على هدوء جائحة بعد الظهر في عام 2021, تشييوان وانغكان آنذاك طالب دراسات عليا في جامعة رايس، وكان يخفف من شعوره بالملل من خلال العمل على مسألة رياضية غريبة. وبعد أن وجد حلاً غريبًا، بدأ يتساءل عما إذا كان الرياضيات يمكن تفسيرها جسديا. في النهاية، أدرك أنه يبدو وكأنه يصف نوعًا جديدًا من الجسيمات: وهو ليس جسيمًا ماديًا ولا جسيمًا يحمل القوة. ويبدو أنه شيء آخر تماما.

كان وانغ حريصًا على تطوير هذا الاكتشاف العرضي إلى نظرية كاملة لهذا النوع الثالث من الجسيمات. لقد أوصل الفكرة إلى كادن هازارد، مستشاره الأكاديمي.

يتذكر هازارد: “قلت، لست متأكدًا من أنني أصدق أن هذا يمكن أن يكون صحيحًا، ولكن إذا كنت تعتقد ذلك حقًا، فيجب عليك تخصيص كل وقتك لهذا الأمر والتخلي عن كل شيء آخر تعمل عليه”.

في شهر يناير من هذا العام، قام وانغ، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية في ألمانيا، وهازارد نشرت نتائجهم المكررة في المجلة طبيعة. يقولون أن فئة ثالثة من الجسيمات، تسمى الجسيمات شبه الجزئية، يمكن أن توجد بالفعل، وأن هذه الجسيمات يمكن أن تنتج مواد جديدة غريبة.

وعندما ظهرت الورقة ماركوس مولر، وهو فيزيائي في معهد البصريات الكمومية والمعلومات الكمومية في فيينا، كان يتنافس بالفعل مع فكرة الجسيمات شبه الجزئية لسبب مختلف. وفق ميكانيكا الكم، يمكن أن يكون الكائن أو المراقب في مواقع متعددة في وقت واحد. كان مولر يفكر في كيفية التبديل بين الأمور، على الورق وجهات نظر المراقبين في هذه “الفروع” المتعايشة من الواقع. لقد أدرك أن هذا جاء مع قيود جديدة على إمكانية وجود الجسيمات شبه الجزئية، ووصف فريقه نتائجهم في شكل أ طبعة أولية في فبراير وهو الآن قيد المراجعة للنشر في مجلة.

كان التوقيت القريب للورقتين من قبيل الصدفة. لكن العمل معًا يعيد فتح قضية لغز فيزيائي كان يُعتقد أنه تم حله منذ عقود مضت. يتم إعادة تقييم سؤال أساسي: ما هي أنواع الجسيمات التي يسمح بها عالمنا؟

متعلق ب: في المرة الأولى، اكتشف الفيزيائيون ذرات “حرة المدى” بعيدة المنال – مما يؤكد نظرية عمرها قرن من الزمان حول ميكانيكا الكم

عوالم خفية

كل شيء معروف الجسيمات الأولية تندرج في إحدى فئتين، وكلاهما يتصرفان على نحو متضاد تقريبًا. هناك الجسيمات التي تشكل المادة، والتي تسمى الفرميونات، والجسيمات التي تنقل القوى الأساسية، والتي تسمى البوزونات.

السمة المميزة للفرميونات هي أنه إذا قمت بتبديل مواقع اثنين من الفرميونات، فإن حالتهما الكمومية تكتسب علامة ناقص. إن وجود علامة الطرح التافهة هذه له تداعيات هائلة. وهذا يعني أنه لا يمكن أن يتواجد فرميونان في نفس المكان وفي نفس الوقت. عند تجميع الفرميونات معًا، لا يمكن ضغطها بعد نقطة معينة. تمنع هذه الميزة المادة من الانهيار على نفسها، ولهذا السبب توجد الإلكترونات الموجودة في كل ذرة في “أغلفة”. بدون علامة الطرح هذه، لم نتمكن من الوجود.

