كيف لفيزياء الكم أن تحل مفارقة فيرمي؟

فيزياء الكم تحل مفارقة فيرمي

لقد ظل العلماء منذ فترة طويلة يبحثون عن الذكاء خارج كوكب الأرض (SETI) باستخدام الأساليب الكلاسيكية مثل الاستماع إلى موجات الراديو، ومراقبة الإشارات الضوئية، والمسح بحثًا عن ضوء الليزر. ومع ذلك، يقترح الباحث من جامعة إدنبره، لاثام بويل، أن فيزياء الكم يمكن أن تحل مفارقة فيرمي. يمكن لهذا النهج المبتكر أن يُحدث ثورة في البحث عن حياة فضائية.

يقترح بويل استخدام أزواج الكيوبتات المتشابكة، حيث يحتفظ المرسل بكيوبت واحد ويتم إرسال الآخر إلى الأرض. يمكن لهذه الطريقة تمكين الاتصال الكمي بين النجوم، ولكنها تتطلب تلسكوبات هائلة، أكبر بكثير من أي شيء تم بناؤه حتى الآن. قد تبدو الفكرة بعيدة المنال، لكنها تستحق الاستكشاف، خاصة أنها يمكن أن توفر أيضًا حلاً لمفارقة فيرمي.

ويعتمد هذا المفهوم على مبدأ التراكب الكمي، الذي يسمح للجسيمات بالوجود في حالات متعددة في وقت واحد. هذه الخاصية تجعل البتات الكمومية أقوى من البتات الكلاسيكية لتطبيقات معينة. يركز تحليل بويل على المتطلبات المادية والقيود المفروضة على إرسال واكتشاف إشارات الكيوبت، بما في ذلك السعة الكمومية لقناة الإرسال وخصائص الوسط بين النجوم.

محتويات المقال :

الاستماع إلى الهمسات من الفضاء

الكون مكان واسع وغامض، به مليارات المجرات والنجوم التي تمتد إلى أبعد ما تستطيع تلسكوباتنا رؤيته. ومع ذلك، وعلى الرغم من ضخامة هذه المساحة الشاسعة، إلا أننا لم نجد بعد دليلاً قاطعًا على وجود حياة خارج كوكب الأرض. لعقود من الزمن، كان العلماء يستمعون إلى الهمسات القادمة من الفضاء، باستخدام التلسكوبات الراديوية لمسح الكون بحثًا عن إشارات قد تشير إلى وجود حياة ذكية خارج الأرض.

كان البحث عن كائنات ذكية خارج كوكب الأرض مدفوعًا بالأمل في العثور على إجابات لأعمق أسئلة البشرية: هل نحن وحدنا في الكون؟ هل هناك حياة أخرى هناك؟ لكن الصمت كان يصم الآذان. وعلى الرغم من الجهود التي يبذلها العلماء والفلكيون، إلا أننا لم نكتشف بعد إشارة واحدة يمكن أن تعزى إلى حياة ذكية في مكان آخر من الكون. هل من الممكن أننا ببساطة لا نبحث عن العلامات الصحيحة، أو أننا نستخدم أدوات خاطئة للبحث عن الحياة؟

تاريخ البحث عن كائنات ذكية خارج كوكب الأرض

تقليديًا، اعتمد مشروع (SETI) على العلوم الكلاسيكية، مستخدمًا تقنيات مثل الاستماع لموجات الراديو، ومراقبة الإشارات الضوئية، والمسح بحثًا عن ضوء الليزر الذي قد ينبعث من الحضارات المتقدمة.

أحد أقدم مشاريع (SETI) وأكثرها شهرة كان مشروع (Ozma)، الذي أطلقه عالم الفلك فرانك دريك في عام 1960. استخدم هذا الجهد الرائد التلسكوبات الراديوية للبحث عن إشارات من نجمين قريبين، على أمل اكتشاف علامات على وجود حياة ذكية. منذ ذلك الحين، تم تنفيذ العديد من مبادرات (SETI)، كل منها مبني على المبادرات الأخيرة ويحسن فهمنا للبحث عن الذكاء خارج كوكب الأرض.

ومع ذلك، مع تطور فهمنا للكون، تطور أيضًا نهجنا تجاه (SETI). إن اكتشاف الكواكب الخارجية، واكتشاف الانفجارات الراديوية السريعة، واستكشاف إشعاع الأمواج الصغرية للخلفية الكونية، كل ذلك أدى إلى توسيع معرفتنا بالكون. والآن، مع ظهور ميكانيكا الكم، نحن على استعداد لنقل البحث عن الحياة الفضائية إلى مستوى جديد تمامًا.

الكيوبتات المتشابكة

إن فكرة استخدام الكيوبتات المتشابكة لتسهيل الاتصال بين النجمي هي فكرة تغير قواعد اللعبة في البحث عن الذكاء خارج كوكب الأرض (SETI). ومن خلال تسخير قوة ميكانيكا الكم، يقترح باحثون مثل لاثام بويل نهجًا ثوريًا للتواصل مع الحضارات الفضائية المحتملة.

في التواصل الكلاسيكي، لا يمكن للفوتون أن يكون إلا في حالة واحدة في كل مرة، مثل العملة المعدنية التي تكون إما ملك أو كتابة. ومع ذلك، في الاتصالات الكمومية، يمكن أن يتواجد الكيوبت في حالات متعددة في وقت واحد، مثل العملة المعدنية التي تكون ملك وكتابة في نفس الوقت. تسمح هذه الخاصية، المعروفة باسم التراكب الكمي (quantum superposition)، للبتات الكمومية بحمل معلومات أكثر من البتات التقليدية.

