لف مغزلي نووي

المجال المغناطيسي للأرض ليس ثابتًا؛ فهو يرتجف بسبب الرياح الشمسية، والعواصف الرعدية البعيدة، وعمل مترو الأنفاق. لملاحظة هذه الارتجافات، نحتاج إلى جهاز لا يرتجف هو نفسه. لقد صنع الفيزيائيون مثل هذا الجهاز من ذرات الإيتربيوم المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق. في الغاز العادي، تتحرك الذرات بشكل عشوائي، وتضيع إشارتها خلال أجزاء من الألف من الثانية.

نجمان يدوران حول بعضهما البعض، ويقتربان تدريجيًا. رقصتهما تفقد طاقة، وهذه الطاقة تذهب إلى الفضاء — على شكل موجات جاذبية، وأحيانًا مجالات أخرى. تساءلت مجموعة من الفيزيائيين بقيادة ستيفن هوكينج (رغم أنه ليس مؤلف هذا العمل، إلا أن اسمه مألوف للكثيرين): ما مقدار الدوران الذي يحمله كل جسيم من هذا الإشعاع بالضبط؟ اتضح أن الحساب دقيق للغاية.

العربة الدوّارة لا تدور بك في دائرة فحسب — بل مع كل دورة تغوص قليلاً في الأرض. هذه الحركة الشبيهة بالبرغي هي جوهر شحنة NUT — خاصية خاصة للزمكان يدرسها الفيزيائيون منذ منتصف القرن الماضي. في العمل الجديد، عاد الباحثون إلى الحلول القديمة لمعادلات أينشتاين التي تصف الفضاء المنحني حول الأجسام الدوارة ذات هذه الخصائص «اللولبية».

في يونيو 2024، سجل التلسكوب الراديوي CHIME من المصدر FRB 20240114A أكثر من 700 تدفق راديوي في الساعة. مثل هذا المكرر فائق النشاط يفرغ في ساعة واحدة تقريبًا كل الطاقة المغناطيسية لـ النجم المغناطيسي العادي (نجم نيوتروني ذو مجال فائق القوة).

في عالمٍ قُيّد في شبكة بلورية وبُرِّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعرف المادة كيف تخفي أسرارها الكبرى. السائل الكمومي المغزلي هو حالة لا تتجمد فيها اللفات المغزلية للإلكترونات أبداً حتى عند درجة حرارة الصفر، وتبقى في تراكب متلألئ أبدي.

في عام 1905، أظهر أينشتاين أن الحركة العشوائية لحبوب اللقاح في الماء هي نتيجة اصطدام جزيئات غير مرئية. وبعد قرن من الزمان، تعلم الفيزيائيون ليس فقط مراقبة الحركة، بل والتحكم بها على المستوى الكمومي.

محاولة عدّ الناس في غرفة مظلمة من خلال صوت تنفسهم تصطدم بالضجيج العام — لا تُسمع الأنفاس الفردية. مهمة مماثلة تواجه العلماء الذين يعملون مع اللفات الكمومية في المواد الصلبة. كل لفة (العزم المغناطيسي للإلكترون) لها «صوتها» الخاص، لكن الضجيج التقني للأجهزة يطغى عليها.

نادرًا ما تكون النواة الذرّية كرة مثالية. غالبًا ما تشبه كرةً مُنبعجة قليلًا — فالشحنة الكهربائية داخل النواة موزّعة بشكل غير متساوٍ، وقد تنزاح البروتونات قليلًا مكوّنة انتفاخًا صغيرًا «على شكل كمّثرى». وهذا هو عزم شيف — بصمةٌ مراوغةٌ لقوى تتجاوز حدود النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.

حجران صغيران يسقطان في الماء، فتتقاطع التموجات على السطح وتختلط أنماطها. هذا تقريبًا ما تفعله النيوترينوات — جسيمات خفيفة تخترقنا بالمليارات كل ثانية. إنها قادرة على التحول من نوع إلى آخر، كممثل يبدّل الأقنعة. يسمي الفيزيائيون هذه الرقصة بالتذبذبات.

يدور نجمان النجوم النيوترونية في رقصة أخيرة. إذا تطابق دورانهما مع الحركة المدارية، يندمج الشريكان بدقة، قاذفين شعاعًا ضيقًا من المادة الحارة. أما إذا دارا باتجاهين متعاكسين، تنهار الرقصة، ناثرةً سحابة كثيفة من الحطام.

