قانون حفظ الطاقة

جسيم يجلس في حفرة طاقة، مثل حبة بازلاء في تجويف. لكي يقفز للخارج، يحتاج إلى تجاوز الحاجز، وعادةً ما يكون هذا نادرًا: كلما زاد ارتفاع الحاجز، زاد الانتظار. يقول قانون أرهينيوس إن زمن الانتظار ينمو أسيًا، أي أن مضاعفة ارتفاع الحاجز تزيد الزمن مئات المرات.

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…

سرعة 7,5 كيلومتر في الثانية هي الحد الفاصل الذي بعده يحول التصادم الكوني حبيبات الغبار إلى مفاعل كيميائي. في الوسط بين النجمي (interstellar medium) تتطاير حبيبات غبار غبار كوني (cosmic dust) صغيرة – إرث النجوم المحتضرة.

1799 كيلومترًا في الثانية — بهذه السرعة يغادر النجم S5-HVS1 المجرة إلى الأبد. قبل 4.8 مليون سنة، قُذف من مركز درب التبانة أثناء اقتراب قريب من الثقب الأسود فائق الضخامة Sgr A*. يترك مثل هذا الحدث أثرين أحفوريين: نجم هارب فائق السرعة ورفيقه الذي تم أسره في مدار بيضاوي. ربما تم العثور على الأثر الثاني.

عادةً ما يُوصف الثقب الأسود كإطار متجمد: كتلة موجودة، وشحنة موجودة، وكل ذلك ثابت. لكن الأجسام الحقيقية تعيش في الزمن. إنها تشع، وتفقد الطاقة، وتتغير. أخذ مؤلفو العمل الجديد حلًا ساكنًا لثقب أسود مشحون في نظرية جاذبية معقدة و«أحيوه». سمحوا للكتلة والشحنة بالاعتماد على الزمن — تقريبًا مثلما تعتمد درجة حرارة إبريق الشاي على المدة التي مضت على إطفائه.

الماء يغلي عند مئة درجة – هذا ما يعرفه الجميع. لكن لماذا عند مئة تحديدًا؟ ولماذا ليس بشكل تدريجي بل فجأة: قبل ثانية كان سائلًا، وفجأة – فقاعات وبخار وغليان. هذه التغيرات المفاجئة تُسمى تحولات طورية، ولها أساس رياضي صارم. في عام 1952، أثبت تسونغ-داو لي و تشن-نينغ يانغ نظرية تشرح متى يكون القفز ممكنًا ومتى لا يكون.

تخيل شعاعًا أخضر يمر عبر ترتيب بصري معقد فيلتف ليشكل قمعًا ضوئيًا ثلاثي الأبعاد - دوامة بصرية. في قلبها، كما في عين الإعصار، تنخفض الشدة إلى الصفر. هناك تختفي الفوتونات. لكن بعد بضعة مليمترات تعود للحياة - الطاقة لا تفقد، بل تقفز قفزة قصيرة إلى المجهول توصف بالضبط بأنها تحول إلى أكسيون ثم العودة. هذا ما تتنبأ به النموذج القياسي وامتداداته.

تخيل الماء كقاعة رقص واسعة، حيث كل جزيء راقص يدخل في شراكات عابرة باستمرار. هذه الروابط الهيدروجينية تولد أنماطاً محلية: بعضها يشبه رقصة هادئة ومنظمة - شبكة مرتّبة تحتوي على فراغات (بنية منخفضة الكثافة)، وأخرى تشبه رقصة صاخبة ومتدافعة حيث يتزاحم الراقصون في عناقيد فوضوية عالية الكثافة. قدرة الماء على تخزين الحرارة تتحدد بمدى سهولة تنقّل جزيئاته الراقصة بين هذين النمطين.

داخل الكواكب والنجوم، في محيطات البلازما الدوارة، تتصادم التدفقات المضطربة وقوى كوريوليس والتوتر المغناطيسي. اللغز الرئيسي هو كيف تتبلور طاقة هذه الفوضى في إطار مغناطيسي مستقر قادر على البقاء لمليارات السنين. لطالما شبهت عمليات البحث مطاردة شبح: حتى أن لودفيغ بولتزمان كان يأمل في العثور على تكاملات مخفية في النظرية الحركية، لكنه فشل.

الكون هو أوركسترا عظيمة، تقود فيها الطاقة المظلمة التوسع. قبل عشرة مليارات سنة، غيّر قائد الأوركسترا إيماءته: الضغط السلبي الذي كان يكبح تجمع المجرات أفسح المجال للتباعد المتسارع — ذلك الذي اكتشفه سول بيرلموتر وبراين شميدت وآدم ريس عبر…

الكون مثل أوركسترا تعزف سيمفونية الانفجار العظيم. ولطالما اعتُبرت الطاقة المظلمة هي قائد الأوركسترا، بندولاً ثابتاً يضبط وتيرة التوسع.

