درجة حرارة حرجة

بلورة يوديد الصوديوم المشوب بالثاليوم (NaI(Tl)) هي نوع من الأفلام الفوتوغرافية للجسيمات غير المرئية. عندما يصطدم بها كم جاما أو جسيم افتراضي من المادة المظلمة، تصدر وميضًا ضوئيًا خافتًا يُعرف بالوميض (scintillation). مضاعفان ضوئيان سيليكونيان (silicon photomultipliers) مثبتان على طرفي البلورة يسجلان هذا الوميض من كلا الجانبين.

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.

يشبه الكون هيكلًا خفيًا ضخمًا. لا نراه مباشرة، لكننا نعلم بوجوده: فالمجرات وعناقيدها تتماسك بفضله. هذا الهيكل هو المادة المظلمة، وهي شكل افتراضي من المادة لا يصدر ضوءًا ولا يمتصه، لكنه يُظهر نفسه عبر الجاذبية. النسخة الأكثر شيوعًا تقول إنها «باردة» وتتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة.

قدرٌ مليء بغراء كثيف جدًا وحار — هكذا تقريبًا بدا الكون المبكر. لم يكن غراءً عاديًا، بل «حساء غلووني»: جسيمات تحمل التفاعل القوي (الغلوونات) كانت تتنقل بحرية في الفضاء. كانت الحرارة مرتفعة لدرجة أن الكواركات والغلوونات لم تكن تلتحم لتكوين بروتونات ونيوترونات. مع مرور الوقت، بدأ الكون يبرد. في لحظة ما، بدأ «حساء الغلوونات» يتماسك — حدث انتقال طوري يشبه تصلب الغراء.

منذ أن لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتحرك بسرعة كبيرة، وقامت فيرا روبين بقياس دوران الأذرع الحلزونية، ظلت المادة المظلمة اللغز الأكبر في علم الكون.

كان المرق الحار للكون المبكر يبرد بشكل غير متجانس. وفي لحظة ما، بدأت فقاعات من طور جديد تظهر فيه — مثل فقاعات البخار في الماء المغلي. لكن هذه الفقاعات لم تكن من البخار، بل من حالة جديدة من المادة، حيث تجمعت جسيمات القطاع المظلم في كتل أكبر. وهكذا ربما وُلدت المادة المظلمة.

مطبخ علم الكونيات مليء بالمكونات غير المرئية. المادة المظلمة، مثل هيكل خفي، تمنع المجرات من التفرق، بينما الطاقة المظلمة، مثل الخميرة في العجين، تجعل الفضاء يتمدد بشكل متسارع.

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.

زنبرك مضغوط يظل ساكنًا لسنوات. يبدو أنه تجمد إلى الأبد، لكن داخل المعدن تترتب الذرات ببطء — وفي يوم من الأيام ينقر الزنبرك، منتقلًا إلى وضع جديد أكثر حرية. يبدو أن الفيزيائيين يفكرون في الفراغ بطريقة مماثلة: قد لا يكون فارغًا حقًا وثابتًا، بل مجرد حالة متجمدة مؤقتًا يمكن أن تتحول فجأة إلى حالة أخرى — بكثافة طاقة مختلفة. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة عدة نماذج لمثل هذا الانتقال المتأخر.

عندما يستنفد نجم ضخم وقوده، ينهار قلبه تحت ثقله. يتشكل داخل الثقب الأسود — وهي منطقة تكون فيها الجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات. لفترة طويلة، اعتُقد أن نقطة ذات كثافة لا نهائية — التفردية — تكمن في المركز بالضبط.

الشاي الساخن في الفريزر لا يتجمد فورًا. أولاً، تتشكل إبر جليدية صغيرة تتحرك فيه — تظهر وتذوب حتى تنخفض درجة الحرارة بما يكفي ليتجمد الجليد تمامًا. هكذا تقريبًا تصرف الكون المبكر عندما كان يبرد ويغير بنيته الداخلية. يسمي الفيزيائيون هذا تحولًا طوريًا من النوع الأول — تغيرًا حادًا في الحالة، مثل الماء عند التجمد.

النجم النيوتروني هو نواة ميتة لنجم ضخم، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مثل جبل. عبر هذه البيئة الكثيفة، تمر جسيمات المادة المظلمة بحرية تقريبًا، لكنها أحيانًا تصطدم بالنيوترونات وتعلق، مثل الرصاص الذي يغوص في الرمال. بعد أن تستقر في المركز، تطلق طاقة — فيسخن النجم قليلاً.

الماء في الكوب يبرد خلال دقائق. الغاز في الغرفة يملؤها بالتساوي خلال ثوانٍ. لكن إذا حبست الذرات في أنبوب بسمك شعاع ليزر وأثرتها جيدًا، فإنها ستستغرق عدة ثوانٍ «لتبرد» نحو التوازن — وهي مدة طويلة جدًا بمقاييس الذرات. أخذ المجربون سحابة من ذرات الروبيديوم وبرّدوها إلى حالة تكاثف بوز-أينشتاين — حيث تندمج جميع الذرات في موجة كمومية واحدة.

في مركز الثقب الأسود توجد المتفردة — وهي نقطة ينضغط فيها الزمكان تحت تأثير الجاذبية إلى ما لا نهاية، وتفقد قوانين الفيزياء المعروفة لدينا قدرتها على التنبؤ. يمكن لـالثقوب السوداء أن تغيّر حالتها، تمامًا كما يتجمد الماء أو يغلي — وهذه هي التحولات الطورية. عادةً ما تُلاحظ هذه التحولات من خلال سلوك محيط الثقب، مثل الإشعاع.

