يشرح الفائز بجائزة وولف في الفيزياء كيف حلت فكرة الفرميونات المركبة لغز تأثير هول الكمي الكسري، وما هي العلاقة بين نظريته وتجارب موتي هيبلوم وجيمس أيزنشتاين، ولماذا أخذ على عاتقه إنشاء معهد جديد للفيزياء النظرية في مومباي.
فاز البروفيسور جايندرا ك. جاين، أحد أبرز علماء الفيزياء النظرية في مجال المادة المكثفة، بجائزة وولف في الفيزياء لعام 2025، وذلك لإسهاماته في تطوير نظرية الفرميونات المركبة وفهم تأثير هول الكمي الكسري. مُنحت الجائزة له بالاشتراك مع البروفيسور مردخاي (موتي) هيبلوم من معهد وايزمان للعلوم، والبروفيسور جيمس أيزنشتاين من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، تقديرًا لإسهاماتهم في تعزيز فهم الخصائص المذهلة التي تُظهرها أنظمة الإلكترونات ثنائية الأبعاد في المجالات المغناطيسية القوية. تُعد جائزة وولف من أهم الجوائز العلمية الدولية، وقد نال العديد من الفائزين بها في الفيزياء جائزة نوبل لاحقًا.
أُقيم حفل توزيع جوائز عام 2025 في الكنيست الأسبوع الماضي، والذي تم تأجيله بسبب حالة الطوارئ في ذلك العام. وللسبب نفسه، لم يتم اختيار أي فائزين، ولم يُعقد حفل توزيع جوائز عام 2026.
نشأ جاين في بلدة سامبهار بولاية راجستان الهندية، بالقرب من صحراء ثار. بعد إتمام دراسته في الهند، انتقل إلى الولايات المتحدة، وحصل على درجة الدكتوراه من جامعة ستوني بروك، وواصل أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة ميريلاند وجامعة ييل. أثناء عمله في جامعة ييل في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، راودته فكرة الفرميونات المركبة. ثم انضم إلى هيئة التدريس في ستوني بروك، وفي عام ١٩٩٨ انتقل إلى جامعة ولاية بنسلفانيا (بين ستيت)، حيث لا يزال يعمل حتى اليوم. وهو حاليًا في إجازة جزئية من الجامعة، إلى جانب منصبه الجديد في الهند.
ظاهرة كمومية في نظام يحتوي على عدد لا يحصى من الإلكترونات
"عندما نفكر في فيزياء الكمقال جاين في مقابلة مع موقع الهدايان: "عادةً ما نفكر في أجسام مجهرية صغيرة جدًا، مثل ذرة الهيدروجين على سبيل المثال". "لكن تأثير هول الكمي "يُظهر سلوكًا كميًا في نظام عياني يحتوي على عدد هائل من الإلكترونات."
تحدث ظاهرة هول الكمومية عندما تُحصر الإلكترونات في حركة ثنائية الأبعاد وتتعرض لمجال مغناطيسي قوي. هذه الأنظمة ليست مجرد فكرة نظرية، فالإلكترونات تتحرك بالفعل في بعدين في طبقات رقيقة من أشباه الموصلات، وترانزستورات MOSFET، ومواد مثل الجرافين.
في تأثير هول الكمومي الكامل، لا تتغير موصلية هول بشكل مستمر، بل تلتزم بقيم كمية مرتبطة بالأعداد الصحيحة والثوابت الأساسية للطبيعة، وتنتقل بينها على مراحل. وتكون هذه القيم مستقلة تقريبًا عن حجم العينة أو شكلها، ولذلك يمكن قياسها بدقة فائقة.
بحسب جاين، تم فهم تأثير هول الكمومي الكامل بسرعة نسبية. ويمكن وصفه، كتقريب أولي، بدلالة الإلكترونات التي لا تتفاعل مع بعضها البعض، حيث تخلق حركتها في مجال مغناطيسي مستويات طاقة منفصلة.
لكن تم اكتشاف ذلك لاحقا تأثير هول الكمي الكسريفي هذه المرة، ظهرت حالات مرتبطة بالكسور مثل الثلث والخمسين. ولم يكن من الممكن تفسير هذه النتائج بالإلكترونات المستقلة.
قال جاين: "كان من الواضح أن هذا سائل من الإلكترونات ذات ترابطات قوية للغاية. لكن لم يكن من الواضح كيفية وصف هذا السائل، وكيفية فهم أي الكسور تظهر في التجارب وأيها لا تظهر، وما الذي يحدث أيضًا في هذه الأنظمة."
