على أصغر نطاق، لم تعد رؤيتنا البديهية للواقع قابلة للتطبيق. يبدو الأمر كما لو أن الفيزياء غير حاسمة في الأساس، وهي حقيقة يصعب تجاهلها بشكل متزايد عندما نركز على الجسيمات التي تقسم عالمنا.
ولفهم الأمر بشكل أفضل، كان على الفيزيائيين تصميم إطار جديد تماما وبعبارة أخرى، نظرية مبنية على الاحتمال بدلا من اليقين. إنها نظرية الكم، وهي تصف جميع أنواع الظواهر، من التشابك إلى التراكب.
ومع ذلك، على الرغم من قرن من التجارب التي أظهرت مدى فائدة نظرية الكم في تفسير ما نراه، فمن الصعب التخلص من وجهة نظرنا “الكلاسيكية” حول اللبنات الأساسية للكون على أنها موثوقة عبر الزمان والمكان. لقد اضطر أينشتاين ليسأل زميله الفيزيائي: «هل تعتقد حقاً أن القمر غير موجود عندما لا تنظر إليه؟ »
لقد تساءل العديد من علماء الفيزياء على مر العقود عما إذا كانت هناك طريقة يمكن من خلالها استخدام الفيزياء التي نستخدمها لوصف التجارب العيانية لشرح كل فيزياء الكم.
توصلت دراسة جديدة أيضًا إلى أن الإجابة هي لا.
بتعبير أدق، أطلقت النيوترونات في شعاع في مقياس التداخل النيوتروني يمكن أن توجد في مكانين في نفس الوقت، وهو أمر مستحيل في الفيزياء الكلاسيكية.
يعتمد الاختبار على تأكيد رياضي يسمى عدم المساواة ليجيت-جارجوالتي تنص على أن النظام يتم تحديده دائمًا في حالة أو أخرى من الحالات التي يمكن الوصول إليها. في الأساس، قطة شرودنجر إما حية أو ميتة، ونحن قادرون على تحديد أي من هذه الحالات هي دون أن يكون لقياساتنا أي تأثير على النتيجة.
إن الأنظمة الكبرى ــ تلك التي يمكننا فهمها بشكل موثوق باستخدام الفيزياء الكلاسيكية وحدها ــ تخضع لمتباينة ليجيت-جارج. لكن الأنظمة في المجال الكمي تنتهك ذلك. القطة حية وميتة في نفس الوقت، وهو تشبيه للتراكب الكمومي.
“الفكرة وراء ذلك مشابهة للفكرة الأكثر شهرة عدم المساواة بيلوالذي مُنحت عنه جائزة نوبل في الفيزياء عام 2022.” تقول الفيزيائية إليزابيث كروزجروبر من الجامعة التقنية في فيينا.
“ومع ذلك، فإن متباينة بيل تتعلق بمسألة مدى ارتباط سلوك جسيم واحد بسلوك جسيم كمي متشابك آخر. تتعلق متباينة ليجيت-جارج بجسم واحد فقط وتطرح السؤال التالي: كيف ترتبط حالته في نقاط زمنية محددة بحالة نفس الكائن في نقاط زمنية محددة أخرى؟ »
يتكون مقياس التداخل النيوتروني من إرسال شعاع من النيوترونات إلى الهدف. عندما تمر الحزمة عبر الجهاز، فإنها تنقسم إلى قسمين، حيث يسير كل فرع من فروع الحزمة في مسارات منفصلة حتى يتم إعادة تجميعها لاحقًا.
تنص نظرية ليجيت وجارج على أن القياس على نظام ثنائي بسيط يمكن أن يعطي نتيجتين بشكل فعال. قم بقياسها مرة أخرى في المستقبل، سيتم ربط هذه النتائج، ولكن إلى نقطة معينة فقط.
بالنسبة للأنظمة الكمومية، لم تعد نظرية ليجيت وجارج قابلة للتطبيق، مما يسمح بالارتباطات خارج هذه العتبة. في الواقع، فإنه سيعطي الباحثين طريقة لتحديد ما إذا كان النظام يحتاج إلى نظرية الكم لفهمه.
“ومع ذلك، ليس من السهل دراسة هذه المسألة تجريبيا”. يقول الفيزيائي ريتشارد فاغنر من الجامعة التقنية في فيينا. “إذا أردنا اختبار الواقعية العيانية، فنحن بحاجة إلى كائن عياني بمعنى معين، أي كائن له حجم مماثل لحجم الأشياء اليومية المعتادة لدينا. »
ولتحقيق ذلك، فإن المسافة بين جزأين شعاع النيوترونات في مقياس التداخل تكون على نطاق أكبر من النطاق الكمي.
“تقول نظرية الكم أن كل نيوترون يسافر في كلا المسارين في نفس الوقت. » يقول الفيزيائي نيلز جيريتس “ومع ذلك، فإن الحزمتين الجزئيتين مفصولتان بعدة سنتيمترات. بمعنى ما، نحن نتعامل مع جسم كمي ضخم وفقًا للمعايير الكمومية.”
وباستخدام طرق قياس مختلفة، قام الباحثون بفحص حزم النيوترونات في أوقات مختلفة. وبطبيعة الحال، كانت القياسات مرتبطة بشكل وثيق للغاية بحيث لا يمكن تطبيق القواعد الكلاسيكية للواقع الكلي. كانت النيوترونات، كما تشير قياساتها، في الواقع تسير في وقت واحد على مسارين مختلفين، تفصل بينهما مسافة عدة سنتيمترات.
إنها مجرد الأخيرة في السلسلة سلسلة طويلة من تجارب ليجيت-جارج وهذا يوضح أننا نحتاج حقًا إلى نظرية الكم لوصف الكون الذي نعيش فيه.
“تُظهر تجربتنا أن الطبيعة غريبة حقًا كما تدعي نظرية الكم. » يقول الفيزيائي ستيفان سبونار من الجامعة التقنية في فيينا. “بغض النظر عن النظرية الكلاسيكية والواقعية التي تتوصل إليها، فإنها لن تكون قادرة على تفسير الواقع. لا يعمل بدون فيزياء الكم. »
وقد نشر البحث في رسائل الفحص البدني.
