ما وراء هايزنبرغ: اكتشف العلماء “حدًا للزمن والمكان” جديدًا في فيزياء الكم

اكتشف العلماء حدًا كميًا خفيًا يمنع معرفة موضع الإلكترون وتوقيته بدقة تامة.

تضع فيزياء الكم حدودًا صارمة لما يمكن معرفته عن الجسيم. ينص مبدأ عدم اليقين لفيرنر هايزنبرغ على أنه لا يمكن قياس الموقع والزخم بدقة غير محدودة. المشكلة ليست في المعدات غير الكاملة. إن التقييد متأصل في الطبيعة نفسها.

ولم يكن من المعتقد أن الموقع والزمن يخضعان لقاعدة متكافئة. الآن، يقول الباحثون إنهم اكتشفوا حدودًا وثيقة الصلة تظهر عندما يحاول العلماء تتبع الإلكترون عبر المكان والزمان بدقة متناهية.

عملت الفرق في مركز ريغنسبورغ للتنظير النانوي فائق السرعة (RUN)، بقيادة البروفيسور جاشا ريب، وروبرت هوبر، وفرانز جيسيبل، وكلاوس ريختر، مع الباحثين في معهد ماكس بلانك في هامبورغ بقيادة أنجيل روبيو. وقد لاحظوا معًا ما يسمونه “الحدود الزمانية والمكانية” لحركة الإلكترون.

وتكشف النتيجة عن مقايضة أساسية. كلما حدد الباحثون بدقة أكبر متى يتحرك الإلكترون، كلما كانت حزمة الموجات الكمومية الخاصة به محصورة في الفضاء بشكل أقل إحكامًا.

لماذا تعتبر مراقبة الإلكترونات مهمة؟

تعتمد العديد من التقنيات المستقبلية على التحكم في الإلكترونات بمقاييس بعيدة عن متناول الإلكترونيات التقليدية. إن رقائق الكمبيوتر الأسرع، وأنظمة المعلومات الكمومية، ومواد الطاقة المتقدمة، والتفاعلات الكيميائية الموجهة بدقة، كلها تتطلب صورة أوضح لكيفية تصرف الإلكترونات على مسافات وأوقات قصيرة للغاية.

يمكن للمجاهر العادية التقاط صور مفصلة للمادة، ولكن حتى الصور الثابتة الأكثر وضوحًا لا يمكنها الكشف عن كيفية تغير الإلكترون من لحظة إلى أخرى. وبدلًا من ذلك، يحتاج الباحثون إلى شيء أقرب إلى فيلم فائق السرعة، مع فصل كل إطار بمقدار أتوثانية.

الأتو ثانية هي جزء من مليار من مليار من الثانية. وعلى هذا المقياس، يمكن للإلكترونات عبور المسافات الذرية والاستجابة للضوء قبل أن يكون لدى الذرات الوقت الكافي للتحرك بشكل ملحوظ. إن التقاط مثل هذا السلوك يشبه إلى حد ما تصوير رصاصة بينما تبدو المناظر الطبيعية المحيطة بها متجمدة تمامًا، باستثناء أن الفرق في السرعة أكبر بكثير.

استخدم الباحثون في RUN سابقًا الفحص المجهري النفقي فائق السرعة لتتبع حركة جزيء واحد. لقد شكلت الإلكترونات تحديًا أصعب بكثير؛ لأنها تتحرك بسرعة أكبر بنحو ألف مرة من الذرات والجزيئات الموجودة في هذا المقياس.

التقاط الإلكترونات في الأتو ثانية

ولمراقبتها، قام الفريق ببناء نظام ليزر جديد قادر على توليد نبضات ضوئية محددة التوقيت. تتحكم النبضات في حركة الإلكترونات بين طرف معدني حاد ذريًا وسطح فضي لا يفصل بينهما سوى أقطار ذرية قليلة.

أنتجت حركة الإلكترون تيارًا قابلاً للقياس. ومن خلال تغيير التأخير بين نبضتين ضوئيتين، أعاد الباحثون بناء وقت حدوث النقل.

وقال المؤلف الرئيسي سيمون ماير: “من خلال تغيير الفاصل الزمني بين نبضتي الليزر، يمكننا أن نلاحظ بشكل مباشر كيفية استجابة الإلكترونات”.

لم تكشف التجربة عن أن الإلكترونات تتصرف مثل الكرات الصغيرة التي تتحرك عبر مسارات يمكن التنبؤ بها. وبدلاً من ذلك، كانت بمثابة موجات ميكانيكية كمومية.

تصوير نفق الكم

عبرت الإلكترونات الفجوة من خلال النفق الكمي، وهي عملية تسمح للجزيئات بالمرور عبر حاجز طاقة لا يمكنها التغلب عليه بموجب قواعد الفيزياء الكلاسيكية. يلعب حفر الأنفاق بالفعل دورًا مهمًا في التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك مجاهر المسح النفقي، وأجهزة أشباه الموصلات، وبعض أشكال تخزين البيانات.

في هذه التجربة، تمكن الفريق من تحديد متى حدث النفق بدقة أتوثانية.

