From Quantum Cryptography to Intuitionism and beyond: relativity, many-worlds and non-locality

لطالما صارع العلم مع طبيعة الواقع، ولا سيما السلوك الغريب لأصغر الجسيمات في الكون. لعقود من الزمن، تناظر الفيزيائيون حول ما إذا كان العالم حتميًا في جوهره، مثل آلة تعمل بنظام الساعة حيث يكون كل حدث مستقبلي مثبتًا بالماضي، أم أنه مفتوح حقًا، مع ظهور إمكانيات جديدة مع مرور الوقت. يمس هذا السؤال صميم كيفية فهمنا للزمان والمكان والمعلومات. فإذا كان المستقبل مكتوبًا بالفعل، فإن الكون عبارة عن كتلة ثابتة لا يحدث فيها أي شيء جديد أبدًا. أما إذا كان المستقبل غير مكتوب، فإن الكون مكان تُخلق فيه أشياء جديدة حقًا لحظة بلحظة. وهذا التمييز ليس فلسفيًا فحسب؛ بل إنه يغير كيفية تفسيرنا لقوانين الفيزياء، خاصة عند التعامل مع الارتباطات الغريبة بين الجسيمات التي يبدو أنها تؤثر على بعضها البعض فوريًا عبر مسافات شاسعة.

في ورقة بحثية كُتبت بمناسبة عيد الميلاد السبعين لزميله وصديقه جيل براسار، يستكشف الفيزيائي نيكولا جيسين هذه الأسئلة العميقة من خلال اقتراح طريقة جديدة للتفكير في كيفية خلق المعلومات في الكون. يقترح جيسين أن الطبيعة قد تضع حدًا لسرعة توليدها للمعلومات الجديدة. ويجادل بأنه بينما يمكن للكون خلق حقائق جديدة، فإنه لا يستطيع القيام بذلك بسرعة لانهائية. هذه الفكرة، التي طورها جنبًا إلى جنب مع نهج رياضي يسمى "الحدسية" (intuitionism)، تقدم منظورًا جديدًا لسبب عدم تحول العالم إلى فوضى عارمة من الاحتمالات اللانهائية ولما كيف يمكن لقواعد ميكانيكا الكم الغريبة أن تتوافق مع نظرية أينشتاين النسبية.

تبدأ الورقة بتحدي الرؤية القياسية التي تفترض أن الأرقام التي نستخدمها لوصف العالم كاملة وثابتة. في الرياضيات التقليدية، يُفترض أن رقمًا مثل درجة حرارة غرفة له قيمة دقيقة في كل لحظة، حتى لو كنا لا نعرفها. يقترح جيسين، مستندًا إلى فرع من الرياضيات حيث تُبنى الأرقام بمرور الوقت، أنه بالنسبة للعديد من الكميات الفيزيائية، فإن القيمة الدقيقة لا توجد حتى يمر الوقت وتتحدد القيمة. في هذه الرؤية، المستقبل ليس نصًا مخفيًا ينتظر القراءة؛ بل هو مفتوح حقًا. فدرجة الحرارة بعد عشر سنوات، على سبيل المثال، ليس لها قيمة الآن. إنها ليست مجرد مجهولة بالنسبة لنا؛ بل هي غير محددة وجوديًا (ontologically indeterminate)، مما يعني أن الطبيعة نفسها لم تقرر بعد ماذا ستكون. ومع تدفق الزمن، تُخلق معلومات جديدة، وتتخذ الطبيعة خيارات لم تكن محددة مسبقًا.

يؤدي هذا المفهوم حول المستقبل المفتوح إلى اقتراح محدد بشأن حدود الطبيعة. يتخيل جيسين سيناريو يتطور فيه نظام ما، مثل غاز من الجزيئات، بطريقة حساسة للغاية لظروف بدايته. في رؤية حتمية قياسية، يتبع النظام مسارًا واحدًا ودقيقًا. ولكن إذا كانت ظروف البداية ليست دقيقة بشكل لانهائي — أي إذا كانت تحتوي على قدر محدود فقط من المعلومات — فإن مسار النظام سينقسم في النهاية. ستنتشر الاحتمالات المختلفة، وسيتعين على الطبيعة في النهاية اختيار المسار الذي ستسلكه. يقترح جيسين أن الطبيعة يمكنها فقط خلق معلومات جديدة بمعدل محدود. فإذا حاول نظام ما التطور إلى حالة تتطلب قدرًا هائلًا من المعلومات الجديدة لوصفها بالكامل في آن واحد، فقد لا تتمكن الطبيعة من مواكبة ذلك.

