منتدى: ميكانيكا الكم تقود آفاقاً جديدة في الاكتشاف العلمي

جمع منتدى الاكتشاف العلمي في قمة العلماء العالمية نخبة من علماء الفيزياء لمناقشة كيف ساهم الفضول والمجازفة ودعم الأفكار غير التقليدية في تشكيل العلوم الحديثة. وسلط المتحدثون الضوء على ميكانيكا الكم، وفيزياء الجسيمات، وعلم البلورات، والمواد المتقدمة، مؤكدين أن التقدم البحثي يعتمد على طرح أسئلة جريئة، وجداول زمنية طويلة، ومؤسسات قوية مستعدة للاستثمار في نتائج غير مؤكدة.

اتفق المشاركون على أن العديد من الإنجازات الكبرى بدأت بدافع الفضول الفطري لا بالتطبيقات المخطط لها. وأكدوا على ضرورة أن يشعر الباحثون الشباب بالحرية في اختبار الأفكار الجريئة، حتى وإن كانت فوائدها غير واضحة. ووصف عدد من العلماء مسارات مهنية بُنيت على مشاريع بدت غامضة في البداية، لكنها أعادت تشكيل الفيزياء والتكنولوجيا والهندسة في قطاعات عديدة لاحقاً، بما في ذلك الفضاء وتكنولوجيا المعلومات.

وصف البروفيسور ويليام د. فيليبس، الحائز على جائزة نوبل عام 1997 والأستاذ في جامعة ميريلاند، كيف دخلت فيزياء الكم مرحلة رئيسية ثانية. واستذكر فيليبس الثورة الكمومية الأولى، القائمة على ازدواجية الموجة والجسيم، والتي أدت إلى اختراع الترانزستور عام 1947، وهو الجهاز الرئيسي وراء أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية والشبكات الرقمية، وجزء كبير من البنية التحتية الإلكترونية الحالية.

قال فيليبس إن الثورة الحالية في ميكانيكا الكم تعتمد على التراكب والتشابك والتحكم الدقيق في الأنظمة الكمومية الفردية. وقد دعمت هذه الأفكار العمل في مجال الحوسبة الكمومية والاستشعار والاتصالات. وحثّ فيليبس الحضور في الإمارات العربية المتحدة وخارجها على التعامل بحذر مع الادعاءات التجارية، مؤكداً في الوقت نفسه أن "الإمكانيات تفوق الخيال"، لا سيما على المدى العلمي الطويل.

ثمّ عرضت البروفيسورة سبينتا ر. واديا، المديرة المؤسسة للمركز الدولي للعلوم النظرية، مشكلةً مركزيةً لم تُحلّ بعد. إذ لا تزال الفيزياء الحديثة تفتقر إلى نظريةٍ كاملةٍ توحّد ميكانيكا الكمّ مع النسبية العامة. وأكّدت واديا على أن نظرية الكمّ قد شكّلت أساس العديد من التقنيات، بينما ساهمت النسبية في تشكيل فهمنا للجاذبية والثقوب السوداء وتطور الكون على نطاقاتٍ كونية.

خلال جلسة نقاشية في منتدى الاكتشاف العلمي، أشار البروفيسور راجيش جوبكومار إلى أن ميكانيكا الكم لا تزال تكشف عن سلوكيات مذهلة. فالباحثون ما زالوا في بداية فهم بعض التأثيرات، بما في ذلك أطوار جديدة للمادة وروابط بين نظرية الكم والهندسة والمعلومات، والتي تُدرس الآن في مراكز رائدة من آسيا إلى أوروبا وأمريكا الشمالية.

ركز الدكتور جوليان باريير، الباحث المشارك في معهد برشلونة للعلوم والتكنولوجيا والحائز على جائزة الطالب المتميز لعام 2022 من الجمعية الفيزيائية الأمريكية، على الطوبولوجيا في المواد الكمومية. وأوضح باريير أن الطوبولوجيا ساعدت في توضيح الظواهر التي لم تستطع نظرية الكم القياسية وصفها بشكل كامل، لا سيما في الأنظمة التي تتصرف فيها الإلكترونات بشكل جماعي بطرق معقدة.

