موسيقى الجاز يمكن أن تكون المفتاح لفهم فيزياء الكم

يتناول كتابي جاز الفيزياء The Jazz of Physics الطرقَ التي تتوازى وفقها المفاهيم والأبحاث في الفيزياء النظرية مع ارتجال موسيقى الجاز وأدائها. لقد شكل عزف الجاز الطريقة التي أتعامل بها مع الفيزياء وفتح لي المجال لتقدير الأسلوب الارتجالي في بحثي. ويستمر الجاز في التأثير في بحثي في توحيد فيزياء الكم مع الزمكان والجاذبية الكمّيّة Quantum gravity.

بدأ كل شيء من محادثة أجريتُها مع أحد أساطير موسيقى الجاز تطورت منذ ذلك الحين إلى تعاون وانبثقت عنه نظرية جديدة. في أحد أيام الخريف من العام 2012، عندما كنت أستاذاً في كلية هافرفورد Haverford College في فيلادلفيا، تلقيت على نحو مفاجئ رسالة بالبريد الإلكتروني من دونالد هاريسون Donald Harrison. بالنسبة إلى كثيرين، وأنا منهم، هاريسون هو النسخة الحية من عازف الساكسفون الشهير تشارلي باركر Charlie Parker. لقد عزف مع المئات من كبار موسيقيي الجاز، وتجول مع أسماء ضخمة مثل مايلز ديفيس Miles Davis وآرت بلايكي Art Blakey.

كان دونالد يدرس ميكانيكا الكم بنفسه وتجلت لديه فكرةٌ أراد مشاركتَها. لم يكن يعلم أنني كنت أيضاً طالباً في موسيقى الجاز، أو أنه كان أسطورة بالنسبة إلي. لذلك لمعت عيناي بهجة عندما قرأت رسالته: ”أدركت مع الوقت أنك لا تعزف ضمن التغييرات الوترية Chord changes، لكنك تعزف من خلال Changes. في كل لحظة هناك إمكانات غير محدودة متاحة للمرتجِل. بمجرد عزف النوتة الموسيقية، تنهار كل هذه الاحتمالات إلى قياس“.

ضرب تعبيره في صميم فيزياء الكم. في ذلك الوقت كنت أفكر في ربط ارتجال موسيقى الجاز بأبحاثي في ميكانيكا الكم، وشعرت بأن رسالته تبرهن على عملي. على الرغم من أن الأمر استغرق سنوات عديدة وتأليف كتابي حتى تنضج الأمور، انتقلت أنا ودونالد منذ ذلك الحين إلى تطوير نظرية الارتجال الكمّيّ Quantum improvisation.

كان للنظرية تأثيران؛ أحدهما في الطريقة التي أقوم فيها أنا ودونالد بتأليف الموسيقى معاً والارتجال، لكن يمكننا الاحتفاظ بذلك من أجل عروضنا الموسيقية. هنا أود التحدث عن التأثير الآخر: في الفيزياء الكمّيّة.

تخضع ميكانيكا الكم لمعادلة شرودنغر Schrödinger equation الشهيرة، وهي الصيغة الأساسية التي تصف طبيعة الإلكترونات الشبيهة بالموجة في أثناء تحركها حول نواة الذرة. ومع ذلك، على الرغم من نجاحاتها التجريبية والتكنولوجية، ما زال الجدل قائماً. بدأه نيلز بور Niels Bohr وألبرت آينشتاين Albert Einstein، وهو يتلخص في الكيفية التي يمكن وفقها ربط الرياضيات بالعالم الحقيقي.

تتكون التجربة الكمّيّة الحقيقية من نظام مجهري (جزيء، مثلاً) وجهاز قياس (مراقب). وفي حين أن ميكانيكا الكم تحكمها معادلة واحدة، هناك تركيبات مختلفة تضفي تفسيراً معيناً لمعادلة شرودنغر في العالم الحقيقي.