يمكن لنواة ذرية ثقيلة من الكاليفورنيوم-252 أن تتفكك تلقائيًا إلى شظيتين كبيرتين — يشبه ذلك انفجار قطرة ماء. لكن داخل هذه القطرة تعمل قوانين الكم، وتحصل كل شظية على دوران خاص بها — النجم النيوتروني. لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن أعناق الشظايا ليست عشوائية، بل مترابطة، مثل شريكين في رقصة يجب أن يتحركا بتناغم.

في بلورة نيتريد البورون، الشبكة الذرية المثالية تتعطل في بعض الأماكن: في موضعٍ ما ينقص ذرة، وفي موضعٍ آخر يحل محله ذرة غريبة. تحت المجهر القوي، تظهر هذه العيوب الصغيرة كمصائد للإلكترونات — فهي تلتقط الجسيمات وتبدأ في التوهج، كما تستجيب للمجال المغناطيسي.

في أوركسترا الذرات، لكل آلة مقطوعتها الخاصة. لكن في بعض الأحيان، يبدأ عازفان في العزف بتناغم — فيتضاعف الصوت عدة مرات. في العالم الكمومي، يُسمى هذا "التناغم" رنين فشباخ (Feshbach resonance). وهو يسمح بالتحكم في التفاعلات الذرية بدقة متناهية. رنين فشباخ ليس تطابقًا في النغمات، بل تطابقًا في الطاقات.

قمة دوّارة تدور بسرعة تكاد تمزقها إربًا. أضف إليها مغناطيسًا فائق القوة — لو وُضع مكان القمر لمسح بيانات جميع البطاقات الائتمانية على الأرض. هذا هو المغناطيس النجمي: بقايا فائقة الكثافة لنجم منفجر، كتلة من المادة حيث تزن ملعقة صغيرة مثل جبل.

المغناطيسات الصغيرة داخل الذرات — اللفائف النووية — يمكن أن "تتجمد" في بلورة باردة لدقائق طويلة. هذا يعيق الضبط السريع لأجهزة الاستشعار الكمومية: فكل شيء يصل إلى الحالة المطلوبة ببطء شديد. وجد الفيزيائيون طريقة لدفعها بالضوء.

يجري النهر نحو الدوامة، لكن في طريقه سدٌّ به فتحة. معظم الماء يتجمع أمام السد، لكن جزءًا منه، بعد أن يرتفع، يعبر فوقه ويسقط مباشرة في القمع. هكذا هو الحال مع الغاز في المجرة: إنه يتدفق نحو المركز، لكنه يصطدم بحلقة من النجوم والغاز — إنها مثل السد. عادةً ما يتوقف كل شيء هناك، ملتفًا في دوامة كثيفة.

النجم النيوتروني هو كتلة دوارة بكتلة الشمس مضغوطة إلى حجم مدينة. يولد في لهيب مستعر أعظم وعادةً ما يتباطأ دورانه فقط. لكن أحيانًا، وبدون سبب واضح، يتسارع فجأة - وتسمى هذه القفزة 'غليتش'. تصبح العديد من النجوم النيوترونية نباضات: فهي تصدر نبضات راديوية منتظمة، مثل منارات كونية.

النواة الذرية ليست مجرد كرة من البروتونات والنيوترونات. ففي داخلها، كما في مغناطيس صغير، توزيع خاص للمغناطيسية. حتى وقت قريب كان من الصعب رؤيته: فالنوى تعيش أجزاء من الثانية، ومجالها المغناطيسي ضعيف. الآن وجد فيزيائيون من سيرن طريقة للنظر إلى الداخل. أخذوا نظير البوتاسيوم-47 قصير العمر ووضعوه في مجال مغناطيسي قوي.

يعمل طرف المغناطيس مثل جسر الغيتار: الوتر المضغوط عند الطرف تمامًا يصدر صوتًا مختلفًا، بمجموعة أغنى من النغمات التوافقية. وهكذا تقريبًا تتصرف الموجات المغناطيسية في شريط رفيع من النيكل والحديد. قاس الفيزيائيون كيف تولد موجات المغنطة التي تجري على طول هذا الشريط موجات بتردد مضاعف وثلاثة أضعاف.

نواة الذرة ليست كرة جامدة، بل مجموعة فوارة من البروتونات والنيوترونات. إنها تدور وتتصادم وتترتب في أنماط يراها الفيزيائيون كـ«أشرطة» — سلالم من مستويات الطاقة. في نوى النيوبيوم والتكنيشيوم وُجدت أربعة من هذه السلالم، لكن الأخير كان مصراً على عدم الاندراج في الحسابات. الأشرطة الثلاثة السفلية مفهومة منذ زمن طويل: الشريط الأساسي، والشريطان الجانبيان الأول والثاني — مثل ثلاثة طوابق في مبنى.

