ليس الضوء فقط: كل شيء عبارة عن موجة، بما في ذلك أنت

هل يمكن للفيزياء الكمية أن تخبرنا بشيء عن طبيعة الحياة؟

في عام 1905، اقترح ألبرت أينشتاين، البالغ من العمر آنذاك 26 عامًا، شيئًا غريبًا تمامًا: يمكن للضوء أن يكون موجة أو جسيم. هذه الفكرة غريبة كما تبدو. إذ كيف يمكن لشيء ما أن يكون شيئين مختلفين لهذه الدرجة؟ الجسيم صغير ومحصور في مساحة صغيرة، بينما الموجة تنتشر. الجسيمات تصطدم ببعضها وتتناثر، في حين تنكسر الموجات وتتعرج. تُضاف الجسيمات أو تلغي بعضها البعض في التداخلات. هذه سلوكيات مختلفة جدًا.

السر يكمن في الترجمة

المشكلة في هذه الثنائية بين الموجة والجسيم هي أن اللغة تواجه مشكلات في استيعاب كلي للسلوكيات الناتجة عن الكائن نفسه. بعد كل شيء، تتألف اللغة من تجاربنا وعواطفنا، من الأشياء التي نراها ونشعر بها. نحن لا نرى أو نشعر بالفوتونات مباشرةً، ولكن يمكن أن نستكشف طبيعتها باستخدام إعدادات تجريبية، ونجمع المعلومات من خلال الشاشات والعدادات، وما شابه ذلك.

يظهر السلوك المزدوج للفوتونات كاستجابة لكيفية إعدادنا للتجربة. فإذا كان لدينا ضوء يمر عبر فتحات ضيقة، فإنه سيتعرج مثل الموجة. وإذا تصادم مع الإلكترونات، فإنه سيتناثر مثل الجسيم. لذلك، وبطريقة ما، تحدّد تجربتنا (السؤال الذي نطرحه) الطبيعة الفيزيائية للضوء. الأمر الذي يُدخل عنصرًا جديدًا في الفيزياء: تفاعل المراقِب مع المراقَب. وفي تفسير أكثر تطرفًا، يمكننا القول تقريبًا أن نيّة الباحث تحدّد الطبيعة الفيزيائية لما يُراقبه، بمعنى أن العقل يحدّد الواقع الفيزيائي. هذا أمر مبالغ فيه حقًا، لكن الذي يمكننا قوله بالتأكيد هو أن الضوء يستجيب للسؤال الذي نطرحه بطرق مختلفة. في الجوهر، يعد الضوء موجة وجسيم، ولكن الأمر ليس كذلك.

يأتي هذا ليقودنا إلى نموذج بور Bohr للذرة، الذي ناقشناه من قبل. إذ يعتمد نموذجه على تحديد مواقع الإلكترونات التي تدور حول النواة الذرية في مدارات معينة. يمكن للإلكترون أن يكون في واحدة فقط من هذه المدارات، كما لو أنه مضبوط على مسار قطار. كما يمكنه القفز بين المدارات، ولكنه لا يمكن أن يكون في الوسط بينها. كيف يعمل ذلك بالضبط؟ بالنسبة لبور، كانت هذه مسألة مفتوحة. ثم جاء الجواب من خلال عمل ملحوظ من الحدس الفيزيائي، والذي أثار ثورة في فهمنا للعالم.

طبيعة الموجة لكرة القاعدة (البيسبول)

في عام 1924، أظهر لويس دو بروي، المؤرخ الذي تحوّل إلى فيزيائي، بشكل مذهل تمامًا أن المدارات الشبيهة بالخطوات للإلكترون في النموذج الذري لبور يمكن فهمها بسهولة إذا صُوّر الإلكترون كموجات ساكنة تحيط بالنواة. وهذه الموجات مشابهة تمامًا لتلك التي نراها عندما نهزّ حبلًا مربوطًا من الطرف الآخر. ففي حالة الحبل، يظهر نمط الموجة الساكنة بسبب التداخل البنّاء والتدميري بين الموجات المتواترة على طول الحبل. وتظهر هذه الموجات الساكنة للسبب نفسه بالنسبة للإلكترون، لكن الموجة الإلكترونية تنغلق على نفسها مثل الأوروبوروس، الثعبان الأسطوري الذي يبتلع ذيله. عندما نهزّ الحبل بقوة أكثر، يُظهر نمط الموجات الساكنة المزيد من الترددات. كذلك الإلكترون، فإنه يتوافق مع موجة ساكنة تحتوي على المزيد من الترددات عندما يكون في المدارات الأعلى.

بدعم حماسي من آينشتاين، وسّع دي بروي بجرأة مفهوم الثنائية بين الموجة والجسيم من الضوء إلى الإلكترونات، وعبر تمديد ذلك إلى كل جسم مادي متحرك. لم يكن الضوء فقط، بل كانت المادة من أي نوع مرتبطة بالموجات.

لقد قدّم دي بروي صيغة تُعرف بطول موجة دي بروي لحساب طول موجة أي مادة لها كتلة m تتحرك بسرعة v. وربط الطول الموجي λ ب m وv (وبالتالي بالزخم p = mv) وفقًا للعلاقة λ = h/p، إذ إن h هو ثابت بلانك. ويمكن تعديل هذه الصيغة للأجسام المتحركة بالقرب من سرعة الضوء.

كمثال، تتحرك كرة القاعدة (البيسبول) بسرعة 70 كيلومتر في الساعة، ولها طول موجة دي بروي مقداره حوالي 22 مليار جزء من تريليون جزء من تريليون من السنتيمتر (أو 2.2 × 10-32 سم). من الواضح عدم وجود الكثير من الموجات هناك، ونحن نملك التبرير في تصوّر كرة القاعدة كجسم صلب. على العكس من ذلك، فإن الإلكترون الذي يتحرك بعُشر سرعة الضوء له طول موجة يبلغ نصف حجم الذرة الهيدروجينية (بالضبط، نصف حجم المسافة الأكثر احتمالًا بين نواة ذرية وإلكترون في حالة طاقته الأدنى).

بينما الطبيعة الموجية لكرة القاعدة المتحركة غير ذات أهمية لفهم سلوكها، فإن الطبيعة الموجية للإلكترون ضرورية لفهم سلوكه في الذرات. على الرغم من ذلك، فإن خلاصة الموضوع هي أن كل شيء يتموّج: إلكترون، كرة القاعدة، وأنت.

البيولوجيا الكمومية

لقد أُكّدت فكرة دي بروي البارزة في عدد لا يحصى من التجارب. ففي دروس الفيزياء الجامعية، نُظهر كيف تتجاوز الإلكترونات المارة من خلال بلورة مثل الأمواج، مع تكوينات فوقية تخلق بقع مظلمة ومشرقة بسبب التداخل التدميري والبنّاء. يؤيّد أنتون زيلينجر، الذي تشارك مع آخرين في جائزة نوبل للفيزياء لعام 2023، التشتت لأجسام أكبر على نطاق متزايد، من جزيئات C60 على شكل كرة القدم (تحتوي على 60 ذرة كربون) إلى الجزيئات البيولوجية الكبيرة.

السؤال هو كيف ستكون الحياة تحت تجربة التشتت بمثل هذه التجربة على مستوى الكم. البيولوجيا الكمومية هي حدود جديدة، إذ تلعب الثنائية بين الموجة والجسيم دورًا رئيسيًا في سلوك الكائنات الحية. هل يمكن للحياة البقاء في التداخل الكمومي؟ هل يمكن للفيزياء الكمومية أن تخبرنا بشيء عن طبيعة الحياة؟