كيف انتهى الجدل الذي دام قرنًا حول الطبيعة الحقيقية للضوء

وفيما يلي مقتطف من لدينا فقدت في الزمكان النشرة الإخبارية. كل شهر، نتعمق في أفكار رائعة من جميع أنحاء الكون. يمكنك الاشتراك في فقدت في الزمكان هنا.

عندما حصل الفيزيائي كلينتون دافيسون على جائزة نوبل في عام 1937 لاكتشافه أن الإلكترونات، التي كانت تعتبر جسيمات، يمكن أن تتصرف في بعض الأحيان بشكل غير متوقع مثل الموجات، حرص على تسليط الضوء على الضوء. قال: “لقد تحول طفل الفيزياء المثالي إلى جنوم برأسين”. وكان من المعروف بالفعل أنه ليس أحدهما أو الآخر، بل يشبه الموجة والجسيم. اعتاد الفيزيائيون على الاعتقاد بأن كونك جسيمًا وكونك موجة أمران متنافيان، ولكن هنا لدينا، في الضوء والآن أيضًا الإلكترونات، مثالان يتعارضان مع ذلك. كان دافيسون في حيرة إلى حد ما، ولم يستطع إلا أن يصل إلى استعارة بشعة.

لقد كان بصحبة جيدة – قبل 10 سنوات، خاض ألبرت أينشتاين جدالًا مشهورًا مع نيلز بور حول هذا السخافة الظاهرة. إن أسلاف نظرية الكم اتهموا بعضهم البعض مسلحين فقط بـ gedankenexperimentsأو التجارب الفكرية، حيث لم يكن لديهم التكنولوجيا اللازمة لتحقيقها في المختبر. لكن عداءهم لم يعد موجودا. وفي عام 2025، تم إجراء التجارب التي حلم بها أينشتاين وبوهر بشدة في المختبر، وأكثر من مرة. ظهر الضوء وكلا الرأسين سليمين.

لقد كانت مسألة الطبيعة الحقيقية للضوء مثيرة للجدل دائمًا. وفي القرن السابع عشر، انقسم عالمان عظيمان آخران. جادل عالم الرياضيات كريستيان هويجنز بأن الضوء عبارة عن موجة، بينما ادعى الفيزيائي إسحاق نيوتن أنه عبارة عن تيار من الجسيمات. نشر Huygens كتابه رسالة في الضوء في عام 1690، بالقرب من وفاته، لكن حجج نيوتن وسمعته طغت عليها.

لا يمكن أن يبقى رأس لايت الآخر مخفيًا إلا لفترة طويلة. في عام 1801، ابتكر الفيزيائي توماس يونغ تجربة الشق المزدوج الشهيرة الآن، محاولًا إجبار الضوء على الكشف عن طبيعته الحقيقية. ما فعلته كان يعادل الصراخ “أنا موجة” في وجه أي فيزيائي يستمع. لفترة من الوقت، تم قبول هذا المجال. ولكن بحلول عام 1927، لم يكن أينشتاين وبور يتجادلان حول الطبيعة الحقيقية للضوء مرة أخرى فحسب، بل كانا يتجادلان أيضًا حول تجربة الشق المزدوج نفسها.

في هذه التجربة، تم وضع حاجز ذو شقين متوازيين ضيقين أمام الشاشة. ما يأتي بعد ذلك بسيط. سلط الضوء على الشقوق، ثم شاهد الشاشة. إذا كان الضوء جسيمًا، فستظهر الشاشة بقعتين من الضوء، واحدة خلف كل شق. لكن ما رآه يونج والعديد من علماء الفيزياء من بعده كان أكثر تعقيدًا، وهو نمط تداخل جميل، يترك خطوطًا داكنة وخفيفة تتناوب عبر الشاشة بأكملها. هذه هي السمة المميزة لموجة الضوء. تتسرب موجات الضوء من خلال الشقوق، وحيثما تلتقي في قممها، يتضخم سطوعها، مما يخلق شريطًا ساطعًا. الاقتران بين القمة والحوض يترك شريطًا داكنًا.

إذن، ما الذي كان يمكن الجدال حوله بعد قرن من الزمان؟ على سبيل المثال، كان أينشتاين متمسكًا بالنتائج السابقة من تجربة حيث تم تسليط الضوء على قطعة من الذهب، والتي أوضح فيها ميلها الغامض لدفع إلكترونات الذهب إلى الخارج من خلال افتراض أن الضوء يتكون من جسيمات تسمى الفوتونات. أظهرت هذه التجربة رأسًا واحدًا فقط من رؤوس الضوء، ورأسًا مختلفًا عن تجربة يونج، لكن أينشتاين ظل يبحث عن علامات جسيمية الضوء عبر التجارب.

جعلت نظرية الكم هذا الأمر أكثر صعوبة لأنها أكدت أن نمط التداخل سيظهر حتى لو تم إجراء تجربة الشق المزدوج بفوتون واحد في كل مرة. واجه الفيزيائيون صعوبة في تصور كيف يمكن لفوتون واحد أن ينسكب عبر شقين في نفس الوقت. قضت تفاصيل نمط التداخل على إمكانية انقسام الفوتون بطريقة أو بأخرى إلى قسمين، مما جعل الأمر يبدو وكأن القزم كان يقوم ببعض الخدع السحرية.

اقترح بور أن إحدى طرق التعامل مع هذا الأمر هي من خلال مبدأ التكامل. من الممكن أن يتم عرض طبيعة الفوتون الموجية والجسيمية في التجارب، ولكن ليس في وقت واحد. أينشتاين لم يكن يملكها. أدخل تجارب جيدانكن.

