الملخص:
لماذا يمكن للذرات والجسيمات الأولية أن تظهر سلوكيات كمومية غريبة، في حين أن الأجسام العيانية التي نتفاعل معها كل يوم تتبع قوانين فيزيائية كلاسيكية مألوفة؟ لقد حاول الفيزيائيون منذ فترة طويلة حل هذا اللغز. في الآونة الأخيرة، أجرت دراسة جديدة في مختبر تحت الأرض في إيطاليا اختبارًا صارمًا لنظرية تم اقتراحها في الستينيات. وقام الباحثون بالقياس بشكل متواصل لمدة 62 يومًا، لكنهم لم يجدوا إشارة الإشعاع الضعيفة التي تنبأت بها النظرية، وبالتالي استبعدوا هذا النموذج المحدد كتفسير لآلية اختفاء الظواهر الكمومية.
تم الانتهاء من هذا البحث من قبل باحثين ذوي صلة من المعهد الوطني الإيطالي للفيزياء النووية، وتم نشر نتائج البحث في "المجلة الجديدة للفيزياء" في 19 يونيو 2026. تحمل الورقة عنوان "الاستبعاد التجريبي لنموذج فك الترابط الناجم عن الجاذبية المعمم كاروي-ضبابي". ولا تعني نتائج البحث عدم وجود علاقة بين الجاذبية وميكانيكا الكم، لكنها تلغي مسارًا نظريًا جذب انتباه مجتمع الفيزياء من أجل فهم سبب عدم ظهور تأثيرات كمومية واضحة في العالم العياني.
يشتمل البحث على واحدة من أشهر التجارب الفكرية في فيزياء الكم - قطة شرودنغر.
في عام 1935، اقترح الفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر تجربة فكرية: وضع قطة في صندوق مغلق به ذرات مشعة، وأجهزة غازات سامة، وما إلى ذلك. وإذا اتحللت الذرات، يطلق الجهاز غازًا سامًا وتموت القطة؛ إذا لم تتحلل الذرات، فإن القطة تبقى على قيد الحياة. وفقًا لوصف النظام بأكمله بواسطة ميكانيكا الكم، قد يكون النظام في حالة تراكب كمي لحالات مختلفة قبل إجراء القياس، مما يؤدي إلى المفارقة الشهيرة المتمثلة في كون القطة حية وميتة.
اقترح شرودنغر هذه التجربة الفكرية ليس للادعاء بأن القطط في الواقع يمكن أن تعيش وتموت في نفس الوقت بالمعنى اليومي، ولكن للكشف عن المشاكل العميقة التي تواجهها عند تطبيق نظرية الكم على العالم المجهري.
في العالم المجهري، يمكن أن تكون الجسيمات في حالة تراكب لحالات محتملة متعددة وتظهر خصائص كمومية مثل التداخل. ومع ذلك، فإن الأشياء في الحياة اليومية لا تظهر نفس الظاهرة الواضحة. يشير الفيزيائيون إلى العملية التي تصبح فيها ميزات التداخل الكمي أكثر صعوبة في المراقبة بعد تفاعل النظام الكمي مع البيئة المحيطة به باسم "فك الترابط".
يمكن للتفاعلات البيئية أن تفسر سبب ظهور العديد من الأجسام العيانية وكأنها تتبع قوانين الفيزياء الكلاسيكية، ولكن ما هي العلاقة بين ميكانيكا الكم والجاذبية، وما إذا كانت الجاذبية تدمر أيضًا التراكب الكمي بشكل فعال، لا تزال أسئلة مفتوحة في الفيزياء الأساسية.
في ستينيات القرن العشرين، اقترح عالم الفيزياء النظرية المجري فريجيش كاروجازي نظرية حاولت تفسير هذه المشكلة. وهو يعتقد أنه قد تكون هناك تقلبات صغيرة للغاية في المكان والزمان لا يمكن تجنبها بالكامل، وقد تؤدي هذه التقلبات إلى تدمير حالة التراكب في النظام الكمي تدريجيًا، مما يجعل من الصعب على الأجسام الكبيرة الاستمرار في إظهار السلوك الكمي.
