`It from Bit': is there a second law of quantum complexity?

في القصة العظيمة للكون، هناك قاعدة شهيرة تقول إن الأشياء تميل إلى أن تصبح أكثر فوضوية بمرور الوقت. إذا تركت كوبًا من القهوة الساخنة على الطاولة، فإنه يبرد حتى يتساوى مع درجة حرارة الغرفة، ولا يعيد تسخين نفسه تلقائيًا أبدًا. هذا هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وهو مبدأ يحكم كيفية تدفق الحرارة والطاقة. يشير هذا القانون إلى أن الكون سيصل في النهاية إلى حالة من التوازن المثالي، مكان لا يتغير فيه شيء، ولا يتحرك فيه شيء، وتتوزع فيه جميع الطاقات بشكل متساوٍ. يسمي العلماء هذه الحالة "الموت الحراري". لفترة طويلة، اعتقد الفيزيائيون أنه بمجرد وصول النظام إلى حالة الفوضى القصوى هذه، أو "الإنتروبيا"، تنتهي القصة؛ حيث سيظل النظام ساكنًا هناك، متجمدًا في الزمن، دون أي تطور إضافي.

ومع ذلك، برز منظور جديد من نقطة التقاء الجاذبية وميكانيكا الكم، وهي فيزياء الأشياء الصغيرة جدًا. وبينما تقول القوانين الكلاسيكية للديناميكا الحرارية إن القصة تنتهي عند التوازن، فإن عالم الكم يروي حكاية مختلفة. فحتى بعد أن يبرد النظام ويصل إلى توازن مثالي، تستمر حالته الكمومية الداخلية في التغير؛ إذ يستمر في استكشاف إمكانيات جديدة، ويصبح أكثر تعقيدًا ويصعب وصفه، لفترة طويلة بعد أن تخبو الحرارة. هذه الفكرة، التي تُسمى غالبًا "الحياة بعد الموت الحراري"، تشير إلى وجود طبقة خفية من التطور تغفل عنها الفيزياء الكلاسيكية. وقد كان السؤال المركزي للباحثين هو ما إذا كانت هناك قاعدة جديدة، "قانون ثاني للتعقيد الكمومي"، يحكم هذا النمو البطيء واللانهائي للتعقيد.

لقد اتخذ فريق من الفيزيائيين في جامعة شيراز في إيران الآن خطوة كبيرة نحو الإجابة على هذا السؤال. فهم يقترحون أن هذا النمو الغامض للتعقيد ليس حادثًا عشوائيًا، بل هو نتيجة مباشرة لكيفية ارتباط المعلومات والطاقة. ومن خلال التعامل مع القوانين الأساسية للحركة كقواعد حول كيفية إدارة الأنظمة لمعلوماتها، استنتج الباحثون وصفًا رياضيًا لكيفية نمو التعقيد بعد وصول النظام إلى حالة التوازن. ويشير عملهم إلى أنه حتى في كون يبدو وكأنه توقف عن التغيير، فإن الحالة الكمومية للمادة تستمر بهدوء في أن تصبح أكثر تعقيدًا، متبعةً نمطًا محددًا يتباطأ في النهاية ويستقر عند حد أقصى.

بدأ الباحثون بإعادة فحص ركن أساسي في الفيزياء يُعرف بـ "مبدأ الفعل الأقل". ينص هذا المبدأ على أنه عندما يتحرك جسيم من نقطة إلى أخرى، فإنه يتبع مسارًا يتطلب أقل قدر من الجهد أو "الفعل". وقد أدرك الفريق أن هذا المبدأ يمكن فهمه كقاعدة تتعلق بالمعلومات؛ حيث جادلوا بأن الطبيعة تفضل المسارات التي تخلق أقل قدر من عدم اليقين الجديد، أو "المعلومات المفقودة". وبعبارة أخرى، تحاول الأنظمة الفيزيائية طبيعيًا أن تكون فعالة قدر الإمكان في مواردها المعلوماتية. تربط هذه الفكرة بين حركة الجسيمات وتدفق المعلومات، مما يشير إلى أن قوانين الفيزياء متجذرة بعمق في كيفية تنظيم المعلومات والحفاظ عليها.