إلكترون "يرتدي"الدوامات الكمومية
كان حل جين هو تغيير المنظور. فبدلاً من محاولة حل المشكلة المعقدة المتمثلة في تنافر العديد من الإلكترونات مع بعضها البعض بشكل مباشر، اقترح وصف كيانات جديدة: الفرميونات المركبة.
في دالة الموجة الكمومية، يرتبط كل إلكترون بعدد زوجي من الدوامات الكمومية. هذا الارتباط ليس ميكانيكيًا، كما هو الحال عند ربط جسمين ببعضهما، بل هو تعبير عن البنية المنسقة للنظام بأكمله. يحافظ العدد الزوجي على الطبيعة الفرميونية للجسيم الجديد. يتصرف مزيج الإلكترون والدوامات كجسيم شبه حقيقي - جسيم ناشئ عن السلوك الجماعي للنظام.
تُغيّر الدوامات المجال المغناطيسي الفعال الذي يتعرض له الفرميون المركب. في بعض الحالات، قد يكون المجال المُخفَّض أضعف بكثير من المجال الخارجي، بل وقد يكون معدومًا في المتوسط. ونتيجةً لذلك، يمكن وصف نظام معقد من الإلكترونات ذات التفاعلات القوية بأنه نظام أبسط من الفرميونات المركبة، حيث تكون التفاعلات المتبقية بينها ضعيفة نسبيًا.
أوضح جاين قائلاً: "يمكن فهم تأثير هول الكمي الجزئي للإلكترونات على أنه تأثير هول الكمي الكامل للفيرميونات المركبة. فنحن نأخذ مشكلة معقدة للغاية تتعلق بالإلكترونات المتفاعلة بقوة ونحولها إلى مشكلة تتعلق بالفيرميونات المركبة شبه الحرة. بمعنى آخر، يتلاشى تأثير التفاعلات في نشأة الفيرميونات المركبة نفسها."
استطاعت هذه النظرية تفسير سبب ظهور حالات هول الكسرية في متواليات معينة دون غيرها. تُعرف هذه المتواليات الآن باسم "متواليات جين"، وتُعرف الحالات المقابلة لها باسم "حالات جين". كما مكّنت النظرية من توحيد تأثير هول الكمي الكامل والتأثير الكسري في إطار واحد.
هل الفرميون المركب جسيم حقيقي؟
كان أحد الأسئلة الموجهة إلى جين هو ما إذا كان الفرميون المركب كيانًا فيزيائيًا حقيقيًا أم مجرد أداة رياضية ملائمة.
يقول إن التمييز ليس واضحًا دائمًا. من حيث المبدأ، يمكن البدء بالكواركات والإلكترونات ومحاولة تفسير خصائص الهيليوم-4 باستخدامها. لكن لفهم سيولته الفائقة، فإن نقطة انطلاق أكثر فائدة هي ذرات الهيليوم-4 نفسها.
وقال: "نريد أن نبدأ على جميع المستويات بالأجسام التي تتفاعل بشكل ضعيف نسبياً. فعندما نتخذ الفرميونات المركبة كنقطة انطلاق، يمكننا تفسير جزء كبير من الظواهر على الفور تقريباً".
كان أحد أهم تنبؤات النظرية هو أن الفرميونات المركبة ستستشعر مجالًا مغناطيسيًا مخففًا إلى حد ما. وقد فحصت التجارب حركتها والمسارات التي تسلكها، على غرار تتبع كرة بلياردو ترتد عن جوانب طاولة، وكانت النتائج متوافقة مع هذا التنبؤ.
إنها حقيقية تمامًا كما أن أزواج كوبر حقيقية في الموصلات الفائقة، أو كما ينبثق كل جسيم من جسيم آخر في نظام من مادة سميكة قالت جين: "إنه حقيقي". سُميت أزواج كوبر نسبةً إلى الفيزيائي ليون كوبر؛ ولا توجد أي صلة بينها وبين النحاس.
ثلاثة فائزين – أعمال منفصلة ومتكاملة
رغم منح الجائزة لثلاثة باحثين معًا، أكد جاين أنّه وهايبلوم وإيزنشتاين لم يعملوا كفريق بحثي مشترك، كما لم يتعاون الباحثان التجريبيان بشكل منهجي. ويعكس هذا الربط، الذي أُقيم في إطار الجائزة، أعمالًا منفصلة تكاملت فيما بينها، وساهمت مجتمعةً في توسيع فهمنا لأنظمة الإلكترون الكمومية.
