رحلة فكرية

كانت إحدى مساهمات أينشتاين الأكثر ديمومة في الفيزياء هي استخدامه لتجارب جيدانكن، والتجارب الفكرية * تركت تجارب أينشتاين الفكرية إرثًا طويلًا ولكن بتأثير مختلط إلى حد ما / سابين هوسنفيلدر

تم نشر المقال بموافقة مجلة Scientific American Israel وشبكة Ort Israel

تجربة غدانسك, "التجربة الفكرية" باللغة الألمانية، هو الاسم الشهير الذي أطلقه أينشتاين على التخيلات التي أدت إلى أعظم إنجازاته في الفيزياء. وعزا بصيرته في سرعة الضوء الثابتة بالنسبة لكل مراقب، الفكرة التي تكمن في قلب النسبية الخاصة، إلى شبابه، عندما حلم أثناء النهار أنه كان يركب فوق شعاع من الضوء. النسبية العامة، نظريته الضخمة في الجاذبية، نشأت من تأملاته أثناء صعوده وهبوطه في المصعد. وفي كلتا الحالتين، توصل أينشتاين إلى نظريات جديدة حول العالم من خلال ملاحظة الأشياء في عين عقله، وهي ملاحظة تكسر الحدود التي وضعتها القياسات في المختبر.
لم يكن أينشتاين أول من قام بذلك، ولا الأخير، لكن إنجازاته غير العادية لعبت دورًا مركزيًا في تأسيس تجربة جيدانكن باعتبارها حجر الزاوية في الفيزياء النظرية الحديثة. يستخدم الفيزيائيون اليوم التجارب الفكرية بانتظام لاختراع نظريات جديدة ولإيجاد التناقضات في النظريات الموجودة أو نتائجها الجديدة.

لكن القبول الحديث للتجربة الفكرية يثير بعض الأسئلة المؤثرة. في البحث عن النظرية الموحدة الكبرى التي ستربط عالم ميكانيكا الكم الصغير مع وصف أينشتاين النسبي للكون على نطاق واسع، فإن الأفكار الأكثر شعبية اليوم لا تدعمها الملاحظات أو التجارب الفعلية. هل يمكن أن توجد بالفكر وحده؟ إلى أي مدى يمكنك الذهاب فقط بناءً على الصعوبات المنطقية؟ أين هو الخط الفاصل بين الحدس العلمي والخيال الجامح؟ لا يقدم إرث أينشتاين إجابات معينة: فمن ناحية، كان اعتماده على قوة الفكر نجاحًا باهرًا. ومن ناحية أخرى، فإن العديد من تجاربه الفكرية الأكثر شهرة كانت مبنية على بيانات من تجارب فعلية، مثل تجربة ميشيلسون-مورلي الكلاسيكية التي أظهرت لأول مرة أن سرعة الضوء ثابتة بالنسبة لأي راصد. علاوة على ذلك، فإن إصرار أينشتاين على الكميات القابلة للقياس كان يخفي عنه أحيانًا طبقات أعمق من الواقع، على الرغم من أن الأخطاء التي ارتكبها في تجاربه الفكرية ساهمت لاحقًا في اكتشافات أخرى.

سنصف في هذه المقالة بعض تجارب أينشتاين الفكرية الأكثر شهرة ونوضح كيف نجحت وكيف فشلت وكيف أنها لا تزال ضرورية لمناقشة الأسئلة في طليعة الفيزياء النظرية.

مصعد بدون نوافذ
في التجارب الفكرية، كانت عبقرية أينشتاين هي فهم أي جوانب التجربة كانت ضرورية وأيها تم إهمالها. أعط رأيك في أشهر تجربة: التجربة الفكرية للمصعد الذي بدأ أينشتاين ببنائه عام 1907. ادعى أينشتاين أن الشخص الذي يقف في مصعد بدون نوافذ، لا يستطيع معرفة ما إذا كان في حالة سكون في مجال الجاذبية، أو أنه يصعد بتسارع ثابت. ولذلك افترض أن قوانين الفيزياء نفسها يجب أن تكون هي نفسها في كلتا الحالتين. وفقًا لـ "مبدأ التكافؤ" هذا، من وجهة نظر محلية (في المصعد)، فإن تأثير الجاذبية هو نفس التسارع في غياب الجاذبية. وكانت ترجمة هذا المبدأ إلى لغة رياضية هي أساس النسبية العامة. أي أن تجربة المصعد الفكرية دفعت أينشتاين إلى القفزة الفكرية الشجاعة التي أدت في النهاية إلى إنجازه الأعظم: الوصف الهندسي للجاذبية.