قالت كاثرينا جلوكل، باحثة الدكتوراه والمؤلفة المشاركة: “يمكن فهم قياساتنا على أنها كاميرا عالية السرعة لحزم الموجات الإلكترونية، حيث يمكنك رؤية أي نقطة زمنية تحدث فيها عملية النفق”.

أعادت عمليات المحاكاة الكمومية التي أجرتها مجموعة أنجل روبيو إنتاج النتائج التجريبية بشكل وثيق. وكشفوا أيضًا أن الإلكترونات لم تستجب لمجال الليزر على الفور. وبدلا من ذلك، تأخرت حركتهم بحوالي 500 أتو ثانية.

الكشف عن مقايضة الزمكان

كشفت التجربة أيضًا عن حدود الأوصاف المألوفة للضوء. في هذه المقاييس، لا يمكن فهم نبضات الليزر على أنها موجات بحتة أو مجرد تيارات من الفوتونات. وتضمن سلوكهم عناصر من كلتا الصورتين، مما يعكس الطبيعة المزدوجة للضوء في فيزياء الكم.

وقد ساعد هذا المزيج الباحثين على التعمق في “الحد المكاني والزمكاني” الذي تم رصده حديثًا.

ظهرت المقايضة المركزية عندما حاول الفريق تحديد توقيت نقل الإلكترون بشكل أكثر دقة. يتطلب القيام بذلك توفير المزيد من الطاقة. تسببت هذه الطاقة الإضافية في انتشار حزمة موجة الإلكترون لمسافة أبعد عبر الفضاء.

“كلما أردنا تحديد موقع الإلكترون في الوقت المناسب بشكل أكثر دقة، كلما زادت الطاقة التي نحتاج إلى توفيرها. ونتيجة لذلك، تنتشر حزمة موجة الإلكترون بشكل مكاني أكبر،” أوضح المؤلف المشارك رافائيل سباتشهولز.

قياس المفاضلة بين الزمكان

ولقياس هذه العلاقة بشكل مباشر، وضع الباحثون واحدة ذرة على السطح. عملت الذرة كقيد مكاني صغير، حيث حددت لفترة وجيزة حزمة موجة الإلكترون قبل وصول نبضات الليزر.

سمح هذا للفريق بمقارنة مدى إحكام بقاء الإلكترون في الفضاء مع مدى دقة قياس حركته مع مرور الوقت.

وعلى الرغم من الإثارة الليزرية المكثفة، ظلت الحزم الموجية موضعية بما يكفي للتصوير على المستوى الذري. وهذا يعني أن الباحثين قد يكونون قادرين على دراسة حركة الإلكترون فائقة السرعة دون فقدان التفاصيل المكانية اللازمة لتمييز الذرات الفردية.

يحول العمل الحدود النظرية غير المؤكدة سابقًا إلى شيء يمكن استكشافه تجريبيًا. يمكن للعلماء الآن التحقق من كيفية تغيير توقيت حركة الإلكترون لشكل وانتشار الدالة الموجية للإلكترون.

ماذا يعني هذا بالنسبة لتكنولوجيا المستقبل

وتمتد العواقب المحتملة إلى ما هو أبعد من الفيزياء الأساسية. على سبيل المثال، يمثل نقل إلكترون واحد على الجزيء أصغر نقل ممكن للشحنة الكهربائية. إذا تم ضغط هذا النقل في منطقة صغيرة للغاية من المكان والزمان، فإنه يمكن أن ينتج كثافة تيار محلية تصل إلى 1 تريليون أمبير لكل سنتيمتر مربع.

يمكن لمثل هذه النبضات الإلكترونية عالية التركيز أن تمنح الباحثين في النهاية طريقة جديدة لبدء التفاعلات الكيميائية والتحكم فيها. فبدلاً من تسخين مادة بأكملها أو تعريضها لإشعاع طويل الأمد، قد يوجه العلماء الطاقة نحو رابطة معينة في لحظة مختارة بدقة.

وقال البروفيسور جاشا ريب: “في المستقبل، نريد استخدام مثل هذه الحزم الموجية لتحفيز التفاعلات الكيميائية على وجه التحديد وملاحظة، على الأطوال والمقاييس الزمنية ذات الصلة، كيف يمكن كسر الروابط الكيميائية أو تغييرها”.

يضيف البروفيسور روبرت هوبر: “على المدى الطويل، يمكن للأفكار المكتسبة أيضًا أن تساهم في تشغيل الإلكترونيات ومعالجة المعلومات الكمومية عند الحد الأقصى للسرعة لحركة الإلكترون نفسها – أسرع بمئات الآلاف من المرات من تقنية CMOS المهيمنة حاليًا”.

المرجع: “تتبع الإلكترونات في حدود الزمكان” بقلم S. Maier، R. Spachtholz، K. Glöckl، CM Bustamante، S. Lingl، M. Maczejka، J. Schön، A. Riedel، K. Richter، FJ Giessibl، FP Bonafé، MA Huber، A. Rubio، J. Repp and R. Huber، 3 يوليو 2026، الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-026-01932-0

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.