الصفر المطلق

مختبر الكم يشبه مطبخًا ينتظر فيه الطباخ يومًا كاملًا حتى يبرد الموقد. الكيوبتات فائقة التوصيل لا تعمل إلا عند درجات حرارة تبلغ أجزاء من المئة من الكلفن، وكل دورة «تبريد – قياس – تدفئة» تستهلك يومًا. مجموعة من المهندسين بنت ثلاجة بحجم البطيخة وكتلة 3 كجم تنجز المهمة في ساعتين. في الداخل، بدلًا من البرج المعتاد بالأنابيب، تصميم مقلوب: أبرد نقطة في الأعلى، والمراحل الدافئة في الأسفل.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

يعالج الحاسوب العادي المعلومات بنقل الشحنات الكهربائية عبر الموصلات. لكن هناك نهج آخر ممكن — الحساب باستخدام الحرارة. تخيل شبكة من الأنابيب يتدفق فيها الماء الساخن والبارد: إذا رُبطت الأنابيب بترتيب معين، يمكن لهذا النظام تنفيذ عمليات منطقية بسيطة. تلعب فروق درجات الحرارة دور الصمامات في المعالج، لكن بدلاً من الجهد الكهربائي، يكون الفرق في الجهود الحرارية.

ألقِ حصاة في بركة ماء، وستنتشر دوائر على سطحها. وبالمثل، فإن أي جسم، حتى الأصغر منه، يزعج الحقل الثقالي حوله. في الفضاء البارد الفارغ، هذه الاضطرابات، مثل تموجات على سطح هادئ، تجعل جسمين متقاربين يتنافران دائمًا. تُعرف هذه الظاهرة باسم تفاعل كازيمير-بولدر الثقالي (Casimir–Polder interaction).

لدى الثقب الأسود ثلاثة قوانين للديناميكا الحرارية — تمامًا مثل الغاز المثالي. الأول: الطاقة لا تختفي. الثاني: مساحة أفق الحدث لا تتناقص. أما الثالث، وهو الأكثر صعوبة، فيتطلب أنه عند درجة حرارة الصفر، تميل الإنتروبيا (مقياس الاضطراب) إلى الصفر أو إلى ثابت عام.

النموذج القياسي لعلم الكونيات النموذج القياسي — وهو الإطار النظري الأساسي الذي يصف تطور الكون — يشبه وصفة كعكة حيث كل شيء مقيس بدقة: المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية — مثل دقيق خالٍ من التكتلات (ضغطه صفر)، بينما الطاقة المظلمة — وهي المادة الغامضة…

بدأ كل شيء بالتمدد. في الكسور الأولى من الثانية، انتفخ الكون — يسمي الفيزيائيون هذا التضخم: تمدد أسي كان خلفه حقل قياسي بطاقة كامنة هائلة. ثم تحول التمدد السريع إلى مرحلة انتقلت فيها طاقة الحقل إلى جسيمات عادية.

النهر يتفرع. أحد الفرعين واسع وسريع، تتدفق فيه المياه بسلاسة، لكن مع ارتفاع درجة الحرارة يتباطأ التيار: تظهر الدوامات والأمواج. الفرع الثاني ضيق، ذو منحدرات، حيث تقفز المياه من صخرة إلى أخرى. هذا التدفق، على العكس، يصبح أكثر حيوية مع التسخين. تقريباً هكذا، وفقاً لدراسة جديدة، يتصرف التيار الكهربائي في عائلة المعادن الغامضة — الأكتينيدات.

السيولة الفائقة — حالة تتدفق فيها المادة بدون احتكاك — ظلت بعيدة المنال في متكثفات بوز الإكسيتونات المتعادلة. على عكس الموصلات الفائقة، حيث يُطرد المجال المغناطيسي بتأثير مايسنر، هنا أصبح الصوت نفسه للسائل الكمي هو العلامة — سرعة الصوت.

باطن الثقب الأسود مرتب في طبقات مثل البصل. في النموذج الجديد، بدلًا من نقطة لا نهائية في المركز، توجد ثلاث مناطق: نواة كثيفة، وطبقة انتقالية، وقشرة تحت الأفق مباشرة. كلها تنشأ من حقل واحد يتفاعل مع نفسه. النواة هي منطقة ذات طاقة سالبة، تشبه مكثفًا من الجسيمات بلا حركة.

عادةً ما تكون الموصلية الفائقة قصة عن البرد. كلما انخفضت درجة الحرارة، أصبح من الأسهل للإلكترونات أن تقترن في أزواج وتتدفق دون مقاومة. لكن في دراسة جديدة، زرع الفيزيائيون أغشية رقيقة من النيكيلات (nickelates) مع إضافة اليوروبيوم، ورأوا الصورة المعاكسة. عند درجات حرارة أقل من 2.6 كلفن، تصرف العينة كمعدن عادي ذي مقاومة.

