تويت
ما هي تجربة الشق المزدوج
تجربة الشق المزدوج (Double Slit Experiment) أو ما يُعرف بتجربة شِقَيّ يونغ Young's Experiment (العالم الذي قام بإجراء هذه التجربة الفريدة عام 1802م)، في الواقع تُعتبر هذه التجربة من أكثر التجارب جدلًا في الأوساط الفيزيائية، وإحدى أكثر التجارب تعقيدًا في مجال ميكانيكا الكم، ويعتقد كثيرون أنّها تمثّل لبَّ مفهوم الميكانيك الكمومي.
في مقالنا هذا سنقوم بشرحٍ مقتضبٍ لهذه التجربة الرائعة، ونسوق خلاله الأسئلة التي حيّرت العلماء في تفسير ظاهرة التداخل الموجي وظاهرة انهيار الخاصية الموجية التي تُظهرها تجربة يونغ. والجدير بالذكر أن هنالك جائزة نوبل لمن يأتي بتفسيرٍ منطقيٍّ للنتائج الغريبة لتجربة الشق المزدوج.
تجربة الشق المزدوج
في الواقع إن تجربة الشق المزدوج أو شقي يونغ بسيطةٌ جدًا وتقوم على مبدأ تسليط ضوءٍ من منبعٍ ضوئيٍّ ذي طبيعة واحدة (كما في ضوء الليزر) على حاجزٍ يحوي شقين صغيرين متجاورين، بالإضافة إلى وضع شاشة إسقاط بعد الحاجز تقوم بإظهار نهاية مسار الفوتون عند اصطدامه بها على شكل نقطةٍ بيضاء.
الهدف الأساسي من تجربة الشق المزدوج التي قام بها العالم يونغ تمثّل بمحاولة إثبات الطبيعة الموجيّة للضوء، ولقد نجح في هذا، فقد أثمرت هذه التجربة عن تأكيد وجود أمواجٍ للضوء الذي نعرفه ولكنّها في الوقت ذاته خلّفت إحدى أكثر المعضلات الفيزيائية منذ أن تم اكتشاف هذه التجربة إلى وقتنا الحاضر.
قبل أن نخوض في تفاصيل تجربة يونغ لابُدّ أن نقوم بالتعريج إلى ماهيّة الضوء. في الواقع جاوب لنا العالم ألبرت أينشتاين عن ذلك بقوله أن الضوء مؤلّفٌ من وحداتٍ صغيرةٍ جدًا أطلق عليها مصطلح الفوتونات، وذكر أنها ذات طبيعة موجية؛ بمعنى أن مسارها يأخذ شكلًا متموّجًا، ونشبّه ذلك بالطرق الجبلية المتعرّجة التي نسير عليها في أثناء رحلات الاصطياف.
ولكن الغريب في الأمر أن تجربة الشق المزدوج التي بين أيدينا تناقض نفسها بنفسها، فكما نرى تارةً يكون ضوء المنبع في التجربة موجيَّا وتارةً يكون ذا صفةٍ غير موجيّةٍ، والأغرب من ذلك أن ذلك يحدث فقط وفقط عندما نقوم بملاحظة حركة الفوتونات!
عناصر ونتائج تجربة الشق المزدوج
كما ذكرنا سابقًا فإن التجربة تقوم على إطلاق ضوءٍ من منبعٍ ضوئيٍّ عبر حاجزٍ ذي شقين وصولًا إلى شاشة استقراءٍ للفوتونات المصطدمة، وسنقوم بتحليل تلك التجربة الآن وفق ما بين أيدينا من الصور.
في الصورة الأولى قمنا بإغلاق أحد الشقين وتشغيل المنبع وحصلنا على نتيجةٍ منطقيّةٍ مفادها أن الضوء عندما يمر من شقٍ ما فإنه يسقط في نهاية المطاف على منطقةٍ متوافقةٍ مع الشق الذي عبر منه، وهو في حالتنا خطٌ مستقيمٌ، بمعنى آخر أخذ الضوء منحًا واتجاهًا مستقيمين معروفين ومنطقيين.
