سلسلة الطاقة

فقاعة الهيدروجين على قطب البلاتين تتصرف كسبّاح يحاول الصعود إلى السطح، لكن في كل مرة يوشك فيها على الانفصال، تُمسك به أقدامه من الأسفل. في المختبر، صُوّرت هذه الظاهرة بكاميرا عالية السرعة: فقاعة بحجم مليمتر تظل معلقة قرب السطح، رغم أن قوة أرخميدس تسحبها إلى الأعلى بقوة أكبر بآلاف المرات مما يستطيع التوتر السطحي إمساكها.

تبدأ الأوركسترا العزف، لكن لكل موسيقي إيقاعه الخاص. إذا عزف الجميع بنفس السرعة تقريبًا، تنساب الموسيقى في تدفق مستمر. أما إذا عزفت مجموعة من الآلات ببطء ملحوظ مقارنة بالباقين، يتجمع الصوت في كتلة متماسكة تتحرك ببطء إلى الأمام. هكذا هي الخلايا في الأنسجة الحية: بعضها ينقسم بسرعة، وبعضها ببطء، وهذا يحدد كيف تغزو فضاءً جديدًا. لطالما لاحظ علماء الأحياء نمطين.

كرة تتدحرج على مزلاج. ما الشكل الذي يجب أن يكون عليه المزلاج ليكون النزول في أقل وقت ممكن؟ قبل ثلاثة قرون، كان الجواب هو المنحنى الدائري (cycloid) — منحنى يشبه قوس جسر مقلوب — وهو مسار الزمن الأقصر الشهير، منحنى أسرع نزول. ولكن بمجرد غمر المزلاج في سائل كثيف، يتغير كل شيء: الاحتكاك اللزج يبطئ الكرة، ويصبح الطريق الأسرع مختلفًا.

الجوقة التي يؤدي كل مغنٍّ فيها النغمات بدقة، يكون صوتها أعلى مما يُتوقَّع من مجموع الأصوات البسيط. 100 شخص لا يغنّون بصوت أعلى بـ 100 مرة، بل بـ 10 000 مرة من صوت فرد واحد. في عالم الذرات، يحدث أمر مماثل. في السلوك الجماعي، الذي اكتشفه Robert H. Dicke، تعزز الفوتونات المنبعثة بشكل متزامن بعضها بعضًا. يزداد السطوع تناسبًا مع مربع عدد الذرات.

295 000 متر في الثانية. حتى الجسيمات في الانبعاثات الإكليلية للشمس لا تندفع بهذه السرعة. لكن في مركز العنقود المجري H1821+643، يتحرك الغاز الساخن بهذه الطريقة تمامًا. الكوازار في قلبه يزفر - وأنفاسه تحرك كل شيء حوله على مسافة 60 ألف سنة ضوئية.

تيار محيطي عرضه مئات الكيلومترات يعيش حياته الخاصة، مغتذيًا بالطاقة من دوامات صغيرة جدًا. في الغلاف الجوي يحدث شيء مشابه: الدوامات الصغيرة تمنح قوتها لتيارات هوائية ضخمة. هذه العملية — الشلال العكسي للطاقة — معروفة منذ زمن طويل. لكن حتى الآن كانت تُدرس بافتراض أن الهواء جاف تمامًا، وكأن السحب لا تظهر فيه أبدًا.

يسقط حجر في بركة، فتنتشر الدوائر بالتساوي في كل الاتجاهات. لكن توجد أوساط تبدو فيها الموجة وكأنها تعرف إلى أين تتجه: كمياه تدور فقط في اتجاه عقارب الساعة. هذا التباين تصنعه اللزوجة الفردية والمرونة الفردية — خصائص أوساط ذات تناظر مرآتي مكسور.

يتجمد الماء العادي بشكل متوقع: كلما كان أبرد، تحول إلى جليد أسرع. ومع ذلك، في بعض الأحيان يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من البارد — وهذه مفارقة تُعرف بتأثير ميمبا.