الشمس مفاعل نووي هائل يرسل إلينا الضوء والحرارة باستمرار. لكن لديها أيضًا بريد آخر شبه صامت: كل ثانية، تمر عبر سنتيمتر مربع من راحة يدك عشرات المليارات من النيوترينوات، وهي جسيمات شبحية تولد في بوتقة الاندماج النووي. معظمها لا يترك أي أثر.

في مركز العديد من المجرات تختبئ هالة غير مرئية من المادة المظلمة، وهي التي تُبقي النجوم في الأطراف وتمنعها من التطاير. لفترة طويلة، وُصفت هذه الهالة بأنها غاز جسيمات مخلخل، لكن عملًا جديدًا يقدم نظرة مختلفة: قد تتجمع المادة المظلمة في قطرة كمومية. تتشكل هذه القطرة من مكثف بوز-أينشتاين فائق السيولة، وهي حالة تندمج فيها جسيمات عديدة في كائن كمومي واحد.

قدر الماء يغلي دائمًا بنفس الطريقة: مئة درجة — وتبدأ الفقاعات. مع السوائل الكمومية، الأمر مختلف تمامًا. عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، يمكن أن تتحول إلى موجة مادة واحدة — مكثف بوز-أينشتاين. لكن الانتقال نفسه، كما اتضح، يمكن أن يكون من ثلاثة أنواع مختلفة.

الثقب الأسود العادي يشبه الموقد الذي يسخن أكثر كلما قلت كتلته. ثقب صغير يجب أن يتوهج إلى درجات حرارة لا يمكن تصورها ويتبخر في لحظة. لكن هذا السيناريو لا يأخذ في الاعتبار التصحيحات الكمومية — ما يحدث عندما يبدأ نسيج انحناء الزمكان نفسه في الاهتزاز.

ينزلق شعاع ضوئي على طول أفق الثقب الأسود — تلك الحدود غير المرئية التي لا يمكن لأي شيء الإفلات منها. كلما اقترب الشعاع من الأفق، كلما تباطأ «زمنه» الخاص — مقياس خاص للمسار يسمى المعامل الألفي (affine parameter). هذا المعامل لا يتزايد بشكل سلس، بل بشكل انفجاري، مثل كرة ثلج تتدحرج من جبل: كل لحظة تالية تجلب زيادة أكبر.

قاعة مكتظة بالراقصين ينزلقون دون أدنى احتكاك — يمرون عبر بعضهم البعض دون أن يتلامسوا. هذا هو السائل فائق السيولة. في قشرة النجم النيوتروني، يمكن للنيوترونات أن تتصرف بهذه الطريقة، لكن شبكة صلبة من الأيونات تعيقهم — كما لو أن حلبة الرقص امتلأت فجأة بأعمدة كثيفة. كان يُعتقد عادةً أن الشبكة ثابتة تمامًا، وأن السيولة الفائقة تكاد تختفي.

قدر الماء على الموقد يهدأ عاجلاً أم آجلاً: تتساوى درجة الحرارة، ويتوقف السائل عن الغليان. يسمي الفيزيائيون هذا بالتوازن الحراري (thermal equilibrium) — وهي حالة تتوزع فيها الطاقة بالطريقة الأكثر احتمالاً. منذ مئة عام، اشتُقّت قاعدة بسيطة لمثل هذا السكون: كل حصة من الطاقة تصل إلى الجسيمات بشكل مستقل، مثل تذاكر اليانصيب.

وعاء الألمنيوم على الموقد ينصهر عند 660 درجة مئوية — وهذا يعرفه الجميع. لكن ماذا لو سخّنّا الألمنيوم إلى درجة حرارة أكبر بمئة مرة؟ سيبدأ السائل في الغليان، وهنا تكمن المعضلة: عند أي درجة حرارة بالضبط يحدث ذلك؟ الإجابات في الأوراق العلمية تباينت بنحو 4000 درجة — وكأننا نتجادل حول ما إذا كان الماء يغلي عند 50 أو 350 درجة.

قطعة معدنية محمّاة في الفرن تشبه مقلاة على الموقد: كلما زادت الحرارة، زادت سرعة انتقالها إلى يدك إذا لمستها. لكن عند درجات حرارة يكون فيها المعدن قريبًا من الانصهار، يصعب قياس هذه السرعة: الحساسات لا تلتصق جيدًا، والحرارة تتسرب إلى الهواء، والعينة نفسها تتوهج وتشوش الأجهزة. الطريقة الجديدة تتجاوز هذه العقبات.