في الصورة الثانية من تجربة الشق المزدوج قمنا بفتح الشق الآخر في الجدار مع تشغيل المنبع الضوئي، لنحصل على الشكل الموضّح في الصورة والذي يمثل شكلًا نموذجيًّا لإسقاطاتٍ موجيّةٍ، بمعنى حصلنا على نتيجةٍ مفادها أن الضوء أخذ منحًا موجيّا وتداخلت أمواجه مع بعضها لتعطي ذلك الشكل، فما هو تفسير ذلك!؟
في الواقع إغلاق الشق وفتحه ليس له علاقة مباشرة بتغيير طبيعة الضوء من موجيّةٍ إلى طبيعةٍ مستقيمةٍ ثابتة ولكن ما أدّى إلى ذلك التغيّر الجذري في طبيعة مسار الضوء من مستقيمٍ إلى موجيٍّ هو معرفتنا لمسار الضوءّ! بمعنى أننا في التجربة الأولى عرفنا مسبقًا أن أن الضوء سيسلك الشق المفتوح في حين أنه في الحالة الثانية لا نستطيع التأكد أبدًا من أي شقٍ مر كل فوتون منطلق من المنبع الضوئي.
تجربة الفوتون
الواحد
نستطيع أن نقول أن الأمواج الضوئية التي تحتوي الملايين من الفوتونات وبعد عبورها للشقين قد تداخلت مع بعضها وأعطتنا الشكل النموذجي للإسقاطات الموجيّة، ولكن ماذا لو قمنا بإطلاق الفوتونات بشكلٍ فرديٍّ بمعنى فوتون واحد في كل مرة (هذا أصبح ممكنًا بفضل اختراع قاذف الفوتونات)، ما الذي سوف يحدث؟.
في الواقع؛ المنطق يقول أنه طالما لا توجد فوتوناتٌ أخرى للتداخل مع بعضها معطيةً السلوك الموجيّ الذي رأيناه سابقًا، فإنه لا بد من أن يسلك الفوتون مسارًا مستقيمّا، ويعطي عند سقوطه على شاشة العرض خطًا مستقيمًا يوافق شكل الشق الذي عبر منه، بمعنى آخر سنحصل على خطين مستقيمين على شاشة الإسقاط.
لكن الغريب في الأمر أنه وعند إطلاق الفوتونات، واحدًا واحدًا نلاحظ أن كل منها أعطى اسقاطات عشوائية مختلفة على الشاشة (كما هو ظاهر لنا في الصورة في الأسفل)، إلا أن العجيب في الأمر أنه في حال استمرارنا لإطلاق الفوتونات الواحد تلو الآخر ستظهر على شاشة الإسقاط شكلًا يشبه تمامًا الشكل الذي حصلنا عليها عندما قمنا بإطلاق الضوء دفعةً واحدةً (أطلقنا الفوتونات دفعة واحدة، كما في التجربة الأولى)، فما الذي حدث بالضبط؟.
يفسّر العلماء تلك الظاهرة بالتداخل الذاتي، أي إن الفوتون الوحيد المطلق تداخل مع نفسه وأعطى نفس الشكل الناتج عن تداخل الفوتونات عند إطلاقها مع بعضها.
تجربة أيّ الاتجاهات
إلى هذه النقطة من تجربة الشق المزدوج استطعنا الخروج بتفسيرٍ منطقيٍّ وهو أن الفوتون تداخل مع نفسه بشكلٍ مشابهٍ لتداخل الفوتونات مع بعضها، ولكن الضربة القاسمة التي هتكت بهذا التفسير كانت عندما قام العلماء بوضع كاشفٍ جزيئيٍّ (وهو جهاز يقوم بكشف مرور أجسام صغيرة جدًا من مكان وضعه) عند أحد الشقّين في محاولةٍ لمعرفة أيّ الشقين سلك الفوتون عند مروره عبر الحاجز، والنتيجة تركت العلماء في حيرةٍ عجيبةٍ.
