في مقابلة تلفزيونية مع الباحث المصري اللامع أحمد زويل، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء، سألته مقدِّمة البرنامج عن ميكانيك الكم وصعوبته المعروفة عنه. أجاب الأستاذ زويل بأنه وخلال دراسته في الولايات المتحدة، كان يتوجب عليه اجتياز الامتحان بميكانيك الكم. وهو كان قد سمع أيضًا بصعوبته التي كان الطلاب كثيرًا ما يكررونها. قال: قرَّرتُ أن أُكرّس كل جهدي لفهم الموضوع واجتياز الامتحان وهو من التحديات الأساسية. قال: فهمتُ الموضوع جيدًا، ونجحت في الامتحان، وحصلت على أعلى درجة. لكن لو تطلبين مني الآن أن أشرحه لكِ فأنا لا أستطيع. ويُذكر عن اثنين من أبرز علماء ميكانيك الكم؛ نيلز بور، وريتشارد فينمان، قولهما: «إن من يقول إني فهمت ميكانيك الكم ولم يُصب بالدوار، فإنه لم يفهم ميكانيك الكم.» هذا عمَّق عندي الرغبة في معرفة علم أساس لدي معلومات قليلة عنه. ومن المحفزات أيضًا كان اطلاعي المتزايد على التقنية النانوية الصاعدة في تسعينيات القرن العشرين، والتطبيقات المتنوعة لميكانيك الكم في الحياة العصرية.

بالتأكيد أن ميكانيك الكم هو من أصعب مواضيع الفيزياء؛ لأنه يدرس المواد وهي في حالتها الجسيمية أو الذرية أو الجزيئية؛ وهي حالات لا نتحسّسها كما نتحسس الأجسام الكبيرة التي درسناها في الفيزياء التقليدية. علاوةً على غرابة الظواهر الكمومية التي تبدو مناقضة للبديهة التي بنينا أفكارنا على أساسها، ولكن بالنسبة لمتخصص البيولوجي أو بالحقيقة لمتخصصي العلوم الأخرى بل وحتى لغير المتخصصين، يكون الاطلاع على الظواهر الكمومية غايةً في الأهمية من أجل استكمال رؤيةٍ علمية للكون والحياة؛ لأنها منبع كل شيء؛ وعليه فإنني حاولت فهم الظواهر الكمومية للحد الذي تُمكّنني أدواتي المعرفية، وكان تركيزي على النتائج والمناقشة والاستنتاج وليس الخوض في الاشتقاقات. والذي شجعني كثيرًا في هذا الاتجاه، هو الاطلاع الواسع والعميق الذي يُظهره علماء الفيزياء والكيمياء والرياضيات والجيولوجي لمواضيع علوم الحياة ومواكبتهم لأدق التفاصيل البيولوجية. كما أن التغير في استراتيجيات البحث العلمي من انعزال وتباعد العلوم سابقًا إلى التقارب والتداخل وتشكيل فرق البحث المشتركة ومراكز البحوث المتعددة الاختصاص، أمر محفّز لمعرفة تخصُّص بعيد ولكن مشوق كميكانيك الكم. والأمر الأكثر دفعًا كان اطلاعي وإعجابي الشديد بمواضيع البيولوجيا الكمومية؛ التي وجدتها صاعدةً وتتكامل باستمرار.

ميكانيك الكم أحد أعمق النظريات في العلم؛ فهو يصف الحقائق الغريبة لعالم الذرات والجسيمات تحت الذرية والتي تحكمها الاحتمالات وليس الكميات المعروفة، وأفضى إلى الاختراقات الكبرى في تقنيات العصر الحديث (2018 ,Simpson). مع بداية القرن العشرين، وعند دراسته لما يُعرَف بإشعاع الجسم الأسود، وهو الإشعاع الذي يصدر عن الجسمِ الصُّلب عند تسخينه بيَّن ماكس بلانك (Max Planck) أن هذا الطيف ينتج عن الطبيعة التجزؤية أو الفردانية لمستويات الطاقة بشكل كمات (Quanta)؛ فزيادة الطاقة الحرارية للجسم تؤدي إلى تذبذب ذرات الجسم وإلكتروناتها. هذه الإلكترونات المتسارعة حسب معادلات ماكسويل ستشع طاقة كهرومغناطيسية (ضوءا). وكلما زاد التسخين زاد تذبذب الذرّات، وزاد تردُّد الأشعة الضوئية الصادرة. وسنة 1905م أثبت آينشتاين أن الضوء هو سيل من الكمات، التي هيا الفوتونات، وهذه عندما تصدم المادة تحرّر الإلكترونات التي تكتسب كمات الطاقة المحمولة بالفوتونات، والتي يمكن حسابها من العلاقة العامة:

