ميكانيكا الكم

لماذا كل ما قرأته أو سمعته من قبل عن ميكانيكا الكم ليس صحيحًا؟

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin

خدعوك فقالوا

أخبرونا ليلَ نهار أن أحدًا لا يفهم ميكانيكا الكم، حتى قال العالم الشهير ريتشارد فاينمان Richard P. Feynman الحاصل على جائزة نوبل في الفيزياء نتيجة لأعماله في مجال ميكانيكا الكم.

«أستطيع أن أقول بكل ثقة، أنه لا يوجد أي إنسان يفهم ميكانيكا الكم.»[1]

وهنا سرد لبعض الأسباب التي قيل لنا بسببها أن ميكانيكا الكَّم عجيبة وغريبة وعصية على الفهم والاستيعاب.

  • الأشياء الكموميّة يمكن أن تكون موجات وجسيمات في نفس الوقت، وهذه تسمى الخاصية الموجية الجسيمية «Wave–particle duality».
  • الأشياء الكموميّة يمكن أن يكونوا في أكثر من حالة في نفس الوقت، يمكن أن يكونوا هنا وهناك في نفس التوقيت. وهو ما يُسمّى بالتراكب الكمّي «Quantum superposition».
  • لا يمكنك أن تعرف على وجه التحديد خاصتين لجسيمٍ كموميّ في نفس الوقت؛ فالإلكترون يمكن أن تعرف إما سرعته أو مكانه، ولكنك لا يمكنك معرفتهما معًا على وجه دقيق في نفس اللحظة. وهو ما يُسَمى بمبدأ عدم التأكد لهايزنبرج «Heisenberg uncertainty principle».
  • يمكن للأجسام الكموميّة التأثير على بعضها البعض عبر مسافات شاسعة في نفس اللحظة، فيمكن أن يؤثر إلكترون يوجد في كوكب الأرض على إلكترون آخر في مجرة في نهاية الكون في نفس اللحظة وبدون أيّ فارق زمني، وهذا ما يسمى بالتشابك الكمي «Quantum entanglement».
  • كل شيء يمكن أن يحدث، هو يحدث بالفعل، فمثلًا وأنت تقرأ هذا المقال الآن، يمكن ألا تكمله وتتوقف، وهذا الاحتمال حدث وتحقق بالفعل، ولكن حدث في كونٍ آخر. وهو ما يسمى بتفسير العوالم المتعددة «Many Worlds Interpretation».

وفي الحقيقة أن ميكانيكا الكم لا تقول أيَ شيء نهائيًا مما سبق، بل كيّ أكون واضحًا أكثر، ميكانيكا الكم لا تقول أي شيء عن الواقع الذي نعيشه. ميكانيكا الكم أقصى ما تفعله أنها تخبرك ماذا [تتوقع] أن يحدث حينما تُجْرِي تجربةً ما. أما كل ما قرأته وسمعته من قبيل هذا الكلام السابق، فميكانيكا الكم منه بَرَاء. وسأخبرك عزيزي القارئ لماذا كل ما سمعته عن ميكانيكا الكم ليس صحيحًا.

النظريات العلمية والواقع

ولكن السؤال الذي يطرح نفسَه: ما المشكلة في هذا الكلام السابق؟
المشكلة الحقيقية أن كل ما قِيل سلفًا لا تقوله ميكانيكا الكم، بل هي تفسيرات تم وضعها وبناؤها فوق كَتِف النظرية، بعضها ليست التفسيرات الأفضل، بل منها ما هو مُضلل تمامًا.

ولكن سيظل التساؤل قائمًا، وما المشكلة في تفسير نظرية ما؟

والحقيقة أنه لا يوجد أيّ مشكلة، بل عادةً ما تأتي النظريات العلمية مصحوبةً بتفسيرات لها؛ فنظرية التطور – على سبيل المثال – تقول باختصار: كل الكائنات الحيّة لها أصل مشترك، وأنَّ التغير الموجود بها الآن يرجع إلى شيئين، (1) الطفرات العشوائية التي تحدث للكائن الحيّ. (2) الانتخاب الطبيعي الذي يعمل على فرز هذه الطفرات ليُبقي منها الأفضل والأنسب للكائن الحي.[2]