قال باريير: "نعمل اليوم على تطوير أدوات قياس جديدة لهذه المواد، تجمع بين الليزر وتقنيات النقل الكهربائي التقليدية. وهذا يتيح لنا الوصول إلى خصائص مثل الانحناء، والترابط الطوبولوجي، والهندسة الكمومية، والمقياس الكمومي - وهي خصائص كان من المستحيل قياسها سابقًا. وهذا يفتح آفاقًا واسعة أمام المجهول، وقد يؤدي التحكم في هذه الخصائص إلى تطبيقات مستقبلية واعدة."

وصف الدكتور دينيس باندورين، الأستاذ المساعد في جامعة سنغافورة الوطنية والحائز على جائزة "مبتكرو تكنولوجيا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تحت سن 35"، الاستخدامات العملية لميكانيكا الكم في الاستشعار والاتصالات. وأوضح باندورين أن أجهزة استشعار الضوء الكمومي تحتل الآن مركز الصدارة في تطوير تكنولوجيا الكم، مع تطبيقات في مجالات الدفاع والفضاء والقياسات عالية الدقة.

أوضح باندورين أن هذه المستشعرات قادرة على رصد الضوء الخافت للغاية من مصادر بعيدة جدًا، وهو أمر مفيد في علم الفلك والاتصالات الآمنة. كما سمحت بروتوكولات الكم بمشاركة المعلومات بطرق من المستحيل اختراقها من حيث المبدأ. وينبع هذا الأمان من مبادئ الفيزياء الأساسية، وليس من افتراضات حول قوة الحوسبة أو خوارزميات التشفير.

ولإظهار نطاق المواضيع في منتدى الاكتشاف العلمي، قدم المنظمون لمحة عامة عن المتحدثين ومواضيع البحث في شكل منظم.

في بداية منتدى الاكتشاف العلمي، أكد البروفيسور راجيش جوبكومار أن الأسئلة، حتى وإن بدت ضعيفة، هي المحرك الأساسي للعمل العلمي. وأوضح جوبكومار أن البحث العلمي نادراً ما يسير في مسار مستقيم، فكثيراً ما يحاول الباحثون حل مشكلة ما، لكنهم ينتهي بهم المطاف بالإجابة عن سؤال آخر، يصبح بدوره مصدراً جديداً للتحفيز.

أشار جوبكومار إلى أن الاكتشاف العلمي عملية مفتوحة ذات نتائج غير مؤكدة، وليست خطة ثابتة. وقال: "إذا كنا نسعى لرسم خريطة المجهول، فإن ميكانيكا الكم ستكون دليلنا ومنارتنا في العلوم الفيزيائية". وقد ربطت هذه الرؤية النظرية الأساسية باستكشاف مجالات غير مألوفة.

وصف البروفيسور مايكل كوزليتز من جامعة براون، الحائز على جائزة نوبل عام 2016، بحثاً بعنوان "التحولات الطورية والتحولات البعدية في المواد الصلبة الطبقية". درست هذه الدراسة نظاماً يتكون من طبقتين ثنائيتي الأبعاد محصورتين بين لوحين مسطحين، ويمكن تعديل المسافة بينهما. وقد مكّن تغيير هذه المسافة الفريق من التحكم في عدد الطبقات الذرية المتكونة.

أوضح كوزليتز أنه عندما تكون الصفائح متقاربة، تظهر طبقة ذرية واحدة فقط. ومع ازدياد المسافة بينها، تظهر طبقتان أو ثلاث، مما يُغير الخصائص البنيوية والفيزيائية. ضمن طبقة واحدة عند درجة حرارة منخفضة، تترتب الذرات في شبكة مثلثية، تتحول إلى سائل مع ارتفاع درجة الحرارة، مرورًا بمرحلة سداسية منتظمة.

قال كوزليتز إنه في طبقة أحادية ثنائية الأبعاد، يختفي الترتيب القياسي طويل المدى، وبالتالي يختفي نمط الانتقال المعتاد. أما مع طبقات متعددة متراصة، فيصبح الانصهار من الحالة الصلبة إلى السائلة انتقالًا من الدرجة الأولى. ثم لاحظ الباحثون ظاهرة التخلف، وهي الفرق بين منحنيات التسخين والتبريد، حيث تعتمد الحالة الحالية للمادة على تاريخها السابق.

