ظاهرة فيزيائية غريبة تنطوي على ارتداد الزمن لوحظت لأول مرة – ترجمة عدنان أحمد الحاجي

Exotic Physics Phenomenon Involving Time Reversal Observed for First Time
By David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology
راجعه ودققه: م. علي أحمد الشيخ أحمد

ظاهرة فيزيائية غريبة ، تتضمن موجات بصرية وحقول مغناطيسية اصطناعية وارتداد/انعكاس (Reversal) زمني ، لوحظت مباشرة للمرة الأولى ، بعد عقود من المحاولات.  يقول الباحثون إن الاكتشاف الجديد يمكن أن يؤدي إلى إدراك لما يعرف بإسم الأطوار  الطوبولوجية Topological، وفي النهاية إلى التقدم تجاه حواسيب كمومية تستوعب الأخطاء.

تشمل الاكتشافات الجديدة تأثير (غير-أبيليان أهارونوف-بوهم) non-Abelian Aharonov-Bohm Effect، التي نشرها في مجلة ساينس ياي يانغ ، خريج معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والباحث الزائر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تشاو بينغ (الأستاذ بجامعة بكين) ، وطالب الدراسات العليا بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا  دي زهو ، وبروفيسور هرفويي بولجان من جامعة زغرب في كرواتيا ، وفرانسيس رايت ديفيس وأستاذ الفيزياء جون جوانوبولوس في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والبروفيسور بو تشن في جامعة بنسلفانيا ، وأستاذة الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مارين سولاجيتش.

يتعلق الاكتشاف بحقول القياس Gauge Fields (حقول الغيج) التي تصف التحولات التي تمر بها الجزيئات.  حقول القياس تنقسم إلى فئتين ، والمعروفة باسم أبيليان Abelian وغيرأبيليان non-Abelian.  تأثير  أهرانوڤ – بوهم Aharonov-Bohm ، الذي سميت على اسم العالمين النظريين اللذين توقعا ذلك في عام ١٩٥٩ ، اكدا (العالمان) ان حقول القياس (خلف كونها (أداة) مساعدة رياضية نقية) لها متلازمات فيزيائية. لكن الملاحظات تعمل  فقط في أنظمة أبيليان ، أو تلك التي تكون فيها حقول القياس تبادلية ِCommutative – أي أنها تحدث بنفس الطريقة بإتجاه  الأمام وبإتجاه الخلف في الزمن بالضبط.  في عام ١٩٧٥ ، قام كل من تائي -تسان وو Tai-Tsun Wu و چين – نينغ يانغ Chen-Ning Yang بتعميم التأثير على نظام غير- أبيليان non-Abelian كتجربة فكرة.  ومع ذلك ، ظل من غير الواضح ما إذا كان من الممكن حتى ملاحظة التأثير في نظام غير- أبيليان.  الفيزيائيون يفتقرون إلى طرق لإستحداث التأثير في المختبر ، كما يفتقرون إلى طرق لاكتشاف التأثير حتى لو كان من الممكن إنتاجه.  الآن ، تم حل كلا هذين اللغزين ، ونفذت الملاحظات بنجاح.

ويتعلق التأثير بجانب من الجوانب الغريبة والمخالفة للبديهة للفيزياء الحديثة ، وهي حقيقة أن جميع الظواهر الفيزيائية الأساسية غير ثابتة مع الزمن.  هذا يعني أن تفاصيل الطريقة التي تتفاعل بها الجسيمات والقوى يمكن أن تعمل إما بإتجاه الأمام أو الخلف في الزمن بدقة ، وشريط الأحداث يمكن تشغيله في أي من الاتجاهين حول كيف تطورت الأحداث ، لذلك لا توجد طريقة لمعرفة أي إصدار version هو الإصدار الحقيقي.  ولكن بعض الظواهر الغريبة تخالف التناظر الزمني هذا.

يقول سولجيتش إن إصدار نسخة أبيليان لتأثير (أهارونوف – بوهم) يتطلب كسر ارتداد الزمن التناظري  ، وهي مهمة صعبة في حد ذاتها.  ولكن لإنجاز النسخة غير أبيليان من التأثير يتطلب كسر الانعكاس الزمني هذا عدة مرات ، وبطرق مختلفة ، جاعلة إياها تحديا أكبر.