يحاول هذا الخط من التفكير إنشاء علاقة بين ميكانيكا الكم ونظرية النسبية العامة لأينشتاين. تصف النسبية العامة الجاذبية بأنها نتيجة لانحناء الزمكان، وتذهب نظرية كارولجازي إلى أبعد من ذلك لتتخيل أنه قد تكون هناك شكوك صغيرة في الزمكان نفسه، مما قد يؤثر على تطور الأنظمة الكمومية.
بعد عقود من اقتراح هذه النظرية، قام الباحثون المعنيون بإعادة صياغتها وتحسينها لجعل تنبؤاتها خاضعة لاختبارات تجريبية أكثر صرامة. ويأمل الباحثون في تحديد تجريبيًا ما إذا كانت التقلبات الافتراضية في الزمكان تؤثر فعليًا على المادة بطرق قابلة للقياس.
تكمن المشكلة في أن تقلبات الزمكان التي تتصورها النظرية ضعيفة للغاية ولا يمكن قياسها بشكل مباشر وروتيني. ومع ذلك، إذا كانت هذه التقلبات موجودة بالفعل ويمكنها تسريع الجسيمات المشحونة بشكل عشوائي، فيجب أن تنتج الجسيمات إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ضعيفًا للغاية.
بعبارة أخرى، لا يتعين على الباحثين مراقبة الزمكان نفسه بشكل مباشر، ولكن ببساطة يبحثون عن إشارات الإشعاع التي تنبأت بها النظرية، مما يمنحهم فرصة لاختبار النموذج. إذا كانت الإشارة موجودة، فسوف توفر الدعم للنظرية؛ إذا كانت الحساسية التجريبية عالية بما فيه الكفاية ولكن لم يتم العثور على الإشارة المتوقعة مطلقًا، فيمكن للباحثين تحديد أو حتى استبعاد المعلمات والنماذج النظرية المقابلة.
ولاستكمال هذه التجربة، اختار فريق البحث مختبر غران ساسو الوطني في إيطاليا. يقع المختبر على عمق 1.4 كيلومتر تحت الأرض في جبال غران ساسو، وهو أحد أكبر المختبرات تحت الأرض لأبحاث الفيزياء الأساسية في العالم.
يمكن للتكوينات الصخرية تحت الأرض أن تحمي كمية كبيرة من الأشعة الكونية وغيرها من الإشعاعات الخلفية، مما يقلل من التداخل الخارجي. يعد هذا التدريع الطبيعي مهمًا عند البحث عن إشارات ضعيفة للغاية، نظرًا لأن الإشعاع الصادر من البيئة يمكن أن يكون أقوى بكثير من الإشارة المستهدفة التي يأمل الباحثون في التقاطها.
في التجربة، استخدم الباحثون بلورة الجرمانيوم عالية النقاء كمكون أساسي للكاشف، وهو بحجم فنجان قهوة تقريبًا. يتم أيضًا تركيب هيكل حماية متعدد الطبقات من النحاس والرصاص على الجزء الخارجي للكاشف لتقليل تأثير إشعاع الخلفية بشكل أكبر.
قام فريق البحث بجمع البيانات لمدة 62 يومًا متتاليًا، ثم قام بتحليل وطرح إشعاع الخلفية المتوقع من نتائج القياس، ومن ثم التحقق مما إذا كانت البيانات المتبقية تحتوي على إشارة الإشعاع المحددة التي تنبأ بها نموذج كارولجازي.
وفي النهاية، لم يجد الباحثون أي إشارات تتوافق مع توقعات النموذج.
تعني هذه النتيجة أن نموذج فك الترابط الناجم عن الجاذبية الذي تم اختباره تجريبيًا لا يمكن دعمه من خلال نتائج المراقبة. وبالتالي استبعد الباحثون هذه النسخة المحددة من النظرية، ووضعوا قيودًا جديدة للدراسات المستقبلية التي تحاول تفسير العلاقة بين فك الترابط الكمي والجاذبية.
وأشارت كاتارينا كورسينو، عضو الفريق البحثي ورئيسة الأبحاث في مختبر فراسكاتي الوطني التابع للمعهد الوطني الإيطالي للفيزياء النووية، إلى أن غياب الإشارة المتوقعة يعد في حد ذاته نتيجة علمية مهمة. ومن خلال استبعاد نموذج تمثيلي واحد طويل الأمد لفك الترابط الناتج عن الجاذبية، يمكن للباحثين تضييق نطاق بحثهم بشكل أكبر عن الآلية الفيزيائية ذات الصلة.
