كان تقبل الطبيعة الكمية للطاقة (والضوء) محض بداية للثورة التي أسست ميكانيكا الكم الحديثة. وتعين الانتظار حتى عشرينيات القرن العشرين وحتى أعمال كلٌّ من شرودنجر وهايزنبرج؛ ليتم أخيرًا تفسير الطبيعة المزدوجة للضوء بوصفه موجة وجسيمًا معا. فرغم أن وجود الفوتونات قد جرى تقبله في السنوات السابقة على ذلك، فإنه لم يكن ثمة سبيل للتوفيق بين هذا وبين السلوك الموجي المعروف للضوء. وفي عشرينيات القرن العشرين ظهرت نظرية للفيزياء الكمية مبنية على الميكانيكا الموجية. وفي نسخة شرودنجر من نظرية الكم، يوصف سلوك الأنظمة كلها من خلال دالة موجية (يرمز إليها بالرمز ψ) تتطور وفق معادلة سميت معادلة شرودنجر. وتعتمد الدالة الموجية ψ على كل من المكان والزمن. وتصف معادلة شرودنجر الموجات التي تتذبذب في كلٌّ من المكان والزمن.

من أين إذن يأتي السلوك الجسيمي؟ الجواب هو أن الدالة الموجية الكمية لا تصف شيئًا ماديًا مثلما تفعل الموجة الكهرومغناطيسية، التي يفكر فيها المرء بوصفها شيئًا ماديًا موجودًا في نقطة من المكان وتتذبذب عبر الزمن، وإنما تصف الدالة الموجية الكمية «موجة احتمالية». وتؤكد نظرية الكم أن الدالة الموجية هي كل ما يستطيع المرء معرفته عن النظام؛ فليس بوسع المرء التنبؤ في يقين بالموضع الذي سيكون فيه الجسيم تحديدًا في أي زمن بعينه، بل كل ما يمكن التنبؤ به هو احتمالية وجوده وحسب.

ومن الجوانب المهمة لازدواجية الموجة – الجسيم هذه «مبدأ عدم اليقين». لهذا المبدأ تبعات عدة على الفيزياء، لكن أبسطها تتضمن موضع الجسيم وسرعته؛ إذ ينص مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج على أنه ليس بوسعنا معرفة موضع أي جسيم وسرعته على نحو مستقل. فكلما عرفت موضع الجسيم على نحو أفضل، قلت معرفتك بسرعته، والعكس بالعكس فإذا استطعت تحديد الموضع بدقة، فستصير سرعته مجهولة تماما، وإذا استطعت معرفة سرعة الجسيم بدقة، فمن الممكن أن يشغل الجسيم أي موضع كان. هذا المبدأ كمي، وهو لا ينطبق على الموضع والزخم فقط، بل ينطبق أيضًا على الطاقة والزمن وأي زوج آخر من الكميات المعروفة بأنها متغيرات مقترنة.

ومن التبعات المهمة للغاية لمبدأ عدم اليقين المتعلق بثنائية الطاقة الزمن أن الفضاء الخاوي يمكنه أن ينتج من العدم جسيمات قصيرة العمر تظهر إلى الوجود وتختفي منه بغتة على فترات زمنية يحكمها مبدأ عدم اليقين. وهذا هو السبب وراء أن فيزيائيي الجسيمات يتوقعون أن الفراغ به طاقة. بعبارة أخرى، ينبغي أن يوجد ثابت كوني. والمشكلة الوحيدة هي أنهم لا يعرفون كيفية حسابه وأفضل التخمينات المتاحة حاليًّا أكبر بكثير من الواقع الفعلي بما يصل إلى مائة قيمة أُسية. بَيْدَ أن فكرة عدم اليقين الكوني أحرزت نجاحًا بارزا؛ إذ يُعتقد أنه هو السبب وراء وجود تفاوتات الكثافة البدائية الضئيلة التي استهلت نمو البنية الكونية.

إن الكون الذي يسير وفق فيزياء نيوتن هو كون «حتمي»؛ بمعنى أنه إذا عرف المرء مواضع وسرعات كل الجسيمات داخل أي نظام في أي وقت بعينه، فعندها سيكون المرء قادرًا على أن يتنبأ بسلوكها في جميع الأوقات اللاحقة. لكن ميكانيكا الكم غيرت كل هذا؛ نظرًا لأن أحد المكونات الأساسية لهذه النظرية هو المبدأ القائل إنه على مستوى جوهري معين يكون سلوك الجسيمات غير قابل للتنبؤ به، ومن ثم هناك حاجة للجوء إلى الحسابات الاحتمالية.

