هيليوم

غشاء شفاف من أكسيد البزموت-تنجستن موضوع على ركيزة ولا يوصل التيار. ثلاث دقائق في سحابة بلازما النيتروجين تجعله يسودّ، وتنخفض مقاومته بمقدار مليار مرة. السر ليس في ذرات جديدة، بل في إعادة ترتيب الذرات القديمة: الأماكن الفارغة التي كانت تحتضن الأكسجين تصطف في صفوف منتظمة، كجنود ينفذون أمرًا. هذا الصف من الفراغات يتحول إلى طريق للإلكترونات.

النيوترون هو جسيم يستقر عادة في نواة الذرة ولا يختفي. لكن بعض النظريات تفترض أنه قد يتحول أحيانًا إلى توأم غير مرئي — جسيم افتراضي لا يمكن التقاطه بواسطة أجهزة الكشف العادية. إذا حدث هذا، فسيفسر ما تتكون منه المادة المظلمة — المادة الغامضة التي لا تصدر ضوءًا ولكنها تمسك المجرات بجاذبيتها وتمنعها من التمزق.

في البلورة الطبقية CrSBr، تصطف العزوم المغناطيسية للذرات مثل النوتات في المقطوعة الموسيقية: داخل كل طبقة تشير في اتجاه واحد، وبين الطبقات تشير في اتجاهين متعاكسين. هذا اللحن المضاد للمغناطيسية (antiferromagnetic) يستمر حتى 132 كلفن، وبعد ذلك تدمر الحركة الحرارية النظام. تعلم الفيزيائيون إعادة كتابة هذه المقطوعة عن طريق قصف البلورة بأيونات الهيليوم.

ذرة الهيليوم تشبه وترًا مشدودًا بإحكام: كل نغمة تصدرها متوقعة بدقة من نظرية الكم. لكن في السنوات الأخيرة، أصبحت القياسات الدقيقة لإحدى هذه «النغمات» — وهي طاقة تأين ذرة الهيليوم المثارة، أي الطاقة اللازمة لانتزاع إلكترون من الحالة المثارة — أعلى قليلًا مما ينبغي.

صفيحة نحاسية بحجم عملة معدنية تتبخر تحت ضربة الليزر خلال أجزاء من المليار من الثانية. تصطدم سحابة النحاس الساخنة بالهيليوم البارد، مثل نفث بخار في هواء متجمد. تظهر في الصور فقاعة واضحة المعالم بخيوط رفيعة على أطرافها — فالبلازما لا تتمدد بشكل منتظم، بل تتفكك إلى ألياف بسماكة شعرة إنسان. البلازما هي غاز انفصلت فيه الإلكترونات عن الذرات.

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.

جسر يسير عليه المشاة وراكبو الدراجات في تدفق واحد دون أن يعيق أحدهم الآخر. هذا هو تقريبًا مبدأ عمل الأنظمة الهجينة من الموصلات الفائقة وأشباه الموصلات: بعضها ينقل التيار دون فقدان، والبعض الآخر يتحكم في هذا التيار. ولكن لبناء مثل هذا الجسر، نحتاج إلى موصل فائق لا يخاف المجالات المغناطيسية القوية ولا يدمر القاعدة شبه الموصلة الهشة أثناء التصنيع.

رصد التلسكوب الراديوي FAST بطبق قطره خمسمائة متر إشارة عند طول موجة 21 سنتيمترًا — وهو خط طيفي لانبعاث الهيدروجين الذري البارد والمتعادل. صدرت الإشارة من سحابة أُطلق عليها اسم Cloud-9. تقع هذه السحابة بالقرب من المجرة M94، لكنها لا تحتوي على أي نجم.

الدقائق الثلاث الأولى بعد ولادة العالم هي مطبخ كوني، حيث كانت الطبيعة تطهو أخف الأنوية الذرية. الوصفة تحددها الجاذبية: فهي تتحكم في معدل تبريد «المرق» الساخن المكوّن من الجسيمات. إذا كانت الجاذبية تعمل بشكل مختلف عما اعتدنا عليه، لكان الطبق مختلفًا أيضًا — بكمية مختلفة من الهيليوم والديوتيريوم.

في عام 2024، وجّه فريق ديفيد شاربونو تلسكوب ماجلان المزوّد بمطياف وينيرد نحو LHS 1140. في لحظة العبور، التقط التحليل الطيفي عالي الدقة خط امتصاص الهيليوم شبه المستقر عند 10833 أنغستروم.