E_n = nhf

حيث يشير n إلى مستويات الطاقة وf هي الترددات المميزة للتذبذبات الداخلية وh هو ثابت بلانك. هذا أدى إلى تحول ثوري في الفيزياء بالافتراق عن ميكانيك نيوتن، واعتماد دالة الموجة لوصف ميكانيك الكم. وضعت معادلات أروين شرودنجر (Erwin Schrödinger) سنة 1926م (للحالة غير النسبية) وباول ديراك (Paul Dirac) سنة 1928م (وتتماشى مع النسبية الخاصة) لتطور دالة الموجة لوصف حركة الجسيمات الأولية والذرات حسب ميكانيك الكم فإن للأشياء مظهرًا مَوجِيًّا، وَمَظهرًا جُسيميًّا فيما يُعرف بازدواجية الموجة – الجُسَيم. تُظهر دالَّة الموجة أن تحديد موقع الجسيم في الفضاء هو احتمالي، كما يمكن لدوال الموجة أن تحيد وتتداخل معا في حالة تراكب، (Superposition) ما يعني أن الجسيمات الكمومية تُوجد في حالات ومواقع متعددة في المكان في الوقت نفسه. وعند إجراء الملاحظة أو القياس يتم التجسد بحالة واحدة، وتنتهي حالة التراكب الكمومي إلى حالة تقليدية في عملية تُعرف بانهيار دالة الموجة أو فك التماسك الكمومي (Decoherence).

خاصية أخرى في ميكانيك الكم تُعرف بمبدأ عدم الدقة أو عدم اليقين (Uncertaintyprinciple)الذي وضعه ورنر هايزنبرغ (Werner Heisenberg) سنة 1927م، والذي ينص على عدم إمكانية الدقة عند إجراء عمليتي قياس متتاليتين لزوج من المتغايرات المتتامة؛ فمثلًا لا يمكن تحديد موقع الحُسَيم وسرعته بدقة في الوقت نفسه، بينما يمكن تحديد أحد الخواص بدقة دون الأخرى.

أظهر تطور البحث في ميكانيك الكم أن مظاهره لا تقتصر على الجسيمات دون الذرية، وإنما تمتد إلى منظومات متشكّلة منها كالذرات والجزيئات. وهكذا تصبح المنظومة المؤلفة من عدة جسيمات لها دالة موجيةٌ واحدة تصف سلوكها الكلي وليست دوال منفردة لكل مكوّن منها. هذا سيُنتج ما يُعرف بالتماسك الكمومي Quantum) (coherence وهنا ستفقد المكونات الفردية ذاتيتها وتعمل المنظومة ككل واحد. وما إن تكون الجسيمات أو مكونات المنظومة في حالة تماسك كمومي، حتى تبقى مترابطةً فيزيائيا حتى بوجود الفواصل المكانية بينها وهذا يفضي إلى أن عمليات المراقبة أو القياس لأحد المكونات ستؤدي إلى انهيار دالَّة الموجة للمنظومة كلها، وستتأثر جميع المكونات فورًا بغض النظر عن موقعها في المكان. هذا التأثُر عن بُعدِ يُشار إليه بالتشابك الكمومي (Quantum entanglement) غير الموضعي. عندما تتأثر مثل هذه المنظومة مع البيئة بطريقة ديناميكا حرارية غير متعاكسة، يحصل فنُّ التماسك (Decoherence).

هذا يؤدي إلى أن المكونات المختلفة للمنظومة والتي كانت في حالة تراكب كمومي تفقد القدرة على التداخل فيما بينها. وهكذا فإن إجراء التجارب الكمومية في مختبرات الفيزياء ومن موقع الحرص على إبقاء التماسك الكمومي، تتم في درجات حرارة منخفضة جدًّا، تقترب من الصفر المطلق، وفي أجهزة مفرغة من الهواء، ومعزولة جيدا، لغرض استبعاد حصول فك التماسك. لكن السلوك الإجمالي للمنظومات المتعددة المكونات بين إمكانية تحقق ظواهر ميكانيك الكم في الأشياء الكبيرة؛ مثل البلورات والمغانط الحديدية وفي درجة حرارة الغرفة.

لقد امتد ميكانيك الكم بنجاح ليشمل المركَّبات والتفاعُلات الكيميائية وينشأ علم کیمیاء الكم. وتجلى هذا في الفهم الأفضل للأواصر الكيميائية خاصة التساهمية؛ التي هي مشاركة إلكترونات. وبالطبع ليست الكيمياء الحيوية بعيدة عن هذا المجال؛ حيث تلعب التفاعلات الكيميائية ونشوء وتفكُّك الأواصر الكيميائية في المركبات العضوية، كما هو الحال في المركبات اللاعضوية.

بل إن التجارب المتكررة بيَّنت أن المنظومات المتعددة المكوّنات وفي أوساط مكتظة بالجزيئات مثل المنظومات البيولوجية، يمكن أن تُظهر تجليات ميكانيك الكم، وإن كان ذلك يتعرض للنقد والجدل حتى الآن (2014,.Hameroff et al). حسب (2014) ,.Sia et al فإن ميكانيك الكم يقدِّم النظرية الأصح مقارنة بالنظريات التقليدية السابقة، التي تفسّر سلوك المادة والطاقة. وإن الافتراق بين السلوك التقليدي والسلوك الكمومي يتوضّح أكثر على المستوى المجهري.