البوزونات ليس لديها مثل هذا التقييد. ومن دواعي سرور مجموعات البوزونات أن تفعل الشيء نفسه تمامًا. على سبيل المثال، يمكن لأي عدد من جسيمات الضوء أن تتواجد في نفس المكان. وهذا ما يجعل من الممكن بناء أشعة الليزر، التي تنبعث منها العديد من جزيئات الضوء المتطابقة. تعود هذه القدرة إلى حقيقة أنه عندما يتبادل بوزونان مكانهما، تظل حالتهما الكمية كما هي.

ليس من الواضح أن الفرميونات والبوزونات يجب أن تكون الخيارين الوحيدين.

ويرجع ذلك جزئيًا إلى السمة الأساسية لنظرية الكم: لحساب احتمالية قياس جسيم في أي حالة معينة، عليك أن تأخذ الوصف الرياضي لتلك الحالة وتضربه في نفسه. هذا الإجراء يمكن أن يمحو الفروق. علامة الطرح، على سبيل المثال، سوف تختفي. إذا أعطيت الرقم 4، أ خطر! لن يكون لدى المتسابق أي طريقة لمعرفة ما إذا كان السؤال هو “ما هو مربع 2؟” أو “ما هو سالب 2 تربيع؟” – كلا الاحتمالين صحيحان رياضيا.

وبسبب هذه الميزة، فإن الفرميونات، على الرغم من حصولها على علامة ناقص عند تبديلها، تبدو جميعها متشابهة عند قياسها – تختفي علامة الطرح عندما يتم تربيع الحالات الكمومية. إن عدم القدرة على التمييز هذه هي خاصية حاسمة للجسيمات الأولية؛ لا توجد تجربة يمكن أن تفرق بين شخصين من نفس النوع.

لكن علامة الطرح قد لا تكون الشيء الوحيد الذي يختفي. من الناحية النظرية، يمكن أن تحتوي الجسيمات الكمومية أيضًا على حالات داخلية مخفية، وهي هياكل رياضية لا تُرى في القياسات المباشرة، والتي تختفي أيضًا عند التربيع. وهناك فئة ثالثة أكثر عمومية من الجسيمات، والمعروفة باسم الجسيمات شبه الجسيمية، يمكن أن تنشأ من هذه الحالة الداخلية المتغيرة بعدة طرق عندما تتبادل الجسيمات أماكنها.

وبينما يبدو أن نظرية الكم تسمح بذلك، فقد واجه الفيزيائيون صعوبة في العثور على وصف رياضي لجسيم شبه جسيمي فعال. في الخمسينيات من القرن الماضي، قام الفيزيائي هربرت جرين ببعض المحاولات، لكن المزيد من الفحص كشف أن هذه النماذج شبه الجزيئية كانت في الواقع مجرد مجموعات رياضية من البوزونات والفرميونات النموذجية.

في سبعينيات القرن العشرين، يبدو أن لغز عدم تمكن أحد من العثور على نموذج مناسب للجسيمات شبه الجزئية قد تم حله. أثبتت مجموعة من النظريات تسمى نظرية DHR، على اسم الفيزيائيين الرياضيين سيرجيو دوبليشر ورودولف هاج وجون روبرتس، أنه إذا كانت بعض الافتراضات صحيحة، فإن البوزونات والفرميونات فقط هي الممكنة فيزيائيًا. أحد الافتراضات هو “المحلية”، وهي القاعدة التي تنص على أن الأشياء لا يمكن أن تتأثر إلا بالأشياء الموجودة في محيطها. (“إذا قمت بوخز طاولتي، فمن الأفضل ألا أؤثر على القمر بشكل فوري،” كما قال هازارد). ويفترض دليل DHR أيضًا أن الفضاء (على الأقل) ثلاثي الأبعاد.

ثبطت النتائج المشاريع الجديدة في مجال الجسيمات شبه الجزيئية لعقود من الزمن، مع استثناء واحد. في أوائل الثمانينيات، توصل الفيزيائي فرانك ويلتشيك إلى نظرية الجسيمات دعا أنيونات والتي لا يمكن وصفها بأنها بوزونات أو فرميونات. للالتفاف على نظريات DHR، تأتي الأنيونات مع مشكلة كبيرة: فهي لا يمكن أن توجد إلا في بعدين.

