التصور الرابع: يمكن للضوء أن يسافر بسرعةٍ تفوق سرعة الضوء

تخيَّل بروتونًا على مسارٍ يحمله إلى جدارٍ منيع لا سبيل إلى النفاذ منه. أغلب الظن أنه إما سيُمتَص أو سيرتد عن الجدار. لكن حين يكون على مسافة قريبة جدًّا من الجدار، يكون ثمة احتمالية ضئيلة أنه سيظهر في اللحظة التالية على الجانب الآخر من الجدار، وكأنه مرَّ عبره من خلال نفق. يظهر هنا الرابطُ بين هذا ومبدأ اللايقين الكمومي؛ لأن موضع الجسيم في أي لحظة من الزمن يكون غير محدَّد، وهو ما تصفه حرفيًّا معادلات دقيقة. قد يكون الجسيم عند النقطة (أ)، أو قد يكون في أي موضع آخر بين عدة مواضع بعيدة بعض الشيء عن النقطة (أ). وإن كانت النقطة (أ) تقع بجوار الحاجز في لحظةٍ ما، فثمة احتمال قابل للقياس الكمي أن الجسيم في اللحظة التالية سيكون على الجانب الآخر من الحاجز. ولا يمكننا التأكُّد من أن الحاجز سيوقف حركة الجسيم. لكن ما هو أهم أن الجسيم لا يمكن أن يكون محل يقين. فمبدأ اللايقين الكمومي هذا ليس ناشئًا عن عجزنا البشري عن قياس الأشياء بالدقة الكافية؛ بل هو سمة من سمات الكون نفسه.

وقد اختُبِر هذا بالتجارب، لكن أفضل مثال على نشاط النفق الكمومي يأتينا من الشمس. يعرف علماء الفلك كتلة الشمس من دراساتِ مدارات الكواكب، وبواسطة هذه المعلومات يكون من السهل حسابُ مدى الحرارة التي ينبغي أن يكون عليها قلب الشمس لكي تتمكَّن من الصمود أمام الضغط الداخلي الناشئ عن وزنها. والطاقة التي تحافظ على حرارتها تأتي من اندماج نووي، يتم في الأساس عن طريق دمج البروتونات (أنوية الهيدروجين) لإنتاج جسيمات ألفا (أنوية الهيليوم)، مع «فقدان» بعضٍ من كتلتها في أثناء ذلك وإطلاقها في شكلِ طاقة. لكن ثمَّة عقبة — أو بدا أن ثمة عقبةً حين طُرحت هذه الفكرة للنقاش أولَ مرة بين علماء الفيزياء في مطلع عشرينيات القرن العشرين. وتحديثًا للقصة بالمصطلحات الحديثة، فإن هذه العملية تبدأ حين يقترب بروتونان أحدهما من الآخر إلى حدٍّ كبير ويندمجان معًا. يستحثُّ هذه العمليةَ تأثيرُ قوة جذب قوية (يُطلِق عليها علماء الفيزياء اسمًا يخلو من أي خيال، وهو «القوة القوية») تجذبهما أحدهما إلى الآخر. لكن هذه القوة القوية تتسم بمدًى قصير للغاية؛ لذا ينبغي أن تكون البروتونات على مقربة شديدة بعضها من بعض قبل حدوث هذه العملية. تكمُن المشكلة في أن كلَّ بروتون يحمل شحنةً كهربائية موجبة؛ ومن ثَم يحدث بينهما تنافر. ودفع كل منهما في اتجاه الآخر أشبهُ بمحاولةِ دفع القطبين الشماليين لقضيبين مغناطيسيين أحدهما إلى الآخر. وكلما زادت سرعة حركة البروتونين، استطاعا الاقترابَ أكثرَ أحدهما من الآخر في تصادمٍ مباشر وجهًا لوجه قبل أن يباعد بينهما التنافر، وتعتمد سرعة حركتهما على درجة الحرارة. ودرجة حرارة قلب الشمس وفقًا لحسابات علماء الفلك أدنى كثيرًا من أن تتيح للبروتونين الاقترابَ أحدهما من الآخر بما يكفي لسريان مفعول القوة القوية وقهر التنافر. إذن كيف تستمر الشمس في السطوع؟