التصفيق باليدين يضغط الهواء فينتشر في كل اتجاه — هذه أبسط صدمة. في الفضاء، تلعب النجوم المنفجرة دور الكفين: موجات صدمتها تضغط الغاز فجأة وتطلق خلطًا فوضويًا — اضطرابًا. لكن كيف تتحول طاقة الانفجار بالضبط إلى دوامات بأحجام مختلفة ظل لغزًا طويلاً، إذ يصعب رؤية التفاصيل في السدم البعيدة. للنظر إلى هذه العملية، بنى الفيزيائيون نموذجًا مصغرًا.

ضربة البرق تشق السماء في جزء من الثانية، تاركة أثرًا متفرعًا. في اللحظة نفسها، في بلورة فائقة التوصيل متناهية الصغر، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، يندفع انهيار جليدي للحقل المغناطيسي — أصابع رفيعة من المغنطة تخترق المادة. يبدو أنه لا يوجد أي قاسم مشترك بين تفريغ عاصفي طوله كيلومترات وبين حدث في جزء من ألف من المليمتر.

لغز الطاقة المظلمة هو هُوّة. نظرية الحقل الكمومي تتنبأ بكثافة تزيد 10¹²⁰ مرة عن الكثافة المرصودة. في المشهد الوتري، يكتسب هذا الهاوية ملامح — أعداد لا تُحصى من الفراغات ذات طاقات مختلفة، وقد استقررنا في إحداها.

في قدرٍ فيه حساءٌ يغلي، تحمل التيارات المتدفقة الحرارة إلى الجدران فيبرد الحساء. وفي التوكاماك — القارورة المغناطيسية الضخمة للبلازما — يحدث الشيء نفسه: دوامات الاضطراب تنقل الطاقة إلى الخارج، مما يعيق إشعال تفاعل الاندماج. لكن في بعض الأحيان يبدو أن البلازما تجد بنفسها طريقة لتهدأ.

لقد توقفوا للتو عن تحريك قدر من الماء: الدوامات والدوارات تهدأ تدريجيًا ويصبح السائل أملس. عملية مماثلة، لكن في العالم الكمومي، تحدث في الهيليوم فائق الميوعة أو في سحابة من الذرات فائقة البرودة. فقط بدلاً من دوامات الماء، هناك خيوط دوامة غير مرئية، "أعاصير" كمومية دقيقة تخترق المادة.

الماء يغلي خلف صخرة في النهر، والهواء يدور خلف جناح الطائرة — يبدو أن الحركة عشوائية تمامًا. لكن مؤلفي الدراسة وجدوا في هذه الفوضى وصفة طهي صارمة. لقد حللوا دوران السائل (عزم الزخم) إلى جزأين مستقلين.

في قلب عنقود المجرات الحواء تطفو فقاعة من البلازما الساخنة بحجم عدة مجرات. ترتفع مثل بالون ضخم في الغلاف الجوي، ويتبعها أثر — منطقة يتحرك فيها الغاز. وجّه العلماء إلى هذا الأثر التلسكوب الياباني للأشعة السينية XRISM لقياس كيفية تحرك الغاز بالضبط. اتضح أنه في مركز الأثر تمامًا، يتحرك الغاز بسرعة حوالي 80 كيلومترًا في الثانية بالنسبة للعنقود ككل.

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.

تشبه الأنظمة الكوكبية الفتية أوركسترا بدأت للتو بروفتها: يحاول جميع الموسيقيين العزف على إيقاع واحد. لاحظ علماء الفلك، وهم يراقبونها عبر تلسكوب TESS، أن الكواكب حول النجوم الفتية تتحرك غالباً بشكل متزامن — مداراتها مرتبة بحيث يقابل كل دورتين لكوكب واحد دورة واحدة بالضبط لكوكب آخر. لكن عند عمر مائة مليون سنة، ينهار هذا التناغم، وتبدأ المدارات تشبه التنافر بعد انقطاع طويل عن البروفات.

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.

تحت القشرة الجليدية لإنسيلادوس، قمر زحل، يختبئ محيط يعمل كمضخة حرارية مثالية — نظام ينقل الطاقة الحرارية من خط الاستواء إلى القطبين، مستهلكًا في ذلك طاقة أقل بألف مرة مما ينقله. هذا يشبه آلة حركة أبدية مدمجة في جرم سماوي، رغم أن التشبيه يبسّط الواقع: هنا لا تُنتهك قوانين الديناميكا الحرارية، بل تُستخدم آلية حمل حراري فعّالة.

