تعاون باحثون من جامعة تل أبيب والتخنيون ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لتسليط ضوء جديد على نظرية الكم
تكشف سلسلة جديدة من الدراسات التي يقودها باحثون من جامعة تل أبيب والتخنيون ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الموجات الضوئية المنبعثة من الجسيمات تغير بعض خصائصها اعتمادا على الخصائص الموجية للجسيمات، بمعنى آخر: نظرية الكم تؤثر على عملية انبعاث الضوء . تم إجراء سلسلة الأبحاث تحت قيادة البروفيسور عدي أرييه، رئيس كرسي ماركو ولوسي شاؤول للإلكترونيات النانوية في جامعة تل أبيب والبروفيسور أدو كامينر هو عضو هيئة التدريس في كلية فيتربي للهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في التخنيون. عضو في معهد راسل بيري لتقنية النانو (RBNI) وفي مركز الكم لهيلين ديلر.
وفي سلسلة الدراسات، أظهر الباحثون كيف تتغير موجات الضوء اعتمادًا على الخصائص الكمومية للجسيمات التي تنبعث منها، وأن انبعاث الضوء يمكن تفسيره على أنه تحقيق لظاهرة كمومية تتعارض تمامًا مع حدسنا: انهيار وظيفة الموجة. وأظهر الباحثون أيضًا وجود علاقة مباشرة بين انبعاث الضوء والتشابك الكمي، وهي الظاهرة التي تقع في قلب التشفير الكمي وتقنيات الحوسبة.
ويوضح الباحثون: تخيل أنك تشاهد موجة من الماء تصطدم بحاجز أمواج به شقين، بحيث تخرج بعده موجتان جديدتان من الماء من هذين الشقين. وإذا نظرنا إلى شكلها سنرى أماكن تكون فيها الأمواج أعلى - وأماكن أصبحت فيها الأمواج أقل. تسمى هذه الظاهرة بالتشابك: تتجمع الموجتان معًا في بعض الأماكن وتلغي بعضهما البعض في أماكن أخرى. الآن، تخيل أنك تشاهد كرات التنس وهي ترمي على جدار به شقين. من الواضح أن بعض الكرات ستمر عبر الشق الأول وبعضها عبر الشق الثاني. لن "تضيف" المجالات أو "تلغي" بعضها البعض، كما تفعل الموجات.
جسيم أم موجة؟
في المقابل، ترى نظرية الكم - النظرية الفيزيائية التي تصف خصائص الجسيمات الصغيرة - أن هذه الجسيمات قد تتصرف أحيانًا كموجات. فإذا قمنا بتجربة "الشقين" مع الجسيمات الكمومية، يبدو أن الجسيم الكمي قادر على مر عبر كلا الشقوق الموجودة في الحائط في نفس الوقت. في التجربة، لاحظنا نمط تداخل يتكون من خطوط ضوئية متناوبة - دليل على اصطدام الجسيمات بالشاشة - وخطوط داكنة تشير إلى المواقع التي لم تصطدم بها الجسيمات. ويشبه سطوع الخطوط إلى حد كبير ارتفاع أمواج الماء بعد اصطدامها بحاجز الأمواج بالشقين. ومع ذلك، هناك فرق جوهري بين موجات الماء وموجات الجسيمات في نظرية الكم. إذا نظرنا إلى أحد الشقوق التي مر فيها الجسيم الكمي، فستجد نمط الخطوط على الشاشة يختفي. إن مجرد ملاحظتنا لموقع الجسيم في أحد الشقوق سوف يؤدي إلى مروره بشكل مؤكد عبر الشق الذي لاحظناه: فجأة يتصرف الجسيم الكمي مثل كرة التنس. وتسمى هذه الظاهرة الغريبة "انهيار الدالة الموجية".
على الرغم من التقدم الهائل في فهمنا لفيزياء الكم، ربما لا تزال هناك تناقضات واضحة بينها وبين الفيزياء الكلاسيكية. على سبيل المثال، في الفيزياء الكلاسيكية من الممكن العثور على مسار وسرعة الجسيم الذي ينبعث منه الضوء، ومن ذلك التنبؤ بطبيعة الضوء المنبعث منه. من ناحية أخرى، في ميكانيكا الكم من المستحيل قياس موضع وسرعة الجسيم الكمي في نفس الوقت (وهذا هو مبدأ عدم اليقين الشهير لهايزنبرغ). كما أن الجسيمات الكمومية لها خصائص موجية، وهي تغير خصائصها عندما "نلاحظها" (انهيار الدالة الموجية).
أظهرت سلسلة من الدراسات التي أجراها باحثون من جامعة تل أبيب والتخنيون ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كيف تؤثر خصائص ميكانيكا الكم هذه على الطريقة التي تبعث بها الجسيمات الضوء. وأظهر الباحثون أن العديد من الظواهر المتعلقة بانبعاث الضوء، والتي تم تفسيرها بنفس الطريقة خلال المائة عام الماضية، يمكن أن تتصرف بشكل مختلف تمامًا عما كان متوقعًا. ويرجع ذلك إلى تأثير الطبيعة الكمومية لجزيئات المادة على الضوء المنبعث منها.