يُعرف آيزنشتاين، من بين أمور أخرى، بأبحاثه في أنظمة الإلكترونات ثنائية الطبقات، حيث يمكن توليد حالات متماسكة ذات خصائص تُشبه خصائص الموائع الفائقة. وقد مكّنته الطرق التي طورها من إنشاء اتصال كهربائي منفصل مع كل طبقة من الطبقتين ودراسة الحركة المتناسقة للإلكترونات والفجوات. وأوضح جاين أنه تناول بعض القضايا النظرية المتعلقة بهذه الأنظمة، لكنه أكد أن هذا لم يكن محور تركيز عمله الرئيسي.
أجرى هايبلوم وزملاؤه في معهد وايزمان تجارب أساسية لقياس الشحنة الجزئية للإثارات في تأثير هول الكمي الجزئي. فبدلاً من أن تحمل الإثارات الجماعية في النظام كامل شحنة الإلكترون، فإنها لا تحمل إلا جزءًا منها.
وأشار جاين أيضاً إلى تجارب لاحقة تم فيها قياس الشحنات الفعالة أحياناً لتكون أكبر بمرتين أو ثلاث مرات من الشحنة الكسرية الأساسية. وقال إنه وزملاؤه يحاولون تقديم رؤية نظرية حول هذا الأمر في السنوات الأخيرة.
وخلص إلى القول: "نحن لا نعمل على نفس الأشياء، لكن أعمالنا تكمل بعضها البعض".
قد يكون هناك ارتباط محتمل بالحوسبة الكمومية، ولكن لا يزال الأمر بعيدًا عن التطبيق.
كما أن لنظرية الفرميونات المركبة صلة محتملة بالحوسبة الكمومية، لكن جاين حريص على عدم تقديمها كتطبيق مباشر أو كتقنية ناضجة بالفعل.
في بعض الحالات، يمكن أن تشكل الفرميونات المركبة أزواجًا، على غرار أزواج الإلكترونات في الموصلات الفائقة. وتشير الاقتراحات النظرية إلى أن هذه الحالات المزدوجة قد تدعم إثارات ماجورانا الغريبة.
ينبع الاهتمام بإثارات ماجورانا من إمكانية تخزين المعلومات الكمومية بشكل غير موضعي. فالمعلومات لا تتركز في نقطة واحدة، وبالتالي قد تكون أكثر حماية من الاضطرابات الموضعية. وهذا أحد المقترحات لبناء حاسوب كمومي طوبولوجي يتمتع بمقاومة مدمجة لبعض الأخطاء.
أشار جاين إلى جهود مايكروسوفت لتطوير بنية حوسبة كمومية تعتمد على حالات ماجورانا، لكنه أكد أن هذا لا يستخدم بشكل مباشر الفرميونات المعقدة لنظام هول المزدوج. وقال إن الفيزياء المكتشفة في هذه الأنظمة قد ألهمت البحث عن تطبيقات أخرى.
كما أكد أن هذا المجال لا يزال بعيداً عن الحاسوب العملي. وقد تم بالفعل إثبات أنظمة مكونة من كيوبت واحد أو أكثر في تقنيات أخرى، لكن يبقى تقديم عرض مقنع ومقبول لكيوبتات ماجورانا وتشابكها تحدياً قائماً.
مهمة جديدة في مومباي
بالإضافة إلى دوره في جامعة ولاية بنسلفانيا، يشغل جاين حاليًا منصب المدير المؤسس لمعهد لودها للفيزياء النظرية (LTPI)، وهو معهد بحثي جديد ممول من القطاع الخاص يقع في مومباي، الهند.
إن عودته إلى الهند لا تمثل انقطاعاً تاماً عن الأوساط الأكاديمية الأمريكية، إذ يشير الموقع الإلكتروني الرسمي للمعهد إلى أنه في إجازة جزئية من جامعة ولاية بنسلفانيا. وقد كُلِّف بمهمة أخرى، وهي إنشاء مركز أبحاث نظرية في بلده الأم يمكن دمجه مع أبرز معاهد الأبحاث في العالم.
قال: "عندما اطلعت على رؤية أبهيشيك لودها ومؤسسة لودها - وهي بناء مؤسسة قائمة على التميز وأن تكون من بين الأفضل في العالم - لامست هذه الرؤية قلبي بعمق. إن استقلالية المعهد عن التمويل الحكومي واعتماده على التمويل الخاص يمنحه مرونة كبيرة، وهو أمر يصعب تحقيقه في المؤسسات المدعومة حكوميًا في الهند."
تم افتتاح المعهد قبل المقابلة بفترة وجيزة، ولا يزال في مراحله الأولى. وأوضح جاين أنه في هذه المرحلة هو الباحث الرئيسي الدائم، إلى جانب الطلاب والزملاء المشاركين في النشاط، لكن النية تتجه نحو توسيعه تدريجياً.
