مغناطيس دائم

النحات ينظر إلى كتلة الرخام ويرى فيها شكلًا يجب تحريره من الزوائد. بدلًا من إضافة الطين، يزيل كل ما لا يخص الشكل. على هذا المنوال سار مؤلفو العمل الجديد حول الرنين المغناطيسي: لم يعقدوا نموذج النسيج بإضافة تفاصيل جديدة، بل على العكس، أزالوا الزوائد لكشف الجوهر. داخل مكعب نسيج بحجم مليمتر، يفحصه جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، تعيش مليارات المغناطيسات الذرية.

في غشاء رقيق من الكوبالت والحديد، مُرسَب على ركيزة من السيليكون، تتشكل دوامة مغناطيسية صغيرة جدًا — بنية شبيهة بالسكيرميون تُسمى القطرة المغناطيسية. لا تتبدد هذه الدوامة، بل تبقى محتجزة في مكانها، مثل قطرة زيت على مقلاة ساخنة، حيث يلعب التيار الكهربائي دور الحرارة، والذي يمر عبر برزخ ضيق عرضه حوالي مئة ذرة.

داخل مغناطيس جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، يتدفق التيار في حلقة فائقة التوصيل مغلقة — مثل الماء الذي يدور في دائرة داخل دلو، بعد أن يُلف ليستمر في الجريان من تلقاء نفسه.

السكيرميون هو دوامة مغناطيسية تشبه دوامة مائية مصغرة في البحر، حيث تلتف مغناطيسية المادة بدلًا من الماء. تُعتبر هذه البنى خلايا ذاكرة واعدة في حواسيب المستقبل، ولكن لتسجيل المعلومات وقراءتها يجب أن نتمكن من تحريك كل دوامة على حدة. حتى الآن، تعمل الطرق الحالية بشكل خشن، حيث تزيح العديد من السكيرميونات دفعة واحدة.

عمال الكهرباء الذين يتعاملون مع الجهد العالي يشبهون الغواصين: يحتاجون إلى رؤية ما يحدث في الأعماق دون النزول بأنفسهم. لهذا يحتاجون إلى مستشعر يبقى بعيدًا عن التيار الخطير وينقل المعلومات إلى السطح. عادةً ما يُستخدم الضوء لهذا الغرض: يمر شعاع عبر بلورة شفافة، ويقوم المجال الكهربائي بتدوير مستوى استقطابه قليلاً—وهذا ما يُعرف بتأثير بوكلز (Pockels effect). لكن لهذه الطريقة نقطة ضعف: فهي حساسة للمجالات الخارجية والضوضاء.

منارة تومض ليس كل ثانية، بل كل بضع دقائق أو حتى ساعات. هكذا تتصرف المتغيرات الراديوية طويلة الدورة — وهي مصادر كونية اكتُشفت مؤخرًا فقط. إشاراتها أبطأ من أن تصدر عن النجوم النابضة المعتادة (وهي نجوم نيوترونية سريعة الدوران)، لكنها أقوى من أن تُعزى إلى تداخل عشوائي.

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية. هو في حد ذاته لا يجذب كل شيء بقوة أكبر من نجم عادي بنفس الكتلة. لكن إذا كان بجانبه مجال مغناطيسي وحوله جسيمات مشحونة، تبدأ لعبة مثيرة. تخيّل دوّارة (كاروسيل) عليها مغناطيسات: أنت جالس على حصان، والأرضية تحتي مليئة بكرات حديدية. ما دامت الدوّارة تدور ببطء، تتدحرج الكرات في مسار دائري تقريبًا كالمعتاد.

المرآة المغناطيسية هي أنبوب مفتوح من كلا الطرفين، حيث يُرتَّب المجال المغناطيسي بحيث يحبس البلازما الساخنة — وهي غاز مؤين يتكون من جسيمات مشحونة. عند الطرفين، يتكاثف المجال مشكلًا «سدادات»: الجسيمات المتجهة نحو المخرج تنعكس عن هذه المناطق وتعود أدراجها.

