لنعد إلى ما هو ميكانيكا الكم وكيف يمكننا استخدامه.

عرض غير مرئي

حسنا ، حتى تشعر القهوة ، وكنت مستيقظا تقريبا. عيناك جاهزتان لضوء النهار ، وميضهما ويتركان بعض الضوء. عندما تفكر في ذلك ، نشأت جسيمات الضوء التي تدخل وجهك وعينيك منذ مليون عام في وسط الشمس ، في الوقت الذي بدأ فيه أسلافنا في استخدام النار. لن ترسل الشمس حتى الجسيمات التي تدعى الفوتونات إذا لم تكن هناك حاجة إليها لنفس الظاهرة التي يمكن أن تكون أساسًا لرائحتنا ، نفقها الكمومي.

حول 150 من ملايين الكيلومترات يفصل بين الشمس والأرض ، تستغرق الفوتونات ثمانية دقائق فقط للتغلب على هذه المسافة. تتم معظم رحلاتهم داخل الشمس ، حيث يقضي الفوتون النموذجي ملايين السنين في محاولة للهروب. كتلة ثم يتم الاحتفاظ بها في منتصف نجومنا، حيث الهيدروجين حوالي 13 مرات أكثر كثافة من الرصاص، ويمكن أن الفوتونات السفر جزء فقط المتناهي الصغر من الثانية قبل أن يتم امتصاصه أيونات الهيدروجين، والتي ثم يطلق فوتون للسفر من الشمس، الخ .. وبعد مليار تظهر مثل هذه التفاعلات أخيرا فوتونًا على سطح الشمس كان ساطعًا منذ ملايين السنين.

ميكانيكا الكم (© جاي سميث)

لن تنشأ الفوتونات أبدًا ، ولن تشرق الشمس إذا لم تكن نفق الكم. تخلق الشمس وجميع النجوم الأخرى الضوء عن طريق الاندماج النووي ، وتكسير أيونات الهيدروجين ، وخلق الهيليوم من خلال عملية تطلق الطاقة. في كل ثانية ، تتحول الشمس إلى حوالي 4 بملايين الأطنان من الكتلة. فقط أيونات الهيدروجين ، مثل البروتونات الفردية ، لها شحنة كهربائية موجبة وتتنافر مع بعضها البعض. فكيف يمكن أن يندمجوا مع بعضهم البعض؟
في النفق الكمي ، تسمح الطبيعة الموجية للبروتونات بتداخلها أحيانًا بسهولة كموجات تتصل بسطح البركة. من خلال التداخل ، يتم إحضار موجات البروتون قريبة بما يكفي بحيث يمكن للقوة الإضافية ، مثل القوة النووية القوية التي تعمل فقط على مسافات قصيرة جداً ، التغلب على التنافر الكهربي للجسيمات. ثم تنهار البروتونات وتطلق فوتونًا واحدًا.

عيوننا حساسة جدا للفوتونات

تطورت عيوننا لتكون حساسة جدا لهذه الفوتونات. وقد أظهرت بعض التجارب الحديثة أنه يمكننا حتى الكشف عن الفوتونات الفردية ، مما يعطي خيارًا مثيرًا للاهتمام: هل يمكن للناس اكتشاف بعض الحالات الخاصة لميكانيكا الكم؟ وهذا يعني أن الشخص، مثل الفوتون أو الإلكترون أو غير سعيد قطة شرودنغر ميت وحيا في الوقت نفسه، إذا كانوا متورطين مباشرة في العالم الكوانتي؟ كيف يمكن أن تبدو مثل هذه التجربة؟

العين البشرية

تقول ريبيكا هولمز ، وهي عالمة في الفيزياء بمختبر لوس ألاموس الوطني في نيومكسيكو: "لا نعرف لأن أحداً لم يجربها". قبل ثلاث سنوات، وتخرج من جامعة إلينوي في أوربانا شامبين، كان هولمز جزءا من فريق بول Kwiat، والتي أظهرت أن الناس يمكن الكشف عن ومضات قصيرة من الضوء، ويتألف من ثلاثة الفوتونات التي تقودها. في 2016 ، وجدت أن مجموعة منافسة من العلماء يقودها الفيزيائي أليبوا وزيري في جامعة روكفلر في نيويورك وجدت أن الناس يرون بالفعل فوتونات فردية. ومع ذلك ، نرى أن التجربة قد لا تكون موصوفة بدقة. وفازيري ، حاولت أن ترى الفوتونات ، وأخبرت مجلة نيتشر: "إنها ليست مثل رؤية الضوء. إنه شعور على أعتاب الخيال تقريباً ".