هذا ما تقوله نظرية التطور عن الواقع باختصار، وهو نفس ما تقوله الميكانيكا الكلاسيكية، فقانون نيوتن الأول يصف الواقع بشكلٍ بسيط وواضح، وهو أن الأجسام تظل في حالتها من السكون أو الحركة ما لم تؤثر عليها قوة تغير من حالتها. فالأمر بسيط جدًا، وهو أن لدينا أجسام نعرف ما هي، ولدينا حركة في الواقع، ولدينا قوة نعرف ما هي. وفي النهاية ابتكر نيوتن قانونه لوصف هذا الواقع وصفًا دقيقًا.[3]

ولكن حين يأتي الأمر كي نسأل نفس السؤال عن ميكانيكا الكم، وهو كيف تصف ميكانيكا الكم الواقع الحقيقي؟ فهذا سؤال ليس له إجابة حتى الآن. كل ما لدينا هي معادلات تعمل، وأرقام تُنْتَج، وتجارب تحدث، أما سؤال: كيف تصف هذه المعادلات الواقع الحقيقي؟ أو ماذا تقول هذه التجارب عن العالم الحقيقي؟ فميكانيكا الكم لا تجيب.

وقد اختلف العلماء حول تلك الإجابة اختلافًا كبيرًا، منهم من قال:

  • لا يوجد شيء اسمه «واقع» أو «حقيقة»، فنحن مَن نصنع هذا الواقع، والتجارب يمكنها خلق أكثر من واقع، فلا يوجد «واقع موضوعي» لكل البشر.[4]
  • ومنهم من قال: الواقع نحن جزءٌ منه، وبالتالي الإنسان يؤثر في تغيير هذا الواقع، فلا يمكن معرفة الواقع بدون تأثيرنا فيه. ومن أشد المدافعين عن هذا الطرح هو العالم الدنماركي نيلز بور. [5]
  • ومنهم من قال: الواقع موجود وهو بمعزلٍ عن الإنسان وعن التجارب، نحن فقط نكتشف الواقع كما هو دون أن نؤثر فيه. ومن أشد المدافعين عن هذا الطرح هو العالم الألمانيّ ألبرت أينشتاين.[6]
  • ومنهم من قال: لا تصدعوا أدمغتنا بهذه الأسئلة التي لا طائل منها، سواء يوجد واقع أو لا يوجد، فهذا غير مهم، فمادامت المعادلات تعمل، والحسابات صحيحة، فلا معنى لسؤال كيف تصف هذه المعادلات الواقع! حتى قال العالم الأمريكي ديفيد ميرمين مقولته الشهيرة والتي تعتبر شعارًا لهذه المدرسة وهي: “Shut Up and Calculate!” أي: «اخرس ولا تتكلم، وقم بالحسابات وفقط.» [7]

 

لذلك يمكن تلخيص ما سبق ونقول: ميكانيكا الكم تعمل بشكل جيد جدًا، وتعطينا نتائج في غاية الدقة، ولكن حين نسأل: هل تصف هذه المعادلات الواقع الحقيقيّ أم لا؟ حينها لا نجد إجابة محددة لهذه السؤال. بل حتى منهم من قال: لا يجب أن تسأل هذه السؤال أصلًا، عليك أن تخرس، ثم تقوم بالحسابات وفقط.

ولكن حتى إذا أخذنا وجهة النظر القائلة بوجود واقع تصفه المعادلات، فما هو هذا الوصف؟

أقول: يوجد لدينا أكثر من أربعة عشر تفسيرًا (أو وصفًا) لميكانيكا الكم، وهما كالتالي:

  1. The Copenhagen Interpretation (تفسير كوبنهاجن).
  2. The Many-Worlds Interpretation (تفسير العوالم المتعددة).
  3. Hidden-variable theory (تفسير المتغير الخفي).
  4. Spontaneous Collapse Theories (تفسير الانهيار الذاتي).
  5. The consistent histories (or decoherent histories) interpretation (تفسير التواريخ المتوافقة).
  6. The transactional interpretation (تفسير المعاملات).
  7. Relational interpretations (التفسير العلائقي).
  8. Informational interpretations (التفسير المعلوماتي).
  9. Quantum Bayesianism (التفسير البيشاني).
  10. The ensemble interpretation (التفسير المجموعي).
  11. Quantum Darwinism (التفسير الدارويني).
  12. Consciousness causes collapse (تفسير الوعي المسبب للانهيار).
  13. Stochastic interpretations (التفسير العشوائي).
  14. Re-creation Interpretation (تفسير إعادة الخلق).

