الكثيرون يجدون صعوبة في فهم التجربة التخيلية ”قط شرودينغر“ Schrödinger‘s Cat , وهدف هذه المقالة هو تبسيط الفكرة وراء قطة شرودينغر وممحاة الكم , أتمنى لكم رحلة ممتعة.

كما قلنا في مقالة سابقة, بالنسبة للجسيمات التحت-ذرية (كالالكترون والفوتون ), التواجد في مكان معين هو بسبب ارتفاع احتمالات وجود الجسيم في ذلك المكان, وليس بسبب ازاحته بفعل الرياح او بفعل عامل فيزيائي اخر. تذكر أننا هنا نتحدث عما يشكل المادة نفسها, ولا نتحدث عن كرات عادية يمكن ان تأخذ طريقا او رد فعل معين بسبب الرياح او الجاذبية مثلا.

عندما تركل الكرة, فان هناك اسبابا معينة تجعلها تغير وجهتها لتدخل من الباب اليمين او الباب اليسار, قد يكون السبب زاوية الركلة, او الرياح...الخ. لكن عندما تكون الكرة هي التي تشكل كل شيء, ابتداء من المرمى وانتهاء بالرياح... هنا , يمكن ان نقول أنه في بعض الاحيان ستواجه هذه الكرة احتمالات 50 بالمئة لتمر يمينا او يسارا, ودون ان تجد سببا يجعلها تفضل اليمين او اليسار.

خلاصة القول هنا: الكرة تفضل اليمين, لان الرياح قادمة من اليسار... أما الالكترون فلايمكنه ان يفضل شيئا, لأن كل ما امامه احتمالات 50 بالمئة, ولا يوجد سبب يجعله يفضل سلوكا دون آخر.

 

اقترح عالم الفيزياء النظرية ارفين شرودنغر Erwin Schrödinger تجربة تخيلية تسمى ”قط شرودينغر“, كما يلي :

” اذا كان لدينا قط داخل صندوق مغلق, وكان هناك مسدس يعمل داخل الصندوق, بحيث ان طلقة نارية منه ستؤدي الى تحرير سم, يؤدي بدوره الى موت القط. وكان المسدس موصولا بجهاز , يشتغل الجهاز بواسطة فوتون ضوئي او الكترون. نطلق فوتونا (او الكترونا) باتجاه شقين, اذامر من الشق الاول, فان القط سينجو, اما اذا مر من الشق الثاني , فان الالكترون سيشغل المسدس, الذي سيحرر السم,وبالتالي سيموت القط“. (لاحظ الصورة جانبه)

في الواقع, هذه الفكرة تبدو سهلة ... لأن الشخص العادي سيتخيل الالكترون يدخل من الشق الاول او الثاني, ثم يموت القط او لايموت بناء على الشق الذي مر منه الالكترون.

لكن الواقع, انها فكرة اعقد من ذلك بكثير... لأنه, عندما يقترب الالكترون من الشقين, فإن احتمالات مروره من كل شق هو 50 بالمئة. لكن ركز على الجملة التالية : الاختلاف بين الالكترون والجسم العادي, ان الجسم العادي (رغم أن احتمال مروره من احد الشقين هو 50 بالمئة, الا ان هناك اسبابا فيزيائية تجعلنا نعرف بالضبط ماهو الشق الذي سيمر منه, ومعرفتنا لهذه الاسباب تجعلنا متأكدين بنسبة 100 بالمئة, انه سيدخل من الشق الاول مثلا).

هل القط حي أم ميت؟ ... كلا الاحتمالين صحيح, مادمنا لانعرف من أي شق مر الالكترون

 

أما بالنسبة للالكترون, فاحتمال 50 بالمئة, يبقى دائما احتمال 50 بالمئة... لايوجد سبب معين يجعله يمر من شق دون الاخر. ولا يمكننا بأي شكل من الاشكال معرفة الشق الذي مر منه الالكترون. حسب مبدإ الارتياب لفيرنر هايزنبرغ Werner Heisenberg. (لايمكن معرفة موضع وسرعة جسيم في نفس الوقت وبنفس درجة اليقين او التأكد).