إن التفسير الذي يمكن وضعه بناءً على هذا النهج الاحتمالي عُرضة لجدال واسع. على سبيل المثال، تدبَّر نظامًا تتحرك فيه الجسيمات في حزمة ضوء نحو شقين يفصل بينهما مسافة بسيطة. الدالة الموجية ψ المتجاوبة مع هذا الموقف تُظهر نمط تداخل؛ لأن «الموجة الاحتمالية» تمر عبر كلا الشقين. إحصائيا، من المفترض أن تهبط الفوتونات على اللوح الموجود خلف الشقين وفق الاحتمالية التي تُمليها الدالة الموجية. وبما أن الشقين يتسببان في نمط تداخل فستظهر على اللوح سلسلة معقدة من الحزم الساطعة والباهتة في المواضع التي تُعَزّز فيها الموجات بعضها بعضًا، وتلك التي تُلغي فيها الموجات بعضها بعضًا على الترتيب. يبدو هذا منطقيًّا، لكن افترض أنك خفضت قوة حزمة الضوء، وهو ما يمكن عمله؛ بحيث إنه في أي وقت بعينه لا يوجد سوى فوتون وحيد هو الذي يمر من الشقين من الممكن رصد وصول كل فوتون على اللوح. وبتشغيل التجربة لفترة كافية من الوقت يمكننا بناء نمط على اللوح. ورغم حقيقة أن فوتونا واحدًا فقط هو الذي يمر من الجهاز، فيظل يظهر على اللوح نمط الحزم الساطعة والباهتة. فبطريقة ما، يجب على كل فوتون منفرد أن يتحول إلى موجة حين يغادر المصدر، ويمر عبر الشقين كليهما، ويتداخل مع نفسه وهو في الطريق، ثم يعود مجددًا إلى وضعه كفوتون كي يهبط على موضع محدد على اللوح.

ما الذي يحدث إذن؟ من الجلي أن كل فوتون يهبط في موضع محدد على اللوح. وفي هذه النقطة نحن نعرف موضعه يقينًا. لكن ما الذي تفعله الدالة الموجية لهذا الجسيم في هذه النقطة؟ وفق أحد التفسيرات – ذلك المسمى «تفسير كوبنهاجن» – تنهار الدالة الموجية على نفسها بحيث تتركز في نقطة وحيدة. وهذا يحدث كلما أُجْرِيَتْ تجربة، وتم الحصول على نتيجة محددة. لكن قبل أن تُحسم النتيجة، تكون الطبيعة نفسها غير محددة؛ فالفوتون لا يمر فعلًا عبر أي من الشقين؛ بل هو في حالة «مختلطة». وفعل القياس نفسه يغيّر من الدالة الموجية، ومن ثم يُغيّر من الواقع. وقد قاد هذا الكثيرين إلى التخمين بشأن التفاعل بين الوعي وبين «الواقع» الكمي. فهل الوعي هو ما يسبب انهيار الدالة الموجية على نفسها؟

من الأمثلة الموضّحة الشهيرة لهذه المعضلة تلك المفارقة المعروفة باسم «قطة شرودنجر». تخيل أن ثمة قطة موجودة داخل حجرة مغلقة تحتوي قِنِّينَةً سُمِّ. القِنِّينَة متصلة بأداة من شأنها أن تكسر القنينة وتسمم القطة عند حدوث أي حدث كمي، على غرار انبعاث جسيمات ألفا من مادة مشعة. وإذا انكسرت القنينة، تموت القطة بشكل فوري. أغلبنا سيتوقع أن تكون القطة إما حية وإما ميتة في أي وقت بعينه، لكن إذا تبنينا تفسير كوبنهاجن بجدية، فستكون القطة على الحالين كليهما في نفس الوقت بشكل ما؛ فالدالة الموجية للقطة تضم تراكبًا من الحالتين الممكنتين. وفقط حين تُفتح الحجرة و«تقاس» حالة القطة «تصير» القطة وقتها إما حية وإما ميتة.

ثمة تفسير بديل لتفسير كوبنهاجن يقضي بأنه لا شيء يتغير ماديا على الإطلاق عند إجراء عملية القياس. فما يحدث هو أن حالة الراصد المعرفية هي التي تتغير. فإذا أكد أحدهم أن الدالة الموجية ψ تمثل ما هو معروف للراصد بدلًا من أن تمثل ما هو حقيقي في الواقع، فلن تكون هناك مشكلة في أن تتغير هذه الدالة حين يصير معروفًا أن جسيمًا ما في حالة محددة. وهذه النظرة تقترح تفسيرًا لميكانيكا الكم قد تكون فيه الأشياء حتمية على مستوى ما، بَيْدَ أننا لا نعرف ببساطة ما يكفي بحيث يمكننا التنبؤ. وهناك نظرة أخرى؛ وهي تفسير «العوالم المتعددة». ووفق هذه النظرة في كل مرة تُجرى فيها تجربة (على سبيل المثال، في كل مرة يمر فيها أحد الفوتونات من الجهاز ذي الشقين) فإن الكون، إذا جاز التعبير، ينقسم إلى كونين؛ في أحدهما يمر الفوتون من الشق الأيسر، وفي الآخر يمر الفوتون من الشِّق الأيمن. وإذا حدث هذا لكل فوتون فسينتهي بنا الحال مع عدد ضخم من الأكوان الموازية. ووفق هذا الترتيب فإن كل نتيجة محتملة لكل تجربة محتملة تقع بالفعل. لكن قبل القفز مباشرة لفكرة الكون الموازي دعوني أستأنف أولا الخيط الأساسي لحكايتنا.

مواضيع ذات صلة

Equipartition and the quantum oscillator

philosophical implications of quantum mechanics

Crystal diffraction

Measurement of position and momentum

Probability wave amplitudes

The uncertainty principle

First principles of quantum mechanics

Watching the electrons

An experiment with electrons

An experiment with waves

An experiment with bullets

Chance and likelihood