في قلب النجم المحترق، تقترب نواتا هيليوم من بعضهما مثل راقصَين على مسرح مزدحم. رقصتهما هي تشتت ألفا، أساس احتراق الهيليوم النجمي. من سلاسة دورانهما يعتمد مدى سرعة حرق النجم لوقوده. في السابق، كانت هذه الرقصة توصف بشكل مبسط. الآن، استخدم الفيزيائيون لأول مرة الوصف الأدق للقوى النووية — وهو تفاعل N3LO من النظرية الكيرالية.

تخيّل: يتعرض الهيليوم-3 فائق الميوعة في طبقة رقيقة لصدمة حرارية مفاجئة. في تلك اللحظة، يستيقظ فيه أوركسترا كاملة من الاهتزازات الجماعية — وكأن ضربة على طبلة خفية تولد وتراً متعدد الأصوات. تكتسب آلية كيببل–زوريك، المألوفة من تشقق الجليد عند التجميد السريع، أناقة كمومية هنا. في الطور A الكيرالي، حيث يدور وسيط الترتيب مثل إبرة بوصلة في فضاء تجريدي، يُطلق التبريد شلالاً من الأنماط البوزونية.

في الماء المغلي الماء يمكن رؤية نموذج أولي للخدعة الكمومية: إذا حوّلنا جزءاً من السائل إلى فقاعات بخار طويلة العمر، فإن الكتلة الرئيسية تبرد. هذا بالضبط ما يحدث عند توجيه ضربة حادة لنظام من الإلكترونات المتفاعلة: تظهر الدوبلونات — أزواج من الجسيمات تمتص الطاقة الزائدة ولا تتفكك لمدة طويلة بشكل مذهل.

عنقود المجرات بيرسيوس هو مدينة عملاقة من آلاف الجزر النجمية، تغمرها محيطات غير مرئية من الغاز الملتهب. هذا الغاز، مثل ضباب المدينة، يحمل آثار جميع المصانع الكيميائية التي عملت في المجرات لمليارات السنين: انفجارات المستعرات الأعظم التي تنثر ذرات مشكّلة حديثًا في كل مكان.

ثلاث عوامات على الماء تتمايل بشكل عشوائي. لكن ثلاث ذرات هيليوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تتصرف بشكل مختلف — وكأنها تخضع لقانون تشابه غير مرئي. تجاذبها المتبادل ضعيف جدًا لدرجة أن الذرات تشكل سحابة فضفاضة. يمكن تغيير حجمها، لكن شكلها يظل دائمًا كما هو — مثل ماتريوشكا (دمية روسية) تُصغَّر أو تُكبَّر دون أن يتغير نقشها.

في مركز المجرة المزدحم، يدور نجمان متقاربان لدرجة أن أحدهما يجرّد الآخر من طبقاته الخارجية، مثلما تخلع الريح الملابس الخارجية. يبقى اللب الهيليومي الساخن، أي نجم بلا غلاف هيدروجيني. النجوم الخفيفة والثقيلة جداً من هذا النوع معروفة جيداً لدى علماء الفلك: الأولى تسمى الأقزام شبه الساخنة (hot subdwarfs)، والثانية نجوم وولف-رايت (Wolf-Rayet).

عود الثقاب يشتعل من طرفيه. أولًا تشتعل الرأس، وبعد لحظة يلتهم اللهب عود الخشب نفسه. شيء مشابه ربما يحدث في بعض المستعرات العظمى من النوع Ia — لكن بدل عود الثقاب، قزم أبيض (نجم بحجم الأرض)، وبدل النار، انفجار نووي حراري. في عام 2022، رصد الفلكيون المستعر الأعظم 2022an — وميض خافت يخفت بسرعة، يشبه أحداث النوع الفرعي 91bg.

في الهيليوم فائق السيولة الهيليوم يختفي الاحتكاك اللزج — يتدفق السائل مثل جدول جبلي، لكن دون أدنى دوامات، مظهرًا تأثيرًا كموميًا عيانيًا.

قدرٌ به ماءٌ على الموقد: كلما زادت حرارة النار، أسرع تحوّلُ الثلج إلى ماء، والماء إلى بخار. الحرارة تُفكك النظام. لكن أحيانًا تفاجئنا الطبيعة، فتجمد السائلَ بالحرارة، كأنما تتجمد بركةُ ماءٍ في الصقيع. أشهر مثالٍ على ذلك هو الهيليوم-3: في درجات الحرارة المنخفضة يكون سائلًا، لكن إذا سُخّن إلى 0.3 درجة فوق الصفر المطلق، يصبح فجأة صلبًا.