فقد أظهر الكاشف ( الذي يعطي ضوءًا أو صوتًا عند مرور جسيم بجانبه) أن 50% من إجمالي الفوتونات المُطلقة (الواحد تلو الآخر) دخلت في الشق الذي وُضع الكاشف عنده. إلا أن الشكل الذي تركته الفوتونات على الشاشة بعد إطلاق عددٍ كافٍ منها كان معضلةً. فقد أعطت الشكل نفسه التي تعطيها الفوتونات عندما قمنا بإغلاق أحد الشقين، أي اتّخذت مسارًا مستقيمًا مُتوقّعًا.
والمثير للدهشة والضحك في آنٍ معًا أنّنا لو تركنا الكاشف في مكانه (والكاشف هنا وظيفته فقط كشف مرور البروتون بجانبه ولا تأثير له على حركته إطلاقًا) وقمنا بفصله من مأخذه الكهربائي أو مصدر طاقته، أتدري ماذا سيحدث لو أعدنا التجربة نفسها؟ تعود الفوتونات لتأخذ مسارًا موجيّا وتعطي إسقاطًا موجيَّا على الشاشة، وكأن الفوتونات شعرت بأنّنا لم نعد نراقب حركتها بالكاشف فعادت إلى التبعثر والتموّج مجدّدًا!
هذه التجربة
الفريدة تسلّط الضوء على العديد من الأمور التي لازلنا نجهلها عن ميكانيك الكمّ
العجيب والذي ما انفك العلماء يكرّسون أوقاتهم في محاولةٍ لتفسير ظواهره الغريبة،
ولا ننسى أن تفسير تجربة الشق المزدوج (تجربة شقي يونغ) تخبّئ لمن يستطيع حلّها
جائزة نوبل في العلوم الفيزيائيّة.
تجربة الشق المزدوج (Double Slit Experiment) أو ما يُعرف بتجربة شِقَيّ يونغ Young's Experiment (العالم الذي قام بإجراء هذه التجربة الفريدة عام 1802م)، في الواقع تُعتبر هذه التجربة من أكثر التجارب جدلًا في الأوساط الفيزيائية، وإحدى أكثر التجارب تعقيدًا في مجال ميكانيكا الكم، ويعتقد كثيرون أنّها تمثّل لبَّ مفهوم الميكانيك الكمومي.
في مقالنا هذا سنقوم بشرحٍ مقتضبٍ لهذه التجربة الرائعة، ونسوق خلاله الأسئلة التي حيّرت العلماء في تفسير ظاهرة التداخل الموجي وظاهرة انهيار الخاصية الموجية التي تُظهرها تجربة يونغ. والجدير بالذكر أن هنالك جائزة نوبل لمن يأتي بتفسيرٍ منطقيٍّ للنتائج الغريبة لتجربة الشق المزدوج.
تجربة الشق المزدوج
في الواقع إن تجربة الشق المزدوج أو شقي يونغ بسيطةٌ جدًا وتقوم على مبدأ تسليط ضوءٍ من منبعٍ ضوئيٍّ ذي طبيعة واحدة (كما في ضوء الليزر) على حاجزٍ يحوي شقين صغيرين متجاورين، بالإضافة إلى وضع شاشة إسقاط بعد الحاجز تقوم بإظهار نهاية مسار الفوتون عند اصطدامه بها على شكل نقطةٍ بيضاء.
الهدف الأساسي من تجربة الشق المزدوج التي قام بها العالم يونغ تمثّل بمحاولة إثبات الطبيعة الموجيّة للضوء، ولقد نجح في هذا، فقد أثمرت هذه التجربة عن تأكيد وجود أمواجٍ للضوء الذي نعرفه ولكنّها في الوقت ذاته خلّفت إحدى أكثر المعضلات الفيزيائية منذ أن تم اكتشاف هذه التجربة إلى وقتنا الحاضر.
