اكتشاف تأثير الثقب الأسود على المعلومات الكمية في كيمياء الحياة اليومية

لا شيء يُفسد الفيزياء الكمية مثل تلك الوحوش المعروفة باسم الثقوب السوداء، التي تبتلع المادة وتشوه الفضاء. إذا كنت ترغب في تحويل بيض “شرودينغر” إلى “أومليت” معلومات، اعثر فقط على حدود الثقب واسقطها هناك.

وفقًا لعلماء الفيزياء النظرية والكيميائيين من جامعة رايس وجامعة إلينوي Urbana-Champaign في الولايات المتحدة، يمكن للكيمياء الأساسية أن تقوم بتشويش المعلومات الكمومية بفعالية تقريبية لتلك الثقوب السوداء.

استخدم الفريق أداة رياضية طورت منذ أكثر من نصف قرن لسد الفجوة بين الفيزياء الشبه كلاسيكية المعروفة وتأثيرات الكم في الناقلية الفائقة. وجدوا أن الحالات الكمومية الدقيقة للجسيمات المتفاعلة تصبح مشتتة بسرعة مدهشة وكفاءة تماثل قوة الثقب الأسود.

وفقًا لنظرية الفيزياء لبيتر وولينز في جامعة رايس “تشير هذا الدراسة لمشكلة قديمة في الفيزياء الكيميائية تتعلق بسرعة تداخل المعلومات الكمية في الجزيئات، عندما يفكر الناس في تفاعل ما حيث تتجمع جزيئتان معًا، يعتقدون أن الذرات تقوم فقط بحركة واحدة حيث تتكون رابطة أو تتفكك رابطة.”.

يكمن وراء النماذج الكلاسيكية “الكرة والعصا” للذرات المتلاصقة التي تشكل الجزيئات عالم أكثر تعقيدًا بكثير يشبه رياضيات المقامرة والاحتمالات أكثر من الرياضيات المتعلقة بالهندسة.

في نطاق الكم، يمكن للحالة الاحتمالية أن ترتفع وتنخفض مثل الرهانات في لعبة البوكر حيث تحدد مصائر الجسيمات. كل منعطف وتغير في التفاعل – هو إلكترون جديد، كل بروتون مضاف – يُظهر بطاقة جديدة تغير بدورها المراهنات بطرق دقيقة وحاسمة.

على عكس احداث الكل أو لا شيء في الفيزياء الكلاسيكية حيث تتشكل أو ترتد الجسيمات استنادًا إلى مقاييس كافية من الطاقة، تشمل الحالات الكمية عناصر من الصدفة التي يمكنها من عبور حاجز الطاقة ببساطة.

يمكن لهذه الحالات المعروفة باسم “النفقة” أن تجعل عملية مسح حالات التقييم الكمية صعب جدًا. ما يبدأ كرهانًا منظمًا يتحول بسرعة لحالة فوضى عشوائية تعتمد على عوامل لا تحصى لتفسيره.

يستخدم أحد أساليب تفكيك التغيرات الصغيرة التي تحدد الفوضى الكمومية شيئًا يسمى “العلاقات الغير متعلقة بالزمن” أو OTOCs.

طورت هذه العلاقات في الأصل لنمذجة التوصيل الكهربائي في الستينيات من القرن الماضي، وعادت بعد عقود لتفسير الطريقة التي تنتشر بها المعلومات في الثقوب السوداء.

يقول كيميائي إلينويز أوربانا-شامبين مارتن جروبيل “تسارع OTOC مع الوقت يفسر سرعة تشفير المعلومات في النظام الكمي، مما يعني أنه يتم التوصل إلى عدد من الحالات التي تبدو عشوائية.”.

أظهرت حسابات الفريق أن ظاهرة مرور الجسيمات عبر حاجز الطاقة على الأرجح ستحدث بين مجموعات محصورة من الجزيئات التي تتطلب طاقة قليلة للتفاعل، خاصة عندما يُحتفظ بها في درجة حرارة منخفضة بشكل كاف.

في الواقع، قد يسبب الميل لهذه الظاهرة في ردود الفعل المضطربة مثل هذه، أن يشوش المعلومات الكمومية على مقياس زمني دقيق للغاية. وهذا فيما يتعلق بالثقوب السوداء، التي تأخذ الرتبة الأولى في تحطيم الحالات الكمومية للمادة وتحويلها إلى عجينة رقيقة.

عندما تحدث تلك الردود الفعل نفسها في بيئة أكثر واقعية – مثل محلول ضخم أو معلق حيوي من المواد – فسنلاحظ أن عملية “التخميد” تطابق سلوك الخلط والتشويش الفوضوي.

نأمل أنه من خلال العثور على الأدوات الصحيحة لمسح فوضى الكم على مستوى الكيمياء، قد يتمكن المهندسون من ضبط المواد بشكل دقيق لتقليل ظاهرة تجاوز حاجز الطاقة حيث لا يُرغب بها، أو التحكم بها للاستفادة منها بتطبيقات مبتكرة.

يقول: Gruebele “هناك إمكانية لتوسيع هذه الأفكار لتطبيقات تستخدم هذا التأثير عدة مرات بشكل متعدد، على سبيل المثال، توصيل الكتروني في الكثير من المواد الكمومية البسيطة الجديدة مثل البيروفسكايت -” perovskites “هي نوع من المواد الكيميائية التي تستخدم في العديد من التطبيقات التكنولوجية، بما في ذلك الألواح الشمسية والإلكترونيات الأخرى-التي تستخدم لصنع الخلايا الشمسية وأمور من هذا القبيل.”.