Superposition of dynamics, indefinite causal order, and quantum histories

في العالم الكمومي، غالبًا ما تبدو قواعد السبب والنتيجة وكأنها قد قُلبت رأسًا على عقب. نحن معتادون على كوننا نعيش في كون تحدث فيه الأحداث في تسلسل صارم: يسبق السببُ أثره، ويسير الزمن في خط واحد مستمر. هذا الحدس متجذر بعمق في تجربتنا لدرجة أنه يشكل حجر الزاوية لكيفية فهمنا للواقع. ومع ذلك، أظهرت التجارب الحديثة أنه عند المقاييس الأصغر، يمكن للجسيمات أن توجد في حالة لا يكون فيها ترتيب الأحداث ثابتًا. تخيل شخصين، أليس وبوب، يقومان بأفعال على نظام كمومي. في عالمنا اليومي، إما أن تقوم أليس بالفعل أولًا ثم بوب ثانيًا، أو يقوم بوب بالفعل أولًا ثم أليس ثانيًا. ولكن في المجال الكمومي، من الممكن أن يوجد النظام في حالة يكون فيها من غير الواضح حقًا أي فعل حدث أولًا، أو حتى أن يكون كلا التسلسلين صحيحين في الوقت نفسه. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "الترتيب السببي غير المحدد"، تتحدى افتراضاتنا الأساسية حول كيفية هيكلة الكون. لسنوات، استخدم الفيزيائيون أداة رياضية محددة تسمى "مصفوفة العملية" (process matrix) لوصف هذه السيناريوهات الغريبة، لكن المعنى الفيزيائي الكامن وراء هذه الأداة ظل لغزًا إلى حد ما؛ إذ لم يكن واضحًا ما إذا كان هذا "الترتيب غير المحدد" ميزة جوهرية في الزمكان نفسه أم مجرد سمة غريبة ناتجة عن كيفية اختيارنا لقياس الأنظمة الكمومية.

لقد ألقى فريق من الباحثين في جامعة باتراس الآن نظرة جديدة على هذه المشكلة من خلال التراجع عن الطريقة القياسية لوصف ميكانيكا الكم واستخدام إطار عمل مختلف يسمى "نظرية المسارات" (histories theory). فبدلاً من التركيز على حالة النظام في لحظة زمنية واحدة، ينظر هذا النهج إلى القصة الكاملة للنظام أثناء تطوره، حيث يعامل الخط الزمني بأك inteiro ككائن واحد. ومن خلال القيام بذلك، تمكن المؤلفون من فصل شيئين عادة ما يكونان متشابكين: الترتيب الذي تحدث به الأحداث، والقوانين الفيزيائية التي تقود تطور النظام. لقد اكتشفوا أن ما نسميه "الترتيب السببي غير المحدد" هو في الواقع نسخة محددة ومحدودة من ظاهرة أوسع وأكثر عمومية وهي: "تراكب الديناميكيات" (superposition of dynamics). بعبارات بسيطة، تمامًا كما يمكن للجسيم أن يتواجد في مكانين في آن واحد، فإن القوانين التي تحكم كيفية تغير النظام يمكن أيضًا أن تكون في حالة تراكب. وقد أظهر الباحثون أنه عندما يكون لديك نظام تكون فيه القواعد الديناميكية نفسها في حالة تراكب، وتنظر إليه من خلال عدسة القياس، يمكن أن يبدو تمامًا مثل مصفوفات العملية التي تصف الترتيب السببي غير المحدد.

يكشف البحث أن هذا "الترتيب غير المحدد" ليس بالضرورة تراكبًا لهياكل زمكانية مختلفة، كما كان يأمل البعض أو يخشى البعض الآخر. بدلاً من ذلك، هو تأثير تشغيلي ينشأ عندما تتداخل سلاسل مختلفة من التفاعلات مع بعضها البعض. حدد المؤلفون طريقتين متميزتين للتفكير في الترتيب غير المحدد. الأولى هي نسخة "كينماتيكية" (حركية)، حيث يكون ترتيب الأحداث مجرد متغير يمكن أن يكون في حالة تراكب، تمامًا مثل عملة معدنية تكون "وجهًا" و"ظهرًا" في آن واحد. والثانية، وهي الأكثر صلة بصيغة مصفوفة العملية، هي نسخة "ديناميكية". هنا، التراكب ليس للأحداث نفسها، بل للعمليات الفيزيائية التي تربط بينها. وقد أثبت الباحثون أنه إذا أخذت نظامًا كموميًا قياسيًا وسمحت لقواعد تطوره بأن تكون مزيجًا متماسكًا من احتمالات مختلفة، فإنك ستولد بنية رياضية تطابق مصفوفة العملية. وهذا يعني أن الارتباطات الغريبة المشاهدة في تجارب الترتيب السببي غير المحدد هي في الواقع نتيجة لتطور النظام تحت تراكب من القوانين الديناميكية المختلفة.