قبل أن نخوض في تفاصيل تجربة يونغ لابُدّ أن نقوم بالتعريج إلى ماهيّة الضوء. في الواقع جاوب لنا العالم ألبرت أينشتاين عن ذلك بقوله أن الضوء مؤلّفٌ من وحداتٍ صغيرةٍ جدًا أطلق عليها مصطلح الفوتونات، وذكر أنها ذات طبيعة موجية؛ بمعنى أن مسارها يأخذ شكلًا متموّجًا، ونشبّه ذلك بالطرق الجبلية المتعرّجة التي نسير عليها في أثناء رحلات الاصطياف.
ولكن الغريب في الأمر أن تجربة الشق المزدوج التي بين أيدينا تناقض نفسها بنفسها، فكما نرى تارةً يكون ضوء المنبع في التجربة موجيَّا وتارةً يكون ذا صفةٍ غير موجيّةٍ، والأغرب من ذلك أن ذلك يحدث فقط وفقط عندما نقوم بملاحظة حركة الفوتونات!
عناصر ونتائج تجربة الشق المزدوج
كما ذكرنا سابقًا فإن التجربة تقوم على إطلاق ضوءٍ من منبعٍ ضوئيٍّ عبر حاجزٍ ذي شقين وصولًا إلى شاشة استقراءٍ للفوتونات المصطدمة، وسنقوم بتحليل تلك التجربة الآن وفق ما بين أيدينا من الصور.
في الصورة الأولى قمنا بإغلاق أحد الشقين وتشغيل المنبع وحصلنا على نتيجةٍ منطقيّةٍ مفادها أن الضوء عندما يمر من شقٍ ما فإنه يسقط في نهاية المطاف على منطقةٍ متوافقةٍ مع الشق الذي عبر منه، وهو في حالتنا خطٌ مستقيمٌ، بمعنى آخر أخذ الضوء منحًا واتجاهًا مستقيمين معروفين ومنطقيين.
في الصورة الثانية من تجربة الشق المزدوج قمنا بفتح الشق الآخر في الجدار مع تشغيل المنبع الضوئي، لنحصل على الشكل الموضّح في الصورة والذي يمثل شكلًا نموذجيًّا لإسقاطاتٍ موجيّةٍ، بمعنى حصلنا على نتيجةٍ مفادها أن الضوء أخذ منحًا موجيّا وتداخلت أمواجه مع بعضها لتعطي ذلك الشكل، فما هو تفسير ذلك!؟
في الواقع إغلاق الشق وفتحه ليس له علاقة مباشرة بتغيير طبيعة الضوء من موجيّةٍ إلى طبيعةٍ مستقيمةٍ ثابتة ولكن ما أدّى إلى ذلك التغيّر الجذري في طبيعة مسار الضوء من مستقيمٍ إلى موجيٍّ هو معرفتنا لمسار الضوءّ! بمعنى أننا في التجربة الأولى عرفنا مسبقًا أن أن الضوء سيسلك الشق المفتوح في حين أنه في الحالة الثانية لا نستطيع التأكد أبدًا من أي شقٍ مر كل فوتون منطلق من المنبع الضوئي.
تجربة الفوتون
الواحد
نستطيع أن نقول أن الأمواج الضوئية التي تحتوي الملايين من الفوتونات وبعد عبورها للشقين قد تداخلت مع بعضها وأعطتنا الشكل النموذجي للإسقاطات الموجيّة، ولكن ماذا لو قمنا بإطلاق الفوتونات بشكلٍ فرديٍّ بمعنى فوتون واحد في كل مرة (هذا أصبح ممكنًا بفضل اختراع قاذف الفوتونات)، ما الذي سوف يحدث؟.