كل هذه التفسيرات المختلفة تعتمد على نفس المعادلات، بل على نفس التجارب، ولكنهم اختلفوا اختلافًا كبيرًا في كيفية وصف هذه المعادلات للواقع، ولكن لماذا اختلف العلماء على أكثر من أربعة عشر تفسيرًا، إذا كانت المعادلات الواحدة والتجارب واحدة؟

ولكي نجيب عن هذا السؤال: دعنا نفكر كما فكّر العلماء، ونسير معهم خطوة بخطوة لنعلم كيف أجابوا، وكيف توصلوا إلى وجهة نظرهم في هذا الموضوع.

تجربة الشق المزدوج – Double-slit experiment

عام 1801، أجرى العالم البريطاني توماس يونج تجربةً على الضوء، مرر الضوء خلال شقين ليظهر على حائل في الخلف، فظهر الضوء متداخلًا على الحائل الخلفيّ، وخاصية التداخل هو من خواص الموجات، فساد الاعتقاد بأن الضوء يتكون من موجات وليس جسيمات.[8]

word image 1

يبدو الأمر جيدًا حتى الآن، وهو ما كنا نتوقعه، ولكن ماذا لو أجرينا هذه التجربة وبدلًا من استخدامنا للضوء سنمرر خلال هذين الشقين مجموعة من الذرات. فإذا مررنا مجموعة من الذرات، والذرات هي أجسام كما نعلم، فالجميع سيتوقع رؤية هذا الشكل. 2slit classic

ولكن للأسف، لن ترى على الحائط هذين الخطين من الذرات، وإنما سترى نفس ما رأيته فيما يخص الضوء وطبيعته الموجية، سترى الشكل التالي:

500px Two

وكأن الذرات تتصف بنفس صفات الموجات! ولكن لا يمكن أن يكون هذا صحيحًا إذ كيف تكون الأجسام موجات!
لذلك، دعنا نجري التجربة للمرة الثالثة، ونراقب الذرات لنرى كيف ظهرت على الحائط بهذا الشكل، سنضع كاميرا أو جهاز رصد ليراقب حركة الذرات لنرى ماذا يحدث تحديدًا.

العجيب إننا حين نضع الكاميرا، سنرى الذرات تتصرف بشكلِ طبيعي، وسيظهر هذا الشكل على الحائط الذي كنا نتوقع حدوثه في البداية.

2slit classic

إلى هنا والعلم يتوقف، إلى هنا تنتهي ميكانيكا الكم، أقصى ما تقوله ميكانيكا الكم إنك إذا وضعت أداة للمراقب سيظهر هذا الشكل، وإذا أزلت أداة المراقب سيظهر الشكل الآخر، ولكن السؤال الذي يفرض نفسه، ما هي طبيعة الضوء الحقيقية؟ ما هي طبيعة الذرات الحقيقية؟ هل هي موجات أو جسيمات؟ ولماذا حين وضعت أدارة للمراقبة تغيرت النتائج؟

ميكانيكا الكم لا تجيب، هي تقول لك ماذا تتوقع أن تجد من النتائج حين تجري تجربة ما بشكل غاية في الدقة والإحكام. ولكن حين تسألها لماذا؟ فليس هذا السؤال من شأنها.

لذلك بدأ العلماء يفكرون في تفسير الواقع الحقيقي والطبيعة الحقيقية للمواد، فمنهم من قال: بما أن التجربة الأولى ظهرت موجة، والتجربة الثانية ظهرت جسيم، إذن فالواقع أن الضوء هو جسيم وموجة معًا.

فإذا سألناهم وفي أيّ شِقّ تمر كل ذرة؟ قالوا: الذرة الواحدة تمر من الشقين معًا في حين عدم رصدها، ولكن إذا أردت أن تعرف على وجه اليقين، فعليك وضع أداة المراقبة، أما في حين إيقاف المراقبة، فالذرة الواحدة تمر في مكانين في نفس الوقت.