في تجربة أينشتاين الفكرية، هناك شق إضافي يمر عبره الضوء قبل الشق المعتاد، وهو مزود بنابض بحيث يرتد عندما يجتازه الفوتون. لقد تخيل أن الفيزيائيين يمكنهم ملاحظة ما إذا كانت الزنبركات مضغوطة أو ممتدة بعد اصطدامها بالفوتون، وبالتالي تحديد ما إذا كان الفوتون قد مر عبر الشق العلوي أو السفلي. بهذه الطريقة، قال أينشتاين، يمكنهم معرفة الشق الذي مر من خلاله الفوتون، وهو سلوك يشبه السلوك الجسيمي للغاية، لكنهم سيظلون يرون النمط الموجي المنبئ على الشاشة. لقد اعتقد أنه ابتكر طريقة لإلقاء نظرة على رأسي الفوتون.

اعتمدت حجة بور المضادة على سمة كلاسيكية أخرى للنظرية الكمومية – مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج. وفقًا لهذا المبدأ، فإن بعض خصائص الأشياء القابلة للقياس تأتي في أزواج، مثل الزخم والموضع، وهناك مقايضة في الدقة التي يمكننا من خلالها معرفة أي منهما. على سبيل المثال، إذا قام الباحثون بقياس زخم الجسيم بدقة شديدة، فإن معرفتهم بموقعه ستكون غير دقيقة على الإطلاق. على نحو فعال، سيظهر الجسيم مثل فقاعة غامضة منتشرة. جادل بور بأن التفاعل بين الفوتون والشق، حتى الفوتون النابض لأينشتاين، من شأنه أن يغير زخمهما. يمكن استخدام قياس التغير الذي يحدثه الفوتون في حركة الزنبركات – التغير في زخم الشق – لاستنتاج التغير في زخم الفوتون وهذا من شأنه أن يجعل موقعه غامضًا ويدمر نمط التداخل، و”يمحو” خطوطه.

لم يتوصل أينشتاين وبوهر إلى اتفاق قط، لكن نقاشهما أصبح مشهورًا. يقول فيليب تروتلين من جامعة بازل في سويسرا: “لقد واجهها كل باحث في مجال علم الكم بطريقة أو بأخرى”. اتصلت به بعد أن علمت أن فريقين بحثيين منفصلين قد حولا تجربة جيدانكن الشهيرة هذه إلى حقيقة. ويقول إن نتائج التجارب كانت جميلة، فقد كانت تحاكي بشكل وثيق ما تصوره بور وأينشتاين.

لكن تريوتلين أخبرني أيضًا أن الفيزيائيين المعاصرين يعتبرون عادةً أن النقاش قد حسم بالفعل. ومع ذلك، فقد استغرق الأمر مائة عام حتى يتم اختباره بشكل ملموس في المختبر. وذلك لأن الفوتونات صغيرة وعديمة الكتلة، لذا فإن صنع شقوق ذات معنى للتجربة يتطلب تحكمًا ملحوظًا في المكونات الكمومية الصغيرة. يقول تشاو يانج لو Chao-Yang Lu من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية (USTC)، إن أي شيء قد تتخيله عندما تقرأ “الشق الضيق” ربما يكون أكبر بكوادريليون مرة أو أكثر من أن يصلح في هذه التجربة. للتحايل على ذلك، قام فريقه في USTC وفريق آخر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ببناء شقوقهم تحت درجات حرارة شديدة البرودة، مما يجعل من الممكن التحكم في الذرات الفردية باستخدام أشعة الليزر والنبضات الكهرومغناطيسية، وتحويلها إلى شقوق بديلة مفيدة.

استخدم الفريقان تصميمين مختلفين لبناء الشقوق النابضة للغاية. ولدى الفيزياء الذرية في القرن الحادي والعشرين أدوات راسخة لقياس كيفية تأثر الذرة بفوتون عابر. وشبهه فولفجانج كيتيرل، الذي قاد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بالكشف عن نسيم خفيف من خلال النظر إلى أوراق الأشجار. “في صورة أينشتاين، يمر الفوتون عبر الشق. هل يلاحظ الشق أن الفوتون قد مر عبره؟ هل يصدر الشق حفيفًا؟ لقد أصبحنا الآن قادرين، باستخدام التقنيات الحديثة، على إعداد الذرات في مثل هذه الحالة، بحيث أنه عندما يمر الفوتون عبر “الشق”، فإن الذرة تصدر حفيفًا”. وجد كلا الفريقين أن المقايضة التي تنبأ بها بور بين حدة نمط التداخل وكيفية تأثر زخم الذرات بالفوتون. في الواقع، سيختفي نمط التداخل تمامًا كما توقع.

لذا، يمكننا أن نرى الفوتون يعمل كجسيم أو كموجة في نفس التجربة. ولكن بفضل التقدم في الفيزياء الذرية، يمكننا أن نفعل أكثر من ذلك: يمكننا التعرف على طبيعتها المزدوجة في الوقت الحقيقي.

أخبرني كل من كيترلي ولو أن النتائج الأكثر إثارة جاءت عندما قاموا بقياس كمية معينة فقط من معلومات ارتداد الذرات – مجرد حفيف خافت – ولاحظوا أيضًا نمط تداخل ضبابي. حتى معلومات الارتداد الجزئي تعني أنهم كانوا يلمحون الفوتون وهو يفعل شيئًا يشبه الجسيم. وحتى التلميح لنمط التداخل كشف بالمثل عن موجته. يقول لو: “لم تعد رؤية التداخل الشبيه بالموجة وإمكانية تمييز المسار الشبيه بالجسيم خيارين متعارضين بنعم أو لا”.

وكما تبين، يمكنك في الواقع رؤية رأسي الضوء، لكن ليس بشكل جيد.