Complementarity Test with Unmeasured, Permanently Inaccessible Path Markers

في العالم الكمومي، غالبًا ما تبدو قواعد الواقع وكأنها تدور حول سؤال واحد متناقض: هل يعرف الجسيم المسار الذي اتخذه؟ عندما يسافر فوتون، وهو حزمة صغيرة من الضوء، عبر جهاز يحتوي على مسارين محتملين، فإنه يتصرف كموجة، حيث ينتشر ويتداخل مع نفسه ليخلق نمطًا من الحزم المضيئة والمظلمة. هذا السلوك الموجي هو جوهر ميكانيكا الكم. ومع ذلك، إذا وجدت أي معلومات يمكن أن تكشف عن المسار المحدد الذي اختاره الفوتون، فإن هذا النمط الموجي يتلاشى، ويتصرف الجسيم كجسم صلب، متخذًا مسارًا واحدًا فقط. يشير هذا المبدأ، المعروف باسم "التكامل"، إلى أن الكون يمنعنا من رؤية الطبيعة الموجية والطبيعة الجسيمية للضوء في آن واحد. لعقود من الزمن، اختبر الفيزيائيون هذه الفكرة، لكن ظل هناك شك طفيف؛ ففي كل تجربة سابقة، كان "العلامة" التي تسجل مسار الفوتون تُكتشف في النهاية، أو تُقاس، أو تُمتص بواسطة كاشف أو بالبيئة المحيطة. وحتى لو حدث هذا القياس لاحقًا، فإن المعلومات لم تكن لتُفقد حقًا؛ بل ظلت في متناول العالم المادي. وقد ترك هذا ثغرة مفتوحة: ربما يقرر الكون تدمير النمط الموجي بمجرد تسجيل معلومات المسار فعليًا في مكان ما، بدلاً من مجرد وجودها من حيث المبدន្ត.

قام فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، بإغلاق تلك الثغرة الآن بتجربة ترسل معلومات المسار بعيدًا إلى الأبد. لقد صنعوا أزواجًا من الفوتونات المتشابكة، حيث بقي أحد الفوتونات، ويسمى "الإشارة"، داخل مقياس تداخل في المختبر لإنشاء نمط تداخل، بينما حمل شريكه، "الخامل"، السجل الوحيد للمسار الذي اتخذه فوتون الإشارة. وبدلاً من الإمساك بالفوتون الخامل، أطلق الباحثون نحو الأعلى، مرسلين إياه في مسار مباشر خارج المختبر نحو الكون. وقد حسبوا أن ما بين 73 و82 بالمائة من هذه الفوتونات المطلقة ستسافر للأبد دون أن تصطدم أبدًا بجسيم غبار، أو سحابة غازية، أو كاشف. بالنسبة لهذه الفوتونات المحددة، سيظل سجل المسار غير مقاس وغير متاح دائمًا، ينجرف بعيدًا عن المختبر بسرعة الضوء. إذا كان انهيار الدالة الموجية يعتمد على تسجيل معلومات المسار، فمن المفترض أن يتغير نمط التداخل لفوتون الإشارة عندما يُرسل شريكه بعيدًا. ولكن عندما حلل الباحثون البيانات، وجدوا أنه لم يحدث أي تغيير على الإطلاق. استمرت فوتونات الإشارة في التصرف كموجات، دون أن تتأثر تمامًا بحقيقة أن شركاءها يتلاشون في الكون.

اعتمدت التجربة على إعداد دقيق يتضمن ليزرًا يولد أزواجًا من الفوتونات المتشابكة ونظامًا معقدًا من المرايا والألياف. سافر فوتون الإشارة عبر خط تأخير إلى مقياس تداخل "ماش-زيندر"، وهو جهاز يقسم الضوء إلى مسارين ثم يعيد دمجهما. وسافر الفوتون الخامل عبر ليف بصري منفصل إلى محطة فوق سطح المبنى. هنا، استطاع الباحثون إما الإمساك بالفوتون الخامل للتحقق من مساره، أو محو معلومات المسار، أو إطلاقه نحو السماء. وفي تجارب الاختبار الحاسمة، تم إطلاق الفوتون الخامل نحو الأعلى. قام الفريق بنمذجة رحلة هذه الفوتونات عبر الغلاف الجوي، ومجرة درب التبانة، والفراغ الشاسع بين المجرات. وأظهرت حساباتهم أن رحلة غالبية هذه الفوتونات ستكون دون عوائق؛ فلن تتشتت، أو تُمتص، أو تترك أثرًا في البيئة. وهذا يعني أنه بالنسبة لهذه الفوتونات الناجية، فإن معلومات المسار مشفرة في الحالة الكمومية ولكنها لن تصبح سجلًا ماديًا في الكون.