وعلى نحو حاسم، توضح الدراسة أن هذه الظاهرة لا تتطلب انهيارًا في البنية الخلفية للزمكان. يمكن للترتيب السببي للكون أن يظل ثابتًا ومحددًا، بينما يصبح الترتيب الذي تحدث به تدخلات أو قياسات معينة غير محدد بسبب تراكب الديناميكيات. ووجد الباحثون أنه لكي يبدو هذا الأمر كـ "مصفوفة عملية" قياسية، يجب استيفاء شروط معينة فيما يتعلق بكيفية انفصال النظام وأجهزة القياس عن بعضها البعض. وإذا لم يتم استيفاء هذه الشروط، فسيظل النظام يظهر تراكبًا للديناميكيات، ولكنه لن ينتج العلامات التشغيلية الواضحة للترتيب السببي غير المحدد التي نراها في التجارب المحكومة. هذا التمييز حيوي لأنه يشير إلى أن الترتيب السببي غير المحدد ليس خاصية جوهرية لهندسة الكون، بل هو طريقة محددة لكيفية تجلي الديناميكيات الكمومية عندما ننظر إليها من منظور معين.

يتطرق العمل أيضًا إلى طبيعة الأحداث نفسها. يعرّف المؤلفون "الحدث" ليس كنقطة رياضية، بل كظهور سجل عياني (ماكروسكوبي) محدد، مثل ظهور نتيجة قياس على شاشة. وقد أظهروا أنه يمكن بناء وصف كمومي يكون فيه الوقت الذي تحدث فيه هذه الأحداث هو نفسه متغيرًا كموميًا. في هذا المنظور، يمكن أن يكون ترتيب الأحداث خاصية يمكن قياسها ويمكن أن توجد في حالة تراكب، تمامًا مثل موقع الجسيم. يوفر هذا فصلًا منطقيًا واضحًا بين ترتيب الأحداث الفيزيائية وترتيب التدخلات التي نقوم بها عليها. وتشير الدراسة إلى أن "الترتيب السببي غير المحدد" الذي نلاحظه في المختبر هو تحقيق مقيد تشغيليًا لهذه القدرة الأكثر عمقًا وعمومية لميكانيكا الكم على تراكب المسارات الديناميكية المختلفة.

في الختام، يعيد هذا البحث صياغة فهمنا للسببية الكمومية. فهو يشير إلى أن غرابة الترتيب السببي غير المحدد ليست علامة على أن الزمن معطل أو أن الزمكان ضبابي. بدلاً من ذلك، هي نتيجة طبيعية لحقيقة أن قوانين الحركة في العالم الكمومي يمكن أن تكون في حالة تراكب. إن صيغة مصفوفة العملية، التي كانت أداة قوية لوصف هذه التجارب، تظهر كحالة خاصة من هذه الظاهرة الأوسع. ويخلص المؤلفون إلى أنه بينما نجحنا في تحديد كيفية توليد هذه التراكبات للديناميكيات للآثار المرصودة، فإن السؤال حول ما إذا كانت مثل هذه التراكبات يمكن أن تنشأ بشكل طبيعي في الكون، دون الحاجة إلى تحكم هندسي أو اختيار مسبق، يظل مفتوحًا. قد يكون هذا ذا صلة بنظريات الجاذبية الكمومية أو المجالات الكمومية في الخلفيات المتغيرة، حيث قد لا تكون قواعد التطور فريدة من نوعها. أما الآن، فإن الورقة توفر أساسًا غير رياضي متين لفهم أن ترتيب السبب والنتيجة في المجال الكمومي مرن، ليس لأن الزمن غير محدد، بل لأن قصة كيفية تغير الأشياء يمكن أن تُروى بطرق متعددة ومتداخلة في آن واحد.