الأنظمة الكمومية المعقدة

تلقي إحدى التجارب الضوء على كيفية تطور المادة الكمومية من التعقيد إلى البساطة، وذلك من خلال تبريد الذرات لدرجة حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق، حيث تكون التأثيرات الكمومية مهمة باستخدام المصائد المغناطيسية التي تنتجها شريحة إلكترونية خاصة والليزر للتحكم فيها، إذ تمكن الباحثون من مراقبة الذرات بدقة في الوقت المناسب.

ما هو جنس ايزرت

إن الطبيعة كما هي معروف عنها تتميز بلا شك بظواهر غنية، حيث إنها المهمة الأساسية للفيزياء لوصف هذه الظواهر، وتقدم نماذج له وتلتقط العالم المادي من حيث القوانين الأساسية، وتهدف إلى فهم كيفية تفاعل المكونات وما الخصائص الناشئة التي تؤدي إليها هذه التفاعلات، إذ أن فيزياء الكم هي أفضل نظرية فيزيائية متاحة لدينا اليوم لوصف الطبيعة على المستوى الأساسي.

لذلك، بطريقة أو بأخرى ستتبع هذه الأنظمة المتفاعلة في النهاية القوانين الديناميكية داخل نظرية الكم، ومن خلال النظر إلى نموذج فيزيائي تتنبأ فيزياء الكم كيف سيتطور النظام قيد الدراسة بمرور الوقت، ويتم التعبير عن هذه المعلومات على أنها احتمالية إيجاد قيمة محددة عند قياس كمية مادية في وقت معين، ويتم ترميزه في كائن رياضي يسمى وظيفة الموجة.

اللافت للنظر أن النماذج البسيطة جدًا تحدث بشكل جيد للغاية لوصف ثروة من المواقف المادية، وتسمى هذه الحالات والنماذج الغوسية، وفي حين أن هذا قد يبدو مجردا قد يكون كافيا أن نقول أن الدول الغاوسية تصف حالة فيزيائية من حيث توزيعات احتمالية غوسية بسيطة، إذ أن مثل هذه التوزيعات، موجودة في كل مكان في الإحصاء وفي الطبيعة، ويمكن وصف الأنظمة الفيزيائية التي تتفاعل بشكل ضئيل جدًا بمثل هذه الحالات الكمومية الغوسية للتقريب.

كيف أصبحت الأنظمة الكمومية في مثل هذه الحالات الغاوسية

لطالما تنبأ العمل النظري بمفاهيم غاوسي (fication)، أي أن الظهور الديناميكي لحالات غاوسي في الأنظمة الفيزيائية، حيث اقترح البروفيسور جنس إيزرت ظواهر مماثلة نظريًا في وقت مبكر، وقد قام الدكتور سبيروس بالتحقيق في الظروف الفيزيائية والآلية الكامنة التي تفسر هذه الظواهر، لكن الدليل التجريبي مفقود، لكن فيما بعد شرعت للتحقيق تجريبيًا في السؤال حول كيفية تعامل الأنظمة الكمومية في النهاية مع الحالات الكمومية الغاوسية.

حيث أن هذا متجذر في مسألة كيفية ظهور التوازن الحراري في نهاية المطاف ويتعلق بها، فمن خلال وضع الذرات المبردة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية فوق شريحة مصممة بدقة وخاضعة للتحكم، إذ تمكن العلماء من التعامل مع هذا السؤال الذي طال أمده، والذي حير أسلاف ميكانيكا الكم في ظل ظروف تجريبية دقيقة للغاية.

في الواقع، في هذه التجربة يرى المرء خصائص التوازن كما وصفتها حالات غاوسي تظهر ديناميكيًا، ويتم مراقبتها بدقة في الوقت المناسب، وبعد فترة وبعبارة أخرى يواجه المرء كيف تميل الطبيعة إلى التوازن، وهي حالة يتم التقاطها من خلال الأوصاف الفيزيائية البسيطة والاقتصادية، حيث تظهر البساطة ديناميكيًا.

الموازنة والحرارة وظهور الميكانيكا الإحصائية في أنظمة الكم

يقوم العلماء بمراجعة التطورات المختارة في الفهم النظري للأنظمة الكمومية المعقدة ذات الأجسام المتعددة فيما يتعلق بالمفاهيم الناشئة لميكانيكا الإحصاء الكمومي، إذ تم تغطية موضوعات مثل الموازنة والحرارة في الميكانيكا الإحصائية للحالة البحتة وفرضية إيجنستات الحرارية وتكافؤ المجموعات وديناميات عدم الموازنة التي تتبع عمليات التبريد العالمية والمحلية وكذلك المنحدرات.

ثم عملوا العلماء فيما بعد على الاستقلال الأولي للدولة وغياب المعالجة الحرارية وتوطين العديد من الهيئات والدور الذي تلعبه المفاهيم الأساسية لهذه الظواهر، مثل حدود ليب روبنسون ونمو التشابك وحجج النموذجية ومبادئ الانتروبيا الكمومية القصوى ومجموعات جيبس المعممة والتكامل الكمومي.

كيف ينمو التعقيد الكمي بشكل خطي

يمكن إعادة بناء الأنظمة الكمومية المعقدة للعديد من الأجسام بواسطة دوائر من ما يسمى بتات الكم، حيث يبدو أن الحد الأدنى لعدد العمليات وتعقيد النظام في تزايد مستمر، ومع ذلك لا يمكن استبعاد وجود اختصارات ودوائر عشوائية ذات تعقيد أقل بكثير مما كان متوقعًا، وقد صاغ الفيزيائيان آدم براون وليونارد سسكيند من جامعة ستانفورد هذا الحدس باعتباره تخمينًا رياضيًا، وقالوا يجب أن ينمو التعقيد الكمي لنظام متعدد الأجسام أولاً خطيًا لفترات طويلة فلكيًا، ثم يظل في حالة من التعقيد الأقصى لفترة أطول.

أظهر فريق البحث الفيزيائي أن التعقيد الكمي للدوائر العشوائية يزداد بالفعل خطيًا بمرور الوقت حتى يتشبع في وقت يتناسب مع حجم النظام، ففي مثل هذه الدوائر العشوائية هي نموذج قوي لديناميكيات أنظمة الأجسام المتعددة، وبرهانهم هو مزيج مدهش من الأساليب من الهندسة وتلك من نظرية المعلومات الكمومية، حيث أن هذا النهج الجديد يجعل من الممكن حل التخمين للغالبية العظمى من الأنظمة دون الحاجة إلى معالجة المشكلة الصعبة المعروفة للحالات الفردية.