ميكانيكا الكم - تجارب

في المستقبل القريب ، من المتوقع أن يختبر تجارب هولمز وفازري ما يدركه الناس عندما توضع الفوتونات في حالات كمومية خاصة. يستطيع الفيزيائيون ، على سبيل المثال ، ربط فوتون واحد بما يسمونه التراكب ، حيث توجد فوتونات في نفس الوقت في موقعين مختلفين. صمم هولمز وزملاؤها تجربة تتضمن سيناريوهين لاختبار ما إذا كان الناس يستطيعون إدراك تراكب الفوتونات مباشرة. في السيناريو الأول ، سيصل فوتون واحد إما إلى الجانب الأيسر أو الأيمن من شبكية العين ، وسيلاحظ أحد على أي جانب من شبكية العين شعر الفوتون. في السيناريو الثاني ، سيتم وضع الفوتون في تراكب كمومي للسماح له لجعلها تبدو مستحيلة - في وقت واحد تطير إلى الجانبين الأيمن والأيسر من شبكية العين من العين.

هل سيجد المرء ضوءًا على جانبي الشبكية؟ أو هل يؤدي تفاعل الفوتون في العين إلى انهيار التراكب؟ إذا كان الأمر كذلك ، فهل سيكون ذلك على اليمين كما في اليسار ، كما تقترح النظرية؟

تقول ريبيكا هولمز:

"على أساس ميكانيكا الكم القياسية ، من المحتمل أن لا يبدو فوتون الفراكوب مختلفًا عن الفوتون الذي تم إرساله بشكل عشوائي إلى اليسار أو اليمين."

إذا تبين أن بعض المشاركين في التجربة قد أدركوا بالفعل الفوتون في كلا الموقعين في نفس الوقت ، فهل هذا يعني أن الشخص نفسه كان في حالة كمومية؟

ريبيكا هولمز ويضيف:

"يمكن القول أن المراقب كان بمفرده في التراكب الكمومي في وقت لا يكاد يذكر ، ولكن لم يجربه أحد حتى الآن ، لذلك لا نعرف حقيقة. لهذا يمكننا القيام بمثل هذه التجربة ".

أنت ترى طريقتك الخاصة

الآن ، لنعد إلى فنجان القهوة. تشعر بأنك قدح كقطعة صلبة من المادة ، على اتصال قوي مع جلد يدك. لكنه مجرد وهم. نحن لا نلمس أي شيء ، على الأقل ليس بمعنى قطعتي المادة الصلبة اللتين تلمسان. يتكون أكثر من 99,9999999999 بالمائة من الذرة من مساحة فارغة، مع كل الكتلة تقريبًا في القلب.

ميكانيكا الكم (© جاي سميث)

عندما تمسك الكأس بيديك ، يبدو أن له تأتي القوة من مقاومة الإلكترونات في الكوب وفي اليد. لا تمتلك الإلكترونات نفسها أي حجم على الإطلاق ، فهي فقط الأبعاد الصفرية الظاهرة لمجال الشحنة الكهربائية السالبة التي تحيط بالذرات والجزيئات مثل السحابة. تقتصر قوانين ميكانيكا الكم على مستويات طاقة محددة حول الذرات والجزيئات. عندما يمسك الكأس باليد ، فإنه يدفع الإلكترونات من مستوى إلى آخر ، ويتطلب طاقة العضلات التي يفسرها الدماغ كمقاومة عند لمس شيء صلب.

يعتمد شعورنا باللمس على تفاعل معقد للغاية بين الإلكترونات حول جزيئات الجسم وجزيئات الأشياء التي نلمسها. من هذه المعلومات ، يخلق دماغنا الوهم بأن لدينا جسمًا صلبًا يتحرك حول عالم مليء بالأشياء الصلبة الأخرى. الاتصال بهم لا يمنحنا إحساسًا دقيقًا بالواقع. من الممكن ألا تتوافق أي من تصوراتنا مع ما يحدث بالفعل. يعتقد دونالد هوفمان ، طبيب الأعصاب الإدراكي بجامعة كاليفورنيا في إيرفين ، أن حواسنا وأدمغتنا قد تطورت لإخفاء الطبيعة الحقيقية للواقع ، وليس الكشف عنها.