عمل الشبح

في وقت لاحق من حياته المهنية، حارب أينشتاين بقوة ضد مبادئ ميكانيكا الكم، وخاصة ضد مبدأ عدم اليقين، الذي ينص على أنه كلما زادت معرفة المرء عن جانب معين من جسيم أولي، مثل موقعه، قلّت معرفته عن الجوانب الأخرى ذات الصلة. ذلك الجسيم، مثل زخمه، والعكس صحيح: فزيادة المعرفة عن زخم الجسيم تقلل من المعرفة عن موضعه. اعتقد أينشتاين أن مبدأ عدم اليقين كان علامة على أن نظرية الكم معيبة بشكل أساسي.

خلال سنوات تبادله مع عالم فيزياء الكم الدنماركي نيلز بور، ابتكر أينشتاين سلسلة من التجارب الفكرية المصممة لإظهار إمكانية انتهاك مبدأ عدم اليقين، لكن بور قتلها واحدة تلو الأخرى. وقد عزز هذا الجدل اعتقاد بور بأن عدم اليقين الكمي هو أحد المبادئ الأساسية للطبيعة. إذا لم يجد أينشتاين نفسه طريقة لقياس موضع الجسيم وزخمه بدقة، فهناك شيء ما في مبدأ عدم اليقين!

في عام 1935، نشر أينشتاين وزملاؤه بوريس بودولسكي وناثان روزين ما أصبح نقده الأكثر إقناعًا لمبدأ عدم اليقين. ربما لأن بودولسكي وليس أينشتاين هو من صاغ لغة المقال، فقد تم تقديم تجربة آينشتاين-بودولسكي-روزين الفكرية (EPR) ليس كسيناريو سهل التخيل مع الصناديق والساعات وأشعة الضوء، ولكن كسيناريو سهل التخيل مع الصناديق والساعات وأشعة الضوء. سلسلة من المعادلات المجردة التي تصف التفاعلات بين نظامين كميين عامين.

تتعامل أبسط نسخة من تجربة EPR مع السلوك المتناقض للجسيمات "المتشابكة": زوج من الجسيمات التي لها حالة كمومية مشتركة. هذه هي التجربة: تخيل جسيمًا غير مستقر ذو دوران صفري يتحلل إلى جسيمين أصغر حجمًا يطيران في اتجاهين متعاكسين. (الدوران هو الزخم الزاوي لجسيم ما، ولكن خلافًا لاسمه وتعريفه، لا علاقة له بالسرعة التي يدور بها الجسيم.) وفقًا لقوانين الحفظ، يجب أن يكون مجموع دوران الجسيمين يكون صفراً. ويترتب على ذلك أن أحد الجسيمين قد يكون له دوران "أعلى" والآخر "أسفل". ويترتب على قوانين ميكانيكا الكم أنه طالما لم يتم إجراء قياس، فإن قيمة الدوران للجسيمين ليست مطلقة. وبمجرد قياس دوران أحدهما، تتغير حالة الآخر على الفور، حتى لو تفصل بينهما مسافة كبيرة!

في نظر أينشتاين، هذا "العمل الشبحي من بعيد" هو هراء. ووفقا لنظريته النسبية الخاصة، لا شيء يمكن أن يتحرك بشكل أسرع من الضوء، وبالتالي لا يمكن للجسيمين أن ينقلا المعلومات على الفور من أحد طرفي الكون إلى الطرف الآخر. وبدلاً من ذلك، اقترح أن نتائج القياس تُعطى في المقام الأول من خلال «المتغيرات الخفية» المفقودة في وصف عالم ميكانيكا الكم. أثارت التجربة جدلاً استمر عدة عقود حتى عام 1964، عندما طور الفيزيائي جون ستيوارت بيل نظرية تضع تقديرًا كميًا دقيقًا للفرق بين المعلومات التي تمر بين الجسيمات المتشابكة والمعلومات التي افترض أينشتاين أنها مرت عبر المتغيرات الخفية.

منذ سبعينيات القرن العشرين، أظهرت التجارب المعملية على الأنظمة الكمومية المتشابكة مرارًا وتكرارًا أن أينشتاين كان مخطئًا، وأن الجسيمات الكمومية تتشارك بالفعل في معلومات متبادلة لا يمكن تفسيرها من حيث المتغيرات الخفية. إن الظلال عن بعد حقيقية، لكن التجارب أظهرت أيضًا أنه لا يمكن استخدامها لنقل المعلومات بسرعات أكبر من سرعة الضوء، بما يتوافق تمامًا مع نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. ولا تزال هذه الحقيقة غير البديهية واحدة من أكثر الألغاز غموضا في تاريخ الفيزياء، وتبين أن إصرار أينشتاين الخاطئ على معارضتها لعب دورا كبيرا في إثباتها.