هذا التفسير للتجارب رفضه علماء كثيرون، كان على رأسهم ألبرت أينشتاين

وقال: «لا يمكن أن يكون هذا هو التفسير النهائي لهذه التجارب.»

حينها تدخل العالم النمساوي Erwin Schrödinger كي يثبت لهم خطأ هذا التفسير، وتحداهم في تجربة القطة الشهيرة، متسائلًا وساخرًا:

«إذا كنتم تدعون أن الأشياء تكون في حالتين في نفس الوقت، والذرة تمر بالشقين في نفس الوقت، والضوء موجة وجسيم في نفس الوقت، فكيف تكون القطة حية وميتة في نفس الوقت؟ إذ لا توجد حالة وسط بين الحياة والموت!»

فكانت تجربته الشهيرة سخرية من هذا التفسير لهذه التجارب.[9]

والسؤال الآن: هل ميكانيكا الكم تقول إن الضوء هو موجة وجسيم؟

الإجابة: لا، ميكانيكا الكم لا تتحدث عن الواقع أصلًا، وكل هذه الافتراضات هي افتراضات شخصية للعلماء يحاولون بها تفسير هذه التجارب، أما ميكانيكا الكم فهي مجرد معادلات تعمل ونتائج تُستنتج.

  • علماء أخرون أرادوا تفسير تجربة الشق المزدوج وقالوا: ببساطة، يتغير تصرف الجسيمات إذا تمت مراقبتها ليس لأنها تملك خاصية مزدوجة، ولكن لأن هذا الراصد يؤثر عليها ويتفاعل معها وتتأثر به، ولا حاجة لهذه التفسيرات الغريبة التي تقولونها.[10]
  • علماء آخرون قالوا: إن الجسيم له مكان محدد طول الوقت، ويمكن وصف حركته ومساره عن طريق الدالة الموجية.[11] وهو ما يسمى بتفسير De Broglie–Bohm theory.
  • علماء آخرون قالوا: يمكن تفسير ما حدث من خلال فرضية العوالم المتعددة، فإذا سلك الجسيم مسارًا ما في هذا العالم، فإنه يسلك مسارًا مختلفًا في عالم آخر، وفي كل مرة يحدث فيها أي تغير للجسيم، ينتج عنها كون جديد.[12]
  • علماء آخرون يقولون: ومنهم البروفيسور العراقي باسل الطائي: أن الفوتون الواحد لا يظهر لا كموجة ولا كجسبم، بل هو جسيم تحت التخليق المستمر وهنا تظهر له الصفات الموجية. فيتصرف الفوتون المفرد مثل كينونة ثنائية موجة وجسيم في آن واحد. أما تحت الكاميرا الفائقة أو المراقب فسيظهر كجسبم فقط. وفي حين تمرير مجموعة من الفوتونات فستتصرف كأنها موجة.[13]

الخلط بين النظرية وتفسير النظرية

لاحظ أن لدينا الآن خمس وجهات نظر لتفسير تجربة الشق المزدوج، لكن في هذا الفيديو القصير جدًا – على سبيل المثال – ستجد أن المهندس السعودي عمر جبران، تبنى تفسير كوبنهاجن (التفسير الذي يؤيده نيلز بور) ليقول: «إن هذا ما تقوله ميكانيكا الكم نفسها، ليهدم بها مبدأ عقليًا وهو مبدأ اجتماع النقيضين.»

 

الأمر نفسه يتكرر أيضًا مع أحمد الغندور (الدحيح) الذي قال بالحرف الواحد في هذا الفيديو القصير: «أن ميكانيكا الكم تقول أنك يستحيل أن تعرف مكان الإلكترون وسرعته في نفس الوقت، إما هذا أو ذاك.»

