منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم اليوم الثلاثاء السابع من اكتوبر/تشرين اول الحالي جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025 لثلاثة علماء اميركان ساهمت بحوثهم في ثمانينات القرن الماضي في تطوير فيزياء الكم وبدء عصر الفيزياء الحديثة.
خصائص الكم على المستوى البشري
أجرى الحائزون على جائزة نوبل في الفيزياء لعام ٢٠٢٥، جون كلارك، وميشيل هـ. ديفوريت، وجون م. مارتينيس، سلسلة من التجارب لإثبات إمكانية تجسيد الخصائص الغريبة للعالم الكمي في نظام كبير بما يكفي لحمله باليد. استطاع نظامهم الكهربائي فائق التوصيل أن ينتقل من حالة إلى أخرى، كما لو كان يمر عبر جدار. كما أظهروا أن النظام يمتص ويصدر الطاقة بجرعات ذات أحجام محددة، تمامًا كما تنبأت ميكانيكا الكم.
تصف ميكانيكا الكم خصائص مهمة على نطاق يشمل جسيمات مفردة. في فيزياء الكم، تُسمى هذه الظواهر مجهرية، حتى عندما تكون أصغر بكثير مما يمكن رؤيته باستخدام المجهر الضوئي. وهذا يتناقض مع الظواهر العيانية، التي تتكون من عدد كبير من الجسيمات. على سبيل المثال، تتكون الكرة اليومية من عدد هائل من الجزيئات ولا تُظهر أي تأثيرات ميكانيكية كمومية. نعلم أن الكرة سترتد في كل مرة تُرمى فيها على الحائط. ومع ذلك، قد يمر جسيم واحد أحيانًا عبر حاجز مكافئ في عالمه المجهري ويظهر على الجانب الآخر. تُسمى هذه الظاهرة الميكانيكية الكمومية بالنفق.
تُقدّر جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام التجارب التي أظهرت كيف يمكن ملاحظة النفق الكمومي على نطاق واسع، بما في ذلك العديد من الجسيمات. في عامي 1984 و1985، أجرى جون كلارك وميشيل ديفوريت وجون مارتينيس سلسلة من التجارب في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. قاموا ببناء دائرة كهربائية بموصلين فائقين، وهما مكونان يمكنهما توصيل تيار كهربائي دون أي مقاومة كهربائية. وفصلوا بينهما بطبقة رقيقة من مادة لا توصل أي تيار على الإطلاق. في هذه التجربة، أظهروا قدرتهم على التحكم في ظاهرة تتصرف فيها جميع الجسيمات المشحونة في الموصل الفائق بانسجام، كما لو كانت جسيمًا واحدًا يملأ الدائرة بأكملها.
(عند رمي كرة على جدار، يمكنك التأكد من ارتدادها إليك. ستُفاجأ بشدة إذا ظهرت الكرة فجأة على الجانب الآخر من جدار صلب. هذه هي بالضبط الظاهرة التي أكسبت فيزياء الكم سمعة كونها غريبة وغير بديهية).
هذا النظام الشبيه بالجسيمات محاصر في حالة يتدفق فيها التيار دون أي جهد – وهي حالة لا يمتلك فيها طاقة كافية للهروب منها. في التجربة، يُظهر النظام طابعه الكمي باستخدام النفق للهروب من حالة الجهد الصفري، مُولّدًا جهدًا كهربائيًا. كما تمكّن الفائزون بالجائزة من إثبات أن النظام مُكمّم، أي أنه يمتص أو يُصدر الطاقة بكميات محددة فقط.
(في البداية، لم يكن للتجربة أي جهد على الإطلاق. يبدو الأمر كما لو أن هناك رافعة في وضع الإيقاف، وشيء ما يمنع نقلها إلى وضع التشغيل. لولا تأثيرات ميكانيكا الكم، لظلت هذه الحالة ثابتة. فجأة، يظهر جهد كهربائي. هذا كما لو أن الرافعة قد انتقلت من وضع الإيقاف إلى وضع التشغيل، على الرغم من وجود حاجز بينهما. ما حدث في التجربة يُسمى النفق الكمي العياني).
الأنفاق والمعابر
لمساعدتهم، كان لدى الحائزين على الجائزة مفاهيم وأدوات تجريبية طُوّرت على مدى عقود. إلى جانب نظرية النسبية، تُعدّ فيزياء الكم أساس ما أصبح يُسمى بالفيزياء الحديثة، وقد أمضى الباحثون القرن الماضي في أستكشاف ما تنطوي عليه.
قدرة الجسيمات الفردية على النفق معروفة جيدًا. في عام ١٩٢٨، أدرك الفيزيائي جورج جاموف أن النفق هو السبب في ميل بعض النوى الذرية الثقيلة إلى الاضمحلال بطريقة معينة. يخلق التفاعل بين القوى في النواة حاجزًا حولها، حابسًا الجسيمات التي تحتويها. ومع ذلك، ورغم ذلك، قد تنفصل قطعة صغيرة من نواة الذرة أحيانًا، وتتحرك خارج الحاجز وتهرب، تاركةً وراءها نواة تحولت إلى عنصر آخر. لولا النفق، لما حدث هذا النوع من الاضمحلال النووي.
النفق عملية ميكانيكية كمومية، تستلزم أن تلعب الصدفة دورًا. بعض أنواع النوى الذرية لها حاجز طويل وواسع، لذا قد يستغرق ظهور قطعة من النواة خارجه وقتًا طويلاً، بينما تتحلل أنواع أخرى بسهولة أكبر. إذا نظرنا إلى ذرة واحدة فقط، فلا يمكننا التنبؤ بموعد حدوث ذلك، ولكن من خلال مراقبة اضمحلال عدد كبير من النوى من نفس النوع، يمكننا قياس الوقت المتوقع قبل حدوث النفق. الطريقة الأكثر شيوعًا لوصف ذلك هي من خلال مفهوم نصف العمر، وهو المدة التي يستغرقها نصف النوى في عينة ما للاضمحلال.
وهنا لابد من التأكيد على ان الفائزين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025 قد ساهموا في تحقيق فائدة عملية في مختبرات الفيزياء، وفي توفير معلومات جديدة للفهم النظري لعالمنا المادي. (المقالة مترجمة عن المصدر: الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم)