لا بد أنك خمَّنت أن سطوع الشمس يرجع إلى ظاهرة النفق الكمومي أو المرور النفقي. في نهاية عشرينيات القرن العشرين، كان عالِم الفيزياء الروسي المَوْلد، جورج جاموف، يطبِّق قوانين ميكانيكا الكم المكتشَفة حديثًا على الفيزياء النووية، وأدرك أهمية النفق الكمومي في التفاعلات النووية. وبتطبيق هذه القوانين على الظروف القائمة في قلب الشمس، تبيَّن أن درجة الحرارة في قلب الشمس مناسبةٌ تمامًا للبروتونات بحيث يقترب بعضها من بعض، بما يسمح لها بالمرور في نفقٍ كمومي عبر الحاجز الفاصل بينها. وهكذا فإن العبور النفقي الكمومي هو ما يسمح باستمرار الاندماج النووي في قلب الشمس.

وأفضلُ تمثيل لذلك يكون بدحرجةِ كرةٍ صعودًا عبر الجزء الخارجي من جبلٍ تعلوه فوهة بركان. إذا كانت الكرة تتحرك بسرعةٍ كافية، فستصل إلى قمة الحافة وستتدحرج وينتهي بها الحال داخل الفوهة. أما إن كانت تتحرك أبطأ مما ينبغي، فستقطع جزءًا من المسافة صعودًا إلى المنحدر ثم تنحدر إلى أسفلَ عائدةً عبر الجزء الخارجي من الجبل. لكن النفق الكمومي يعني أن الكرة إن قطعت شوطًا كافيًا على الجزء الخارجي من الجبل صعودًا، يمكن أن تظهر فجأةً على الجانب الآخر من الحافة وتنحدر إلى داخل الفوهة. واختيار مصطلح «العبور النفقي» ليس موفقًا؛ ذلك أن الجسيم لا يتحرك فعليًّا عبر الحاجز؛ بل ينتقل في الحال من أحد جانبَي الحاجز إلى الجانب الآخر. وهكذا يمكن للضوء أن يسافر بأسرعَ من الضوء.

تجربة المناشير الزجاجية لنيوتن

ألامي

تنطوي طريقةُ القياس المطبَّقة على بعض التكنولوجيا المعقَّدة، لكن المفهوم بسيط بحيث يمكن شرحه. تسافر الفوتونات المنطلقة من مصدرٍ ما عبر فراغٍ لمسافةٍ معلومة حتى تصل إلى حاجز، يمكنك أن تتخيله في صورة مرآتين موضوعتين إحداهما وراء الأخرى، مع وجود فرجةٍ بينهما معلوم حجمها. تشق بعض الفوتونات نفقًا للمرور عبر الحاجز، بدلًا من أن تنعكس، و«تخرج» من فورها من الجانب الآخر (وكأنها تخرج من المرآة الثانية)، ثم تسافر مسافةً معلومة عبر الفراغ وحتى أحد أجهزة الكشف. وعلى سبيل التبسيط، تخيَّل أن المراحل الثلاث للرحلة كلها ذات طول واحد. بالنسبة إلى مرحلتين من الرحلة، يسافر أحد الفوتونات بسرعة الضوء، التي يُرمز لها بالرمز في معادلة أينشتاين. أما بالنسبة إلى المرحلة الوسطى، فلا يستغرق الفوتون أيَّ وقت على الإطلاق. وهكذا يسافر الضوء عبر ثلاث وحدات من المسافة في الوقت الذي يستغرقه في العادة ليقطع وحدتين منها. لقد قطع الرحلة بأكملها في ضِعف سرعة الضوء بمرة ونصف 1.5c وبهذا يكون قد عاد في الزمن إلى الوراء بمقدار جزء ضئيل للغاية من الثانية.

تكمُن العقبة، بالنسبة إلى الراغبين في العمل في مجال الإشارات، في أن الفواصل الزمنية التي تنطوي عليها هذه الإشارات محدودة للغاية. فقد وصل تسجيل موسيقى موتسارت إلى الجانب الأبعد من التجربة قبل موعده المفترض، لكن الفارق كان أقل بكثير من طرفة عين أو نبضة قلب. يشير نيمتز أيضًا إلى مشكلةٍ أخرى. للإشارات مدةٌ محدَّدة. في التجارب، يمكن أن تصل بداية الإشارة في مخرج التجربة قبل أن تكون قد وصلت إلى المدخل — لكن على نهاية الإشارة اللَّحاق بها حتى يمكن قراءة الرسالة. والأمر المثير للاهتمام حقًّا هو التوسع في نطاق التجربة حتى تصل الإشارة بأكملها قبل إرسالها. ربما يبدو هذا كحُلم العالِم المجنون الذي يُضرب به المثل. وقد قدَّم لنا أحد العلماء، الذي لم يكن مجنونًا لكنه كان يتمتع بمخيلة خصبة، إشارةً تتعلق بكيفية القيام بذلك في قصة نُشرت قبل نصف قرن من التجارب التي أجراها تشياو ونيمتز. كان هذا العالِم هو إسحاق أسيموف، واشتملت قصته على خواصِّ مركَّب كيميائي خيالي يُدعى الثيوتيمولين.

