كيف تجاوز أنتوني ليجيت حدود فيزياء الكم

في السنة الأولى من دراستي العليا، شاركت المكتب لفترة وجيزة مع طالب دراسات عليا هادئ وأكبر سنًا. عندما تمكنا أخيرًا من إجراء بعض الدردشة، علمت أنه كان “يعمل على نظرية النظارات مع توني”. أصبح هناك أمران واضحان: كان حل فيزياء النظارات أمرًا صعبًا، وكان يجب أن أعرف من هو توني. التقيت به قريبا بما فيه الكفاية. كان رجلاً بريطانيًا مهذبًا في السبعينيات من عمره، وكان يتحدث بإيقاع معلم طوال حياته وبوميض لا يقبل الجدل في عينيه. كان اسمه الكامل أنتوني جيمس ليجيت: حائز على جائزة نوبل، وفارس من فرسان الإمبراطورية البريطانية، وحائز على جوائز لا حصر لها، وخبير في سكان العالم الكمي شديد البرودة، ومنظر شارك في تطوير اختبار مؤثر لسبر المكان الذي يمكن أن ينتهي فيه هذا العالم، وهو السؤال الذي سعى إليه لعقود من الزمن. لقد وافته المنية في 8 مارس، ولم ينج من عائلته فحسب، بل من قبل عدد لا يحصى من الباحثين الملهمين الذين كان بالنسبة لهم، بطريقته المتواضعة المميزة، مجرد توني.

ولد ليجيت في جنوب لندن عام 1938، والتحق بمدرسة يسوعية حيث قام والده بتدريس الفيزياء والكيمياء، قبل أن يحصل على شهادة في الأدب الكلاسيكي والفلسفة والتاريخ القديم في جامعة أكسفورد. لكن نداء الفيزياء كان أعلى من النصوص القديمة واللغات الميتة. حصل على درجة أخرى، الآن في الفيزياء، وانتقل إلى جامعة إلينوي أوربانا شامبين (UIUC) لتدريب ما بعد الدكتوراه.

في ذلك الوقت، كانت جامعة UIUC غنية بالفيزيائيين الذين يدرسون أنواعًا جديدة من المواد والمواد الكمومية، والتي لم يكشف الكثير منها عن خصائصها الغريبة إلا عندما أصبحت باردة للغاية. من خلال عمله السابق، كان توني ملمًا بالفعل بفيزياء البرودة الفائقة، ولكن الوقت الذي قضاه في جامعة UIUC لفت انتباهه إلى مشكلة شكل نادر من الهيليوم يسمى الهيليوم -3. في محاضرته لجائزة نوبل، روى الوقت الذي جاء فيه الفيزيائيان جون باردين وليو كادانوف إلى مكتبه ليخبراه عن تجربة الهيليوم فائقة البرودة التي تحدث في الطابق السفلي. شرع ليجيت في التقاط جوانب تلك التجربة باستخدام المعادلات الرياضية، لكنه انحرف عن مساره. لقد تخلى عن هذا الحساب، لكنه سيستمر في العلاقة المتقطعة مع الهيليوم 3 فائق البرودة خلال العقد التالي.

تدخلت الصدفة لإعادته إلى دراسة هذا الأمر الغريب. في أحد أيام عام 1972، كان في إجازة عندما أحبط الطقس الممطر خططه للتنزه. لذا، التقى بصديقه التجريبي روبرت ريتشاردسون بدلاً من ذلك. وبحسب ليجيت، فإن ما سمعه في ذلك اليوم غيَّر مسيرته البحثية إلى الأبد، وأدى إلى حصوله على جائزة نوبل. وصف ريتشاردسون نتائج دراسة الهيليوم 3 فائق البرودة، حيث استخدم فريقه طريقة تصوير تسمى الرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتي حيرت ليجيت لدرجة أنه بمجرد مغادرة ريتشاردسون، قال ليجيت إنه “جلس لمحاولة بناء دليل رسمي على أنه في ضوء القوانين المقبولة عمومًا للميكانيكا الكم والميكانيكا الإحصائية، فإن التحول الملحوظ في التجارب لا يمكن أن يحدث ببساطة”. بمعنى آخر، كان يشعر بالقلق من أنه من خلال دراسة الهيليوم فائق البرودة، ربما يكون ريتشاردسون وزملاؤه قد عثروا على صدع في فيزياء الكم نفسها.