قطعة السكر الملقاة في الشاي تذوب، وسرعان ما يصبح السائل كله حلوًا بنفس القدر. هذا الطريق إلى التوازن مألوف لدرجة أنه يبدو بديهيًا. لكن إذا نظرنا إلى عالم الذرات، حيث يخضع كل شيء لميكانيكا الكم، تتشوش الصورة: تهتز الجسيمات بشكل متشابك، والحرارة والبرودة مجرد إحساسات متوسطة من مليارات الحركات الفردية.

كرة بلياردو تصطدم بأخرى — ومجموع سرعتيهما قبل الاصطدام وبعده يخضع لقواعد صارمة. في العالم الصغير، الأمر نفسه: الطاقة والزخم والشحنة لا يمكن أن تختفي ببساطة. هذه المحظورات تعمل كقائد أوركسترا غير مرئي، لا يكتفي بتوزيع الجسيمات في أماكنها — يأمر بعضها بأن تكون سريعة وبعضها الآخر بطيئة — بل يجعلها تتحرك بتناسق، حتى لو تبعثرت بعيدًا عن بعضها. بنى مؤلفو المقال إطارًا رياضيًا يدمج التأثيرين في معادلة واحدة.

أنوية المجرات النشطة (AGN) هي محطات الطاقة الكونية الكبرى: هالتها السينية تتوهج بحرارة تفوق حرارة الأغلفة الجوية النجمية بملايين المرات. لكن من يشعل الشرارة؟ قدمت حملة الرصد السينية التي استمرت عشرة أيام بالقمرين XRISM وXMM-Newton، الموجهين نحو NGC 3783، الإجابة — إنها عواصف رعدية حقيقية.

يتوسع الكون بتسارع — وكأنها عجينة تختمر بشكل أسرع فأسرع، رغم أن الخميرة نفدت منذ زمن. لعشرين عامًا، يبحث علماء الفلك عن السبب ويسمونه الطاقة المظلمة. لكن ما هي بالضبط، يبقى لغزًا. العمل الجديد يقترح مصدرًا غير متوقع: الفراغ داخل النواة الذرية.

قطرة الماء على الطاولة تعيش حياة مزدوجة. في الداخل، الجزيئات محاطة بجيرانها من كل الجهات، أما على السطح فهي محاطة من الأسفل والجوانب فقط، بينما الهواء من الأعلى. هذا الاختلاف يولّد توترًا سطحيًا يحافظ على شكل القطرة. في العالم الكمومي قصة مشابهة: الجسيمات عند حافة المادة غالبًا ما تشكّل حالات خاصة، تختلف عن تلك الموجودة في العمق.

الشاي في الكوب يبرد بهدوء على الطاولة. ولكن إذا مررت بجانبه بسرعة قريبة من سرعة الضوء، فسيظهر مقياس الحرارة قراءة أعلى — رغم أن أحدًا لم يسخن الشاي. الحسابات تؤكد: سيرتفع المؤشر. قبل مئة عام، انقسم الفيزيائيون إلى ثلاثة معسكرات. رأى البعض أن الجسم المتحرك يبرد، ورأى آخرون أنه يسخن، ورأى ثالثون أن درجة الحرارة لا تتغير إطلاقًا.

مليارات المحركات الصغيرة تطن داخل كل كائن حي. الخلايا بلا توقف تضخ المواد، وتحرق السكر، وتبني بروتينات جديدة — وكل هذه الحركة غير المرئية تدفئنا من الداخل. للحفاظ على النظام، يجب على الحياة أن تبدد الحرارة إلى البيئة المحيطة، مثل موقد لا ينطفئ أبدًا. قوة هذا التسخين الداخلي لا تعتمد تقريبًا على الحجم. البكتيريا، قناة أيونية في الغشاء، الإنسان — كل كيلوغرام من المادة الحية يطلق حوالي واط واحد.

في عام 1867، اقترح جيمس كليرك ماكسويل صورة لا تزال تثير الفيزيائيين حتى اليوم. حجرتان تحتويان غازًا تفصل بينهما بوابة. تتحرك الجزيئات بعشوائية: سريعة وبطيئة. بواب صغير يفتح البوابة فقط أمام الجزيئات السريعة، فيسمح لها بالمرور إلى جهة، والبطيئة إلى جهة أخرى. تصبح الحجرة الساخنة أكثر سخونة، والباردة أكثر برودة. عمل بدون تكلفة — آلة حركة أبدية.

قدر من الحساء تُرك على الموقد وبرد حتى وصل إلى درجة حرارة الغرفة. يبدو أن كل شيء قد سكن. لكن إذا نظرت إلى الداخل بعدسة مكبرة كمومية، ستجد أن جزيئات الماء لم تتجمد، بل تواصل رقصتها. فقط أصبحت هذه الرقصة منتظمة بدلاً من أن تكون عنيفة كما كانت عند الغليان.

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.

