ارتباطات بيل بين أزواج متشابكة في الزخم لذرّات 4He*

تأثير مخيف مع ذرّات ثقيلة

عندما نسمع عن غرائب ميكانيكا الكم، يكون ذلك غالبًا في سياق الضوء: جسيمات الضوء (الفوتونات) التي يبدو أنها تؤثر على بعضها فورياً عبر مسافات. لكن إذا كانت النظرية الكمومية عامة بالفعل، فينبغي أن يظهر السلوك الغريب نفسه أيضًا في كتل من المادة — ذرّات فعلية ذات كتلة تسقط تحت تأثير الجاذبية مثل أي شيء آخر. يقدّم هذا المقال خطوة مهمة في هذا الاتجاه: يبيّن أن أزواجًا من ذرّات الهيليوم فائقة البرودة يمكنها أن تتشارك ارتباطات «مخيفة» في حركتها تتحدى أي تفسير قائم على أسباب محلية عادية.

لماذا يمكن للجسيمات البعيدة أن تشترك في مصير

على مدى عقود، استخدم الفيزيائيون اختبارًا رياضيًا يُسمى عدم مساواة بيل ليتساءلوا عمّا إذا كان العالم محكومًا بقواعد محلية خفية، أم أن الطبيعة تسمح بالفعل باتصالات غير محلية بين الجسيمات. أظهرت التجارب مع الضوء ومع الحالات الداخلية للذرات مرارًا أن هذه المتباينات تُنتهك، مما يدعم الصورة الكمومية للتشابك. مع ذلك، تعاطت معظم هذه الاختبارات تقريبًا مع خصائص مثل الاستقطاب أو العزم المغزلي — إعدادات داخلية للجسيم — بدلاً من حركة الجسيم الفعلية عبر الفضاء. إن إثبات ارتباطات من نوع بيل في كيفية تحرك جسيمات ذات كتلة أمر حاسم إذا أردنا فحص كيفية توافق النظرية الكمومية مع الجاذبية ومع تجربتنا اليومية للأجسام ذات الوزن والزخم.

سحق سحب الذرات الباردة لصنع شركاء توأم

لمعالجة هذا التحدي، يبدأ الباحثون بسحابة من ذرّات الهيليوم شديدة البرودة، يتم تبريدها إلى حالة خاصة من المادة تُعرف بتكاثف بوز–أينشتاين. في هذه الحالة، تتصرف الذرات بشكل جماعي، كأنها موجة مادة عملاقة واحدة تقريبًا. نبضات ليزر مُوقوتة بعناية تُحضّر أولاً الذرات في حالة داخلية هادئة مغناطيسيًا ثم تدفع أجزاء من السحابة بلطف لتتحرك بزخم مختلف. تصطدم هذه الأجزاء المتحركة من السحابة، وعندما يحدث ذلك، تتناثر أزواج من الذرات في اتجاهين متعاكسين، مكونة «هالات» شبه كروية من الجسيمات في فضاء الزخم. يولد كل زوج على الهالة متقابلًا تمامًا، بحيث إذا طارت إحدى الذرات في اتجاه واحد، يقلع شريكها في الاتجاه المعاكس تمامًا، رابطًا حركتيهما بطريقة كمومية.

تحويل الذرات المتناثرة إلى مداخل كمومي

ثم يستخدم الفريق نبضات ليزر إضافية كأدوات لتوجيه وخلط هذه الذرات الطائرة، على غرار كيفية إرشاد المرايا ومقسّمات الشعاع للضوء في مُداخل بصري. في نسختهم لموجة المادة من إعداد راريتي–تابستر، يختارون أربعة أوضاع زخم من الهالتين — اثنان على الجانب «الأيسر» واثنان على الجانب «الأيمن» — تشكّل رباعية من المسارات ذات الارتباط القوي. تلعب نبضات ليزر أخرى أدوار المرايا ومقسّمات الشعاع، معيدة توجيه ودمج المسارات بحيث يمكن لذرة أن تصل إلى كاشف عبر أكثر من مسار لا يمكن تمييزه. من خلال ضبط الطور النسبي لأشعة الليزر، يتحكم المجربون في كيفية تداخل هذه المسارات المختلفة، مما يغيّر بدوره عدد المرات التي تُكتشف فيها تركيبات معينة من أزواج الذرات معًا عند المخرج.

قراءة الأنماط الكمومية في نقرات الكشف

بواسطة كاشف حساس للغاية قادر على تسجيل ذرّات الهيليوم الفردية، يعيد الباحثون بناء الزخم ثلاثي الأبعاد الكامل للجسيمات المتناثرة. يثبتون أولاً أن الهالات تحتوي بالفعل على أزواج قوية الارتباط تقابل بعضها البعض، بقوة ارتباط كافية لإجراء اختبار بيل. ثم يقيسون عدد المرات التي تُكتشف فيها الذرات في كل من التركيبات الأربعة للمخرج بينما يغيّرون طور المداخل. تتأرجح احتمالات الكشف المشتركة بنمط نظيف ومتناقض الطور بين ازواج المخرج المختلفة، تمامًا كما هو متوقع إذا كانت الذرات بدأت في «حالة بيل» متشابكة شبه مثالية. من هذه الاحتمالات يبنون دالة ارتباط من نوع بيل تتبع منحنى جيبي سلس بسعة كبيرة، بما يتفق بشكل لافت مع التوقعات النظرية التي تأخذ في الحسبان العدد المحدود من الذرات في كل وضع.

عبور الخط الفاصل بين العالمين الكلاسيكي والكمومي

لترجمة هذه الأنماط إلى بيان عن طبيعة الواقع، يطبّق المؤلفون عدم مساواة التوجيه، وهو اختبار مصمم لاستبعاد فئة واسعة من النماذج التي قد تُفسّر أحد الجانبين بخصائص محلية خفية عادية. تُظهر بياناتهم انتهاكًا واضحًا لهذا الحدّ، يقارب أربعة انحرافات معيارية، مما يعني أن الارتباطات الملاحظة بين الذرات البعيدة لا يمكن تفسيرها بتلك الصور الكلاسيكية. وعلى الرغم من أن الإعداد الحالي لم يُغلق بعد كل ثغرة لازمة لاختبار بيل قاطع — وبالأخص، فإنه لا يزال بحاجة إلى أطوار قابلة للضبط بشكل مستقل في مناطق متباعدة على نحو واسع — فإنه يبرهن أن الذرات الثقيلة في حركة يمكن أن تظهر عدم محلية من نوع بيل. يمهّد هذا الطريق لتجارب مستقبلية تستخدم موجات مادة متشابكة لفحص الجاذبية، واختبار أفكار أساسية عن التلاشي الكمومي، وتشغيل تقنيات استشعار وتصوير كمية جديدة.

الاستشهاد: Athreya, Y.S., Kannan, S., Yan, X.T. et al. Bell correlations between momentum-entangled pairs of ⁴He^* atoms. Nat Commun 17, 2357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69070-3

الكلمات المفتاحية: التشابك الكمومي, ارتباطات بيل, الذرات فائقة البرودة, تكاثف بوز–أينشتاين, تداخل الذرات