في الواقع؛ المنطق يقول أنه طالما لا توجد فوتوناتٌ أخرى للتداخل مع بعضها معطيةً السلوك الموجيّ الذي رأيناه سابقًا، فإنه لا بد من أن يسلك الفوتون مسارًا مستقيمّا، ويعطي عند سقوطه على شاشة العرض خطًا مستقيمًا يوافق شكل الشق الذي عبر منه، بمعنى آخر سنحصل على خطين مستقيمين على شاشة الإسقاط.
لكن الغريب في الأمر أنه وعند إطلاق الفوتونات، واحدًا واحدًا نلاحظ أن كل منها أعطى اسقاطات عشوائية مختلفة على الشاشة (كما هو ظاهر لنا في الصورة في الأسفل)، إلا أن العجيب في الأمر أنه في حال استمرارنا لإطلاق الفوتونات الواحد تلو الآخر ستظهر على شاشة الإسقاط شكلًا يشبه تمامًا الشكل الذي حصلنا عليها عندما قمنا بإطلاق الضوء دفعةً واحدةً (أطلقنا الفوتونات دفعة واحدة، كما في التجربة الأولى)، فما الذي حدث بالضبط؟.
يفسّر العلماء تلك الظاهرة بالتداخل الذاتي، أي إن الفوتون الوحيد المطلق تداخل مع نفسه وأعطى نفس الشكل الناتج عن تداخل الفوتونات عند إطلاقها مع بعضها.
تجربة أيّ الاتجاهات
إلى هذه النقطة من تجربة الشق المزدوج استطعنا الخروج بتفسيرٍ منطقيٍّ وهو أن الفوتون تداخل مع نفسه بشكلٍ مشابهٍ لتداخل الفوتونات مع بعضها، ولكن الضربة القاسمة التي هتكت بهذا التفسير كانت عندما قام العلماء بوضع كاشفٍ جزيئيٍّ (وهو جهاز يقوم بكشف مرور أجسام صغيرة جدًا من مكان وضعه) عند أحد الشقّين في محاولةٍ لمعرفة أيّ الشقين سلك الفوتون عند مروره عبر الحاجز، والنتيجة تركت العلماء في حيرةٍ عجيبةٍ.
فقد أظهر الكاشف ( الذي يعطي ضوءًا أو صوتًا عند مرور جسيم بجانبه) أن 50% من إجمالي الفوتونات المُطلقة (الواحد تلو الآخر) دخلت في الشق الذي وُضع الكاشف عنده. إلا أن الشكل الذي تركته الفوتونات على الشاشة بعد إطلاق عددٍ كافٍ منها كان معضلةً. فقد أعطت الشكل نفسه التي تعطيها الفوتونات عندما قمنا بإغلاق أحد الشقين، أي اتّخذت مسارًا مستقيمًا مُتوقّعًا.
والمثير للدهشة والضحك في آنٍ معًا أنّنا لو تركنا الكاشف في مكانه (والكاشف هنا وظيفته فقط كشف مرور البروتون بجانبه ولا تأثير له على حركته إطلاقًا) وقمنا بفصله من مأخذه الكهربائي أو مصدر طاقته، أتدري ماذا سيحدث لو أعدنا التجربة نفسها؟ تعود الفوتونات لتأخذ مسارًا موجيّا وتعطي إسقاطًا موجيَّا على الشاشة، وكأن الفوتونات شعرت بأنّنا لم نعد نراقب حركتها بالكاشف فعادت إلى التبعثر والتموّج مجدّدًا!
هذه التجربة
الفريدة تسلّط الضوء على العديد من الأمور التي لازلنا نجهلها عن ميكانيك الكمّ
العجيب والذي ما انفك العلماء يكرّسون أوقاتهم في محاولةٍ لتفسير ظواهره الغريبة،
ولا ننسى أن تفسير تجربة الشق المزدوج (تجربة شقي يونغ) تخبّئ لمن يستطيع حلّها
جائزة نوبل في العلوم الفيزيائيّة.