أليس وبوب
واليوم، تختبر إحدى أهم التجارب الفكرية في الفيزياء كيفية الربط بين الكون النسبي الدقيق لأينشتاين وعدم اليقين الغامض المتأصل في طبيعة الجسيمات الكمومية.

خذ على سبيل المثال المفارقة التي كثر الحديث عنها حول الثقوب السوداء والمعلومات. إذا قمت بدمج النسبية العامة مع نظرية المجال الكمي، فستحصل على أنه بسبب التأثيرات الكمومية، تتبخر الثقوب السوداء، مما يعني أنها تبعث كتلتها ببطء على شكل إشعاع. وتبين أيضًا أن هذه العملية لا رجعة فيها: بغض النظر عن سبب خلق الثقب الأسود، فإن الثقب المتبخر دائمًا ما يصدر نفس التدفق من الإشعاع عديم الملامح والذي لا يمكن استخلاص أي معلومات حول محتوياته. لكن مثل هذه العملية غير ممكنة في نظرية الكم، لأن كل حدث يمكن نظريًا أن يحدث بترتيب زمني عكسي. على سبيل المثال، وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم، فإن رماد الكتاب المحترق لا يزال يحتوي على جميع المعلومات اللازمة لإعادة تجميع الكتاب، حتى لو كان من الصعب للغاية استخراج هذه المعلومات. لكن الثقب الأسود المتبخر ليس كذلك. لذلك هناك مفارقة هنا، تناقض منطقي. ويترتب على توحيد ميكانيكا الكم والنسبية العامة أن اللون الأسود يتبخر، ولكن يترتب على ذلك أيضًا أن هذه النتيجة غير متوافقة مع ميكانيكا الكم. لذلك هناك خطأ في هذه الدورة، ولكن أين؟
عادة ما تطلب التجارب الفكرية المصممة لاستكشاف هذه المفارقة تخيل اثنين من المراقبين، بوب وأليس، لديهما زوج من الجسيمات المتشابكة، وهي نفس الكيانات الغريبة من تجربة EPR. تقفز أليس إلى الثقب الأسود مع جسيمها، بينما يبقى بوب في الخارج، بعيدًا، مع جسيمه. بدون أليس، يكون جسيم بوب مجرد جسيم عادي بقيمة دوران "لأعلى" أو "لأسفل"، وستفقد المعلومات التي شاركها مع شريكه المتشابك مع أليس.

يلعب بوب وأليس دورًا مركزيًا في أحد الحلول الأكثر شيوعًا المقترحة للمفارقة، أو ما يسمى بتكامل الثقب الأسود، الذي اقترحه ليونارد سسكيند، ولاروس ثورليسيوس، وجون أوجلوم، في عام 1993، وكانوا جميعًا في جامعة ستانفورد آنذاك. يعتمد الحل على قاعدة أينشتاين الذهبية فيما يتعلق بتجربة جيدانكن: التركيز فقط على الكميات القابلة للقياس. افترض سسكيند وزملاؤه أن المعلومات التي تسقط في ثقب أليس يجب أن تنبعث في وقت ما مع الإشعاع المنبعث من ثقب التبخر. عادة ما يثير هذا الافتراض تناقضًا آخر، حيث أن ميكانيكا الكم تسمح للجسيم بالتشابك مع جسيم واحد آخر فقط في وقت معين. وتسمى هذه الميزة الزواج الأحادي للتشابك. أي أنه إذا كان جسيم بوب متشابكًا مع جسيم أليس، فلا يمكن أن يتشابك مع أي جسيم آخر. لكن تكامل الثقب الأسود يتطلب أن يكون جسيم بوب متشابكًا مع جسيم أليس وأيضًا مع الإشعاع الذي يصدره الثقب الأسود بعد ذلك، على الرغم من أن هذا ينتهك الزواج الأحادي. ولذلك يبدو للوهلة الأولى أن تكامل الثقب الأسود لا يؤدي إلا إلى استبدال تناقض بآخر.

لكن مثل الجريمة الكاملة، إذا لم يكن هناك شاهد على هذا التناقض، فربما يمكنها الهروب من التطبيق الصارم لقوانين الطبيعة. يعتمد تكامل الثقب الأسود على الادعاء بأنه لا يمكن لأي راصد أن يلاحظ خرق قوانين جسيمات أليس وبوب.