الفيزيائيون الآن دراسة الأنيونات على نطاق واسع لإمكاناتهم في الحوسبة الكمومية. وحتى إذا اقتصرت على بعدين، فإنها يمكن أن تظهر على سطح مستوٍ من المادة، أو في مجموعة ثنائية الأبعاد من الكيوبتات في الكمبيوتر الكمي.

لكن الجسيمات شبه ثلاثية الأبعاد التي يمكن أن تشكل مادة صلبة لا تزال تبدو مستحيلة. أي حتى الآن.

تحول المعالم

أثناء تطوير نموذجهما، لاحظ وانج وهازارد أن الافتراضات الكامنة وراء نظرية DHR تجاوزت الاهتمامات النموذجية للمحلية. وقال هازارد: “أعتقد أن الناس بالغوا في تفسير القيود أو القيود التي فرضتها هذه النظريات بالفعل”. لقد أدركوا أن الجسيمات شبه الجزئية قد تكون ممكنة من الناحية النظرية بعد كل شيء.

في نموذجهم، بالإضافة إلى الخصائص المعتادة للجسيم مثل الشحنة والدوران، تشترك مجموعات من الجسيمات شبه الجزيئية في خصائص مخفية إضافية. كما هو الحال مع علامة الطرح التي يتم تربيعها أثناء القياس، لا يمكنك قياس هذه الخصائص المخفية مباشرة، ولكنها تغير سلوك الجزيئات.

عندما تقوم بتبديل جسيمين نظيرين، تتغير هذه الخصائص المخفية جنبًا إلى جنب. على سبيل القياس، تخيل أن هذه الخصائص هي الألوان. ابدأ بجسيمين شبه جزيئين، أحدهما أحمر داخليًا والآخر أزرق داخليًا. عندما يتبادلون الأماكن، بدلاً من الاحتفاظ بهذه الألوان، فإنهم يتغيرون بطرق متناظرة، كما هو محدد في رياضيات النموذج المعين. ربما تتركهم المبادلة باللونين الأخضر والأصفر. وسرعان ما يتحول هذا إلى لعبة معقدة، حيث تؤثر الجسيمات شبه الجزئية على بعضها البعض بطرق غير مرئية أثناء تحركها.

وفي الوقت نفسه، كان مولر مشغولًا أيضًا بإعادة التفكير في نظريات DHR. وقال: “ليس دائمًا ما يقصدونه فائق الشفافية، لأنه يقع في إطار رياضي معقد للغاية”.

اتخذ فريقه نهجًا جديدًا في التعامل مع مسألة الجسيمات المجاورة. أخذ الباحثون بعين الاعتبار حقيقة أن الأنظمة الكمومية يمكن أن توجد في حالات متعددة محتملة في وقت واحد، وهو ما يسمى بالتراكب. لقد تصوروا التبديل بين وجهات نظر المراقبين الموجودين في هذه الحالات المتراكبة، حيث يصف كل منهم فرعه من الواقع بشكل مختلف قليلاً. لقد توصلوا إلى أنه إذا كان هناك جسيمان لا يمكن تمييزهما حقًا، فلن يهم إذا تم تبديل الجزيئات في فرع واحد من التراكب وليس في الآخر.

وقال مولر: “ربما إذا كانت الجسيمات قريبة، أقوم بتبديلها، ولكن إذا كانت بعيدة فلا أفعل شيئًا”. “وإذا كانا في حالة تراكب لكليهما، فأنا أقوم بالتبديل في فرع واحد، ولا شيء في الفرع الآخر.” إن قيام المراقبين عبر الفروع بتسمية الجسيمين بنفس الطريقة لن يحدث أي فرق.

هذا التعريف الأكثر صرامة لعدم القدرة على التمييز في سياق التراكبات يفرض قيودًا جديدة على أنواع الجسيمات التي يمكن أن توجد. عندما ثبتت هذه الافتراضات، وجد الباحثون أن الجسيمات شبه مستحيلة. لكي يكون الجسيم غير قابل للتمييز حقًا عن طريق القياس، كما يتوقع الفيزيائيون أن تكون الجسيمات الأولية، يجب أن يكون إما بوزونًا أو فيرميونًا.

