ليس لدي أي فكرة عما يعنيه كل هذا: الحائز على جائزة نوبل جون إف كلاوزر في طريقه الطويل لإثبات التشابك الكمي
في 4 أكتوبر ، استيقظ جون إف كلاوزر البالغ من العمر 80 عامًا في منزله بكاليفورنيا على الأخبار التي تفيد بأنه حصل على جائزة جائزة نوبل في الفيزياء. وسيتسلم الجائزة في حفل أقيم في ستوكهولم ، السويد ، في 10 ديسمبر مع أنطون زيلينجر وآلان أسبكت لعملهما على التشابك الكمي.
لقد كانت لحظة احتفال لكلوزر ، الذي ساعدت تجاربه الرائدة مع جزيئات الضوء في إثبات العناصر الأساسية لـ ميكانيكا الكم.
قال كلوزر: “الكل يريد الفوز بجائزة نوبل”. “انا سعيد جدا.”
لكن رحلة كلاوزر للفوز بأكبر جائزة في العلوم لم تكن دائمًا مباشرة.
في الستينيات ، كان كلاوزر طالبًا متخرجًا في الفيزياء في جامعة كولومبيا. عن طريق الصدفة ، وجد مقالًا في مكتبة الجامعة من شأنه أن يشكل مسيرته المهنية ويقوده لمتابعة العمل التجريبي الذي أكسبه في النهاية جائزة نوبل.
تناول المقال ، الذي كتبه الفيزيائي الأيرلندي جون ستيوارت بيل ، ونُشر في مجلة الفيزياء في عام 1964 ، ما إذا كانت ميكانيكا الكم تقدم وصفًا كاملاً للواقع أم لا. في قلب السؤال كانت ظاهرة تشابك الكم.
يحدث التشابك الكمي عندما يرتبط جسيمان أو أكثر بطريقة معينة ، وبغض النظر عن المسافة بينهما في الفضاء ، تظل حالاتهما مرتبطة.
على سبيل المثال ، تخيل الجسيم أ وهو يطير في اتجاه واحد والجسيم ب في الاتجاه الآخر. إذا كان الجسيمان متشابكين – مما يعني أنهما يشتركان في حالة كمية مشتركة – فإن قياس الجسيم A سيحدد على الفور نتيجة قياس الجسيم B. ولا يهم إذا كانت الجسيمات على بعد بضعة أقدام أو عدة سنوات ضوئية – علاقتهم الكمومية بعيدة المدى لحظية.
تم رفض هذا الاحتمال من قبل البرت اينشتاين وزملائه في الثلاثينيات. وبدلاً من ذلك ، جادلوا بوجود “عنصر من عناصر الواقع” لا يتم حسابه في ميكانيكا الكم.
في مقالته عام 1964 ، جادل بيل بأنه كان من الممكن اختبارًا تجريبيًا ما إذا كانت ميكانيكا الكم قد فشلت في وصف مثل هذه العناصر من الواقع. وأطلق على هذه العناصر التي لا يعرف مصيرها “المتغيرات الخفية”.
على وجه الخصوص ، كان لدى بيل المتغيرات المحلية في الاعتبار. هذا يعني أنها تؤثر فقط على التكوين المادي في جوارها المباشر. كما أوضح كلاوزر ، “إذا وضعت الأشياء محليًا في صندوق وقمت بالقياس في مربع آخر بعيدًا جدًا ، لا يمكن أن تؤثر اختيارات المعلمات التجريبية التي تم إجراؤها في أحد الصناديق على النتائج التجريبية في المربع الآخر ، والعكس صحيح.”
قرر كلوزر اختبار اقتراح بيل. ولكن عندما أراد إجراء التجربة ، حثه مستشاره على إعادة النظر.
يتذكر كلوزر: “كان الجزء الأصعب في البداية هو الحصول على الفرصة”. “كان الجميع يخبرونني أن ذلك غير ممكن ، فلماذا تهتم!”