 

والحق أن مبدأ عدم اليقين لهيزنبرج لا تقوله ميكانيكا الكم، وليس لدينا أيّ دليل حقيقيّ عن أن الإلكترون نفسه غير قابل لقياس أو لمعرفة سرعته ومكانه معًا. لا ندري شيئًا عن طبيعة الإلكترون، بل إن العالم الألمانيّ ألبرت أينشتاين جادل أيضًا ضد هذا المبدأ ورفضه، وتحداهم في تجربته الشهيرة المعروفة باسم Einstein’s light box الذي اقترح فيها أنه يمكن بشكلٍ طبيعي جدًا قياس طاقة الإليكترون وسرعته، وهو ما يجعل مبدأ هيزنبرج خاطئًا.[14]

لم يسلم مبدأ عدم التأكد لهيزنبرج من نقض أينشتاين النظري له، بل في الآونة الأخيرة تمت تجربة عملية في جامعة تورنتو في كندا تخرق مبدأ هيزنبرج بعد أن تمكن الباحثون من تخطي الحد الأقصى من الدقة الذي حدده هيزنبرج.[15]

وفي هذا الفيديو القصير، يقول أحمد سمير أنه وفقًا لميكانيكا الكم، وما تم إثباته علميًا أن الجسيمات الصغيرة تتواجد في حالتين في نفس الوقت.
والحق أن ميكانيكا الكم لا تقول ذلك، ولم يتم إثبات ذلك علميًا، وإنما قوله هذا لا يتعدى إلا كونه تفسيرًا واحدًا من عدة تفاسير لميكانيكا الكم.[16]

ففي الوقت الذي يدعي فيه أحمد سمير أن الخاصية الموجية-الجسيميّة تم إثباتها علميًا، يقول هذا البحث العلمي المنشور في مجلة ناتشر:

«على الرغم من الملاحظات الحديثة جدًا بشأن الخاصية الموجية الجسيمية والتشابك الكميّ، فإن إمكانية حدوث هاتين السمتين الأساسيتين لميكانيكا الكم في وقتٍ واحدٍ تظل قضية مفتوحة.»

 

أعود فأقول: كل ما يتم تداوله من فرضيات وآراء عن ميكانيكا الكم، هي في الحقيقة ليست ميكانيكا الكم، بل هي محاولات لتفسير ميكانيكا الكم، لذلك علينا الفصل بين نظرية تعمل بدقة، وبين محاولة فهمنا نحن للواقع. فميكانيكا الكم لا تقول بالخاصية المزدوجة، بل هذا أحد التفسيرات لها. ميكانيكا الكم لا تقول أن هناك عوالم متعددة، بل هو أحد التفسيرات لها. ميكانيكا الكم لا تقول أن الأجسام توجد أو تمر من مكانين في آن واحد، بل هو أحد التفسيرات لها.

يمكن بشكل مبسط وصف ميكانيكا الكم وتعامل الفيزيائيين معها، تمامًا كما تتعامل أنت من جهاز الكمبيوتر، أنت تضغط أحد أزار لوحة المفاتيح، فتجد الحرف الذي ضغطت عليه ظهر على الشاشة. فكلنا يستطيع أن يستخدم الكمبيوتر بشكل رائع، وننجز به أعمالنا بشكل مبهر، لكن أحدًا منا لا يفهم كيفية عمل الكمبيوتر ولا ما يحدث داخل الدوائر الكهربائية وخلف ضغطات الأزرار، أو حتى لغات البرمجة التي يعمل بها.

كذلك ميكانيكا الكم؛ الفيزيائيون يستخدمونها ويعملون بها بشكل ممتاز، لكن لا أحد يدري ماذا يحدث وراء تلك المعادلات وخلف تلك التجارب.

فكل ما قرأتموه أو سمعتموه عن ميكانيكا الكم، هو في الحقيقة ليس له علاقة بنظرية الكم، بل هو تفسير واحد من عدة تفاسير شخصية من العلماء محاولين تفسير هذه المعادلات وكيفية وصفها للعالم الحقيقي الذي نعيشه.

فكما قال القائد النازي هيرمان جورينج مقولته الشهيرة «كلما سمعت كلمة “مثقف” تحسست مسدسي» وبعدئذٍ أخذ العالم الإنجليزي ستيفن هوكينج هذه المقولة وقال «كلما سمعت عن “قطة شرودنجر” تحسست مسدسي.»[17]

فيمكننا بعد هذه المعلومات المغلوطة التي تُنشر باسم ميكانيكا الكم، يمكننا بعد ذلك أن نقول:

“كلما سمعت أحدًا يقول: “وفقًا لميكانيكا الكم..”، تحسست مسدسي.»

 

فريق الإعداد

إعداد: محمد رضا
مراجعة علمية: آية غانم
تدقيق لغوي: آية غانم
تحرير: داليا شافعي السيد