For Whom Does Bell Hold?

إن قوانين الفيزياء التي تحكم أصغر الجسيمات هي نفسها التي تحكم أضخم الهياكل في الكون، من دوران الإلكترون إلى تشكل المجرات. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على مجموعة محددة من القواعد للتمييز بين عالم مدفوع بالاحتمالات الكلاسيكية وآخر مدفوع بميكانيكا الكم. في العالم الكلاسيكي، تمتلك الأشياء خصائص محددة سواء نظرنا إليها أم لا، وتُحسب احتمالات الأحداث عن طريق جمع أرقام بسيطة. أما في عالم الكم، فتوجد الأشياء في حالة من الضبابية من الاحتمالات حتى يتم قياسها، وتُحسب الاحتمالات باستخدام أعداد مركبة يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض، مما يخلق أنماطاً مستحيلة في المجال الكلاسيكي. الطريقة الأكثر شهرة لإثبات أن نظاماً ما هو كمومي هي قياس خاصيتين مختلفتين لا يمكن معرفتهما في وقت واحد، وهي طريقة تُعرف باسم "اختبار بيل". ومع ذلك، تفشل هذه الطريقة عندما ننظر إلى الكون ككل؛ فلا يمكننا إعادة الزمن للوراء لقياس الكون المبكر بطريقتين مختلفتين، كما أن الملاحظات التي يمكننا رؤيتها اليوم، مثل توزيع المجرات، تتصرف كأرقام كلاسيكية عادية. وهذا يترك لغزاً عميقاً: إذا كانت بذور كل البنية الكونية قد نمت من تقلبات كمومية، فكيف يمكننا إثبات ذلك الآن بعد أن استقرت تلك التقلبات في نمط يبدو كلاسيكياً؟

اقترح فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، طريقة جديدة لحل هذا اللغز من خلال عدم النظر إلى ما نقيسه، بل إلى كيفية تغير تلك القياسات بمرور الوقت. هم يقترحون أن تاريخ تطور النظام يحمل بصمة تميز الأصل الكمومي عن الأصل الكلاسيكي، حتى عندما تبدو النتائج النهائية متطابقة. يركز عملهم على الارتباطات الإحصائية بين أجزاء مختلفة من النظام. في النظام الكلاسيكي، إذا بدأت بتقلبات عشوائية وتركتها تتطور، فإن الروابط بين الأجزاء المختلفة للنظام ستتلاشى في النهاية مع خروج ترددات الحركة المختلفة عن التزامن، وهي عملية تسمى "إلغاء الطور" (dephasing). أما في النظام الكمومي، ومع ذلك، فإن حالة الفراغ (vacuum state) —وهي أدنى حالة طاقة ممكنة— تسلك سلوكاً مختلفاً. فحتى عندما يكون النظام في أهدأ حالاته، تفرض قواعد الكم وجود ارتباطات معينة تكون مستقلة تماماً عن الزمن. ويظهر الباحثون أنه إذا حاولت فرض نظام كلاسيكي ليحاكي هذه الارتباطات الكمومية، فسيؤدي ذلك حتماً إلى نشوء نوع معين من عدم الاستقرار عندما تتوافق ترددات أجزائه تماماً، وهي حالة تُعرف باسم "الرنين" (resonance).

ولإثبات ذلك، بنى المؤلفون نموذجاً نظرياً باستخدام أجسام دوارة بسيطة، تشبه المغناطيسات الصغيرة، موضوعة في مجالات مغناطيسية. في النسخة الكمومية من هذا النموذج، توضع الدوران (spins) في أدنى حالة طاقة لها. وعندما أدخل الباحثون تفاعلاً سمح لهذه الدورات بالتأثير على بعضها البعض، ظلت الروابط الإحصائية الناتجة بينها ثابتة وغير متغيرة، وتحددها فقط الفجوات الطاقية بين الحالة الأرضية والحالات المثارة. في النسخة الكلاسيكية، تتحرك الدورات باستمرار، وتترنح مثل "البلابل" (tops). ولتطابق الإحصاءات الكمومية، افترض الباحثون أن الدورات بدأت بأطوار عشوائية. وعندما أدخلوا نفس التفاعل على الدورات الكلاسيكية، تصرف النظام بشكل مختلف. في البداية، نمت الارتباطات، ولكن مع مرور الوقت، تسببت الاختلافات العشوائية في سرعات الدورات في تلاشي الروابط واضمحلالها. ظهر الفرق الأكثر لفتاً للنظر عندما ضبط الباحثون النظام عند حالة رنين، حيث يتطابق تردد دوران واحد مع الترددات المجتمعة للآخرين. في العالم الكلاسيكي، تسبب هذا الرنين في حدوث طفرة في الارتباطات ثم اضمحلالها بسرعة مع فقدان النظام لتماسكه. أما في العالم الكمومي، فقد ظلت الحالة الأرضية مستقرة، ولم تظهر الارتباطات هذا الاضمحلال الرنيني.