قد يمتلك النظام الكمومي خاصية تُسمى السحر. هذه ليست خدعًا، بل مقياس لمدى صعوبة محاكاة سلوكه على حاسوب تقليدي. الحالات العادية — التي تُسمى الحالات المثبِّتة — يستطيع الحاسوب حسابها بسهولة. أما الحالات ذات السحر فتُحيّره. المشكلة أن التحقق من وجود السحر عادةً ما يتطلب قياس النظام من كل الاتجاهات — وهو أمر شاق ومكلف. يقترح مؤلفو الدراسة الجديدة تجاوز هذه القياسات المعقدة.

الموصلية الفائقة هي أن يتدفق التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. عادةً ما تظهر في درجات حرارة منخفضة جدًا، لكن هناك مواد تظهر فيها عند درجات حرارة أعلى. أحد الطرق إلى ذلك هو ما يسمى بالنطاقات المسطحة: مناطق في الطيف الطاقي حيث تكاد الإلكترونات لا تتحرك، لكنها تتفاعل بشدة مع بعضها البعض.

في الهيليوم فائق الميوعة، تشبه الدوامة إعصارًا في زجاجة، لكن بدل الماء يوجد سائل كمومي يتدفق بلا احتكاك. مثل هذه الدوامة لا تتبدد من تلقاء نفسها، لذا ظل السؤال عن مصير طاقتها مفتوحًا لفترة طويلة. الآن، شاهد الفيزيائيون الإجابة لأول مرة: الدوامة تُصدر كمية صوتية — روتونًا.

إن قدرًا عاديًا من الألومنيوم على الموقد لا يصدر جزيئات يمكن التقاطها بالضوء. ولكن إذا أخذت الألومنيوم وملح الألومنيوم وسخنتهما معًا في فرن صغير، فستحصل على تيار من جزيئات فلوريد الألومنيوم - مثل بخار الماء المتصاعد من فوهة إبريق الشاي، لكن بدلاً من قطرات الماء، تطير جزيئات صغيرة جدًا.

تخيل أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي النغمة نفسها، فيمتزج الصوت في تناغم قوي. هكذا يولد مكثف بوز-أينشتاين: عدد كبير من الجسيمات البوزونية عند درجة حرارة منخفضة للغاية ينتقل إلى حالة كمومية واحدة ويتصرف ككل واحد مجهري.

في الهيليوم المبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، يتوقف السائل عن الاحتكاك بنفسه ويبدأ بالتدفق دون أدنى مقاومة. أطلق الفيزيائيون في مثل هذا الهيليوم فائق الميوعة كرات بوليمرية صغيرة — يتراوح قطرها من ميكرومتر واحد إلى ستة ميكرومترات، بحجم البكتيريا — وتابعوا سقوطها عبر إضاءة ليزرية. كانت الكرات تتوهج، وسجلت الكاميرا مساراتها.

تم تبريد بلورة يورانيوم بحجم حبة الأرز إلى خمسين جزءًا من الدرجة فوق الصفر المطلق. عند درجة الحرارة هذه، لا تنتقل الحرارة بشكل عشوائي، بل بدقة وفقًا لقواعد العالم الكمومي. وجّه العلماء الحرارة عبر العينة وراقبوا كيف تتوزع على المحاور المختلفة للبلورة — وهذا يشبه فحص الاتجاه الذي ينتشر فيه الماء بسرعة أكبر على ثنايا الورق.

سلسلة ساخنة من الذرات مصطفة في خط تتصرف كثقب أسود صغير. هذه السلسلة هي صف من الجسيمات، كل منها يشبه مغناطيسًا صغيرًا. في درجة الحرارة العادية، تتقلب المغناطيسات الصغيرة بشكل عشوائي، لكن إذا تم تبريدها، فإنها تصطف في نظام واحد. اكتشف الفيزيائيون أنه عند التسخين، يعيد هذا النظام البسيط إنتاج الخصائص الغريبة للثقوب السوداء. النقطة الأساسية هي إشارة تُرسل على طول السلسلة.

في غرفة مظلمة، حيث تبلغ درجة الحرارة أربع درجات فقط فوق الصفر المطلق، توجد بلورة ياقوت بحجم حبة أرز. عندما يمر عبرها نيوترينو — جسيم شبح لا يكاد يتفاعل مع المادة — تهتز البلورة وترتفع حرارتها بمقدار ضئيل جدًا من الدرجة. تلتقط أجهزة استشعار فائقة الحساسية عند حواف البلورة هذا الاستجابة الحرارية. لكن الجهاز لا يسمع النيوترينوات فقط.

الماء في قدر عند تسخينه لا يغلي، بل يتحول إلى جليد. هذا تقريبًا ما تفعله الذرات فائقة البرودة في شبكة بصرية (optical lattice) — وهي شبكة بلورية ضوئية تثبّت الذرات في أماكنها. قام العلماء بمحاكاة هذا النظام على الكمبيوتر لفهم كيف يتغير النظام مع ارتفاع درجة الحرارة.