ملف تسلا يطلق شرارات، ويبدأ شعاع الضوء بالدوران حوله. المادة التي يمر عبرها لا تزال مستقرة — لكن المجال يزداد، ويزداد الدوران. هذه ليست خدعة، بل سلوك مواد خاصة: فهي تربط الكهرباء والمغناطيسية. لهذا الارتباط حد أساسي — حد تيليجين. إذا تم تجاوزه، تفقد المادة استقرارها الكهرومغناطيسي. كان يُعتقد سابقًا أن هذا الحد محدد بشكل صارم بخصائص المادة نفسها.

بالون قابل للنفخ مرسوم عليه خطوط مغناطيسية بقلم فلوماستر — هذا نموذج بسيط لسلوك المجال المغناطيسي الضعيف في كون يتمدد. ما دام البالون صغيرًا، تظل الخطوط مطيعة على المطاط ولا تعيق تمدده. هكذا تقريبًا يملأ المجال الفضاء الجاهز دون أن يعترض على هندسته. لكن لو أن القلم نفسه بدأ ينفخ المطاط، لاختلف المشهد تمامًا.

يستمر وتر الغيتار في الاهتزاز حتى بعد أن يتركه العازف، وهذا الاهتزاز يغيّر الصوت الذي يسمعه المستمع. بطريقة مشابهة، تتصرف العزوم المغناطيسية في البلورة: فهي تصطف في نظام مغناطيسي مضاد صارم (حيث تنظر الجارات في اتجاهات مختلفة)، لكنها لا تتجمد تمامًا أبدًا. تُسمى تذبذباتها الجماعية ماغنونات، وهي قادرة على التأثير في الإلكترونات التي تتدفق عبر المادة.

في السحب الهائلة من الغاز المخلخل التي تملأ الفضاء بين النجوم، يغلي شيء ما باستمرار. انفجارات المستعرات العظمى، والتيارات المتصادمة — كل ذلك يهزّ البلازما. وفي هذه التموّجات، كما تبيّن، يختبئ آلية توليد الحقول المغناطيسية.

الفضاء مليء بالمجالات المغناطيسية. توجد في المجرات والنجوم وحتى في الفراغات الكونية الشاسعة (فجوات هائلة بين تجمعات المجرات). يُعتقد عادةً أن هذه المجالات تتقوى من مجالات «بذورية» ضعيفة بفضل الاضطراب (turbulence) — تمامًا مثل مولد كهربائي. لكن طبيعة المجالات البذورية نفسها ظلت لغزًا. يقدم العمل الجديد آلية غير متوقعة.

يعمل المترجم في قاعة صاخبة. همهمة الأصوات، وقع الأكواب، ومقتطفات من محادثات الآخرين — يبدو أنه لا بد أن يخطئ باستمرار. لكن بنهاية اليوم، تتطابق ملاحظاته تمامًا مع تلك التي كان سيدوّنها في هدوء مكتبه. هذا تقريبًا سلوك القاعدة الكمومية التي يسميها الفيزيائيون "الشذوذ المحوري" (axial anomaly). فهي تنص على أن تيارًا معينًا من الشحنة قد يختفي حتى حيث تعد الفيزياء الكلاسيكية بحفظه.

مغناطيسان على طاولة إما يتجاذبان أو يتنافران - اعتمادًا على اتجاه قطبيهما. داخل كل قطعة تختبئ مناطق صغيرة جدًا تتجه فيها جميع الأسهم المغناطيسية في اتجاه واحد. تسمى هذه المناطق بالمجالات المغناطيسية (magnetic domains)، ويعتمد سلوك المادة في الدائرة الكهربائية على ترتيبها. في المغناطيسية البديلة (altermagnets) - وهي فئة جديدة من المواد - تكون المجالات أكثر تعقيدًا.

النجم النيوتروني هو كرة بحجم مدينة، لكن كتلته تعادل كتلة الشمس بأكملها. يمكن لمجاله المغناطيسي أن يمزق الذرات على مسافة آلاف الكيلومترات.