معمل الكم
في عام 1972 ، حصل كلوزر أخيرًا على فرصة لاختبار اقتراح بيل عندما كان في منصب ما بعد الدكتوراه في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا. انضم إلى صفوف طالب الدكتوراه ستيوارت فريدمان. أقاموا معًا مختبرًا مليئًا بالمعدات البصرية.
قال كلاوزر: “لم يقم أحد بهذا من قبل”. “لم يكن لدينا أي نقود لفعل أي شيء. كان علينا بناء كل شيء من الصفر. لقد قذرت يدي ، وانغمست في قطع النفط ، وكان هناك الكثير من الأسلاك وصنعت الكثير من الإلكترونيات.”
تمكن كلوزر وفريدمان من تكوين فوتونات متشابكة عن طريق معالجة ذرات الكالسيوم. طارت جسيمات الضوء ، أو الفوتونات ، في مرشحات مستقطبة يمكن لكلاوزر وفريدمان تدويرها بالنسبة لبعضها البعض.
تنبأت ميكانيكا الكم بأن كمية أكبر من الفوتونات ستمر بمرشحات في نفس الوقت مما سيكون عليه الحال إذا تم تحديد استقطاب الفوتونات بواسطة متغيرات محلية وخفية.
أظهرت تجربة كلاوزر وفريدمان أن تنبؤات ميكانيكا الكم كانت صحيحة. وكتبوا في عام 1972: “نعتبر هذه النتائج دليلاً قوياً ضد نظريات المتغيرات الخفية المحلية” رسائل المراجعة البدنية (يفتح في علامة تبويب جديدة).
بداية صعبة
تم تأكيد نتائج كلوزر وفريدمان في تجارب أخرى بواسطة آلان أسبكت وأنطون زيلينجر.
قال كلاوزر: “كان عملي في السبعينيات ، وعمل آسبكت في الثمانينيات ، وزيلينجر في التسعينيات”. “لقد عملنا بالتتابع في تحسين المجال”.
لكن لم يتم التعرف على تأثير تجربة كلاوزر الرائدة على الفور.
يتذكر كلوزر: “كانت الأمور صعبة”. “قال الجميع:” تجربة رائعة ، ولكن ربما تريد الخروج وقياس بعض الأرقام والتوقف عن إضاعة الوقت والمال والبدء بدلاً من ذلك في القيام ببعض الفيزياء الحقيقية. “
استغرق الأمر 50 عامًا حتى حصل كلوزر على جائزة نوبل لعمله التجريبي. توفي زميله ستيوارت فريدمان عام 2012.
قال كلوزر “رفاقي ماتوا منذ زمن طويل”. “ادعائي في الشهرة هو أنني عشت طويلا بما فيه الكفاية.”
عندما سُئل عما إذا كان لديه أي نصيحة للباحثين الشباب في ضوء الصعوبات التي يواجهها في البداية ، قال كلاوزر: “إذا أثبتت شيئًا يعتقد الجميع أنه صحيح ، وكنت أول من يفعل ذلك ، فربما لن يتم التعرف عليك بسبب 50 عاما ، هذه هي الأخبار السيئة ، والخبر السار هو أنني استمتعت كثيرا بهذا العمل “.
انعكاسات الكم
مهدت تجربة كلاوزر وفريدمان الطريق لتقنيات متقنة تستخدم التشابك الكمي ، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية وبروتوكولات التشفير.
عندما سئل عما إذا كان يعتقد أن ميكانيكا الكم هي نظرية كاملة ، أجاب كلاوزر: “أظن أن هناك نظرية أكثر جوهرية تحتها ، لكن هذا تخمين بحت. لا أعرف ما هي. أعترف أيضًا أنني مرتبك تمامًا ، ليس لدي أي فكرة عما يعنيه كل هذا “.
نُشرت اقتباسات جون ف. كلاوزر سابقًا في مقابلة أجراها المؤلف مع المجلة السويدية Forskning och Framsteg.
