خلال العقدين الأولين من القرن العشرين ، شهدت العلوم الأوروبية ثورة. قدمت نظرية ألبرت أينشتاين النسبية نموذجًا جديدًا من Macrocosmos ، في حين طورت Niels Bohr وغيرها النموذج الذري للسماعات الدقيقة.
ومع ذلك ، قاوم النموذجان التكامل في “نظرية كل شيء”. في قلب المشكلة يبدو أن هناك شكلين متميزين من الرياضيات: منفصل ومستمر. لكن الحوسبة الكمومية قد تأتي للإنقاذ.
منفصل ومستمر
يكمن التمييز بين الرياضيات المنفصلة والمستمرة في قلب الفيزياء الحديثة وعلوم الكمبيوتر. تصف الرياضيات المنفصلة الواقع بوحدات منفصلة قابلة للعد – مثل الأرقام الثنائية المستخدمة في الحوسبة – في حين أن الرياضيات المستمرة تجسد عمليات ناعمة وغير منقطعة ، مثل الأمواج والمنحنيات.
شكل هذا التوتر بين المنفصل والمستمر بعضًا من أهم الاختراقات في العلوم ، بما في ذلك ميكانيكا الكم للنسبية ، ويستمر في التأثير على الحدود الجديدة مثل الحوسبة الكمومية.
في مطلع القرن العشرين ، اعتقد العلماء أن الضوء والإشعاع كان ظاهرة مستمرة.
في عام 1900 ، تحدى الفيزيائي الألماني ماكس بلانك هذا الرأي. لصياغة قانون الإشعاع الخاص به ، تعامل مع الضوء كوحدات منفصلة ، أو كمية ، وهي خطوة تمليها الضرورة الرياضية بدلاً من الأدلة التجريبية. تعتبر بلانك في البداية كوانتا بنيات رياضية مجردة ، وليس الواقع المادي.
تميزت هذه الخطوة بدخول الرياضيات المنفصلة إلى الفيزياء. تشكل كمية Planck قابلة للمقارنة مع أخذ العينات الرقمية الحديثة: تمامًا كما يتم ترقيم الموسيقى من خلال تسجيل العديد من العينات الصغيرة في الثانية الواحدة ، فإن الإشعاع المعامل Planck يتكون من حزم منفصلة.
من كمية إلى فوتونات
في عام 1905 ، أعطى أينشتاين معنى جديدًا لفكرة بلانك عن كمية من خلال شرح التأثير الكهروضوئي. اقترح أن الضوء يتكون من حزم منفصلة من الطاقة ، تسمى فيما بعد الفوتونات.
أكدت التجارب أن الضوء ، الذي يُعتبر منذ فترة طويلة بموجة مستمرة ، يمكن أن يتصرف مثل الجسيمات في ظل ظروف معينة. وهكذا أصبح التجريد الرياضي لـ Planck الواقع البدني لـ Einstein ، مما يمثل التقدير باعتباره سمة أساسية للطبيعة.
مهد عمل أينشتاين على التأثير الكهروضوئية الطريق لنموذج ذري جديد. بناءً على فكرة أن الطاقة تأتي في حزم منفصلة ، اقترح Bohr في عام 1913 أن الإلكترونات تدور حول النواة في مستويات الطاقة الثابتة ويمكن أن تقفز بينها عن طريق امتصاص أو انبعاث الفوتونات.
أوضح هذا الأطياف الذرية ، حيث يظهر الضوء في خطوط متميزة بدلاً من الأشرطة المستمرة. يمثل نموذج Bohr بداية ميكانيكا الكم ووضع الأساس لما قد يصبح لاحقًا النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، والتي توضح فهمنا للجزيئات الأساسية وتفاعلاتها.
والجدير بالذكر أنه في نفس العام الذي نشر فيه آينشتاين ورقته حول التأثير الكهروضوئي ، في عام 1905 ، نشر أيضًا نظريته الخاصة عن النسبية ، حيث وصف المساحة والوقت ليس منفصلين بل مستمر. في النسبية والمكان والوقت “كلاسيكي” ، أي نيوتن.
بعد عقد من الزمان ، مددت النسبية العامة لـ Einstein هذا الإطار المستمر إلى الجاذبية ، ووصفه بأنه الانحناء الناعم والمستمر في وقت الفضاء. أكدتها بعام 1919 Eclipse Expedition للفيزيائي والفلك آرثر ستانلي إدينغتون ، أصبحت النسبية الأساس لفهم ماكروسيوسموس.
وبهذه الطريقة ، تقدم أينشتاين على جانبي الفجوة العظيمة: العالم الكمومي للكمية المنفصلة والكون النسبي للفضاء المستمر. ومع ذلك ، تظل هاتان الركائزان من الفيزياء غير متوافقين رياضيا ، مما يؤكد التحدي الذي لم يتم حله المتمثل في توحيد المنفصل والمستمر في نظرية واحدة.