راقب الباحثون فوتونات الإشارة بحثًا عن أي علامة تشير إلى أن عملية الإطلاق قد غيرت سلوكها. بحثوا عن نوع معين من أهداب التداخل التي قد تظهر إذا فُقدت معلومات المسار بطريقة تعيد النمط الموجي. وبعد جمع البيانات على مدار ست ساعات وتحليل ملايين أحداث الكشف، لم يجدوا أي تغيير ذي دلالة إحصائية. تصرفت فوتونات الإشارة تمامًا كما توقعت نظرية الكم القياسية، بغض النظر عما إذا كان تم قياس شركائها أو إرسالهم بعيدًا. وحسب الفريق أنه لو حدث تغيير ناتج عن الإطلاق، لكان مرئيًا بثقة عالية. وبدلاً من ذلك، كان الحد الأعلى لأي تأثير من هذا القبيل أقل من 16 بالمائة مما كان متوقعًا إذا عاد النمط الموجي بالكامل. تؤكد هذه النتيجة أن مجرد إمكانية معرفة المسار ليست كافية لتدمير التداخل؛ بل إن التداخل يستمر طالما ظلت معلومات المسار غير مقاسة ومنفصلة سببيًا عن بقية الكون.

تعالج هذه النتائج نقاشًا طويل الأمد حول متى وكيف تنتقل الأنظمة الكمومية من حالة التراكب الضبابية من الاحتمالات إلى واقع محدد. اقترحت بعض النظريات أن الكون قد ينتظر حتى يتشكل سجل ما، حتى لو تشكل هذا السجل في مستقبل بعيد أو بحدث بعيد. ومن خلال ضمان إرسال علامة المسار إلى مكان لا يمكن لأي حدث مستقبلي الوصول إليه أبدًا، اختبر الباحثون حدود هذه الفكرة. وحقيقة أن نمط التداخل ظل دون تغيير تشير إلى أن الحالة الكمومية لا تنتظر القياس لكي تنهار. بدلاً من ذلك، يتم تحديد السلوك الموجي من خلال الحالة المشتركة للزوج المتشابك، وإذا ظل العلام de غير مقاس وغير متاح، فإن التداخل يستمر. لا تثبت التجربة أن الكون حتمي أو أن المتغيرات الخفية غير موجودة، لكنها تستبعد فئة محددة من النظريات التي يعتمد فيها انهيار الدالة الموجية على الإمكانية السببية للوصول إلى معلومات المسار.

تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على عزل فعل ترميز المعلومات عن فعل قياسها. في التجارب السابقة، كانت علامة المسار تُقاس دائمًا، حتى لو حدث القياس بعد اكتشاف فوتون الإشارة. ضمن هذا الإعداد الجديد أن نسبة كبيرة من الفوتونات لن تُقاس علامتها أبدًا. لم يدّع الباحثون أنهم شاهدوا قوة جديدة أو جسيمًا جديدًا، بل أكدوا تنبؤًا أساسيًا لميكانيكا الكم تحت ظروف لم تُختبر من قبل. والنتيجة هي تأكيد هادئ ولكن قوي على أن العالم الكمومي يعمل وفق قواعد ثابتة حتى عندما يُدفع إلى حافة الكون المرصود. الفوتونات التي أُطلقت في السماء تواصل رحلتها، حاملة أسرارها غير المقاسة معها، بينما يظل المختبر في الأسفل دون تغيير، وأنماط تداخله قائمة كما هي.

استند استنتاج الفريق إلى البيانات التي جمعوها، والتي أظهرت عدم وجود أي انحراف عن النموذج القياسي. لم يجدوا دليلًا على أن فعل إطلاق الفوتونات تسبب في جعل فوتون الإشارة يتصرف بشكل مختلف. وكان الحد الأعلى الذي وضعوه لأي تأثير محتمل صغيرًا بما يكفي لاستبعاد فكرة أن الكون ينتظر تشكل سجل قبل أن يقرر مصير التداخل. هذا لا يعني أن السؤال حول كيفية اتصال ميكانيكا الكم بالواقع قد حُل بالكامل، لكنه يزيل شكًا محددًا ظل عالقًا في المجال. وتوضح التجربة أنه طالما فُقدت معلومات المسار حقًا من الكون، فإن الطبيعة الموجية للجسيم تظل قائمة. إنه اختبار لحدود ميكانيكا الكم، وحتى الآن، تظل النظرية صامدة. لقد أظهر الباحثون أن الكون لا يتطلب مراقبًا واعيًا أو سجلًا ماديًا للحفاظ على التوازن الدقيق للتداخل الكمومي؛ بل يتطلب فقط أن تظل المعلومات بعيدة عن المتناول.