"فكرتي هي أن الحقيقة ، مهما كانت ، معقدة للغاية ، وتستغرق الكثير من الوقت والطاقة لمعالجة ذلك".

مقارنة صورة العالم في الدماغ مع واجهة رسومية على الكمبيوتر

يقارن هوفمان صورة بناء العالم في دماغنا مع الواجهة الرسومية على شاشة الكمبيوتر. لا ترتبط كل رموز الألوان على الشاشة ، مثل السلة ومؤشر الماوس ومجلد الملفات على الإطلاق بما يحدث بالفعل داخل الكمبيوتر. إنها مجرد تجريدات ، تبسيطات تسمح لنا بالتواصل مع الإلكترونيات المعقدة.

ووفقًا لرأي هوفمان ، فإن التطور قد غيّر دماغنا ليعمل كما لو كانت واجهة رسومية لا تنتج العالم بأمانة تامة. لا يدعم التطور تطور الإدراك الدقيق ، بل يستخدم فقط ما يسمح بالبقاء.

كما يقول هوفمان:

"النموذج يسيطر على الواقع."

اختبر هوفمان وطلاب الدراسات العليا مئات الآلاف من نماذج الكمبيوتر في السنوات الأخيرة لاختبار أفكارهم في محاكاة أشكال الحياة الاصطناعية التي تتنافس على موارد محدودة. على أية حال ، فإن الكائنات الحية مبرمجة لإعطاء الأفضلية لللياقة البدنية ، عندما تكون الحقائق ليست هي نفسها تلك التي تصنع للإدراك الدقيق.

على سبيل المثال، إذا كائن واحد بناء على تصور بدقة، على سبيل المثال، فإن المبلغ الإجمالي من المياه الموجودة في البيئة، ويعمل في الكائن الحي التي يتم ضبطها على الشعور شيء أكثر بساطة، على سبيل المثال مبلغ الأمثل للمياه اللازمة للبقاء على قيد الحياة. لذلك ، في حين أن أحد الكائنات الحية يمكن أن يخلق شكلاً أكثر دقة للواقع ، فإن هذه الخاصية لا تزيد من قدرتها على البقاء. قادته دراسة هوفمان إلى نتيجة رائعة:

"إلى المدى الذي يتم ضبطنا فيه للحفاظ على الحياة ، لن نكون متناغمين مع الواقع. لا يمكننا القيام بذلك ".

نظرية الكم

تتزامن أفكاره مع ما يعتبره بعض الفيزيائيين الفكرة المركزية لنظرية الكوانتية - إن إدراك الواقع ليس موضوعياً بالكامل ، ولا يمكننا أن نفصل عن العالم الذي نلاحظه.

يعرض Hoffman بشكل كامل هذا العرض:

"الفضاء هو مجرد بنية بيانات ، والأشياء المادية هي في حد ذاتها هياكل البيانات التي نخلقها أثناء الطيران. عندما أنظر إلى تلة ، أقوم بإنشاء بنية البيانات هذه. ثم أنظر إلى مكان آخر وكسر بنية البيانات هذه لأنني لا أحتاج إليها بعد الآن ".

كما يُظهر عمل هوفمان ، لم نفكر بعد في المعنى الكامل لنظرية الكم وما تقوله عن طبيعة الواقع. خلال معظم حياته ، سعى بلانك نفسه إلى فهم النظرية التي ساعد في إنشائها ، وكان يؤمن دائمًا بإدراك موضوعي للكون كان موجودًا بشكل مستقل عنا.

كتب ذات مرة عن سبب قراره أن يكرس نفسه للفيزياء ، ضد نصيحة معلمه:

"إن العالم الخارجي هو شيء مستقل عن الإنسان ، إنه شيء مطلق ، والبحث عن القوانين التي تنطبق على هذا الأمر يبدو لي أنه التجربة العلمية الأبرز للحياة".

ربما يستغرق الأمر قرنًا آخر قبل أن تثبت ثورة أخرى في الفيزياء ما إذا كان على صواب أم خطأ ، مثل أستاذه فيليب فون جولي.