Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

على مدى عقود، ظل الفيزيائيون محتجزين في جدل هادئ حول الطبيعة الجوهرية للواقع. ففي جانب، تقف فكرة "الواقعية المحلية"، وهي رؤية منطقية تفترض أن للأجسام خصائص محددة سواء نظرنا إليها أم لا، وأن لا شيء يمكن أن يؤثر في شيء آخر بسرعة تفوق سرعة الضوء. وفي الجانب الآخر، تبرز ميكانيكا الكم، وهي كتاب القواعد الخاص بالعالم المتناهي الصغر، والتي تشير إلى أن الجسيمات يمكن أن ترتبط بطرق تتحدى هذه الحدود. هذا الارتباط، المعروف باسم "التشابك"، يعني أن قياس جسيم واحد يكشف فوراً عن حالة شريكه، بغض النظر عن المسافة الفاصلة بينهما. وفي الستينيات، ابتكر فيزيائي يدعى جون بيل طريقة لاختبار أي الرؤيتين هي الصحيحة؛ حيث وضع حداً رياضياً، يُعرف الآن باسم "متباينة بيل"، يجب أن تلتزم به أي نظرية قائمة على الواقعية المحلية. وإذا كسر تجربة ما هذا الحد، فإن ذلك يثبت أن الكون لا يتبع قواعد الواقعية المحلية. وعلى مدار الخمسين عاماً الماضية، كسر العلماء مراراً وتكراراً هذا الحد باستخدام جسيمات الضوء، أو الفوتونات، وحالات الغزل الداخلية لجسيمات أثقل مثل الذرات. ومع ذلك، لم يفعلوا ذلك أبداً باستخدام الحركة الفعلية لهذه الجسيمات الثقيلة عبر الفضاء.

لقد نجح فريق من الباحثين في الجامعة الوطنية الأسترالية وجامعة كوينزلاند الآن في سد هذه الفجوة. فقد أجروا أول اختبار لنظرية بيل باستخدام حركة الذرات الضخمة. فبدلاً من النظر إلى الغزل الداخلي للذرة، نظروا إلى أين تذهب الذرات وكيف تتحرك سرعتها. ومن خلال إنشاء أزواج من ذرات الهيليوم المتشابكة في زخمها (momentum)، أظهر الباحثون أن حركات الذرات كانت مترابطة بطريقة يستحيل تفسيرها بالواقعية المحلية. لقد قاسوا قيمة تجاوزت الحد الذي تفرضه الفيزياء الكلاسيكية بثلاث انحرافات معيارية، مما أكد أن الروابط غير المحلية الغريبة لميكانيكا الكم تنطبق على الحركة الفيزيائية للمادة تماماً كما تنطبق على الضوء.

بدأت التجربة بسحابة من ذرات الهيليوم التي بُرِّدت إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، مكونةً حالة من المادة تُعرف باسم "تكاثف بوز-أينشتاين". في هذه الحالة، تتصرف الذرات كموجة واحدة عملاقة بدلاً من جسيمات فردية. قام الباحثون بتحرير هذه السحابة من فخ مغناطيسي وتركوها تسقط سقوطاً حراً. ثم استخدموا نبضات من ضوء الليزر لدفع الذرات، مما تسبب في تصادمها وتشتتها. وقد تم التحكم في هذه التصادمات بعناية لإنتاج أزواج من الذرات تطير في اتجاهات متقابلة. وبسبب قوانين الحفظ، إذا تحركت ذرة واحدة من الزوج في اتجاه معين، وجب على شريكتها أن تتحرك في الاتجاه المعاكس تماماً. أنتجت هذه العملية غلافين كرويين من الذرات، يُعرفان باسم "هالات التشتت"، حيث يكون لكل ذرة في جانب من الهلال توأم في الجانب المقابل، يتحرك في تضاد تام.

