قياس الوقت
(Loren Zemlicka/Moment/Getty Images)
إن تحديد مرور الزمن في عالمنا، عالم الساعات الدقّات والبندولات المتذبذبة، هو ببساطة عدّ الثواني بين "حينئذٍ" و"الآن".
ولكن على مستوى الكمّ، حيث الإلكترونات الطنّانة، لا يُمكن دائمًا توقع "حينئذٍ". والأسوأ من ذلك، أن "الآن" غالبًا ما يختلط بالغموض. ولن تُجدي ساعة التوقيت نفعًا في بعض الحالات.
ووفقًا لدراسة أجراها باحثون من جامعة أوبسالا في السويد عام 2022، يُمكن إيجاد حلٍّ مُحتمل في شكل الضباب الكمّي نفسه.
كشفت تجاربهم على الطبيعة الموجية لما يُسمى حالة ريدبيرغ عن طريقة جديدة لقياس الزمن لا تتطلّب نقطة انطلاق دقيقة.
ذرات ريدبيرغ هي البالونات المُنتفخة بشكلٍ مفرط في عالم الجسيمات. تحتوي هذه الذرات، التي يتم نفخها بالليزر بدلاً من الهواء، على إلكترونات في حالات طاقة عالية للغاية، تدور بعيدًا عن النواة.
تصور ذرة . Rydberg(Berndthaller/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons)
بالطبع، ليس كل ضخ ليزري يتطلب نفخ ذرة إلى أبعاد كرتونية. في الواقع، تُستخدم الليزرات بشكل روتيني لدفع الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى لاستخدامات متنوعة.
في بعض التطبيقات، يمكن استخدام ليزر ثانٍ لمراقبة التغيرات في موضع الإلكترون، بما في ذلك مرور الوقت. يمكن استخدام تقنيات "الضخ-المسبار" هذه لقياس سرعة بعض الإلكترونيات فائقة السرعة، على سبيل المثال.
يُعد تحريض الذرات إلى حالات ريدبيرج حيلة مفيدة للمهندسين، لا سيما عندما يتعلق الأمر بتصميم مكونات جديدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. وغني عن القول، لقد جمع الفيزيائيون كمية كبيرة من المعلومات حول كيفية حركة الإلكترونات عند دفعها إلى حالة ريدبيرج.
ولكن، كونها كائنات كمومية، فإن حركتها لا تشبه انزلاق الخرز على معداد صغير، بل أشبه بلعبة روليت مسائية، حيث تُدمج كل رمية وقفزة للكرة في لعبة حظ واحدة.
يُشار إلى القواعد الرياضية وراء هذه اللعبة الجامحة من روليت إلكترونات ريدبيرج باسم حزمة موجات ريدبيرج.
وكما هو الحال مع الموجات الفعلية، فإن وجود أكثر من حزمة موجات ريدبيرج متموجة في فضاء واحد يُحدث تداخلًا، مما ينتج عنه أنماط فريدة من التموجات.
بإلقاء عدد كافٍ من حزم موجات ريدبيرج في البركة الذرية نفسها، ستمثل كل من هذه الأنماط الفريدة الوقت المختلف الذي تستغرقه حزم الموجات للتطور بالتوافق مع بعضها البعض.
إن الإلكترونات التي تتحرك عندما يتم دفعها إلى حالة ريدبيرج لا تشبه الخرز الذي ينزلق على آلة حاسبة صغيرة، بل تشبه أمسية على طاولة الروليت، حيث يتم ضغط كل لفة وقفزة للكرة في لعبة واحدة تعتمد على الحظ. (graphics.vp/Canva)
كانت هذه "البصمات" الزمنية هي ما شرع الفيزيائيون وراء هذه المجموعة من التجارب في اختبارها، مُثبتين أنها متسقة وموثوقة بما يكفي لتكون بمثابة شكل من أشكال الختم الزمني الكمي.
تضمن بحثهم قياس نتائج ذرات الهيليوم المُثارة بالليزر، ومطابقة نتائجهم مع التنبؤات النظرية لإظهار كيف يُمكن لنتائجهم المميزة أن تُحافظ على استمراريتها لفترة زمنية محددة.
أوضحت الفيزيائية مارتا بيرهولت من جامعة أوبسالا في السويد، والتي قادت الفريق، لمجلة نيو ساينتست عام ٢٠٢٢: "إذا كنت تستخدم عدادًا، فعليك تحديد الصفر. تبدأ العد عند نقطة معينة".
وتكمن فائدة هذا في عدم الحاجة إلى تشغيل الساعة - يكفي النظر إلى بنية التداخل والقول: "حسنًا، لقد مرت ٤ نانوثانية".
يمكن استخدام دليل لحزم موجات ريدبيرج المتطورة مع أشكال أخرى من مطيافية المضخة والمسبار التي تقيس الأحداث على نطاق ضيق، عندما تكون القياسات بين الحين والآخر أقل وضوحًا، أو ببساطة غير مريحة.
والأهم من ذلك، لا تتطلب أي من البصمات وجود وقت أو لحظة كنقطة بداية ونهاية للوقت. سيكون الأمر أشبه بقياس سباق عداء مجهول ضد عدد من المتسابقين الذين يركضون بسرعات محددة.
من خلال البحث عن بصمة حالات ريدبيرج المتداخلة وسط عينة من ذرات المسبار المضخة، يمكن للفنيين رصد طابع زمني لأحداث عابرة لا تتجاوز 1.7 تريليون جزء من الثانية.
قد تستبدل تجارب الساعات الكمومية المستقبلية الهيليوم بذرات أخرى، أو حتى استخدام نبضات ليزر ذات طاقات مختلفة، لتوسيع نطاق دليل الطوابع الزمنية ليناسب نطاقًا أوسع من الظروف.
نُشر هذا البحث في مجلة Physical Review Research.
نُشرت نسخة سابقة من هذه المقالة في أكتوبر/تشرين الأول 2022.