في النفق الهوائي، تتسارع الرياح إلى سرعات هائلة ثم تنفلت في فوضى من الدوامات. ولرصد كيف تموت هذه الفوضى على أصغر المقاييس، استخدم العلماء مستشعرًا أرقّ من شعرة الإنسان وقرّبوه من التدفق. داخل النفق، أُنشئت طبقة قصّ — وهي المنطقة التي يحتك فيها الهواء السريع بالهواء البطيء، مولّدًا الدوامات. المستشعر، وهو سلك مُسخَّن طوله جزء من ميكرومتر، التقط تقلبات السرعة حتى حيث تكون الدوامات أصغر من المسافة بين جزيئات الهواء.

فوق سطح الشمس تتدلى أشرطة طويلة من الغاز المتوهج — تُسمى الأشرطة الشمسية (streamers). تشبه قيثارات عملاقة مشدودة في الهالة الشمسية. عندما تجري موجة على مثل هذا الشريط، فإنه يرتجف وينحني، مثل وتر بعد نقر. لوقت طويل، كان يُعتقد أن مثل هذه الموجة لا يمكن أن تُطلق إلا بواسطة انبعاث سريع جدًا للمادة — ذلك الذي يطير بسرعة تتجاوز 500 كيلومتر في الثانية.

البلازما الساخنة في التوكاماك تشبه حيوانًا صعب المراس: يجب احتجازها، لكن دون السماح لها بالسخونة الزائدة. في مفاعل ASDEX Upgrade تم العثور على نمط حيث تحل دوامات البلازما هذه المشكلة بنفسها. أظهرت النمذجة العشوائية أن التذبذبات عند حافة البلازما تقذف كتلًا إلى الخارج — مثل فقاعات من قدر يغلي.

نهر هادئ يبدأ فجأة بالغليان في مكان مستوٍ — هكذا تبدو اللغز الذي تناوله مؤلفو العمل الجديد. أخذوا طبقة رقيقة من الغاز المشحون بحقل مغناطيسي ضعيف جدًا وتتبعوا على الحاسوب ما سيحدث لها. في البداية، يتدفق كل شيء بسلاسة، مثل الماء من الصنبور. ثم في مكان ما، تصبح الطبقة أرق، وتبدأ خطوط المجال المغناطيسي التي كانت متوازية في السابق بالتمزق وإعادة الاتصال.

العاشر من أكتوبر 2024. أطلقت الشمس سحابة من البلازما الممغنطة باتجاه الأرض — وقامت أربعة مركبات فضائية، تقف عند نقطة واحدة بين الشمس والأرض، بتسجيل كيفية غليان هذه السحابة في وقت واحد. المسافة بين المسبارين الأقصىين هي 80 نصف قطر أرضي فقط، أي حوالي نصف مليون كيلومتر. وبالمقاييس الكونية، هذا مثل أربعة عوامات في ميناء واحد. لكن تسجيلات العوامات كانت مختلفة.

الهيليوم السائل المبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق يتصرف كسائلين في آن واحد: جزء عادي لزج وجزء فائق السيولة يتدفق دون احتكاك. عندما يصطدم مثل هذا التدفق بأسطوانة، تولد دوامات خلفها. لكن في بعض الأحيان تظهر الدوامات أيضًا أمام الأسطوانة — في منطقة لا يُفترض أن توجد فيها وفقًا للقوانين الكلاسيكية.

حشد الناس في محطة مترو أنفاق يتحرك أبطأ من الأفراد المنفردين: كل شخص يعيق جاره. صورة مشابهة تحدث في سحابة كثيفة من الذرات المغناطيسية التي تتبادل الطاقة فيما بينها. كان يُعتقد سابقًا أن سرعة النقل تعتمد فقط على خصائص الذرات نفسها.