لإحداث التأثير، استخدم الباحثون استقطاب الفوتون ، ثم أحدثوا نوعين مختلفين من كسر الإرتداد Reversal الزمني.  استخدموا الألياف البصرية لإنتاج نوعين من حقول القياس التي أثرت على الأطوار الهندسية للموجات الضوئية ، أولاً عن طريق إرسالها عبر بلورة منحرفة بحقول مغناطيسية قوية ، والثانية عن طريق تعديلها بإشارات كهربائية متغيرة بتغير الزمن ، وكل منهما  كسر تناظر ارتداد الزمن ثم تمكنوا من إنتاج أنماط تداخل التي كشفت عن اختلافات في كيف يتأثر الضوء عند إرساله عبر نظام الألياف البصرية في اتجاهين متعاكسين ، في اتجاه عقارب الساعة أو في عكس اتجاه عقارب الساعة.  دون كسر عدم تغير ارتداد الزمن ، كان ينبغي أن تكون الحزم متطابقة ، ولكن بدلاً من ذلك ، أنماط التداخل الخاصة بها كشفت عن مجموعات معينة من الاختلافات كما هو متوقع ، مبينة  تفاصيل التأثير المتملص.

يقول يانغ إن نسخة أبيليان الأصلية لتأثير أهارونوف-بوهم “تمت ملاحظتها من خلال سلسلة من الجهود التجريبية ، لكن تأثير غير- أبيليان لم يلاحظ الى الآن”.  يقول: إن الاكتشاف “يسمح لنا بعمل أشياء كثيرة” ، وهو يفتح الباب أمام مجموعة واسعة من التجارب المحتملة ، بما في ذلك الأنظمة الفيزيائية الكلاسيكية والكمومية ، لاستكشاف أشكال مختلفة من التأثير.

إن المقاربة التجريبية التي ابتكرها هذا الفريق “قد تلهم تحقيق الأطوار  الطوبولجية Topological الغريبة في المحاكاة الكمومية باستخدام الفوتونات ، والبولاريتون Polaritons ، والغازات الكمومية ، والكيوبتات Qubits فائقة التوصيل” كما يقول سولجشيش Soljačić.  بالنسبة للضوئيات Photonics نفسها ، قد يكون ذلك مفيدًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات الإلكترونية البصرية ، كما يقول.  بالإضافة إلى ذلك ، فإن حقول مقياس غير- أبيليان التي تمكنت المجموعة من توليفها أنتجت طور  غير- أبيليان – بيري non-Abelian Berry ، و “بدمجه بالتفاعلات ، قد تكون يومًا ما بمثابة منصة لحوسبة كمومية طوبوغرافية تستوعب الخطأ”.

في هذه المرحلة ، التجربة بشكل أساسي موضع اهتمام لأبحاث الفيزياء الأساسية ، بهدف الحصول على معرفة لبعض الأسس الأساسية للنظرية الفيزيائية الحديثة بشكل أفضل.  يقول سولجيتش إن التطبيقات العملية العديدة الممكنة “ستتطلب اختراقات علمية إضافية في المستقبل”. لسبب واحد ، من أجل الحوسبة  الكمومية ، ستحتاج التجربة إلى توسيع نطاقها من جهاز واحد إلى بنية شبكية كاملة منها.  وبدلاً من أشعة الليزر المستخدمة في تجربتهم ، سيتطلب الأمر العمل بمصدر من الفوتونات الفردية.  ولكن حتى في شكله الحالي ، يمكن استخدام النظام لاستكشاف أسئلة في الفيزياء الطوبولوجية ، التي تعد مجالًا نشطًا للغاية في الأبحاث الحالية ، كما يقول سولجيتش.

يقول آشڤين ڤيشواناث Ashvin Vishwanath، أستاذ الفيزياء بجامعة هارفارد ، الذي لم يكن مرتبطًا بهذا العمل: “إن طور غير- أبيليان – بيري هي تحفة  نظرية تمثل المدخل لفهم العديد من الأفكار المثيرة للاهتمام في الفيزياء المعاصرة”.  “أنا مسرور لرؤيتها تحظى بالاهتمام التجريبي الذي تستحقه في العمل البحثي الحالي ، والذي أفاد عن إدراك منضبط بشكل جيد ومميز.  أتوقع أن يحفز هذا العمل التقدم بشكل مباشر كقاعدة للمباني الأكثر تعقيدًا وأيضًا بشكل غير مباشر في إلهام أبحاث أخرى”.

المصذر الرئيسي:

https://scitechdaily.com/exotic-physics-phenomenon-involving-time-reversal-observed-for-first-time/