التشابك الكمي يكشف سر ما يحدث داخل بروتونات المادة

في دراسة نُشرت في دورية “ريبورتس أون بروغرس إن فيزيكس”، كشف باحثون عن مفهوم جديد يعيد تشكيل فهمنا لبنية البروتونات، التي تعد أحد المكونات الرئيسية لنواة الذرة، التي يتركب منها كل شيء نعرفه في هذا العالم، والكون الواسع.

وقد وجد العلماء -بقيادة فريق من الفيزيائيين في مختبر بروكهافن الوطني وجامعة ستوني بروك بالولايات المتحدة الأميركية- أن الجسيمات الأساسية المكوّنة للبروتونات، التي تسمى الكواركات والغلونات، ليست مجرد وحدات منفصلة عن بعضها بعضا، بل تخضع لظاهرة تُعرف بالتشابك الكمّي.

والتشابك الكمّي ظاهرة فيزيائية تجعل الجسيمات مترابطة بشكل ما، بحيث تؤثر حالة أحدها على الآخر، حتى وإن كانا بعيدين عن بعضهما بعضا، بل وإن كان أحدهما في مجرتنا والآخر في مجرة أخرى، ويحدث هذا التأثير بشكل لحظي متزامن، مهما كانت المسافة كبيرة.

وحسب الدراسة، فقد استخدمت بيانات من تجارب تصادم الجسيمات عالية الطاقة لفحص كيفية تأثير التشابك الكمّي على توزيع الجسيمات الناتجة عن تصادم الإلكترونات مع البروتونات.

إنتروبيا التشابك

وفي حالة البروتونات، توصل الباحثون إلى أن الكواركات والغلونات داخل البروتون تتفاعل بطريقة معقدة تُشكّل ما يُعرف بـ”إنتروبيا التشابك”، التي تعرف بأنها طريقة لقياس مدى التشابك الكمي بين جزأين من نظام كمي.

فإذا كان لدينا جسيمان في حالة تشابك مثالي، فإن إنتروبيا التشابك ستكون عالية لأن كل جسيم يحتوي على معلومات عن الآخر، أما إذا كان الجسيمان غير متشابكين، فإنتروبيا التشابك تكون صفرًا، وما بين هاتين الحالتين هناك درجات عدة من قوة التشابك الكمي، ويقوم العلماء بقياس تلك القوة عبر قراءة حالات التشابك بين كم هائل من الكواركات والغلونات داخل الذرات.

ويقول الفيزيائي زودونمينغ تو، الباحث الفيزيائي بمعمل بروكهافن، وأحد المشاركين في الدراسة، في تصريح حصلت الجزيرة نت على نسخة منه: “قبل هذا العمل، لم يُجرَ أي تحليل للتشابك الكمّي داخل البروتون باستخدام بيانات التصادمات عالية الطاقة. والآن، نرى البروتون كمنظومة ديناميكية معقدة، وليس مجرد تجمع للكواركات والغلونات”.

وعند تصادم الإلكترونات مع البروتونات، تنتج جسيمات من فئة الهدرونات. وقد أظهرت الدراسة أن توزيع تلك الهدرونات يعتمد بشكل كبير على إنتروبيا التشابك داخل البروتون. فكلما زاد التشابك بين الكواركات والغلونات، زادت الفوضى في توزيع الجسيمات الناتجة.

ويعد هذا الاكتشاف خطوة كبيرة نحو فهم التفاعلات التي تُبقي الكواركات والغلونات محبوسة داخل البروتونات، الذي كان أحد الأسئلة المحورية في الفيزياء النووية.

ومن المتوقع أن تفتح هذه النتائج الباب أمام تجارب مستقبلية في مرفق تصادم الإلكترون-أيون المزمع إنشاؤه في مختبر بروكهافن، وستسلط تجاربه على تأثير التشابك الكمّي على الخصائص النووية للبروتونات عندما تكون جزءًا من نواة أكبر، وهو ما يُشكّل خطوة جديدة للبشرية نحو فهم أعمق للكون ومكوناته.