النماذج الهجينة
أدت الجهود المبذولة للتوفيق بين النسبية مع ميكانيكا الكم إلى نماذج هجينة تنسج معًا الرياضيات المنفصلة والمستمرة. الأمثلة الثلاثة المعروفة هي:
– Loop Quantum Gravity (LQG): يصف المساحة كما تم تصميمها من “قطع” منفصلة (شبكات الدوران) ، في حين أن تطورها يتكشف من خلال الهندسة المستمرة.
– نظرية الأوتار: تتصور الأوتار ككائنات مستمرة تهتز التي تنتج أنماط الاهتزاز أطياف الجسيمات المنفصلة.
– نظرية المجال الكمومي (QFT): يعامل الحقول ككيانات مستمرة ، ولكن الإثارة الخاصة بها تظهر كجزيئات منفصلة.
يمثل كل من هذه النهج محاولة لسد الفجوة بين التقدير والاستمرارية ، في الواقع البحث عن إطار موحد للهيكل الأساسي للطبيعة.
الحوسبة الكم
الحوسبة الكمومية ، التي اقترحها الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان لأول مرة في الستينيات ، يجلب اللغز المنفصل المستمر إلى ارتياح حاد.
هذا الجيل الثالث من الحوسبة ، بعد التناظرية والرقمية ، يحسب مع الجزيئات دون الذرية بدلاً من التيارات الإلكترونية. تجسد الوحدة الحسابية للحوسبة الكمومية ، Qubit ، العمليات المنفصلة والمستمرة.
مثل بت الكلاسيكية ، يحتوي Qubit على قطبين – 0 و 1 – ولكن يمكن أن توجد أعمدة في التراكب ، مما يعني أنه يمكن أن يكون جزئيًا 0 وجزئيًا في نفس الوقت ، اعتمادًا على السياق والدولة أو Qubits المحيطة.
في مجال Bloch ، يتم تمثيل العمليات المستمرة كنقاط على سطحها الأملس. يستخدم الحساب الحالات المنفصلة (الثنائية) (0 و 1) للمنطق ، في حين أن الدورات المستمرة (التناظرية) عبر المجال تحكم العمليات.
يأتي الاختراق الحقيقي عندما يتم ربط Qubits من خلال التشابك ، وهي ظاهرة تشترك فيها اثنين أو أكثر في حالة الكم مهما كانت متباعدة. يمكّن ذلك أجهزة الكمبيوتر الكم من معالجة إمكانيات متعددة في وقت واحد ، بدلاً من خطوة واحدة في كل مرة ، كما تفعل الآلات الكلاسيكية.
هذه الشخصية المزدوجة – التراكب والتشابك – يعطي أجهزة الكمبيوتر الكمومية قوة غير عادية. يمكن إكمال مهام مثل محاكاة الجزيئات مع العشرات من الذرات ، والتي يمكن إكمالها لأسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم ، في دقائق على آلة الكم.
قد تساعد الحوسبة الكمومية في حل الانقسامات بين ميكانيكا الكم والنسبية ، بين ازدواجية الموجة والجسيمات ، وبين المستمر والمنفصل ، وبالتالي توسيع فهمنا للكون.
اللانهاية في متناول اليد
لعدة قرون ، تم الدافع وراء التقدم العلمي عن طريق توسيع الحواس البشرية من خلال استخدام الأدوات. فتحت التلسكوبات السماء لتكشف عن مكان الأرض في الكون ؛ يبحث أصحاب الجسيمات في أصغر المقاييس ، وكشف جزيئات النموذج القياسي.
الآن ، قد يظهر الكمبيوتر الكم كنوع جديد من الأدوات ، وليس الجزيئات التي تنظر إلى الخارج أو تحطيم الجزيئات ، ولكنها تستكشف الواقع عن طريق المحاكاة. سيسمح للفيزيائيين بنمذجة الحقول الكمومية والثقوب السوداء والحالات الغريبة للمادة بطرق لا يمكن للآلات الكلاسيكية. قد يكون حتى قادرا على محاكاة الانفجار الكبير.
حيث فتحت التلسكوبات الكبير الذي لا حصر له ، فإن الحوسبة الكمومية الصغيرة التي لا حصر لها ، قد توسع فهمنا للمعقدة بلا حدود ، وربما من اللانهاية نفسها. قد يؤدي حتى إلى نظرية كل شيء بعيد المنال.
جان كريكي هو صحفي مقره في تايلاند. كتابه الأخير هو السيرة الذاتية بوساطة الذكاء الاصطناعى بعنوان “الشرق والغرب في مفترق الطرق: دمج العلوم والأخلاق والوعي عبر الثقافات”. قد يتم شراؤها هنا.