إسحاق أسيموف

موندادوري بورتوفوليو/جيتي

فيما يلي فقرة رئيسية في «المقال» تسلِّط الضوء على أهمية هذا المركب:

من الواضح أن الأمر هنا يتطلب نوعًا من أنواع التواصل العكسي في الزمن.

لكن كانت هذه مجرد بداية فقط لملحمة مركَّب الثيوتيمولين. فقد ظهر «مقال» آخر في العام ١٩٥٣ وأُدرج كلاهما في المجموعة القصصية بعنوان «تريليون واحد فقط» (عام ١٩٥٧)، حيث تعرضت لهما لأول مرة. لكن القصة ذات الصلة هنا هي قصته الثالثة عن مركَّب الثيوتيمولين بعنوان «الثيوتيمولين وعصر الفضاء». يصف أسيموف هذه المرة «بطارية اتصال طويل الأمد»، وهي مجموعة من الأجهزة يتصل بعضها ببعض، ومن خلال إضافة الماء لتحليل الثيوتيمولين في إحدى الحجيرات، تُفعَّل إضافة الماء في الحجيرات التالية في سلسلة تتكوَّن من ٧٧ ألف جهاز «كرونومتر داخلي»، بحيث تتحلل عينة من الثيوتيمولين في نهاية الخط قبل يوم من إضافة الماء في الحجيرة الأولى. ويؤدي هذا إلى تعقيدات حين يحاول الباحثون خداع الآلة عن طريق عدم إضافة الماء إطلاقًا، لكن في كل حالة كانت تقع حادثة عارضة أو كارثة طبيعية (؟) (بلغت ذروتها في شكل إعصار)، ما يؤدي إلى دخول الماء إلى النظام. وفي قصةٍ أخيرة له بعنوان «ثيوتيمولين إلى النجوم» المنشورة عام ١٩٧٣ وتدور أحداثها في المستقبل البعيد، «يُوضِّح» أن الماء إذا «لم» يُضف إلى جهازٍ يقوم على أساس عينة متحللة من الثيوتيمولين، فإنه سيسافر في المستقبل بحثًا عن الماء.

يمكنك أن ترى تداعيات هذا السيناريو الخيالي على التجارب التي أجراها تشياو ونيمتز. إن بنية مركبة من الحواجز متعدِّدة الطبقات، كالمرايا الموضوع بعضها وراء بعض التي ذكرتها آنفًا، لن تكون مختلفة تمامًا عن سلسلة أجهزة «الكرونومتر الداخلي» لدى أسيموف والبالغ عددها ٧٧ ألف جهاز، ومن ثمَّ ستضاعف تلك الحواجز العنصر المسئول عن العبور النفقي الفوتوني في السفر عبر الزمن. غير أن هذا ليس اقتراحًا عمليًّا. لكن ليس هناك في قوانين الفيزياء ما يمكن أن يمنع ذلك، وكما يلخِّص كلٌّ من نيمتز وهايبل، فمن الحقائق المعروفة «أن هناك مساحات قابلة للتحقق منها … لا يوجد بها زمن رغم إمكانية السفر عبرها.»

يثير هذا من جديد مسألةَ ما إن كانت «خطوط العالم» لمخروط الضوء المستقبلي مجمَّدة في الزمكان كتلك الخطوط الخاصة بالمخروط الضوئي الماضي، لكن وقبل أن أسهب في الحديث عن تلك التداعيات، أريد أن أتناول مجددًا إمكانية قلب مخاريط الزمكان الضوئية حتى يصبح الوقت بُعدًا مكانيًّا. قد لا يكون هذا شيئًا يمكن أن نقوم به في مختبر هنا على كوكب الأرض؛ لكن لربما يمكن للكون أن يفعلها نيابة عنا.

هوامش