ومن خلال إنشاء أزواج من الكيوبتات المتشابكة، حيث يتم إرسال أحد الكيوبتات إلى الأرض ويبقى الآخر مع المرسِل، يقترح بويل أنه قد يكون من الممكن نقل المعلومات الكمومية عبر مسافات شاسعة. وسيسمح الاتصال المتشابك بين الكيوبتات للمستقبِل بتحديد حالة الكيوبتات الأخرى على الفور، بغض النظر عن المسافة بينهما.

وقد تم بالفعل إثبات هذه الظاهرة على الأرض، حيث ظلت الفوتونات المتشابكة متصلة عبر مسافات تزيد عن ألف كيلومتر. الآن، يستكشف بحث بويل جدوى استخدام الكيوبتات المتشابكة للتواصل بين النجوم. إن الآثار المترتبة على ذلك مذهلة، فإذا نجحت، فقد تفتح آفاقًا جديدة في البحث عن حياة خارج كوكب الأرض.

متطلبات إيجاد حياة خارج الأرض

وباستخدام القيود المعروفة على السعة الكمومية لما يسمى بقنوات المحو الكمومي (quantum erasure channels)، وخصائص الوسط بين النجمي، تمكن بويل من الحصول على نتيجتين مهمتين. تتطلب السعة الكمومية الأكبر من الصفر أن تقع الفوتونات المتبادلة ضمن نطاقات تردد مسموح بها معينة، وأن القطر الفعال لكل من التلسكوبات المرسلة والمستقبلة يجب أن يكون أكبر من قيمة تتناسب مع الجذر التربيعي لطول موجة الفوتون مضروبًا في المسافة بين التلسكوبات.

وفقًا لتحليل بويل، تتطلب السعة الكمومية التي لا تختفي أن يكون للفوتونات المتبادلة طول موجي أقل من 26.5 سم، وذلك لتجنب المضاعفات المرتبطة بالخلفية الكونية للموجات الميكروية.

وعلاوة على ذلك، في حين يمكن أن تحدث الاتصالات الكلاسيكية إذا استقبل المستقبِل نسبة ضئيلة فقط من الفوتونات المرسلة (كما هو الحال مع الإشارات الراديوية)، فإن الاتصالات الكمومية تتطلب اكتشاف غالبية الفوتونات المرسلة في تلسكوب المستقبِل.

وبالنسبة للتلسكوب أرضي، سيكون هذا القطر هائلاً. إن طول موجة الفوتون لابد وأن يكون 320 نانومتر على الأقل حتى يتمكن من المرور عبر الغلاف الجوي للأرض، ونظراً لأن المسافة إلى أقرب نجم إلينا، وهو بروكسيما سنتوري، تبلغ 4.25 سنة ضوئية، فإن بويل يجد أن التلسكوب الأرضي لابد وأن يكون قطره 100 كيلومتر على الأقل.

فيزياء الكم تحل مفارقة فيرمي

ربما يكون النهج الميكانيكي الكمي الذي اتبعه بويل في التواصل بين النجمي قد عثر على حل لمفارقة فيرمي، وهو لغز طويل الأمد حير العلماء والفلاسفة على حد سواء. وتتساءل المفارقة: “أين الجميع؟” أو، بشكل أكثر تحديدًا، “لماذا لم نواجه أي علامات على وجود حياة خارج كوكب الأرض؟” يشير تحليل بويل إلى أن الافتراض بأن الكائنات الفضائية تتواصل عبر ميكانيكا الكم قد يكون كافيًا لتفسير مفارقة فيرمي.

وفقًا لبويل، إذا كان لدى مرسِل من خارج الأرض تلسكوب إرسال كبير بما يكفي، فسيكون قادرًا على تحديد أننا لم نقم بعد ببناء تلسكوب استقبال كبير بما فيه الكفاية، وبالتالي، لن يكون من المنطقي بالنسبة لهم التواصل معنا. وهذا يثير سؤالاً مثيرًا للاهتمام: هل تنتظرنا الحضارات المتقدمة أن نطور التكنولوجيا اللازمة للانخراط في الاتصال الكمي قبل إجراء الاتصال؟ وهل لفيزياء الكم أن تحل مفارقة فيرمي؟

كيفية بناء تلسكوب ضخم؟

أحد الاحتمالات هو بناء سلسلة من التلسكوبات الأصغر حجمًا، المتقاربة معًا مثل الخلايا الموجودة في قرص العسل. وهذا من شأنه أن يسمح لنا بتحقيق القطر اللازم دون الحاجة إلى بناء طبق واحد ضخم.

هناك خيار آخر وهو وضع سلسلة من المرحلات أو المكررات الكمومية على طول الخط الفاصل بين المرسل والهدف. وهذا من شأنه أن يسمح لنا بتوسيع نطاق اتصالاتنا، ولكن الحفاظ على توافقها قد يمثل تحديًا.

وفي حين أن التحديات التقنية كبيرة، إلا أن الفوائد المحتملة للاتصالات بين النجوم أكبر من أن نتجاهلها. بفضل التلسكوبات العملاقة، أصبح بإمكاننا أخيرًا تحقيق قفزة نوعية في بحثنا عن حياة خارج كوكب الأرض والدخول في عصر جديد من التعاون بين النجوم. والسؤال هو: هل نحن مستعدون لمواجهة التحدي؟