ولعل أنجح صياغة لميكانيكا الكم هي الفكرة الشهيرة للفيزيائي ريتشارد فاينمان Richard Feynman عن “تكامل المسار” Path integral – وهي نظرية ناجحة إلى درجة أنها مكنت ميكانيكا الكم من أن تنضج لتصير نظرية المجال الكمّيّ للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. بفضل هذه الفكرة، لدينا تفسير أوضح لميكانيكا الكم، وما تقوله ضرب من الجنون.

باختصارٍ تتحرك الجسيمات الماكروية Macroscopic particles – تلك الكبيرة بما يكفي لرؤيتها بالعين المجردة – عبر الفضاء على مسارات فريدة. مثلاً تعبر الطائرة طريقاً محدداً فريداً من نيويورك إلى لندن، وذلك ببساطة لأن هناك طائرة واحدة تقوم بذلك. لكن مسار فاينمان المتكامل Feynman Path Integral يصف جسيماً كمياً، لنقل إنه إلكترون مثلاً، يعبر بدلاً من ذلك كل مسار ممكن بين وجهته الأولى والنهائية. قبول هذا التفسير يجبرنا على قبول أن الإلكترون يمكن أن يكون في عديد من الأماكن في الوقت نفسه!

”يفكر عازفو الجاز الارتجاليون في عديد من الاحتمالات اللحنية في أي لحظة معينة“

هنا يمكن أن يقدم لنا الارتجال الكمّيّ الحل. والفكرة هي أن عازفي الجاز المرتجِلين يفكرون في عديد من الاحتمالات اللحنية في أي لحظة معينة. يحدث هذا بسرعة إلى درجة أن المرتجل ليس لديه وقت للتفكير، بل ببساطة لأن يستمر في العزف ”عبْرَ“ تطور الحركة التوافقية Harmonic movement.

وبعد سنوات عديدة من الممارسة واحتفاظ الذاكرة بمسارات لحنية لا حصر لها تحدث عبر التغييرات الوترية، يصير موسيقي بيبوب Bebop أكثر مهارة في العزف عبر التغييرات. لذا فإن تفسير الارتجال الكمّيّ لتكامل المسار هو ببساطة أن الكيانات الكمّيّة ترتجل رحلتها خلال الزمكان، وتبني على القواعد الكمّيّة التي تحكم تفاعلها مع الجسيمات الكمّيّة الأخرى، والزمكان نفسه.

لسنا – دونالد وأنا – وحدنا في رحلة الجاز والفيزياء. قبل عام، تلقيت رسالة بالبريد الإلكتروني من د. سكوت أوشيرو Scott Oshiro، وهو موسيقي جاز شاب رائع ومهندس كما حصل أخيراً على درجة الدكتوراه من مركز أبحاث الحاسوب من جامعة ستانفورد في الموسيقى والصوتيات Stanford University’s Center for Computer Research in Music and Acoustics. طور سكوت خوارزميةً تعمل على جهاز حاسوب كمي، وقادرة على الارتجال الكمي بناءً على مدخلات من الأدوات الموسيقية الفعلية.

كل هذا يشير إلى أنه على الرغم من أن الانخراط في الحديث المتبادل بين المجالين قد يبدو في البَدء بين أمرين متباينين ولا يخلو من مجازفة، فإن الحالات النادرة التي ينجح فيها ذلك الحوار مذهلة. الوقت سينبئُنا إلى أين سيأخذنا إطار الارتجال الكمّيّ. ولكن في غضون ذلك، فإنه يوفر وسيلة رائعة لي ولدونالد لتأليف أنغام جديدة مثيرة للاهتمام، وإلهام الجيل المقبل من الباحثين الشباب لاستكشاف اتجاهات جديدة في الموسيقى والعلوم.

ستيفون ألكسندر (@stephstem)
ستيفون أستاذ الفيزياء من جامعة براون Brown University، وهو مؤلف لموسيقى الجاز وعازف على الساكسفون.