسام لا تملك خصائص محددة إلا عند قياسها، فان نية شرودنجر كانت العكس تماماً – بل إن هدف شرودنجر أن يثبت أن فكرة التراكب غير منطقية.

رغم كل ذلك، فقد أهمل الكثير من الفيزيائيين هذه المشكلة لعقود، وركزوا جهودهم على غيرها. لكن أثبت الباحثون، في بدايات سبعينات القرن الماضي، أنه يمكن خلق جسيماتٍ بحالات مترابطة، أي بمعنى أنه إن كان جسيم موجهاً للأعلى، فالجسيم الآخر سيكون موجهاً للأسفل -وهي ظاهرة أطلق عليها شرودنجر اسم (التشابك)

• الحوسبة الكمية

عزّز هذا العمل حقل الحوسبة الكمية (Quantum Computing) المستجد، الذي يَعد بإنتاج حواسيب أسرع بكثير من تلك الموجودة حالياً. تمكّن العلماء عام 2010 من خلق نسخة حقيقية من قط شرودنجر، لكن دون استخدام قط حقيقي. بنا علماء جامعتي كاليفورنيا وسانتا باربارا مرناناً: (resonator) شوكة صغيرة رنانة، حجمها بحجم بكسل على شاشة الحاسوب. وضعت هذه الشوكة في حالة تراكب حيث كانت تهتز ولا تهتز في آن واحد، وقد أثبت ذلك أن الأجسام الكبيرة نسبياً يمكنها اتخاذ حالات كمية غريبة.

في آخر التجارب وضع ما يقارب ال 2000 ذرة في مكانين مختلفين في نفس الوقت، وهذا ما أدّى لزيادة ضبابية الخط الفاصل بين العالم المايكروي وعالم حياتنا اليومية. وحتى أنه عام 2019 تمكن علماء في جامعة جلاسكو من تصوير التشابك فوتوني باستخدام كاميرا خاصة تلتقط الصورة عندما يظهر فوتون مرتبط بفوتون شريك آخر.

رغم أن الفيزيائيين والفلاسفة لم يتفقوا على كيفية التفكير بالعالم الكمي، فإن افكار شرودنجر انتجت سبلاً بحثية مثمرة، وعلى الأرجح أنها ستستمر بفعل ذلك في المستقبل.

ملاحظه: المقال ليس كتابة كاملة بل ترجمة و دمج بين المقالات