يستند ميكانيك الكم على أربعة مفاهيم أساسية:

(1) جميع الأشياء في الكون (من الجسيم المفرد إلى الإنسان وحتى المجرَّة) يمكن وصفها جيدًا بمساعدة دالة الموجة الكمومية.

(2) وجود وسيلة تُمكّننا من تطوير دوال الموجة هذه في الزمن هي معادلة شرودنجر.

(3) إن الكميات الفيزيائية المفتاحية بضمنها الطاقة والعزم الزاوي تتبدى بوحدات فردانية هي الكمات (Quantum)

(4) في لحظة الملاحظة أو القياس يقدم الشيء نتيجةً معيَّنةً حيث «تنهار دالة الموجة»، عندها لن تبقى ثمَّة حاجة لدالة الموجة الاحتمالية لوصف المنظومة. تلك النتيجة تصبح حقيقة تقليدية متحققة.

بناءً على ما تقدم، فإن الوصف الاحتمالي للكون يتضمَّن: (أ) تتصرف المادة والطاقة إما بشكل موجي أو بشكلٍ جسيمي، اعتمادًا على نوع الملاحظة. (ب) إن بعض خواص الشيء لا يمكن معرفتها بدقة محددة في اللحظة نفسها مثل معرفة موقع وعزم الجسيم. هذا ما يُعرف بمبدأ عدم الدقة لهايزنبرج. (جـ) في اللحظة نفسها، يمكن أن تكون الأشياء في أكثر من حالةٍ واحدةٍ وهو ما يُعرف بالتراكب الكمومي (Quantum superposition). لكن هذه ستزول فور ملاحظة المنظومة أو إجراء القياس عليها.

لماذا تسلك الأشياء سلوكا مزدوجًا؟ السلوك العادي (التقليدي) المألوف في العالم الكبير (المستوى الذي نتعامل به كالتفاحة والكرسي والكرة ... إلخ.) والسلوك الكمومي في العالم الصغير (مستوى الجسيمات والذرات والجزيئات). السبب هو أن المواد الصلبة والسائلة (بما فيها الغازية) ومنها المواد التي نتعامل بها في محيطنا، تتألف من جزيئات وذرات وجسيمات، وهي تتحرك بفعل الحرارة بشكل عشوائي. هذه العشوائية ستدمر السلوك الموجي الذي تمتلكه هذه المكونات (إذا ما تُركت دون تشويش) والذي بدونه لا تتمكن من السلوك الكمومي (ظواهر التراكب والتسرُّب والتشابك). كمثال، عند رمي حجر في بحيرة ساكنة ستتشكّل موجات منتظمة لها أطوال موجية وترددات وسرع وتأخذ بالاتساع. لكن في موضع اصطدام ماء الشلال بماء البحيرة ستنشأ موجات كثيرة يُلغي بعضها بعضًا، ويُشوِّش بعضها بعضًا، ويضيع التماسك الملحوظ في المثال السابق. هذا يحصل أيضًا عند المراقبة أو القياس لنفس السبب، وكذلك عند التآثر مع البيئة بطريقة غير متعاكسة من ناحية الديناميكية الحرارية. العملية هنا مُكافئة لفقدان المنظومة للمعلومات إلى البيئة.

من خواص ميكانيك الكم التي تؤدي إلى نشوء التعقيد هي التجزؤية
(Dis – creteness) والاحتمالية (Probability). التجزؤية تفرض أن تكون المنظومة (من أصغرها إلى الكون بأكمله) رقمية (Digital) وبالتالي فإنها ستكون بمثابة معالج معلوماتٍ على المستوى المجهري حيث تقلب البتات. معالجة المعلومات تتم من خلال برامج التقلُّبات الكمومية العشوائية. المعلومة تنشأ كما مَرَّ ذِكْره، نتيجة التقابل بين حالتين؛ موجب – سالب، 0 – 1، مشحون – متعادل إلخ. وكل عنصر من هذه يسجل بتا واحدًا من المعلومات من بين الجسيمات الأولية التي يتكون منها الكون ثمَّة عدد قليل منها كالإلكترونات والبروتونات والنيوترونات والفوتونات تبقى لفتراتٍ طويلة. التآثر بين هذه الجُسَيمات في مدى طاقي معيَّن سيؤدي إلى نشوء تعقيد بشكل عناصر أولية، وهذه بدورها تتفاعل فيما بينها لتنتج جزيئات ومواد مختلفةً بدرجات تعقيد متزايدة، وصولًا إلى التعقيد الأعلى الذي يتمثل بالمواد المظهرة للحياة. على الرغم من أن العديد من عمليات ميكانيك الكم هي خطية وحتمية (Dis – terministic) ، إلا أن بعضها تكون احتمالية ويتم تحقق أحد الاحتمالات في الواقع التقليدي عند الملاحظة أو القياس أو الاتصال بالبيئة من خلال عملية فك التماسك. وهكذا يرفد ميكانيك الكم الواقع التقليدي بمعلومات عشوائية باستمرار؛ وعليه فإن التقلبات الكمومية وهذه المعلومات العشوائية هي مصدر التغاير الذي هو أساس التطور (2008 (Lloyd.