القياس والتراكب

في الواقع، الرؤية هي قياس: نحن نقيس الفوتونات التي تدخل مقل أعيننا!

عادة، مع الأشياء الفيزيائية كالكرات، نحن نقيس دائماً. نلمسها، أو تلمسها الفوتونات وتصطدم بأعيننا. عندما لا نقيسها، شيء آخر يقيسها: جزيئات الهواء. وفي مرحلة ما ستسبّب تفاعلاً متسلسلاً يؤثر علينا بطريقة قابلة للقياس.

ومع ذلك، هناك بعض الأشياء، كالإلكترونات، صغيرة بما يكفي لـ تجنّب القياس المستمر. لذلك بدأ العلماء في أوائل القرن العشرين بطرح سؤال غريب: هل للأشياء الصغيرة كالإلكترونات خصائص محددة (كـ الموقع) عندما لا يجري قياسها؟

كان الجواب، بشكل صادم، لا. لذا اخترع الفيزيائيون ميكانيكا الكم كطريقة لوصف خصائص شيء عندما لا يقيسه أحد. بين القياسات، ليس للإلكترونات موقع واحد محدد. توجد كمزيج من الاحتمالات. فعل القياس هو ما يجبر الشيء على الالتزام بإجابة واحدة محددة.

لتوضيح هذا المفهوم، سأريك إياه في خاصية كمومية بسيطة جداً وقابلة للتحكم: السبين الإلكتروني. بالطبع، هناك خصائص كمومية كثيرة في العالم: موقع الإلكترون، سرعة الإلكترون، طول موجة الضوء. لكن كل هذه معقدة جداً، ومن السهل الضياع، لأن لكل منها نتائج قياس ممكنة لانهائية مختلفة! على سبيل المثال، يمكننا قياس موقع إلكترون ومعرفة أنه على إصبعك أو حاسوبك المحمول أو أي مكان بينهما.

في المقابل، السبين الإلكتروني هو ما نسميه حالة ثنائية: عند قياسه، يمكن أن يكون فقط لأعلى أو لأسفل، لا أبداً بينهما. اكتُشف هذا في تجربة Stern-Gerlach الأسطورية عام 1922. لذلك سنعمل بهذا. يجعل المفاهيم أبسط بكثير.

أدناه سبين إلكترون واحد. يمكنك فعل أمرين معه: إطلاق ليزر عليه لدفعه بين «أعلى» و«أسفل»، أو قياسه وقراءة النتيجة.

التراكب هو الكلمة لأي لحظة تكون فيها الحالة ليست في حالة قابلة للقياس. مثلاً، إذا كانت الموضعَان القابلان للقياس لدينا «أعلى» و«أسفل»، فإن أي حالة أخرى هي تراكب. وبشكل عام، إذا استخدمنا كلمة «الموضع» بمعنى «الموضع القابل للقياس»، فإن «التراكب (super-position)» يعني «ما وراء المواضع».

على سبيل المثال: عندما يشير الكيوبت إلى الجانب، فذلك تراكب!