أسطوانة حادة الرأس تحلق بست سرعات صوتية — ليست أكثر الأجسام أناقة، لكنها أصبحت البطل الرئيسي لحساب جديد. سطح مثل هذا الجسم لا يكون أملس تمامًا: عند دخول الغلاف الجوي، يحترق الدرع الحراري وتظهر نتوءات وانخفاضات. كيف تحوّل هذه النتوءات التدفق الهادئ إلى اضطراب عاصف، كان يُرى سابقًا فقط في تجارب منفردة وكان يكاد لا يخضع لنمذجة دقيقة.

صفيحة رقيقة تقف عرضيًا في تدفق الماء أو الهواء. خلفها يتشكل أثر — منطقة يختلط فيها التيار ويضطرب. عادةً، يصبح هذا الأثر مضطربًا عندما تكون سرعة التدفق كبيرة بما يكفي، ويُقاس ذلك برقم رينولدز. بالنسبة للعوائق الدائرية والمربعة، يظهر الاضطراب في الأثر عند أرقام رينولدز تصل إلى عدة آلاف. لكن مع الصفيحة المسطحة، الأمر مختلف.

في كأس ماء، تولّد الموجات فوق الصوتية فقاعات صغيرة جدًا. تكبر تارةً وتنكمش تارةً أخرى، وأحيانًا تنهار فجأة مثل فقاعة صابون تنفجر، لكن أسرع بآلاف المرات. بجانب هذه الفقاعات تسبح جسيمات دقيقة — مثل كريات نيكل بحجم ذرة غبار. تدفعها الفقاعة عند كل حركة، مثل سبّاح يضرب الماء ويرسل أمواجًا حوله.

يتصرف الصوت في صفيحة رقيقة مثل تموجات على سطح الماء: ينتشر، وينعكس عن الحواف، ويغير شكله. لكن للصوت غرابة واحدة — فهو يستطيع المرور عبر أماكن يُمنع فيها وجود الموجة. هذا يشبه ما لو أن تموجات على بركة اختفت فجأة أمام حاجز حجري وظهرت من الجانب الآخر دون أن تلتف حوله. أخذ العلماء صفيحة متغيرة السماكة — تتناقص تدريجيًا مثل الإسفين.

يدور الماء ليشكل حلقة، وتطير هذه الحلقة عبر الكتلة دون أن تتفكك. هذه الحلقات الدوّامية — من الدخان إلى التيارات تحت الماء — تخضع لقوانين يصعب التقاطها على الورق. عادةً، يُقسَّم التدفق إلى ملايين الخلايا المكعبة وتُتتبع كل خلية. أما النهج الجديد فيطلق بدلاً من المكعبات سحابة من الجسيمات في التدفق: كل جسيم هو دوامة صغيرة تتحرك مع الماء وتدوّره حول نفسها.

الماء في بركة بعد المطر يدور بشكل مختلف عنه في البحيرة العميقة. الطبقة الرقيقة من السائل تشعر بالقاع، وهذا يغير طبيعة الدوامات. أنشأ العلماء مثل هذه الطبقة في المختبر: سكبوا إلكتروليتًا، ومرروا تيارًا كهربائيًا ومجالًا مغناطيسيًا، فتحركت السائل. ثم باستخدام كاميرات وجسيمات دقيقة، تتبعوا الحركة حتى أصغر الدوامات، التي يبلغ حجمها جزءًا من المليمتر.

في الهيليوم فائق السيولة هيليوم — وهي حالة يتدفق فيها السائل دون احتكاك — تنشأ تلقائيًا دوامات كمية: قمع مجهرية تشبه الدوامات في الماء العادي، لكنها تخضع لقوانين ميكانيكا الكم.

خمسة كيوبتات فائقة التوصيل على رقاقة: مسرح تُعرض عليه مسرحية الفوضى الكمومية. أربعة كيوبتات تشكل النظام، والخامس هو البيئة التي تُدخل التبدد. بعد تطور قصير، تُهمل البيئة، ويبقى النظام مع خريطة كمومية مفتوحة: مؤثر يحول حالة النظام. في السابق، كان هذا السيناريو مجرد خيال نظري: تنبؤات حول الفوضى الكمومية التبددية انتظرت التحقق التجريبي لأكثر من أربعين عامًا.