المغناطيس العادي يحمل دائمًا قطبين: شمالي وجنوبي. اكسرها إلى نصفين، وسيكتسب كل جزء زوجًا خاصًا به فورًا. لكن في أعماق نظرية الجسيمات تعيش صورة غريبة: أحادي القطب — جسيم يحمل شحنة مغناطيسية واحدة فقط، قطبًا وحيدًا بلا رفيق.

حبل مطاطي سميك يُلف ويلف حتى يصل إلى نقطة الانهيار. عندها لا يتحمل، فيتمزق ويضرب في كل اتجاه، محررًا الطاقة المختزنة. هذا ما تفعله المجالات المغناطيسية داخل النجوم النيوترونية — البقايا فائقة الكثافة للنجوم المنفجرة. عندما تتمزق خطوط المجال وتعيد الاتصال فورًا (وهذه العملية تسمى إعادة الاتصال المغناطيسي)، تندفع الطاقة إلى الخارج. ولكن ليس فقط على شكل حرارة أو ضوء.

المشط الذي يُمشط به الشعر يجذب قصاصات الورق. هذه الحيلة الفيزيائية البسيطة قرر العلماء تطبيقها على المستوى المجهري — للتحكم في الدوامات المغناطيسية التي تُسمى السكيرميونات. يشبه السكيرميون إعصارًا صغيرًا في بحر من المغنطة: في مركزه تشير إبر البوصلة إلى الأعلى، وعند الأطراف تلتف إلى الأسفل. هكذا تتشكل عقدة مستقرة لا تنحل من تلقاء نفسها.

سحابة غازية ضخمة ومظلمة تنتشر في الكون الفتي. داخلها، تخترق خطوط القوى المغناطيسية، كأصابع غير مرئية، بقيت من لحظة ولادة العالم. تؤثر هذه الحقول على الجسيمات المشحونة، وتدفعها نحو بعضها البعض — مثل نسمة هواء خفيفة تجمع أوراق الشجر المتساقطة في أكوام. ونتيجة لذلك، ينضغط الغاز بسرعة أكبر إلى كتل، تنمو منها لاحقاً المجرات.

عازف الطبول يضرب الإيقاع، وجلد الطبل يهتز على وقع الضربات. إذا ضربت بسرعة كافية، تتراكب الاهتزازات وتظهر في المركز منطقة شبه ثابتة — عقدة. تأثير مشابه يحدث مع الموجات الدقيقة في مادة تتغير خصائصها مع الزمن. عندما تدخل التغيرات في رنين مع الموجة، يتجمد حركتها. يظهر فجوة — نطاق كامل من الزخم لا يمكن للموجة أن تنتشر فيه لا إلى الأمام ولا إلى الخلف.

المغناطيس العادي على باب الثلاجة يجذب الحديد لأن جميع الإبر المغناطيسية الصغيرة داخله تصطف في اتجاه واحد. لكن توجد مواد تصطف فيها الإبر بشكل أكثر تعقيدًا: الصفوف المتجاورة تشير في اتجاهين متعاكسين، ومن الخارج يبدو وكأن المغناطيسية غائبة. وقد أُطلق على هذه المواد اسم المغناطيسات البديلة (alternmagnets).

في نقطة مغناطيسية متناهية الصغر، أصغر من ميكرون، تعيش دوامة — المغنطة ملتفة مثل الماء في قمع. في مركز هذا القمع يوجد قلب يدور في مدار صغير، كأنه قمة دوّارة دُفعت. إذا وجّهت إشارة ميكروويف إلى هذه النقطة، تستجيب الدوامة بتذبذب على تردد واحد — مثل وتر يُنقر بقوس. لكن إذا أزحت قلب الدوامة عن مكانه المعتاد بمجال مغناطيسي، يتغير السلوك.