ولتوضيح ذلك، ينظر جيسين إلى نظام مكون من عشرين جسيمًا مغناطيسيًا صغيرًا، تُعرف باسم "السبينات" (spins). إذا تم ترتيب هذه الجسيمات بطريقة فوضوية كلاسيكيًا، فإن نسختها الكمومية تصبح متشابكة للغاية بسرعة كبيرة. التشابك هو حالة ترتبط فيها الجسيمات ببعضها البعض بعمق بحيث يجب وصفها كمجموعة واحدة بدلاً من أفراد مستقلين. لوصف هذه المجموعة، ستحتاج الطبيعة إلى توليد كمية هائلة من المعلومات الجديدة في جزء ضئيل من الثانية. يقترح جيسين أنه إذا كانت الطبيعة محدودة في سرعة إنتاج هذه المعلومات، فقد تُجبر على تقسيم النظام إلى أجزاء أصغر يمكن التحكم فيها. وبدلاً من خلق حالة متشابكة واحدة ضخمة لجميع العشرين جسيمًا، قد تخلق الطبيعة مجموعتين أصغر من عشرة جسيمات لكل منهما. هذا القيد قد يمنع الكون من التطور إلى كتلة واحدة من المادة المتشابكة ذات التعقيد اللانهائي. وإذا صحت هذه الفكرة، فهذا يعني أن تفسير "العوالم المتعددة" لميكانيكا الكم، الذي يقترح أن كل احتمال يحدث في فرع منفصل من الواقع، غير صحيح لأن الطبيعة لا تستطيع توليد المعلومات المطلوبة لاستدامة كل تلك الفروع في وقت واحد.

تنتقل الورقة بعد ذلك إلى العلاقة بين هذا المستقبل المفتوح ونظرية النسبية. لقد كان أحد الألغاز الكبرى في الفيزياء هو كيفية التوفيق بين فكرة الأحداث العشوائية وغير المتوقعة وبين قاعدة أينشتاين التي تنص على أن لا شيء يمكنه السفر أسرع من الضوء. يجادل بعض الفيزيائيين بأنه إذا كان المستقبل عشوائيًا حقًا، فلا بد أنه ينتهك النسبية. يخالفهم جيسين الرأي، حيث يقترح أن الحقائق ليست مطلقة؛ بل هي نسبية لموقعها في الزمان والمكان. عندما يقع حدث عشوائي، مثل قياس جسيم ما، تصبح النتيجة حقيقة فقط ضمن منطقة محددة من الزمكان تسمى "المخروط الضوئي المستقبلي". خارج هذه المنطقة، لم يحدث الحدث بعد، والنتيجة لا وجود لها.

هذا يعني أن حدثين يقعان في أماكن مختلفة يمكن أن يكونا مرتبطين دون أن يسبب أحدهما الآخر بشكل فوري. تخيل مولدين للأرقام العشوائية وُضعا في مكانين متباعدين. إذا أنتجا أرقامًا متطابقة، فليس ذلك لأن أحدهما أرسل إشارة إلى الآخر. بدلاً من ذلك، فإن الارتباط هو حدث واحد غير محلي يتجلى في كلا الموقعين. حقيقة تطابقهما صحيحة فقط حيث يتداخل المخروطان الضويان المستقبليان. قبل التداخل، تكون النتائج غير محددة. هذه الرؤية، التي يسميها جيسين "نسبية عدم التحديد"، تسمح بالارتباطات الغريبة المشهودة في التجارب الكمومية دون الحاجة إلى أي "تأثير شبحي عن بعد". إنها تشير إلى أن الكون ليس مجموعة من الأشياء المنفصلة التي تؤثر على بعضها البعض، بل هو عملية واحدة حيث تُخلق المعلومات الجديدة محليًا وتنتشر بسرعة الضوء.

يقر جيسين بأن هذه فكرة جريئة وأنه لا يملك حلاً كاملاً لـ "مشكلة القياس"، وهي المسألة المتعلقة بكيفية ومتى تصبح هذه الكميات غير المحددة محددة بالضبط. ويقترح أن الطبيعة قد تمتلك آلية لاتخاذ القرار، ربما عندما يتجاوز مقدار المعلومات المطلوبة لوصف نظام ما القدر الذي يمكن خلقه في زمن معين. هذه ليست حقيقة مثبتة، بل هي فرضية قد تؤدي إلى تنبؤات وتقنيات جديدة. إذا كانت الطبيعة بالفعل محدودة في قدرتها على خلق المعلومات، فقد يكون لذلك تداعيات خطيرة على الحواسيب الكمومية، التي تعتمد على خلق كميات هائلة من التشابك. فإذا لم يستطع الكون توليد ذلك التشابك بالسرعة الكافية، فقد تواجه الحواسيب الكمومية حدودًا أساسية أكثر صرامة مما هو متوقع حاليًا.

تختتم الورقة بالتأكيد على أن هذا المنظور الجديد لا يتطلب مراقبين أو وكلاء واعين لجعل الكون حقيقيًا. إن خلق المعلومات الجديدة هو عملية فيزيائية تحدث بغض النظر عما إذا كان هناك أحد يشاهدها أم لا. يكتب جيسين هذا تكريمًا لصديقه جيل براسار، الرائد في مجال التشفير الكمومي، احتفاءً بمسيرة حياة استكشفت حدود المعلومات والواقع. ومن خلال الجمع بين الفكرة الرياضية المتمثلة في أن الأرقام تُبنى بمرور الوقت، والفكرة الفيزيائية المتمثلة في أن خلق المعلومات محدود، يقدم جيسين رؤية لكون ديناميكي، مفتوح، ومبدع في جوهره. إنه عالم لا يمثل فيه المستقبل وجهة ثابتة، بل مشهدًا يتم رسم معالمه، حقيقة جديدة تلو الأخرى.