فيزيائيون في كالتك يرصدون سلّماً طاقياً كمومياً تنبأت به نظرية قبل 40 عاماً

تمكّن فريق بحثي في معهد كاليفورنيا للتقنية (كالتك) من قياس أنماط طاقة كمومية دقيقة، تنبأت بها نظرية فيزيائية منذ نحو أربعين عاماً، في تجربة تُعد أول تأكيد تجريبي مباشر لهذه التنبؤات النظرية التي ظلت حبيسة المعادلات الرياضية لعقود طويلة قبل أن تتوفر الأدوات اللازمة لاختبارها عملياً.

وقاد التجربة فريقان بحثيان مشتركان، أحدهما تجريبي بقيادة الباحث مانويل إندريس، والآخر نظري بقيادة الباحث جيسون أليكيا، واستخدم الفريقان ما يُعرف بـ "المحاكيات الكمومية"، وهي أنظمة فيزيائية قابلة للتحكم الدقيق تُستخدم لإعادة إنتاج سلوك أنظمة كمومية معقدة يصعب دراستها مباشرة أو حسابياً بالوسائل التقليدية.

وتقوم فكرة التنبؤ النظري الذي جرى اختباره على ما يُعرف بـ "نظرية الحقل المطابق"، وهي فرع من الفيزياء النظرية يصف كيف تتصرف أنظمة كمومية مختلفة تماماً في تركيبها الفيزيائي بطريقة متشابهة بشكل غريب عند الاقتراب من نقاط تحوّل طوري حرجة. وتتنبأ هذه النظرية بوجود نسب طاقة محددة، تشبه درجات سلّم، لم يسبق قياسها تجريبياً بشكل مباشر حتى هذه التجربة.

ولتنفيذ القياس، استخدم الباحثون أداة تُعرف بـ "الملاقط الضوئية"، وهي أشعة ليزر مركزة بدقة شديدة، لحبس ذرات عنصر السترونشيوم وترتيبها في خط واحد متسلسل. ثم أثار الباحثون هذه الذرات لتصل إلى ما يُعرف بـ "حالة ريدبرغ"، وهي حالة طاقة عالية جداً تجعل الإلكترونات الخارجية للذرة بعيدة جداً عن نواتها، مما يجعلها حساسة بشدة للتفاعل مع الذرات المجاورة وتدفعها للتصرف بشكل جماعي متماسك بدلاً من التصرف كذرات منفردة مستقلة.

وضبط الباحثون أشعة الليزر بدقة متناهية حتى وصلوا إلى نقاط التحول الحرجة الخاصة بنظريتين من نظريات الحقل المطابق، هما نظرية "آيزنغ" ونظرية "آيزنغ ثلاثية الحرج". ولرصد مستويات الطاقة الناتجة بدقة، طوّر الفريق تقنية جديدة أسموها "التحليل الطيفي بالتضمين متعدد الأجسام"، تعتمد على اضطراب سلسلة الذرات بلطف عند ترددات مختلفة، وقياس قوة استجابتها لكل تردد، في عملية تشبه إلى حد كبير تمرير إصبع حول حافة كوب نبيذ للعثور على تردده الرنيني الطبيعي.

وأظهرت نتائج القياسات تطابقاً دقيقاً مع التنبؤات النظرية التي صيغت قبل أربعة عقود، حيث لاحظ الباحثون أن "الأطياف المرصودة تتقارب جميعها نحو منحنى عام واحد بعد إعادة قياسها حسب حجم النظام"، وهو ما يؤكد صحة نسب الطاقة التي تنبأت بها كل من نظريتي آيزنغ المختبرتين. كما تمكّن الفريق من تحديد أنماط طاقية خفية إضافية عبر تصنيف الإثارات الذرية وفقاً لخصائصها التماثلية الدقيقة، في تفصيل يتجاوز ما كانت تسمح به القياسات النظرية المجردة فقط.

وتحمل هذه النتيجة أهمية بالغة لفيزياء المادة المكثفة والفيزياء الكمومية بشكل عام، لأنها تؤكد أن نظرية الحقل المطابق، التي طُوّرت أصلاً كإطار رياضي مجرد، تصف بدقة متناهية سلوك أنظمة فيزيائية حقيقية يمكن بناؤها واختبارها في المختبر. وتفتح هذه النتائج الباب لتطبيقات مستقبلية محتملة في مجال الحوسبة الكمومية، التي تعتمد بشكل متزايد على محاكيات كمومية مشابهة لتلك المستخدمة في هذه التجربة، إذ تساعد مثل هذه التأكيدات التجريبية الدقيقة على بناء ثقة أكبر في النماذج النظرية التي توجّه تصميم الأنظمة الكمومية المستقبلية الأكثر تعقيداً.

ويخطط الفريق البحثي لمواصلة استخدام هذا النوع من المحاكيات الكمومية القائمة على ذرات محصورة بالليزر لاختبار تنبؤات نظرية أخرى من نظرية الحقل المطابق لم يسبق اختبارها تجريبياً، في مسار بحثي قد يفتح آفاقاً جديدة لفهم السلوك الجماعي للأنظمة الكمومية المعقدة عند نقاط التحول الحرجة بين حالات المادة المختلفة.

ولا تبدو هذه النتيجة بعيدة عن تطلعات المنطقة العربية التي تُضاعف استثماراتها في الحوسبة الكمومية؛ إذ تتبنى دولة الإمارات العربية المتحدة استراتيجية وطنية للتقنيات الكمومية ضمن برنامجها الأشمل للاقتصاد الرقمي، فيما تُشغّل جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) مختبرات بحثية متخصصة في الفيزياء الكمومية والمواد المتقدمة. وتمثّل التأكيدات التجريبية من قبيل التحقق من تنبؤات نظرية الحقل المطابق ركيزةً علمية بالغة الأثر لبناء ثقة أكبر في المحاكيات الكمومية، وهو ما تحتاجه المراكز البحثية العربية الطامحة إلى تصميم أجهزة كمومية عملية خلال العقد المقبل.

ويُعدّ هذا النوع من التجارب مثالاً بارزاً على كيفية تلاقي الفيزياء النظرية البحتة، التي قد تبدو بعيدة كل البعد عن أي تطبيق عملي وقت صياغتها، مع تطورات تقنية لاحقة تتيح اختبارها بعد سنوات أو عقود طويلة. فنظرية الحقل المطابق صاغها فيزيائيون نظريون في الثمانينيات دون أن يتوقعوا بالضرورة أن تتوفر يوماً أدوات تجريبية بدقة الملاقط الضوئية الحديثة القادرة على التحكم في ذرات مفردة بهذا المستوى من الدقة. ويرى الباحثون أن استمرار تطور تقنيات التحكم الذري والليزري سيتيح في المستقبل القريب اختبار طيف أوسع من النظريات الكمومية التي ظلت حتى الآن حبيسة الأوراق البحثية النظرية فقط، بما يعزز الثقة المتبادلة بين الفيزياء النظرية والتجريبية في هذا المجال سريع التطور.