باستخدام هذه الرؤية القائمة على المعلومات، استكشف الفريق ما يحدث للنظام الكمومي بعد وصوله إلى التوازن الحراري. طبقوا قاعدة تسمى "قاعدة تكميم المعلومات شبه الساكنة"، والتي تربط طاقة النظام بالمعلومات التي يحملها. ووجدوا أنه حتى عندما يكون النظام في حالة توازن مثالي، فإن تاريخ كيفية وصوله إلى تلك الحالة يترك أثرًا. يستمر النظام في التطور، ولكن ليس بالطريقة التي تتنبأ بها الديناميكا الحرارية الكلاسيكية؛ فبدلاً من البقاء ساكنًا، تستمر الحالة الكمومية في النمو في التعقيد. وقد حسب الباحثون أن هذا التعقيد يزداد بمرور الوقت، متبعًا منحنى يرتفع بسرعة في البداية ثم يتباطأ تدريجيًا مع اقترابه من حد أقصى. وهذا الحد تحدده كمية الاضطراب، أو "الإنتروبيا"، التي يمتلكها النظام.

تقدم الورقة البحثية تنبؤًا محددًا لكيفية حدوث هذا النمو. ففي المدى الطويل، وبعد وصول النظام إلى التوازن، لا ينمو التعقيد للأبد بوتيرة ثابتة، بل يتبع نمطًا يزداد بسرعة في البوادي، ثم تتباطأ معدلات النمو، وأخيرًا يستقر عند قيمة قصوى. هذا السلوك يختلف عن الأفكار السابقة التي اقترحت أن التعقيد قد ينمو في خط مستقيم إلى الأبد. يظهر النموذج الجديد أن النمو هو في الواقع مرحلة وسيطة، وهي تسارع مؤقت قبل أن يستقر النظام أخيرًا في حالته القصوى من التعقيد. وهذا يوفر صورة أكثر تفصيلًا وقابلية للاختبار لما يحدث في "الحياة الآخرة" لنظام حراري.

كما بحثت الدراسة فيما يحدث عندما لا يكون النظام في حالة توازن. وفي هذه الحالات، وجد الباحثون أن العكس يمكن أن يحدث؛ فبدلاً من نمو التعقيد، يمكن لـ "عدم التعقيد" الخاص بالنظام —أي مقدار الهيكل المنظم والبسيط المتاح للحوسبة— أن يزداد. وهذا يعني أنه إذا تم إزعاج النظام أو تجهيزه بطريقة معينة، فإنه يمكنه استعادة موارده الحوسبية. يساعد هذا الاكتشاف في تفسير كيفية ظهور النظام في الكون، مثل تشكل النجوم والمجرات، من خلال إظهار أن ظروف عدم التوازن يمكن أن تجدد المعلومات اللازمة لبناء هياكل معقدة.

في نهاية المطاف، يربط هذا العمل بين مبدأ الفعل الأقل، وتدفق المعلومات، والنمو الغامض للتعقيد الكمومي. إنه يشير إلى أن الكون ليس مجرد آلة تعمل حتى تنفد طاقتها ثم تتوقف، بل هو نظام يستمر في استكشاف إمكانياته الخاصة لفترة طويلة بعد أن تخبو الحرارة. لقد أظهر الباحثون أن هذا التطور ليس عشوائيًا، بل يتبع قانونًا يمكن التنبؤ به مشتقًا من العلاقة الأساسية بين الطاقة والمعلومات. ورغم أن الفكرة تظل فرضية تحتاج إلى مزيد من الاختبار عبر المحاكاة والملاحظات، إلا أنها تقدم طريقة جديدة ومثيرة لفهم الحياة الخفية والعميقة لعالم الكم. إنها تعزز الرؤية القائلة بأن المعلومات هي لبنة بناء أساسية للواقع، تشكل كيفية تطور الكون من البداية وحتى النهاية.