قال إن البحوث الأساسية في الهند ضئيلة مقارنة بحجم البلاد. وفي مجال ميكانيكا الكم للمادة المكثفة، قدر أن هناك نحو مئة باحث فقط يعملون في الهند، وهو عدد أقل بكثير من نظرائهم في الولايات المتحدة أو الصين أو ألمانيا. وكانت هذه تقديرات عامة أدلى بها خلال حديثه، وليست بيانات من مسح رسمي.
يأمل جاين أن يقدم معهد لودا دليلاً على أنه من الممكن إنشاء مركز دولي للتميز في الهند، والذي سيجذب الباحثين ويسمح للشباب بالانخراط في الأسئلة الأساسية دون مواجهة القيود البيروقراطية التي تميز المؤسسات الحكومية في بعض الأحيان.
على سبيل المثال، ذكر موتي هايبلوم، الذي ترك شركة IBM في ذلك الوقت وعاد إلى إسرائيل، وساعد لاحقًا في بناء مجموعة بحثية قوية في فيزياء المادة المكثفة في معهد وايزمان.
وقال: "نأمل أن نبني شيئاً على هذا المنوال. إن إنشاء عملية تجريبية أصعب بكثير. نأمل أن يكون الأمر أسهل قليلاً في الفيزياء النظرية، وأن نتمكن من تقديم دليل على إمكانية ذلك."
هيرتسوغ والعلماء وهجرة العقول
ارتبط النقاش حول عودة جاين إلى الهند أيضاً بمسألة هجرة العقول. عندما أخبرته أنني حضرت في اليوم السابق فعالية في مكتب الرئيس للإعلان عن برنامجي "أور" و"بيريشيت"، اللذين يتناولان عودة الباحثين الإسرائيليين من الخارج، قارن ذلك بالوضع في الهند.
وقال: "لا أفهم لماذا يهتم السياسيون في الهند بهذه القضية. لديهم مشاكل أخرى كثيرة".
وقالت جين إنه أعجب بشكل خاص بالوقت الذي خصصه الرئيس إسحاق هرتسوغ للعلماء في حفل الاستقبال الذي سبق حفل توزيع جائزة وولف في الكنيست.
قال جاين: "لقد كان هناك طوال الساعة. إنه أمرٌ ربما لا يحدث في الهند - أن يقضي السياسيون كل هذا الوقت مع العلماء. آمل أن يحدث ذلك هنا أيضاً في المستقبل."
لم تكن المقارنة انتقاداً لزعيم هندي معين، بل كانت بالأحرى تعبيراً عن شعوره بأن النظام السياسي في الهند لا يزال لا يولي البحث الأساسي وجذب الباحثين الاهتمام الذي يرغب في رؤيته.
"إنسانية واحدة وعلم واحد"
لم يزر جاين إسرائيل إلا مرتين. وقال إن زيارته الأولى كانت قصيرة، استغرقت يومًا واحدًا قبل نحو 25 عامًا. هذه المرة لم يتسنَّ له الوقت الكافي لزيارة المختبرات، لكنه أشار إلى أنه على دراية جيدة بعمل الباحثين الإسرائيليين في مجال فيزياء المادة المكثفة الكمومية. وذكر اسم هايبلوم وباحثين إسرائيليين آخرين، مشيرًا إلى أن العديد من الفيزيائيين الهنود تلقوا تدريبهم في مجموعات بحثية في إسرائيل.
وقال: "ربما يكون معهد وايزمان أفضل مكان في العالم لهذا النوع من الأبحاث".
وفي ختام المقابلة، تطرق جاين أيضاً إلى قدرة العلم على تجاوز الحدود الوطنية والسياسية. وقد حضر المؤتمر الذي عُقد بمناسبة افتتاح المعهد الجديد في مومباي باحثون من مختلف البلدان، بما في ذلك إسرائيل وإيران.
قال: "لم يخطر ببالي للحظة أن هناك أي شيء استثنائي في الأمر. في العلم، نحن مجموعة واحدة - إنسانية واحدة وعلم واحد. يجب أن يوحد العلم الناس، لا أن يفرقهم."
المزيد عن هذا الموضوع على موقع العلوم
- تم الإعلان عن الفائزين بجائزة وولف لعام 2025 في العلوم والهندسة المعمارية.
- جائزة وولف في الفيزياء لعام 2025: تكريم الباحثين في مجال الحوسبة الكمومية، ومن بينهم البروفيسور موتي هايبلوم من معهد وايزمان
- بدأت الساعات النووية الأولى تدق – مما يفتح نافذة على فيزياء جديدة
- ليست آلة زمن: هكذا جعل الباحثون نظامًا كميًا يبدو وكأنه يسير للخلف
- لأول مرة: علماء الفيزياء ينجحون في تشابك حركة الذرات الكمومي