يتسلل ضوء نجم بعيد عبر الغلاف الغازي لكوكب، ويحاول علماء الفلك تخمين مم يتكوّن هذا الغلاف. هكذا تُدرس أغلفة عوالم لا يمكن لمسها. عندما يمر الكوكب أمام قرص نجمه، يعترض حجابه الغازي جزءًا من الأشعة للحظات. وفي ذلك الضوء، تبقى بصمات الذرات والجزيئات كظلال صغيرة — لكل منها نمط فريد.

كاشف مملوء بالهيليوم-4 فائق الميوعة يشبه بحيرة هادئة تمامًا. السائل لا يتموج، لا يفققع — إنه متجمد في حالة كمومية واحدة. عبره يطير ضيف غير مرئي — جسيم من المادة المظلمة. هو نفسه لا يضيء ولا يترك أثرًا. لكنه أحيانًا يصطدم بنواة ذرة الهيليوم. تتلقى النواة دفعة ضعيفة وتتحرك. الإلكترون الذي يدور حولها لا يلحق بالحركة المفاجئة — فينخلع من المدار.

جسيم ألفا هو نواة الهيليوم التي تنطلق عند اضمحلال الذرات الثقيلة. عندما يصطدم ببلورة نيتريد الغاليوم، يمنحها طاقته ويولد نبضة كهربائية. من ارتفاع النبضة يمكن معرفة مقدار الطاقة التي كانت لدى الجسيم. لكن في طريقه إلى المنطقة الحساسة، يفقد الجسيم جزءًا من قوته في ما يسمى الطبقة الميتة — وهي طبقة رقيقة غير فعالة قرب السطح.

عندما يُزرع قطب كهربائي دقيق للغاية في الدماغ، يعتبره الجسم كشظية. حوله تنمو ندبة من الخلايا الدبقية — غمد عازل كثيف يخمد الإشارة كما تكتم قطعة قماش مبللة صوت الوتر. يتوقف القطب عن سماع الخلايا العصبية. جرّب المهندسون تغطية القطب بهلام مائي — «وسادة» ناعمة مائية تشبه العدسة اللاصقة. لكن لجعل الهلام موصلًا للكهرباء، أضافوا إليه جسيمات صلبة مثل غبار معدني.

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.

في غرفة مظلمة، لا يُظهر المصباح اليدوي إلا ما يقع في نطاق شعاعه. وهكذا تقريباً يدرس الفيزيائيون الذرات: وميض قصير من الضوء يقتلع الإلكترونات، ومن مساراتها يمكن فهم كيفية تركيب الذرة. لكن للهيليوم حالات لا تقع في «الشعاع» العادي، بل تختبئ في الظل. في التجربة الجديدة، تُضاء ذرة الهيليوم أولاً بوميض فوق بنفسجي، ثم في نفس الوقت تقريباً بليزر تحت أحمر قوي.

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.

في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم، أعدّ الكون مزيجًا من الهيدروجين والهيليوم وقليل من الليثيوم. لكن الوصفة أصابها خلل: فبحسب حسابات جورج غاموف ورالف ألفر وفريد هويل، يجب أن يكون الليثيوم أكثر بثلاث مرات مما يراه الفلكيون.

السيولة الفائقة هي حالة من السائل يتدفق فيها دون احتكاك، دون فقدان للطاقة. الهيليوم-3، وهو نظير نادر، يكتسب هذه الخاصية فقط عند درجات حرارة تقارب أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق.

نواة الهيليوم-5 مثل وتر مشدود: بمجرد لمسه يتفكك إلى هيليوم-4 ونيوترون. التقاط هذا الاضمحلال وقياس سرعته مهمة ليست بالسهلة. الطرق الحسابية المعتادة تتعثر بسبب تشويش رياضي. أخذ الباحثون طريقة موثوقة لوصف القوى النووية وأضافوا إليها خدعة ذكية — الاستمرار التحليلي (analytic continuation). الأمر يشبه تخمين مدة تأرجح الأرجوحة من سلوكها في الثواني الأولى.

النيوبيوم معدن، عند تبريده إلى بضع درجات فوق الصفر المطلق، يوصل التيار بدون مقاومة. في المختبرات، يُطلى على شكل مسارات رفيعة على ركيزة، مثل تزيين الكعكة بالكريمة. لكن أثناء عملية الطلاء، يتسرب الأكسجين من القناع الخاص إلى المعدن، مما يفسد خصائص الموصلية الفائقة.