أشار كوزليتز إلى أن هذه النتائج استندت إلى محاكاة عددية، لكنها مع ذلك قدمت رؤى ثاقبة حول عملية الانصهار. وقد ساعدت هذه النتائج في توضيح آليات حيّرت الفيزيائيين لعقود طويلة. إن فهم هذه التحولات من شأنه أن يدعم تحكمًا أفضل في المواد المستخدمة في الإلكترونيات الدقيقة، والطلاءات، وغيرها من التقنيات المتقدمة ذات الصلة بالصناعات في جميع أنحاء آسيا والشرق الأوسط.

اتجه البروفيسور دان شيختمان إلى دراسة السبائك المعدنية المصممة للاستخدامات الفضائية، وخاصة الأنظمة القائمة على التيتانيوم والألومنيوم والمغنيسيوم. ووصف شيختمان هذه السبائك بأنها مواد فائقة لا تخضع لقواعد الهندسة التقليدية. قد يستغرق اختيار التركيب الذري الأمثل حوالي عامين، بينما يتطلب تطوير أساليب الإنتاج الصناعي لمحركات الطائرات النفاثة عادةً حوالي عقدين من الزمن.

أكد شيختمان على صعوبة تحويل نتائج المختبر إلى أجهزة موثوقة، وقال: "كانت أداة بحثي الأساسية هي المجهر الإلكتروني النافذ، وهو أداة بالغة القوة في علم البلورات". وباستخدام هذا الجهاز، تمكن شيختمان من تحديد المركبات شبه الدورية. وقد تحدى هذا العمل الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة، والذي ساد بين عامي 1912 و1982، بأن البلورات يجب أن تمتلك ترتيبات ذرية دورية تمامًا.

في عام 1982، لاحظ شيختمان سبيكة من الألومنيوم والمنغنيز ذات بنية ذرية واضحة ولكنها غير دورية. وقد أظهرت هذه السبيكة تناظرات، مثل التناظر الخماسي، الذي كان علماء الرياضيات قد اعتبروه محظورًا في البلورات الدورية. أدت هذه الملاحظة إلى إعادة تعريف مفهوم البلورة، وحصل شيختمان بفضلها على جوائز عديدة، مما ساهم في إعادة تشكيل دراسة المادة الصلبة والنظام البنيوي.

تحدث الدكتور يي فانغ وانغ، مدير معهد فيزياء الطاقة العالية في الأكاديمية الصينية للعلوم والحائز على جائزة الاختراق لعام 2016، عن النيوترينوات. ووصفها وانغ بأنها جسيمات شبحية تمر عبر كل شيء، بدءًا من الانفجار العظيم والشمس وصولًا إلى أجسام البشر. وقُدِّر أن كل شخص في قاعة المنتدى يُصدر حوالي 340 مليون نيوترينو يوميًا.

درس وانغ التناقض بين النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات وعلم الكونيات فيما يتعلق بكتلة النيوترينو. إذ يعتبر النموذج القياسي النيوترينو عديم الكتلة، بينما تشترط النماذج الكونية أن يكون له كتلة، لأنه بدون هذه الكتلة، لن تتشكل المجرات والنجوم. ويُعدّ حلّ هذا التناقض جوهريًا في فيزياء الجسيمات وعلم الفلك الحديثين.

استعرض وانغ تجربة خليج دايا، التي وصفها بأنها من أهم مشاريع فيزياء الجسيمات في هذا القرن. وقد أُنشئ هذا التعاون الدولي، بقيادة الصين والولايات المتحدة، لقياس خصائص النيوترينوات بدقة عالية. وقد ساهمت نتائجه في تحسين تقديرات معايير النيوترينو الرئيسية، وعززت الروابط بين الفيزياء المختبرية والرصد الكوني.

في جميع أنحاء منتدى الاكتشاف العلمي، عاد المتحدثون إلى نفس الأفكار الأساسية. فالتقدم الكبير يعتمد على الفضول، والأدوات الدقيقة، والشجاعة في التشكيك في النماذج المقبولة في مجالات تتراوح من ميكانيكا الكم والنيوترينوات إلى السبائك والطوبولوجيا. وقد أظهرت عروضهم كيف تستمر برامج البحث طويلة الأمد، المدعومة بالتعاون العالمي، في إعادة تشكيل الفهم العلمي للأجيال القادمة.

With inputs from WAM