في غضون بضع سنوات، توصل ليجيت إلى أن فيزياء الكم كانت جيدة بالفعل، لكن الهيليوم 3 فائق البرودة كان في الحقيقة لا يشبه أي نظام فائق البرودة تمت دراسته من قبل. في هذا الوقت تقريبًا، كان العالم شديد البرودة قد أثار حيرة الفيزيائيين بالفعل. تجعل الغازات أو حتى بعض المواد الصلبة باردة بما فيه الكفاية، وفي بعض الأحيان تتصرف بشكل غريب. على سبيل المثال، عند درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية، لا تتنافر الإلكترونات الموجودة في الموصلات الفائقة مع بعضها البعض كالمعتاد، بل تقترن وتحمل الكهرباء بكفاءة مثالية. وفي حالات أخرى، يمكن لعشرات أو مئات الآلاف من الذرات المعرضة للبرد الشديد أن تتخذ نفس الحالة الكمومية وتتصرف بشكل فعال كقطعة واحدة من الأشياء الكمومية بدلاً من كونها أفرادًا متميزين. هذه هي الطريقة التي يتشكل بها السائل الفائق، ولماذا تكون لزوجته صفر ويمكنه القيام بحيل غير متوقعة، مثل تسلق جدران الحاوية. هل كان الهيليوم 3 شيئًا فائقًا أيضًا؟ أراد ليجيت معرفة ذلك، وفعل ذلك بصرامة.

لقد طور نظرية شاملة عن الهيليوم 3 فائق البرودة، وهي مهمة رياضية كشفت أنه لم يكن مجرد سائل فائق واحد، ولكن ذراته يمكن أن تشكل عدة أنواع مختلفة من السوائل الفائقة. وفي وصفه لهذا، اكتشف أيضًا شكلاً جديدًا من كسر التناظر، وهي سمة رياضية للنظرية فائقة البرودة الجديدة التي يمكن أن تفسر القياسات الغامضة سابقًا من المختبر.

حصل ريتشاردسون على جائزة نوبل عن تجربته للهيليوم 3 في عام 1996، وحصل ليجيت على جائزة نوبل عن هذه النظرية في عام 2003.

تقول سميثا فيشفيشوارا، التي كانت مستشارة الدراسات العليا في جامعة UIUC: “ما زلت أتذكر النشوة الجماعية التي سادت عام 2003 في اليوم الذي أُعلن فيه عن جائزة نوبل في الساعات الأولى من الصباح”. انتقل توني إلى جامعة UIUC في عام 1983، وجاءت للعمل معه كباحثة ما بعد الدكتوراه في عام 2002. “لقد كان معلمًا لطيفًا وحكيمًا وصديقًا وزميلًا وملهمًا للكثيرين منا.” أستطيع أن أتخيله جالسًا على إحدى الطاولات المستديرة في معهد نظرية فيزياء المادة المكثفة بجامعة UIUC، والذي يحمل الآن اسمه، منهمكًا في التفكير ولكنه ليس مشغولًا أبدًا بالإجابة على أي سؤال.

وكان توني مهتمًا بالعديد من الأسئلة أكثر من مجرد لغز سائل الهيليوم -3 الفائق. كانت هناك دراسة النظارات التي أخبرني عنها طالب الدراسات العليا الأكبر سنًا، لكن توني كان مهووسًا بشكل خاص بفكرة أن نظرية الكم قد لا تنطبق على العالم بأكمله، وعلى وجه التحديد أنها قد لا تعمل مع الأجسام الكبيرة. هل يمكن أن تكون كل غرابة فيزياء الكم – مثل كون الجسيم مجرد سحب من الخصائص المحتملة عندما لا ينظر إليها أحد – مقتصرة على الأجسام الصغيرة فقط؟