ومع ذلك، فإن هذه الدراسة لا تثبت أن الجاذبية لا يمكن أن تؤثر أبدًا على الأنظمة الكمومية، كما أنها لا تحل المشكلة الأكبر المتمثلة في كيفية توحيد ميكانيكا الكم والنسبية العامة.
قد تربط نظريات مختلفة بين الجاذبية وفك الترابط الكمي من خلال آليات أخرى، وما إذا كانت هذه الآليات صحيحة لا تزال تتطلب المزيد من التحقق التجريبي. ما تمكنت هذه التجربة من استبعاده هو نماذج محددة تم اختبارها، وليس كل الأفكار حول كيفية تأثير الجاذبية على السلوك الكمي.
وتتمثل أهمية البحث أيضًا في أنه يوضح عملية انتقال نظريات الفيزياء الأساسية تدريجيًا من الاستنباط الرياضي إلى الاختبار التجريبي الدقيق. في الماضي، اعتمدت بعض النظريات التي تتضمن بنية الزمكان والجاذبية الكمية بشكل أساسي على التحليل الرياضي والبحث المفاهيمي، مما يجعل من الصعب تصميم تجارب يمكنها اختبار تنبؤاتها بشكل مباشر. مع استمرار تحسن حساسية الكاشف، بدأت بعض النظريات في تقديم تنبؤات ملموسة يمكن اختبارها مقابل البيانات التجريبية.
تتضمن أفكار كارويهازي أيضًا سؤالًا مهمًا آخر: ما إذا كان البشر قادرين على قياس المسافات والمواقع في المكان والزمان بدقة لا متناهية.
في صورة الفيزياء الكلاسيكية، يمكن للمرء أن يتصور بشكل عام قياس موضع الأجسام بدقة متزايدة. ومع ذلك، في الأبحاث النظرية التي تحاول توحيد ميكانيكا الكم والجاذبية، فإن ما إذا كان الزمكان لا يزال يتمتع بخصائص مستمرة يمكن قياسها بدقة لا نهائية على مقاييس صغيرة للغاية قد اجتذب دائمًا الكثير من الاهتمام. تتضمن بعض أبحاث الجاذبية الكمومية، بما في ذلك نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية الحلقية، إعادة فهم بنية الزمكان على نطاقات صغيرة للغاية، لكن النظريات المختلفة تتعامل مع هذه المسألة بشكل مختلف.
أشار عالم فيزياء الكم كريستيان بيشيا، الذي شارك في التجربة، إلى أن العديد من الأفكار في أبحاث الجاذبية الكمومية تتضمن مفهوم الحد الأدنى لمقاييس الطول المتعلقة بعدم اليقين في قياسات الزمكان. ومع ذلك، فإن هذه التجربة لا تثبت ما إذا كان الحد الأدنى للطول موجودًا بالفعل، ولكنها تحد من نموذج محدد يحاول ربط عدم اليقين في الزمكان بفك الترابط الكمي.
يعتقد الباحثون أن التجارب الدقيقة أصبحت تدريجيًا قادرة على اختبار بعض الفرضيات الفيزيائية التي ظلت لفترة طويلة في مرحلة التكهنات النظرية. مع تطور التكنولوجيا التجريبية بشكل أكبر، من المتوقع أن يكون العلماء قادرين على الحكم بطريقة أكثر صرامة على النظريات التي يمكن أن تصف العالم الحقيقي وأي النظريات تحتاج إلى مراجعة أو التخلي عنها.
من قطة شرودنجر إلى تقلبات الزمكان إلى الجاذبية الكمية، لا يكشف هذا البحث بشكل مباشر عن جميع الأسرار التي تجعل العالم المجهري يعرض قوانين الفيزياء الكلاسيكية، لكنه يلغي نظرية كان يُعتقد في السابق أنها ربما تفسر هذه الظاهرة. إنه بمثابة تذكير بأن قيمة النظريات العلمية لا تكمن فقط في قدرتها على اقتراح تفسيرات مقنعة، ولكن أيضًا في قدرتها على تقديم تنبؤات واضحة وقابلة للاختبار ويمكن اختبارها من خلال النتائج التجريبية.
التعليقات