عمم الباحثون هذه النتيجة ليظهروا أن الأمر ليس مجرد سمة غريبة للمغناطيسات الدوارة البسيطة، بل هو ميزة أساسية لكيفية تطور الأنظمة الكمومية والكلاسيكية. وجدوا أن الأنظمة الكلاسيكية، عندما تتعرض للتشويه بفعل التفاعلات، تطور حتماً "هاميلتون رنيني" (resonant Hamiltonian)، وهو وصف رياضي لكيفية تدفق الطاقة بين أجزاء النظام عندما تتوافق تردداتها. يؤدي هذا التدفق إلى سلوك يعتمد على الزمن ويتلاشى في النهاية ليصل إلى الصفر بسبب الطبيعة العشوائية للظروف الأولية. وفي المقابل، لا تمتلك الأنظمة الكمومية هذا التدفق الرنيني في حالتها الأرضية لأن الفراغ هو حالة فريدة وثابتة لا يمكن إثارتها دون إضافة طاقة. أظهر الباحثون أن هذا الاختلاف يسمح بإجراء اختبار لا يتطلب قياس متغيرات غير تبادلية أو إعادة الزمن للكون. بدلاً من ذلك، يمكن للمرء ببساطة النظر في نمط الارتباطات في نظام تطور بمرور الوقت. فإذا كان النظام كلاسيكياً، فستظهر الارتباطات علامات على مرورها بمرحلة رنين، وتضمحل في النهاية. أما إذا كان النظام كمومياً، فستظل الارتباطات مستقلة عن الزمن ولن تظهر نفس نمط الاضمحلال.

يوفر هذا النهج طريقة للتمييز بين كونٍ بدأ بتقلبات كمومية وكونٍ بدأ بتقلبات كلاسيكية، وهو سؤال لطالما أرّق علماء الكونيات. وبينما توجد اختبارات أخرى، مثل البحث عن أنماط ضوضاء محددة في الضوء أو التحقق من القيم السالبة في توزيعات الاحتمالات، فإن تلك الطرق غالباً ما تتطلب ظروفاً محددة أو تفشل عندما يتم رصد النظام بطريقة واحدة فقط. تعتمد الطريقة المقترحة هنا على بنية التطور الزمني نفسه. ويجادل المؤلفون بأن ظهور بعض الأقطاب، أو التفردات الرياضية، في ارتباطات النظام الكلاسيكي هو علامة على أن النظام يمر بتفاعل رنيني لا يختبره الفراغ الكمومي. ومن خلال تحليل كيفية سلوك هذه الارتباطات أثناء تطور النظام، يمكن استنتاج طبيعة الفيزياء الكامنة دون الحاجة إلى معرفة التفاصيل الدقيقة للقوى المؤثرة.

تضع الدراسة أيضاً هذا الاختبار الجديد في سياق الظواهر الكمومية المعروفة، مثل مزايا السرعة المشهودة في الحواسيب الكمومية. وبينما يمكن للحواسيب الكمومية حل مشكلات معينة بشكل أسرع من الحواسيب الكلاسيكية، يشير الباحثون إلى أن هذه السرعة غالباً ما تعتمد على خوارزميات محددة ولا توفر دائماً اختباراً مباشراً ومستقلاً عن النموذج بنفس الطريقة التي يوفرها اختبار الارتباط المقترح. وهم يؤكدون أن عملهم لا يدعي حل لغز الكون الكمومي، بل يوفر أداة عامة جديدة لاستقصائه. وتشير النتائج إلى أن الفرق بين التطور الكمومي والكلاسيكي ليس مجرد مسألة مقياس أو تعقيد، بل هو تميز جوهري في كيفية تفاعل الاحتمالية والزمن. ومن خلال التركيز على الأنماط الإحصائية التي تنجو من مرور الزمن، قد يتمكن العلماء أخيراً من قراءة تاريخ الأصول الكمومية للكون، حتى بعد أن استقر الدليل منذ زمن طويل في مظهر كلاسيكي.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما وراء علم الكونيات. يمكن تطبيق نفس المبادئ على أي نظام مغلق يُتوقع فيه لعب دور ميكانيكا الكم ولكن حيث يستحيل القياس المباشر للمتغيرات غير التبادلية. وسواء كان ذلك في سلوك المادة في الكون المبكر أو ديناميكيات المواد الكمومية المعقدة، فإن القدرة على التمييز بين التطور الكمومي والكلاسيكي بناءً على الارتباطات المعتمدة على الزمن تقدم مساراً جديداً للمضي قدماً. ويخلص الباحثون إلى أنه بينما تظل مهمة فهم الطبيعة الكمومية للواقع هائلة، فإن بنية التطور الزمني نفسه قد تحمل المفتاح لفك شفرتها. فمن خلال النظر في كيفية نمو الارتباطات، واضمحلالها، ورنينها، قد نجد أن الكون يترك بصمة ولادته الكمومية في صميم تاريخه الإحصائي.