تكهن ليجيت بهذا في مقابلة عام 2003 بعد حفل جائزة نوبل، قائلاً: “إذا كنا لا نزال نؤمن حقًا (بفيزياء الكم) في عام 3000، فأعتقد إلى حد ما أن موقفنا تجاه العالم المادي على المستوى اليومي سيكون مختلفًا جذريًا عما هو عليه اليوم، لأننا سنضطر حقًا إلى مواجهة هذه الغرابة، والتي بحلول ذلك الوقت أنا واثق من أنها ستتضخم إلى المستوى اليومي. أعتقد أنه على الأقل محتمل بنفس القدر وربما والأكثر من ذلك، أننا سنجد أنه في مكان ما على طول الخط تنهار ميكانيكا الكم وستحل محلها نظرية جديدة، والتي لا يمكن أن يكون لدينا تصور لها في الوقت الحاضر. وقال إن أمله الشخصي هو أن يحدث هذا بالضبط.

العثور على حافة فيزياء الكم

بحثًا عن هذا الخط المراوغ من الانهيار الكمي، قام هو وأنوبام جارج بصياغة اختبار رياضي في عام 1985 يمكن استخدامه لتقييم كمية الأجسام الكبيرة. يمكنك ملاحظة سلوك جسم ما في أوقات مختلفة، وربط هذه الملاحظات في معادلة تسمى الآن “متباينة ليجيت-جارج”، ومعرفة ما إذا كانت قواعد فيزياء الكم لا تزال مسيطرة عليها أم لا. في السنوات الأخيرة، تم إجراء تجارب ليجيت-جارج على عدة أنظمة، بدءًا من جسيمات الضوء وحتى البلورات الصغيرة، ويدفعها الباحثون باستمرار إلى مستويات أكبر من أي وقت مضى.

كانت أسئلة ليجيت حول العلاقة بين العالم العياني وفيزياء الكم بمثابة بذور للتجارب التي حصلت على جائزة نوبل في العام الماضي فقط. يقول جون مارتينيس، من شركة الحوسبة الكمومية QoLab، الذي حصل على جائزة نوبل لإثباته أن التأثيرات الكمومية يمكن أن تظهر على نطاقات كبيرة مثل الدوائر المصنوعة من طبقات الموصلات الفائقة والعوازل: “سمعته يتحدث عن هذا في أوائل الثمانينيات، كما فعل آخرون أيضًا. لقد أخذنا اقتراحه وحولناه إلى تجربة جيدة جدًا”. كان لدى ليجيت بالفعل فهم متعمق لكيفية اختبار هذه الدوائر لوجود الكم العياني، وهو ما كان حافزًا كبيرًا لمارتينيس وفريقه لبناء هذه الدوائر بشق الأنفس في المختبر، كما يقول.

كتب طالبه السابق ديفيد واكسمان في جامعة فودان في الصين: “أعتقد أنه من العدل أن نقول إن توني كان بإمكانه النظر إلى ما رفضه الجميع باعتباره خللًا بسيطًا في الرسم البياني وإدراكه على أنه يشير إلى شيء جديد تمامًا”. “كان توني حساسًا للغاية لما كانت الطبيعة تحاول قوله.”

وقد شجعت نصيحة ليجيت للفيزيائيين الشباب على اتباع نفس النهج. وقد نصح ذات مرة قائلاً: “إذا كان هناك شيء في الحكمة التقليدية لا تفهمه، فلا تقلق بشأنه طالما استغرق الأمر، ولا تردعك تأكيدات زملائك الفيزيائيين بأن هذه الأسئلة مفهومة جيدًا”. ثم أضاف أنه “لا يتم إهدار أي بحث تم إجراؤه بأمانة على الإطلاق”، حتى لو انتهى به الأمر إلى البقاء في الدرج لعقود من الزمن قبل تحفيز فكرة جديدة.

لقد غادرت UIUC في ربيع عام 2020، وحتى في ذلك الوقت لا يزال بإمكانك إلقاء نظرة على توني في مكتبه، وهو يعمل وهو في الثمانينيات من عمره. أعتقد حقًا أنه لم يتوقف أبدًا عن الاستماع إلى الطبيعة بهذا الفضول والاهتمام المشهورين. أتمنى لو كان بإمكاني إلقاء نظرة على الدراسات التي كانت لا تزال تنتظر لحظتها في أدراج مكتبه.