السائل الذي يتدفق دون احتكاك هو الهيليوم-4 فائق الميوعة، وهي حالة غريبة من المادة عند درجات حرارة أقل من كلفنين. في الحجم الكبير، يحدث الانتقال إلى الميوعة الفائقة عند درجة حرارة نقطة لامدا، لكن في القنوات الضيقة يتغير كل شيء. حصر العلماء الهيليوم بين لوحين، تاركين فجوة لا تتجاوز 10–20 نانومترًا — أرق من فيروس الإنفلونزا.

الجزيئات فائقة البرودة مادة واعدة للحوسبة الكمومية، لكن جمعها في مصفوفة مرتبة مثل البيض في العلبة ليس بالأمر السهل. تم اقتراح طريقة لتحميل جزيء واحد في الملاقط الضوئية أو الشبكات مباشرة من الغاز. الجزيئات في هذه الحالة تكون فورًا في حالة الحركة الأكثر هدوءًا. السر يكمن في التنافر القوي بين الجزيئات المحمية بالموجات الدقيقة.

الموصل العادي يمرر التيار بالتساوي في الاتجاهين، مثل باب يُفتح إلى الداخل وإلى الخارج. أما الصمام الثنائي فهو باب بمزلق: في اتجاه واحد ينفتح بسهولة، وفي الاتجاه الآخر يصطدم. اكتشف العلماء أن موصلًا فائقًا قائمًا على أكسيد النحاس (Tl₂Ba₂CaCu₂O₈) يتصرف مثل هذا الباب عند درجة حرارة 100 كلفن (−173 درجة مئوية)، رغم عدم وجود أي مغناطيس قريب.

سحابة صغيرة من 300 ألف ذرة من الإتيربيوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، رُحّلت على مسار ضوئي طوله 34 سنتيمترًا — وكأننا نقلنا حمولة هشة على طريق وعر دون أن تهتز.

التشابك الكمي هشّ كالجليد في الفرن، وعادةً ما يتلاشى من أدنى حرارة. بالقرب من الثقب الأسود، حيث ينحني الفضاء بفعل جاذبية أينشتاين، ويسخن إشعاع هوكينغ هوكينغ، كان ينبغي أن تنهار أي رابطة. لكن الفيزيائيين اكتشفوا استثناءً.

فوتون الأشعة السينية يدخل إلى المستشعر مثل حصاة تُلقى في ماء هادئ. الماء هو غشاء رقيق من الألومنيوم والمنغنيز، مبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق. من أثر الاصطدام، تنتشر موجة حرارية عبر الغشاء، ومن ارتفاعها يمكن معرفة مقدار الطاقة التي حملها الفوتون.

يسلك الضوء والمادة في العالم المتناهي الصغر قوانين يصعب حسابها حتى على الحواسيب الفائقة. يبني الفيزيائيون «محاكيات كمومية» خاصة — منشآت تلعب فيها الذرات الباردة دور الجسيمات والحقول. لكن حتى الآن، كانت هذه المحاكيات قادرة على تمثيل المجال فقط في أبسط صوره: كما لو كان إما موجوداً أو غير موجود. أما الضوء الحقيقي فله عدد لا نهائي من الدرجات. يقترح العمل الجديد محاكياً يمكن للمجال فيه أن يتخذ ثلاث حالات مختلفة.

القهوة الساخنة تبرد عن طريق إصدار ضوء غير مرئي — فوتونات تحت الحمراء فوتونات. لكي تظل درجة الحرارة ثابتة، يجب أن يستقبل الفنجان نفس عدد الفوتونات التي أرسلها. هذا التبادل الصامت لـالفوتونات هو ما نشعر به كدفء مستقر. دراسة جديدة تُظهر أن متوسط الفوتون في هذا التبادل يحمل طاقة تعادل تقريبًا 2.7 ضعف الطاقة الحرارية لحركة الجزيئات (طاقة "الاهتزاز").

عادةً ما يجلب التبريد النظام: يتجمد الماء إلى جليد. لكن في العالم الكمومي، يتخذ النظام أشكالًا غير متوقعة. قام المجربون بتبريد البولاريتونات - جسيمات هي في آنٍ واحد ضوء ومادة - إلى ما يقرب من الصفر المطلق. بدأت السحابة 'ترقص'، موحّدةً تذبذبات جميع الجسيمات في إيقاع واحد.

الموصل الفائق يشبه مدينة يتوقف فيها الإلكترونات عن التزاحم ويبدأون في التحرك كأزواج، مثل أشخاص يسيرون يدا بيد. في نيكيلات النيوديميوم-سترونشيوم (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂)، يحدث هذا "الاستعراض" عند درجة حرارة حوالي 10 كلفن (أي 263 درجة مئوية تحت الصفر)، ولكن ليس بشكل موحد في كل مكان.