قطعة الوقود النووي داخل المفاعل ليست مجرد جسم صلب. عند التسخين، تبدأ ذرات اليورانيوم في "تحريك" عزومها المغناطيسية، وهذه الحركة تغير التوصيل الحراري وخصائص أخرى. في السابق، كان من شبه المستحيل حساب هذا السلوك بدقة: الحسابات الكمومية تتطلب موارد لا يمكن تصورها، والنماذج العادية لا تأخذ في الاعتبار الارتباط بين المغناطيسية واهتزازات الشبكة البلورية.

ألقى العلماء نظرة على مغناطيس ثنائي الأبعاد مكون من ذرات النيكل المرتبة في مثلثات، باستخدام طريقة ابتكرها إيزيدور إسحق رابي — الرنين المغناطيسي النووي (يشبه التصوير بالرنين المغناطيسي). في الداخل، اكتُشفت أسهم مغناطيسية تجمدت في مجال قوي على نمط 'أعلى-أعلى-أسفل'، مثل تشكيل الجنود: خطوتان إلى الأمام وخطوة إلى الوراء.

المغناطيس على الثلاجة يلتصق بها لأن الإبر الذرية الصغيرة بداخله تصطف في اتجاه واحد. لكن ميكانيكا الكم تجعل هذه الإبر تهتز، فيصبح المغناطيس الكلي أقل من المثالي. في العمل الجديد، اقترح الفيزيائيون قياس هذا الاهتزاز من خلال كيفية انعكاس النيوترونات - وهي جسيمات غير مشحونة من نواة الذرة - عن العينة. في التجربة، يتم توجيه شعاع من النيوترونات نحو مادة مغناطيسية.

الجرس لا يطنّ بنغمة واحدة — بعد الضربة، تصدر عنه عدة نغمات توافقية في آن واحد. وبالمثل تقريبًا تهتز النواة الذرية: بعد التصادم، يمكن أن تتذبذب، وهذه التذبذبات تُرى من خلال أشعة غاما المنبعثة. لكن في نواة النيوبيوم-104، التي تحتوي على 41 بروتونًا و63 نيوترونًا، وُجدت نغمات توافقية أكثر مما كان متوقعًا.

بوصلة مغناطيسية في أنبوب اختبار — يبدو وكأنه خدعة سحرية، لكنه فيزياء خالصة. في محلول الفومارات (ملح حمض الماليك)، تتصرف نوى الكربون-13 وكأنها قمم دوارة صغيرة. عندما ينخفض المجال المغناطيسي الخارجي إلى 400 نانو تسلا — أي أضعف بمئة ألف مرة من مجال الأرض — يكاد مستويا الطاقة لهذه القمم يندمجان.

داخل الخلية الحية، يدور دوّار كربوني دقيق - جزيء بحجم أجزاء من المليار من المتر. الدوّار العادي يسقط بسرعة، لكن هذا يتصرف بشكل مختلف: فهو قادر على الدوران في كلا الاتجاهين في آنٍ واحد، مثل عملة كمومية متجمدة في حالة سقوط أبدي. هذا التراكب في الحركات هو مفتاح انتقائيته الغريبة.

حشد من واحد وثلاثين مستشعرًا كموميًا يهمس في صفيحة ألماس. في السابق، كان هذا الهمس يغرق في ضجيج الأضواء الكاشفة: الارتفاعات العشوائية للفوتونات التي كانت تُستخدم لقراءة حالة السبينات كانت تطغى على الضجيج الكمومي الذاتي للمجموعة. الآن، تعلم الفيزيائيون كيفية إطفاء الأضواء الكاشفة والاستماع إلى الحشد نفسه.

قبل مئة عام، منحت ميكانيكا الكم العالم صورة متناسقة: دوران جسيم حول نقطة لا يمكن أن يتم إلا بكميات محددة من الزخم الزاوي، وهي أعداد صحيحة مضروبة في ثابت بلانك. بدت هذه القاعدة ثابتة مثل قانون الجاذبية، وكانت تُشتق من اعتبارات جبرية بسيطة.

في عمق الألماس توجد عيوب صغيرة جدًا — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. هذه العيوب، مثل المنارات، يمكنها تخزين ونقل المعلومات الكمومية. لكن حولها تعصف عاصفة مغناطيسية: نوى الذرات في البلورة تهتز، مما يسبب تداخلًا. تغرق الإشارة في الضجيج. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لاختراق هذه الفوضى.