لهذا السبب, لو كنت إلكترونا عزيزي القارئ... فإنك عندما تتوقف بين الشقين في هذه الحالة, لن يكون هناك سبب يجعلك تختار الايمن او الايسر... هنا تبدأ رحلة ”قط شرودينغر“, ما ستفعله حقا...هو أنك ستتصرف كموجة. ستمر من الشق الاول (ولن تمر من الثاني), و تمر من الشق الثاني (ولن تمر من الشق الاول) ..كل هذا في نفس الوقت.

لكن, داخل الصندوق, هناك اجسام وكائنات (مسدس, قط..الخ) من العالم العادي , مصيرها رهين بطريقة عمل الالكترون , بمعنى أن تصرف الالكترون كجسيم, سيؤدي الى مروره من شق واحد, ثم موت القط (او نجاته). الشيء المميز في تجربة ”قط شرودينغر“ هو كونها تعتمد بالاساس على فكرة : تعلق مصير جسم من العالم العادي (القط) , بسلوك جسيم من العالم الكمي (الكترون). إنها تجربة تقف بين العالم المادي والعالم الكمي, لمعرفة كيفية تأثير احدهما على الاخر.

 

 

 

تصرف الالكترون كموجة, معناه أن كلا الاحتمالين سيتحققان, الالكترون سيمر من الشق الاول وليس من الثاني (وسينجو القط) , وسيمر من الشق الثاني وليس من الاول (وسيموت القط) ...وكلا الاحتمالين سيحدثان في نفس الوقت. بمعنى أنه عندما لا ننظر داخل الصندوق , القط حي وميت في نفس الوقت. وهذا هو التراكب الموجي Quantum Superposition في الفيزياء الكمية.

ما الذي يحدث حسب معادلات شرودينغر, عندما نراقب من اي شق مر الالكترون؟

نضع خلية حساسة للضوء, وعدة تجعل الالكترون يحرر فوتونا عندما يمر من الشق الاول, بحيث تحرر الخلية اشارة كهربية عندما يمر منها الفوتون الذي تحرر من الالكترون. في هذه الحالة, حدث تسرب معلومات , قام بالغاء التراكب الموجي ..وهذا ما يسمى Decoherence (لا أعرف مقابلها العربي, لكني سأسميها إلغاء التراكب الكمي) , هنا الالكترون اصبح يتصرف كجسيم . في هذه الحالة, عندما نفتح الصندوق سنجد القط حيا, او ميتا... (وليس حيا وميتا)

 

لكن, كيف عرفنا ان هناك تراكبا موجيا في هذه التجربة من البداية؟ لماذا لا نفترض أن الالكترون قد مر من احد الشقين, مما تسبب في موت او نجاة القط من البداية؟

الجواب بالطبع هو تجربة شقي يونغ Double-Split experiment, وخلافا لتجربة قط شرودينغر, فتجربة شقي يونغ هي تجربة واقعية تماما.

يؤدي اطلاق حزمة من الالكترونات مثلا باتجاه شقين ضيقين, الى تصرف الالكترونات كموجات... مما يجعلها تتداخل بعد تجاوزها الشقين لنحصل على عدة خطوط متداخلة تفصل بينها مسافات لم يتموضع فيها الالكترون, و مواضع تلك الخطوط تتحدد بدالة الموجة الاحتمالية لشرودينغر (وهي نفس الدالة التي تحكم مرور الالكترون خلال الشقين في تجربة قط شرودينغر). (لاحظ الصورة جانبه)

عندما تتصرف الالكترونات كموجات, فإنه من المستحيل معرفة اي الشقين مر منها كل الكترون... لكن بعدما نضع اداة قياس على احد الشقين لمعرفة اي الالكترونات مر منها, يتغير عندها تصرف الالكترونات فتتصرف كجسيمات, وتتغير الخطوط وراء الشقين على الشاشة, الى خطين متوازين (ما يعني أن كل الكترون مر من شق واحد فقط).