على الرغم من أن وانغ وهازارد نشرا بحثهما أولاً، إلا أن الأمر يبدو كما لو أنهما توقعا أن القيود التي فرضها مولر قادمة. جسيماتهم شبه ممكنة لأن نموذجهم يرفض افتراض مولر المبدئي: لا يمكن تمييز الجسيمات بالمعنى الكامل المطلوب في سياق التراكبات الكمومية. وهذا يأتي مع نتيجة. في حين أن تبديل جسيمين شبه جزئيين ليس له أي تأثير على قياسات شخص واحد، يمكن لمراقبين، من خلال مشاركة بياناتهما مع بعضهما البعض، تحديد ما إذا كان قد تم تبديل الجسيمات شبه الجزئية. وذلك لأن مبادلة الجسيمات شبه الجزئية يمكن أن تغير كيفية ارتباط قياسات شخصين ببعضها البعض. وبهذا المعنى، يمكنهم التمييز بين الجسيمات شبه الجزئية.

وهذا يعني أن هناك إمكانية لحالات جديدة من المادة. حيث يمكن للبوزونات أن تحزم عددًا لا نهائيًا من الجسيمات في نفس الحالة، ولا تستطيع الفرميونات مشاركة الحالة على الإطلاق، وينتهي الأمر بالجسيمات شبه الجزيئية في مكان ما في الوسط. إنهم قادرون على تجميع عدد قليل من الجزيئات في نفس الحالة، قبل أن يصبحوا مزدحمين ويجبرون الآخرين على الدخول في حالات جديدة. ويعتمد العدد الدقيق الذي يمكن حشره معًا على تفاصيل الجسيمات شبه الجسيمية، حيث يتيح الإطار النظري خيارات لا حصر لها.

وقال مولر: “أجد بحثهم رائعًا حقًا، وليس هناك أي تناقض على الإطلاق مع ما نقوم به”.

الطريق إلى الواقع

في حالة وجود جسيمات شبه جسيمية، فمن المرجح أن تكون جسيمات ناشئة، تسمى أشباه الجسيمات، والتي تظهر على شكل اهتزازات نشطة في بعض المواد الكمومية.

وقال: “قد نحصل على نماذج جديدة للأطوار الغريبة، والتي كان من الصعب فهمها من قبل، والتي يمكنك الآن حلها بسهولة باستخدام الجسيمات شبه الجزئية”. منغ تشينغ، وهو فيزيائي في جامعة ييل ولم يشارك في البحث.

برايس جادواي، عالم الفيزياء التجريبية في جامعة ولاية بنسلفانيا والذي يتعاون أحيانًا مع هازارد، متفائل بأن الجسيمات شبه الجزئية سيتم تحقيقها في المختبر في السنوات القليلة المقبلة. ستستخدم هذه التجارب ذرات ريدبيرج، وهي ذرات نشطة بإلكترونات تتجول بعيدًا جدًا عن نواتها. هذا الفصل بين الشحنتين الموجبة والسالبة يجعل ذرات ريدبيرج حساسة بشكل خاص للمجالات الكهربائية. يمكنك بناء أجهزة كمبيوتر كمومية من ذرات ريدبيرج المتفاعلة. وهم أيضًا المرشحون المثاليون لإنشاء الجسيمات شبه الجزئية.

قال جادواي عن إنشاء الجسيمات شبه الجزئية: “بالنسبة لنوع معين من محاكيات ريدبيرج الكمومية، فهذا هو النوع الذي سيفعلونه بشكل طبيعي”. “أنت فقط تقوم بإعدادهم ومشاهدتهم يتطورون.”

لكن في الوقت الحالي، تظل المملكة الثالثة للجسيمات نظرية بالكامل.

وقال ويلتشيك: “قد تصبح الجسيمات شبه المهمة مهمة”. جائزة نوبل-عالم فيزياء فائز ومخترع الأنيونات. “لكنها في الوقت الحاضر مجرد فضول نظري.”

أعيد طبع القصة الأصلية بإذن من مجلة كوانتا، منشور مستقل تحريريًا تدعمه مؤسسة SimonsFoundation.