لتصور كشف هذه الجريمة المثالية في ميكانيكا الكم، تخيل مراقبًا ثالثًا، تشارلي، يحوم بالقرب من الثقب الأسود ويرى كلا من أليس وبوب. إنه يراقب ما يحدث بينما يبقى بوب في الخارج وتسقط أليس في الحفرة وتقيس باستمرار الإشعاع المنبعث من الحفرة. من الناحية النظرية، يمكن للمعلومات المشفرة في هذا الإشعاع أن تخبر تشارلي بأن بوب وأليس انتهكا الزواج الأحادي المتشابك. لكن لكي يعرف ذلك على وجه اليقين، يجب على تشارلي أن يقارن قياساته مع قياسات بوب وأيضا بين قياساته مع قياسات أليس، داخل الثقب الأسود. لذلك عليه أن يحوم في أفق الحدث، ويقيس الإشعاع المنبعث، ثم يقفز ويخبر أليس بما اكتشفه. من المثير للدهشة أن سسكيند وثورليسيوس كانا قادرين على إظهار أنه بغض النظر عن مدى صعوبة محاولات تشارلي، فإنه لن يتمكن أبدًا من مقارنة المعلومات الموجودة في يده مع معلومات أليس قبل أن تمزقهما قوى هائلة. وتعني حافة التهديد أن انتهاك ميكانيكا الكم لا يمكن أبدًا قياسه من قبل أي شخص بالقرب من الثقب الأسود، لذلك يمكن للنظريين تمرير هذا الانتهاك لقوانين الطبيعة دون عوائق.

ونكتفي بالقول إنه ليس كل المنظرين مقتنعين بصحة هذه الحجة. أحد الانتقادات الموجهة إلى تكامل الثقب الأسود هو أنه قد ينتهك مبدأ التكافؤ الخاص بأينشتاين: وهو المبدأ الذي ولد من تجربته في مصعد الأفكار. تتنبأ نظرية النسبية العامة لأينشتاين أنه مثلما لا يستطيع الراكب في المصعد التمييز بين الجاذبية والتسارع، فإن المشاهد خارج أفق الحدث للثقب الأسود لا ينبغي أن يشعر بأي شيء غير عادي. ولا يمكن للمشاهد أن يعرف أنه تجاوز نقطة اللاعودة.

سنعود مرة أخرى إلى تشابك بوب وأليس. إذا كان الإشعاع الذي يراه بوب بعيدًا عن الثقب الأسود يحتوي على جميع المعلومات التي اعتقدنا أنها اختفت مع أليس على الجانب الآخر من أفق الحدث، فلا بد أن هذا الإشعاع قد انبعث بطاقة عالية جدًا، وإلا لما أفلت من الثقب الأسود. جاذبية قوية بالقرب من الأفق. هذه الطاقة قوية بما يكفي لتبخير أي مراقب يقع في الحفرة قبل عبور الأفق. وهذا يعني أنه من اكتمال الثقب الأسود، فإنه يتبع أنه يحتوي على نوع من "جدار الحماية" المجاور لأفق الحدث الخاص به. لكن جدار الحماية هذا يتناقض بشكل مباشر مع ما يتنبأ به مبدأ التكافؤ لأينشتاين.

في هذه المرحلة، تعمقنا في المجال النظري. وبالفعل، قد لا نعرف أبدًا حلول هذه الألغاز. ولكن بما أن الحلول يمكن أن تؤدي إلى فهم الطبيعة الكمومية للمكان والزمان، فإن الألغاز، للأفضل أو للأسوأ، هي واحدة من أكثر المجالات حيوية في الفيزياء النظرية. بدأ الأمر كله بتأملات أينشتاين حول سقوط المصاعد الحر.

عن الكتاب
اعتدال الدفتر
سابين هوزنفيلدر
أستاذ في نورديتا "المعهد الشمالي للفيزياء النظرية" في ستوكهولم. إنها تتعامل مع الجاذبية الكمومية والفيزياء التي تنحرف عن النموذج القياسي. يمكنك العثور على المزيد من رسائلها على مدونتها: Backreaction.
لمزيد من القراءة

نرد أينشتاين وقطة شرودنغر: كيف حارب عقلين عظيمين العشوائية الكمومية لإنشاء نظرية موحدة للفيزياء. بول هالبيرن. الكتب الأساسية، 2015.
الثقوب السوداء ومفارقة المعلومات. ليونارد سسكيند؛ ساينتفيك أمريكان، أبريل 1997.
التهديد الكمي للنسبية الخاصة. ديفيد ز. ألبرت وريبيكا جال تشين، مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، يونيو-يونيو 2009
العلامات: علوم الفيزياء السريعة