بعد حوالي 400 مليون سنة من الانفجار العظيم — الحدث الذي ولّد المكان والزمان — رصد تلسكوب جيمس ويب بالأشعة تحت الحمراء بقعة مضيئة بالقرب من المجرة GN-z11. بدت وكأنها منارة بعيدة، يخترق ضوؤها الظلام البدائي للكون المبكر.

حزمة أيونات الكربون تصيب الورم بدقة، كجرّاح لا يرى سوى الجلد. داخل الجسم تتوقف الحزمة، وكان مكان توقفها بالضبط لغزًا سابقًا. الآن، يُخلط الهيليوم مع نفس الحزمة: فهو يخترق الجسم بالكامل، مثل الأشعة السينية، ومن أثره يمكن رؤية أين وصل الكربون. في المسرّع بالمركز الألماني GSI، تم تسريع نوعين من الأيونات معًا: الكربون والهيليوم.

تصادم بسرعة هائلة أدى إلى قذف نيوترون من نواة الهيليوم-8، ولفظت النواة أنفاسها الأخيرة لتكوين نواة الهيليوم-7، مثل رف مكتظ تسقط منه ثلاثة كتب دفعة واحدة. هذا «الصوت» العابر للاضمحلال تم تسجيله لأول مرة: تفرقت النيوترونات الثلاثة، تاركة وراءها نواة هيليوم-4 عادية.

اللحام التقليدي لا يصلح للدوائر الكمومية: فعند التبريد إلى درجة حرارة الهيليوم السائل يتشقق المعدن، والتماسات نفسها تُدخل ضوضاء. جرّب مهندسون من مجموعة بحثية نهجًا آخر — قطرة من سبيكة غاليوم تبقى سائلة في درجة حرارة الغرفة، مثل الزئبق في ميزان حرارة قديم.

عند درجات حرارة منخفضة للغاية، يتحول الهيليوم السائل إلى حالة السيولة الفائقة — يتدفق دون احتكاك، وكأنه مادة تشحيم مثالية. في هذا السائل الكمومي تولد دوامات تشبه ظاهريًا الدوامات العادية في الماء، لكن مع اختلاف جوهري: عزمها الزاوي، أو قوة دورانها، مكمَّم.

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.

السيليكون مثل لبنة بناء عالمية: منه تُصنع الرقائق في الهواتف والألواح الشمسية والليزر. ولكن إذا تم ضغطه بقوة هائلة، فإن الذرات تعيد ترتيب نفسها في أنماط جديدة — تُعرف هذه الأشكال باسم المتآصلات (allotropes). أحدها، Si-XIII، لوحظ لأول مرة منذ أكثر من عشرين عامًا، لكن نمطه الدقيق ظل لغزًا. عرف العلماء بوجوده، لكنهم لم يستطيعوا فهم كيفية ترتيب الذرات بالضبط.

عند درجة حرارة 0.1 كلفن — أي أعلى بثلاثة أعشار الدرجة من الصفر المطلق — تتوقف المادة عن الخضوع للقواعد المألوفة. يصبح الهيليوم فائق الميوعة: يتدفق دون احتكاك، ويتسرب عبر الشقوق، ويتصرف كسائل كمومي عملاق واحد. رؤية ما يحدث داخل هذا البرد الشديد مهمة على حافة المستحيل. بنى العلماء جهازًا يحل هذه المهمة مباشرة.

عندما ينفد الهيدروجين من نجمة مثل الشمس، تتمدد لتصبح عملاقًا أحمر، بينما يتراكم الهيليوم في نواتها. وفي لحظة ما، يشتعل الهيليوم — خلال ثوانٍ قليلة، تُطلق طاقة تعادل ما كانت النجمة تشعه على مدى آلاف السنين. وهذه هي ومضة الهيليوم. أثناء الومضة، ينشأ تدفق من النيوترينوات — وهي جسيمات لا تكاد المادة تعيقها.

التلسكوبات الراديوية تشبه آذانًا تصغي إلى الفضاء. عادةً ما تكون أذن واحدة: تلتقط إشارة من نقطة واحدة متناهية الصغر في السماء. وهذا بطيء. أما على تلسكوب باركس في أستراليا، فهناك الآن 72 أذنًا تعمل في وقت واحد. وقد بُردت إلى درجة حرارة الهيليوم السائل حتى لا يطغى ضجيج أجهزة الاستقبال على الهمس الخافت للمجرات البعيدة.