ملعقة ساخنة في كوب شاي — تنتقل الحرارة عبر المعدن من الطرف الساخن إلى البارد. في الكتب المدرسية، توصف هذه العملية على أنها اهتزاز الذرات التي تدفع بعضها البعض. لكن الذرات لا تهتز فحسب — بل تدور أيضًا، مثل قمم دوّارة صغيرة. حتى الآن، لم يكن لدى الفيزيائيين لغة موحدة لوصف الحركتين معًا. مؤلفو العمل بنوا هذه اللغة.

إذا وضعت رملًا في كوب، فسيستقر في طبقة متساوية. لكن بدلًا من الرمل، لنأخذ جسيمات غاز دقيقة: في مجال الجاذبية، لا تسقط فقط — بل كل حبة تتحرك في مسارها الخاص، وتتصادم مع جاراتها، وكل هذا الضجيج يولّد ضغطًا. أضف إلى ذلك تأثيرات النظرية النسبية — وستتغير الصورة المألوفة بشكل طفيف.

داخل قطعة معدنية، لا تبقى الإلكترونات ساكنة، بل تتحرك مثل الماء في النهر. لكن لا يمكن رؤية هذه الحركة مباشرة — فهي سريعة جدًا ودقيقة جدًا. ابتكر العلماء مسارًا غير مباشر: يأخذون «لقطات مجمدة» للسائل الإلكتروني عند درجات حرارة مختلفة، ثم من هذه اللقطات يعيدون بناء كيفية تحرك الإلكترونات بالضبط. في العمل الجديد، قارنوا طريقتين لإعادة البناء هذه.

المحرك الحراري العادي يشبه طاحونة بين ضفتي نهر: إحداهما حارة والأخرى باردة، وكلما زاد الفارق، زادت قوة التيار. هنا الفارق ضئيل، درجة أو درجتان فقط، لكن الماء ما زال قادرًا على إدارة العجلة. السر يكمن في جعل الماء يغلي ليس بالتسخين، بل بالانخفاض الحاد في الضغط — هكذا يندفع البخار حتى من سائل فاتر.

في الشتاء، تتغطى البحيرة بالجليد — وهذه العملية البسيطة تتحول إلى نموذج حي للكون المتوسع الكون. يزداد سمك الجليد وفقًا لنفس القانون الرياضي الذي يحكم المسافات بين المجرات البعيدة. السر يكمن في حركة الماء تحت القشرة الجليدية. عندما ترتفع الطبقات الدافئة وتنخفض الباردة، فإن هذه الدورة تنقل الحرارة إلى الجليد المتنامي.

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").

الماء في الكأس يهدأ إذا توقفت عن تحريكه. الزيت في المحرك يخمد الاهتزازات. يبدو أن اللزوجة دائمًا مرتبطة بالتخامد. لكن في بعض التدفقات يحدث العكس تمامًا: أضف الاحتكاك — وستبدأ الأمواج في النمو، وكأنها تنبثق من العدم. وجد الفيزيائيون تفسيرًا بسيطًا. هذه الأنظمة تمتلك مخزونًا خفيًا من الطاقة، محبوسًا بتناظر خاص — يُدعى تناظر PT.

الكون يتمدد، ويفعل ذلك بسرعة متزايدة. هذه التسارع مسؤولة عنه الطاقة المظلمة الغامضة. لفترة طويلة، اعتُبرت ثابتة، مثل ثابت في كتاب مدرسي. لكن البيانات الجديدة من جهاز DESI، الذي يلتقط أطياف ملايين المجرات، توحي بأن الطاقة المظلمة ربما كانت أقوى أو أضعف في عصور مختلفة.

المترجم الفوري ينشغل بكل حفيف في القاعة — فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هذا تقريبًا ما تفعله الجزيئات المفردة المحصورة بين تماسين معدنيين: فهي تغيّر شكلها وطريقة جلوسها باستمرار، وهذا يؤثر على طريقة مرور التيار والحرارة عبرها. في الدراسة الجديدة، أخذ العلماء جزيئًا مكوّنًا من عدة حلقات بنزين مترابطة مثل عربات القطار، ووضعوه بين قطبين من الذهب.

الماء في الكوب يبرد، والجليد يذوب، والغلاية تسخن الموقد — هكذا يعمل العالم: الحرارة تنتقل دائمًا من الساخن إلى البارد. هذا هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وهو قانون لم يُنتهك قط. لكن العالم الكمومي يعرف كيف يفاجئنا: الآن، جعل الفيزيائيون الحرارة تتدفق في الاتجاه المعاكس، دون المساس بالقانون نفسه، بل باستخدام خصائص دقيقة للجسيمات.

الماء دائمًا يتدفق إلى الأسفل، والحرارة من الساخن إلى البارد. هكذا تأمر الإنتروبيا. لكن العالم الكمومي يجد ثغرات. جعل الفيزيائيون جسيمات الضوء تتفاعل مع وسط ساخن وآخر بارد بتسلسل غير محدد — مثل قطعة نقد ملقاة لم تستقر بعد.