Measuring the spin of a spin-1/2 and getting a result of 7

على مدار قرن تقريبًا، صارع علماء الفيزياء مع قاعدة غريبة في العالم الكمي: وهي أن فعل القياس يغير الشيء الذي يُقاس حتمًا. في الرؤية القياسية، لكي تعرف أين يوجد جسيم ما أو كيف يدور، يجب أن تتفاعل معه بقوة كافية لإجباره على إعطاء إجابة محددة. هذا التفاعل عادة ما يركل الجسيم، مما يؤدي إلى تشويش حالته ويجعل من المستحيل معرفة ما كان يفعله قبل القياس. ومع ذلك، ظهر نهج مختلف في أواخر الثمانينيات، يقترح أنه إذا تم إجراء قياس بلطف شديد —بدرجة تجعله بالكاد يزعج النظام على الإطلاق— ثم تلاه فحص محدد للغاية وغير مرجح للحالة النهائية للنظام، فإنه يمكن أن يحدث شيء غريب. يمكن تضخيم النتيجة المتوسطة لهذه القياسات الضعيفة إلى درجة تبدو مستحيلة، مما ينتج رقمًا يقع بعيدًا عن نطاق القيم التي يمكن للخاصية التي يتم قياسها أن تتخذها بشكل طبيعي. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تضخيم القيمة الضعيفة"، تعتمد على تداخل دقيق بين الحالة الأولية للنظام وحالة نهائية تكاد تكون، ولكن ليست تمامًا، غير متوافقة معها. وبينما لوحظ هذا التأثير كثيرًا باستخدام الضوء، حيث تتداخل الموجات بسهولة وتتداخل، إلا أنه ظل عصيًا على المادة، لأن الذرات أصعب بكثير في الحفاظ على حالة متماسكة تشبه الموجة عبر مسافات طويلة.

لقد نجح فريق من الباحثين في جامعة تورنتو الآن في إجراء هذا التجربة الصعبة باستخدام الذرات، محققين نسخة من المقترح الذي طُرح لأول مرة منذ عقود. لقد عملوا مع سحابة من ذرات الروبيديوم التي بُرِّدت إلى درجة منخفضة جدًا بحيث شكلت كائنًا كميًا واحدًا يُعرف باسم "تكاثف بوز-أينشتاين". في هذه الحالة، تتصرف الذرات كموجة واحدة عملاقة بدلاً من جسيمات فردية. سعى الباحثون لقياس "لف" (spin) هذه الذرات، وهي خاصية تصف اتجاهها المغناطيسي الجوهري. في تجربة عادية، يتضمن قياس اللف استخدام مجال مغناطيسي قوي يدفع الذرات ذات اتجاه اللف الواحد في اتجاه، والذرات ذات الاتجاه المعاكس في الاتجاه الآخر، مما يخلق مجموعتين متميزتين ومنفصلتين. ومع ذلك، أراد الباحثون إجراء قياس "ضعيف". فقد طبقوا تدرجًا مغناطيسيًا لطيفًا للغاية لدرجة أن مجموعتي اللف لم تنفصلا إلى بقع متميزة؛ وبدلاً من ذلك، تداخلت مساراتهما الموجية وتداخلت مع بعضها البعض.

لرؤية تأثير التضخيم، كان على الفريق القيام بخطوة نهائية بدت غير بديهية. فبعد الدفعة اللطيفة، اختاروا فقط تلك الذرات التي انتهت في حالة نهائية محددة كانت عكس الحالة التي بدأت بها تقريبًا، ولكن ليست معاكسة لها تمامًا. ولأن هذه الحالة النهائية كانت غير مرجحة الحدوث، كان التداخل بين ظروف البداية والنهاية ضئيلًا للغاية. ووفقًا لنظرية القيم الضعيفة، يعمل هذا التداخل الضئيل كـ "مقام" يمكنه جعل التأثير المقاس يبدو هائلًا. وجد الباحثون أنه من خلال هذا الاختيار غير المرجح، تم تضخيم ركلة الزخم الضئيلة التي تلقتها الذرات من المجال المغناطيسي بمعامل قدره أربعة عشر. تحركت الذرات التي نجت من عملية الاختيار هذه بإزاحة سرعة فعالة تبلغ حوالي 8 ميكرومتر في الثانية، وهي سرعة صغيرة جدًا ويصعب اكتشافها مباشرة. ومع ذلك، من خلال التضخيم، ظهر القياس كما لو أن اللف قد قيس بقيمة 7، رغم أن لف الذرة الواحدة لا يمكن أن يكون سوى موجب أو سالب نصف.

أثبتت التجربة أن هذا التضخيم ليس خدعة رياضية بل هو تأثير فيزيائي حقيقي يعتمد على "ضعف" القياس الأولي. وعندما زاد الباحثون من قوة الدفعة المغناطيسية، مما جعل القياس أقل ضعفًا، تضاءل تأثير التضخيم، وعادت النتائج إلى النطاق الطبيعي. وقد أكد هذا أن الأرقام الكبيرة الغريبة كانت نتيجة مباشرة للتوازن الدقيق بين التفاعل اللطيف والاختيار النهائي غير المرجح. كما لاحظ الفريق أن التأثير كان أكثر وضوحًا عندما كانت الذرات في حالة تسمح لها بالتداخل بوضوح، وهو شرط أصعب بكثير في تحقيقه مع المادة منه مع الضوء. ومن خلال استخدام سحابة من الذرات جرى إعدادها وتبريدها بعناية، تمكنوا من الحفاظ على التماسك اللازم لملاحظة هذا التداخل.

يمثل هذا العمل المرة الأولى التي يتم فيها قياس مثل هذه القيمة الضعيفة الشاذة باستخدام لف جسيم مع مسبار مستمر حقيقي، وهي المرة الأولى التي يُلاحظ فيها هذا التأثير باستخدام الذرات. أظهر الباحثون أنه على الرغم من التحديات المتعلقة بالعمل مع الموجات المادية، التي تميل إلى فقدان تماسكها عبر مسافات قصيرة جدًا، فمن الممكن ملاحظة هذه الإشارات المضخمة. إن القدرة على تضخيم ركلة زخم ضئيلة بهذا العامل الكبير تفتح الباب أمام طرق جديدة لقياس القوى أو المجالات المغناطيسية المتناهية الصغر. وبينما تطلبت التجربة الحالية عملية تصفية دقيقة استبعدت معظم الذرات للعثور على النادرة منها التي أظهرت التأثير، فإن النجاح يثبت أن هذه التقنية قابلة للتطبيق. يمكن للعمل المستقبلي أن يحسن هذه الأساليب لجعلها أكثر عملية لتطبيقات الاستشعار، مما قد يسمح للعلماء باكتشاف إشارات مغناطيسية دقيقة مخفية حاليًا في الضجيج. وتقف الدراسة كدليل ملموس على أن التنبؤات الغريبة لميكانيكا الكم، والتي كان يُعتقد ذات يوم أنها مقتصرة على الضوء، يمكن إحياؤها في عالم الذرات الملموس.