تعتبر الطاقة المظلمة خاصية فطرية للكون، تعمل منذ اللحظات الأولى. لكن نموذجاً جديداً يفترض أنها تصرفت كالماء على أعتاب الغليان: بقيت غير ملحوظة لزمن طويل، ثم فجأة بدأت تعمل في لحظة حرجة. يُطلق على هذا السيناريو 'التنشيط المتأخر': فقبل حوالي 5-7 مليار سنة حدث انعطاف، وتسارع تمدد الكون. ساعدت ثلاث علامات إرشادية في اختبار الفكرة.

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.

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.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم منفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. في نواته، تُضغط المادة بكثافة هائلة لدرجة أن ملعقة صغيرة من هذه المادة تزن مثل وزن جبل. عند هذه الكثافة، كما تتنبأ نظرية التفاعلات القوية، تظهر للجسيمات "توائم" — شركاء التكافؤ. الأمر يشبه أن يظهر فجأة لكل ساكن في المدينة توأم له نفس العادات، لكنه معكوس كصورة المرآة.

في منتصف القرن العشرين، اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين أن النجوم على أطراف المجرات تتحرك بسرعة كبيرة جداً - كتلة غير مرئية تمسك بها. هكذا ظهر لغز المادة المظلمة. إنها لا تشع ضوءاً، لكنها تظهر نفسها عبر الجاذبية. السؤال الرئيسي: لماذا بقيت منها هذه الكمية بالذات؟ عمل جديد يقدم إجابة غير متوقعة.

غشاء مغناطيسي مقسّم إلى خلايا صغيرة جدًا تشبه الأسهم، يتصرف مثل حشد في ساحة. ما دام الجو باردًا، تشير جميع الأسهم في اتجاه واحد — نظام مثالي. سخّن الغشاء، وستبدأ الأسهم في التحرك باضطراب، مثل المارة الذين فقدوا هدفهم. في مكان ما بين هذين الطرفين، هناك لحظة يتوقف فيها النظام عن كونه متجانسًا، لكنه لم يتحول بعد إلى ضجيج عشوائي.

داخل بعض المواد، يتدفق التيار الكهربائي دون أدنى مقاومة. هذه هي الموصلات الفائقة، وهي تعمل فقط عند البرودة الشديدة. أكاسيد النحاس حالة خاصة: فهي تحافظ على التوصيل الفائق عند درجات حرارة أعلى، لكن السبب يظل لغزًا منذ أربعين عامًا. درس الفيزيائيون عينة من La$$_{2-x}$$Sr$$_x$$CuO$$_4$$ باستخدام شعاع أشعة سينية يشتت على الإلكترونات ويُظهر حركاتها الجماعية.

الضوء الصادر من بلورات البيروفسكايت النانوية يشبه أداء جوقة، حيث تتردد الأصوات تارةً منفردة وتارةً كثنائي متناغم. سابقًا، لم يكن يُسمع هذا الثنائي إلا مع تبريد شديد، يقارب برودة الفضاء الخارجي. أما الآن، فقد غنّت الجوقة في درجة حرارة الغرفة.

قفص من ستين ذرة كربون، يشبه كرة القدم، يدخل بداخله جزيئات صغيرة. كرات الكربون الفوليرينية مرصوصة في بلورة مثل البرتقال في صندوق — تبقى بينها فراغات. في هذه الفراغات، عند التسخين إلى 570 درجة مئوية وضغط 30 ضغطًا جويًا، تسرب الهيدروجين. جزء من الجزيئات التصق بالكرات من الخارج مثل نبات التصاق بالملابس. نتجت مادة تشبه كرة قدم مدهونة بالهيدروجين.

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.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بفترة قصيرة لكنها عنيفة — التضخم، حين توسع بسرعة هائلة. هذا المفهوم طرحه ألان غوث. وفي ذلك الوقت، وُلدت جسيمات المادة العادية في الفضاء الذي يبرد بسرعة.

المادة المظلمة هي الهيكل الخفي للكون، الذي كشفت عن وجوده دوامات المجرات منذ زمن فريتز زفيكي وفيرا روبين. وظل تكوينها لغزاً طيلة نصف قرن. ترسم الفرضية الجديدة صورة غير مألوفة.

مقياس الحرارة المغمور في عينة ما يخبرنا عادةً بدرجة الحرارة فقط. لكن إذا كانت درجة الحرارة تتأرجح قليلًا، واستجابت العينة بتأخّر، فإن هذه الاستجابة تخفي أكثر من ذلك: الجزء التخيلي من السعة الحرارية، والذي تبيّن أنه قادر على سماع صدى الزمن الكمومي.

في المختبرات على الأرض، يُنتَج تكاثف بوز-أينشتاين بتبريد سحابة من الذرات إلى أجزاء من المليار من الكلفن. تفقد الذرات فرديتها وتندمج في موجة كمومية واحدة تتصرف ككل واحد. لكن في الفضاء، ليست هناك حاجة لمثل هذه الظروف: فالجاذبية نفسها تحفر آبارًا عميقة تنضغط فيها المادة وتبرد إلى حالة من الضباب الكمومي. يتكاثف هذا الضباب في أماكن مختلفة تمامًا.

تلسكوبان ينظران إلى الكون نفسه ويريان سرعتين مختلفتين. القياسات المحلية من المستعرات العظمى تعطي 73.04 ± 1.04 كم/ث/م.فخ، بينما بيانات إشعاع الخلفية الكونية في النموذج القياسي تتنبأ بـ 67.36 ± 0.54. الفارق البالغ 5.7σ لا يبدو صدفة — إنه توتر هابل، صدع في أساس علم الكونيات.