وعندما نزيل اداة القياس (وبالتالي لانراقب الالكترونات) , تعود الالكترونات لتتصرف كموجات, فيتحول الخطان وراء الشاشة الى عدة خطوط متوازية تزيد شدتها عند الوسط.

ممحاة الكم Quantum Eraser, الهدف منها هو محو المعلومات عن اي الشقين مر منه كل الكترون, لأن العلماء الذين يقومون بالتجربة, يعتقدون أن العدة التي تستخدم لمراقبة الالكترون هي التي تؤثر في سلوكه.

مبدئيا, معرفة اي شق مر منه الالكترون يعتمد على توجيه الفوتون الذي تم تحريره من الالكترون الى خلية حساسة للضوء, تحرر اشارة عندما يصل اليها الفوتون. وهكذا نعرف أن الالكترون مر من الشق الاول او الثاني. وهنا يحدث تسرب معلوماتي في النظام الكمي.

 

ممحاة الكم, تقوم بالحفاظ على نفس الخلايا الضوئية في التجربة, لكن بتوجيه الفوتون الى عدة تجريبية اخرى, تتكون من بلورات تجعل احتمال مرور الفوتون في الاتجاه 1 او 2 هو بالضبط 50 بالمئة. ما يؤدي الى ضياع المعلومة الاولى عند هذا المستوى, بحيث أنه بعد مرور الفوتون من ممحاة الكم, نجهل تماما من اي شق (الكترون) جاء الفوتون. هنا, نحن امام ضياع للمعلومة.

وعند استخدام ممحاة الكم, تعودالالكترونات للتصرف كموجات, رغم بقاء ادوات المراقبة على الشقين. كما ان ازالة ممحاة الكم يؤدي الى تصرف الالكترونات كجسيمات.

اذا فهمت هذه النقطة , فأنت في طريقة لفهم ماهو أكثر تعقيدا . لكن لا بأس من تلخيص الموضوع في بعض النقاط :

  • مصير القط رهين بسلوك الالكترون
  • - تصرف الالكترون كموجة (عندما لانراقبه) يؤدي الى تحقق جميع الاحتمالات (حسب دالة الموجة لشرودينغر)
  • - تحقق جميع الاحتمالات يؤدي الى ظهور عدة خطوط وراء الشقين (على شاشة مثلا).. ما يعني ان القط ميت وحي في نفس الوقت
  • - تشكل الخطوط يجعلنا نقول أن القط ميت وحي في نفس الوقت.
  • - مراقبة اي شق مر منه الالكترون تلغي التراكب الكمي, وبالتالي نرى خطين فقط وراء الشقين.
  • - وضع ممحاة الكم يؤثر على النتيجة النهائية (تصرف الجسيم كموجة) , بينما لا يؤثر فيه وضع او ازالة اداة المراقبة نفسها.. ما يعني أن تصرف الجسيم رهين بوجود او عدم وجود تسرب للمعلومات, وليس رهينا باداة القياس.

كان هدف هذه المقالة, التعريف بتجربة قط شرودينغر وممحاة الكم (بالاضافة الى الاشارة الى تجربة شقي يونغ)... في المقالة القادمة سنتطرق الى شرح مفصل لدالة الموجة الاحتمالية, وكيفية عملها.

3 تعليقات

  1. Hi, Neat post. There's an issue together with your web site in web explorer, would test this?

    IE still is the market chief and a large part of other people will miss your great writing because of this problem.

  2. I am very happy to read this. This is the type
    of manual that needs to be given and not the random misinformation that is at the other blogs.
    Appreciate your sharing this best doc.

اترك رد

اكتب تعليق
أدخل اسمك هنا