كان التحدي يكمن في قياس هذه الذرات المتحركة بطريقة يمكنها اختبار نظرية بيل. اعتمدت المحاولات السابقة مع الجسيمات الضخمة على قياس الخصائص الداخلية مثل الغزل، وهي خصائص يسهل التحكم بها. أما قياس الحركة نفسها فهو أصعب بكثير لأن الذرات تتحرك عبر الفضاء، والأدوات المستخدمة لقياسها عادة ما تؤثر على المجموعة بأكملها في آن واحد. ولحل هذه المشكلة، طور الفريق طريقة جديدة باستخدام شبكة ليزر مزدوجة الرنين. سمحت هذه التقنية بمعالجة مجموعتين محددتين من الذرات داخل هالات التشتت بشكل مستقل؛ حيث استطاعوا تطبيق نبضة ليزر على النصف العلوي من الهلال ونبضة مختلفة على النصف السفلي، مما يغير الطور، أو التوقيت، لموجات الذرات في كل منطقة دون التأثير على الأخرى. كان هذا التحكم المستقل هو القطعة المفقودة التي منعت إجراء مثل هذا الاختبار حتى الآن.

بمجرد إعداد الذرات، استخدم الباحثون مقياس تداخل موجات المادة (matter-wave interferometer)، وهو جهاز يقوم بشطر وإعادة دمج الموجات الذرية، لقياس الارتباطات بين الأزواج. وضعوا أربعة تركيبات مختلفة من إعدادات نبضات الليزر، وعدّوا عدد المرات التي تصل فيها الذرات من المناطق العلوية والسفلية معاً إلى كواشف محددة. لو اتبعت الذرات قواعد الواقعية المحلية، لظلت الارتباطات بين أوقات وصولها تحت حد معين. ومع ذلك، أظهرت البيانات انتهاكاً واضحاً لهذا الحد. فقد حسب الباحثون قيمة قدرها 2.52، وهي أعلى بكثير من القيمة القصوى البالغة 2 التي تسمح بها الواقعية المحلية. وكان عدم اليقين في قياسهم صغيراً بما يكفي لجعل النتيجة تأكيداً قوياً لعدم المحلية الكمومية في حركة الجسيمات الضخمة.

هذا الإنجاز هو أكثر من مجرد علامة فارقة تقنية؛ فهو يغير نطاق ما نعرفه عن ميكانيكا الكم. فللمرة الأولى، لدينا دليل على أن الروابط "الشبحية" التي تنبأت بها نظرية الكم تحكم المسار الفعلي للمادة عبر الفضاء، وليس فقط حالاتها الداخلية. وتثبت التجربة أن حركة ذرة ثقيلة تخضع لنفس القواعد الكمومية الأساسية التي يخضع لها فوتون الضوء. استخدم الباحثون حوالي 38,000 لقطة تجريبية لجمع بياناتهم، مما ضمن أن النتيجة لم تكن محض صدفة. كما تحققوا من أن نتائجهم كانت متسقة عبر أحجام مختلفة من مناطق الكشف، مما استبعد الأخطاء الناتجة عن كيفية تجميع بياناتهم.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من الاختبار نفسه. إن القدرة على التحكم بشكل مستقل في أطوار الذرات المتحركة تفتح الباب أمام أنواع جديدة من القياسات الدقيقة. فهي توفر منصة قوية لدراسة كيفية تفاعل ميكانيكا الكم مع الجاذبية، وهو مجال لا يزال واحداً من أعظم الألغاز غير المحلولة في الفيزياء. فمن خلال استخدام جسيمات ضخمة حساسة لمجالات الجاذبية، يمكن للعلماء الآن تصميم تجارب لمعرفة ما إذا كانت الجاذبية تؤثر على التشابك الكمومي بطرق لا يستطيع الضوء الكشف عنها. كما أشار الباحثون إلى أنه يمكن استخدام هذا الإعداد لاختبار التشابك بين نظائر مختلفة من الهيليوم، مما يوفر طريقة فريدة لاستكشاف العلاقة بين الكتلة والجاذبية وعدم المحلية الكمومية. إن هذا العمل يكمل هدفاً طويل الأمد في مجال بصريات الذرة، لينقل دراسة "الغرابة الكمومية" من العالم الداخلي للذرات إلى العالم الخارجي لحركتها.