كفاح
في دراستهم الأولى من عام 2019، حاول الباحثون قياس تداخل موجات الضوء المنبعثة من شعاع من الإلكترونات (جسيمات دون ذرية كمومية مشحونة بشحنة كهربائية). البحث، الذي قاده بشكل مشترك الدكتور روي رامز وطالب الدكتوراه أفيف كارنيالي من مختبرات البروفيسور عدي أرييه من جامعة تل أبيب والبروفيسور أدو كامينر من التخنيون، تم نشره في المجلة المرموقة استعراض للحروف البدنية. وشارك في الدراسة أيضًا الدكتور سيفان تراختنبرغ ميلز، والماجستير نيف شابيرا، والدكتور يوسي ليريا من جامعة تل أبيب. وفي نفس الدراسة، أظهر الباحثون أن تداخل الضوء المنبعث ليس تم الحصول عليها تجريبيا. وعندما استخدموا نظرية الكم لوصف نتائج التجربة، اكتشفوا أن النظرية تتنبأ بتأثير مشابه جدًا لـ "انهيار الدالة الموجية". وفي لحظة انبعاث الضوء، "تنهار" الدالة الموجية للإلكترون إلى نقطة معينة في الفضاء، كما لو أن شخصًا ما قد لاحظ الإلكترون في هذا الموقع بالضبط. ولذلك لم يعد انبعاث الضوء يحدث من عدة نقاط في نفس الوقت، ويختفي تداخل الموجات الضوئية.
دراسة متابعة نشرت مؤخرا في المجلة المرموقة علم السلف بين أن قدرة موجات الضوء على التدخل في الزمن، المسؤولة عن خلق موجات ضوئية (نبضات) قصيرة وقوية، يمكن أن تختفي أيضًا بسبب مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. تم إجراء البحث الجديد بقيادة طالب الدكتوراه أفيف كارنيالي من مختبرات البروفيسور أرييه والبروفيسور كامينر وبالتعاون مع طالب الدكتوراه نيكولاس ريفيرا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة الأمريكية. وقد أثبت الباحثون نظريا اختفاء تداخل الضوء من خلال تأثير آخر يسمى إشعاع شيرينكوف. من المعتاد تفسير إشعاع شيرينكوف عن طريق القياس على طائرة نفاثة تتجاوز سرعة الصوت وتحدث "دويًا أسرع من الصوت" يُعرف أيضًا باسم موجة الصدمة. وبالمثل، في تأثير شيرينكوف، من المفترض أن يقوم الجسيم الذي يتجاوز سرعة الضوء في مادة شفافة بإنشاء موجة صدمية - "دوي فائق الضوء". إن الاكتشاف الجديد للباحثين مثير للدهشة لأنه تبين أنه مجرد كذبة شيرينكوف مُطْلَقاً هزة أرضيةكما يعتقد العلماء منذ اكتشاف التأثير عام 1934. إن التشبيه بين الطائرة النفاثة والجسيم الكمي غير صحيح. فقط في ظل ظروف خاصة - والتي تعتمد على خصائص عدم اليقين للجسيم الكمي المنبعث - سوف ينبعث الإشعاع على شكل موجة صدمة.
وأخيرا، في دراسة أخرى نشرت مؤخرا أيضا فياستعراض للحروف البدنيةبقيادة طالب الدكتوراه أفيف كارنيالي والبروفيسور أرييه والبروفيسور كامينر وطالب الدكتوراه نيكولاس ريفيرا، تمكن الباحثون من إظهار أنه عندما ينبعث الضوء في وقت واحد من إلكترونين، فإن الخصائص الكمومية للإلكترونات يمكن أن يكون لها تأثير كبير على الضوء المنبعث. على سبيل المثال، عندما يكون زوج من الإلكترونات "متشابكًا كميًا" - حيث توجد علاقة احتمالية كمية تقع في قلب تقنيات مثل التشفير والحوسبة الكمومية - فسوف تنبعث موجات ضوئية، في ظل ظروف مناسبة، من الإلكترونين معًا ونحن سيتلقى تداخلًا ضوئيًا يعتمد بشكل مباشر على الطريقة التي "تشابك" بها الإلكترونان. بهذه الطريقة، يزعم الباحثون أن مراقبة الضوء المنبعث من الجسيمات المتشابكة يمكن أن يعطي مؤشرًا عن مدى تشابكها دون قياسها بشكل مباشر: وهو احتمال قد يكون مهمًا للاستخدامات المستقبلية للإلكترونات كحاملات للمعلومات الكمومية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 4
ليست نظرية ميكانيكا الكم هي التي تؤثر على الضوء،
تؤثر القوة الفيزيائية الكمومية على الضوء
العنوان متناقض
لا يعني ذلك أنني أعرف ما أفهمه
ولكن إذا تغيرت موجات الضوء
لذا فمن الممكن تمامًا مثل ذلك، إنه ممكن
أن المسافات المقاسة من النجوم البعيدة في الكون ليست دقيقة؟
خاصة أنه من المعروف أن نسبة كبيرة هي المادة المظلمة والطاقة المظلمة
أنه من الممكن أن يتأثر الضوء في طريقه إلى الأرض من أماكن بعيدة
?
"نظرية الكم تؤثر على عملية انبعاث الضوء"
العبرية تبكي مع المنطق!