المغناطيس على باب الثلاجة يلتصق بفضل عدد كبير من الذرات المصطفة في اتجاه واحد. ماذا لو أخذنا ذرة واحدة فقط وطلبنا منها أن تتذكر أين كانت ممغنطة؟ هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون: وضعوا ذرة ديسبروسيوم على غشاء رقيق من ملح الطعام العادي واختبروا كم من الوقت تحتفظ الذرة بحالتها المغناطيسية. أظهرت الذرة عناداً ملحوظاً.

في معظم المواد المغناطيسية، يتحرك جدار المجال المغناطيسي — وهو الحد الفاصل بين المناطق ذات المغنطة المختلفة — تحت تأثير التيار في اتجاه واحد يحدده اتجاه التيار. لكن في المغناطيسية الحديدية المضادة بالقرب من نقطة خاصة حيث يعوض الزخم الزاوي للشبكتين الفرعيتين بعضهما البعض، يتغير السلوك.

ليزر قوي يضرب هدفًا صغيرًا جدًا، فيتحول فورًا إلى سحابة من الغاز شديد الحرارة، وهي البلازما. داخل هذه السحابة تتولد مجالات مغناطيسية تلقائيًا. إنها، مثل أيادٍ غير مرئية، تمنع الحرارة من الهروب بحرية من المركز الساخن. ولهذا السبب تُعتبر هذه المجالات مهمة للاندماج النووي الحراري — العملية التي تغذي الشمس والتي يحاول البشر ترويضها على الأرض.

داخل المغناطيس توجد مناطق تتجه فيها جميع المغناطيسات الذرية في اتجاه واحد. بين هذه المناطق توجد منطقة انتقالية ضيقة حيث يتغير اتجاه المغنطة تدريجيًا. تسمى هذه المنطقة بالجدار المغناطيسي (domain wall). في السابق، كان يُعتقد أنها عديمة الوزن: بمجرد دفعها تتوقف فورًا. لكن التجارب الجديدة أظهرت أن للجدار قصورًا ذاتيًا. لا يمكنه التسارع أو التباطؤ لحظيًا. القصور الذاتي يجعل الجدار يشبه كرة ثقيلة.

المادة فائقة التوصيل العادية تطرد المجال المغناطيسي، لكن هذه الحلقة، على العكس، تولّد مجالًا مغناطيسيًا بداخلها. الحلقة مصنوعة من مادة Fe(Te,Se) — مركب من الحديد والتيلوريوم والسيلينيوم، يفقد مقاومته الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة جدًا.

الإلكترون ليس مجرد كرة صغيرة، بل يدور أيضًا حول محوره مثل القمة الدوّارة. في الظروف العادية، تكون هذه القمم موجهة في اتجاهات مختلفة وتضطرب بسرعة. لكن في بعض المواد، حيث يرتبط اللف المغزلي بحركة الإلكترون، ينشأ نظام مذهل: جميع القمم تشير في اتجاه واحد، واتجاهها لا يعتمد على السرعة. سُميت هذه الحالة بالنسيج المغزلي الثابت (PST).

يشبه المجال المغناطيسي ظل الجسم: فهو يتغير مع شكل المصدر. لكن إذا وضعتَ عدسة في مسار الضوء، يمكنك تغيير الظل. وهكذا هنا: ابتكر المؤلفون «عدسة» للمجال المغناطيسي — مجموعة من المواد العادية ذات نفاذية مغناطيسية مختلفة (القدرة على تمرير المجال).

شريط مطاطي عادي محشو ببرادة حديد دقيقة لا ينحني فقط في مجال مغناطيسي — بل يعقد نفسه في عقدة مستقرة. هذا التأثير تنبأ به وأعاد إنتاجه في تجربة فيزيائيون عملوا مع مطاط مغناطيسي نشط (magnetoactive elastomer): قاعدة سيليكونية تحتوي على جزيئات كربونيل الحديد.

التشابك الكمومي — وهي ظاهرة تصبح فيها حالات جسيمين أو أكثر مترابطة — يشبه طوقًا يربط هذه الجسيمات. لكن طول هذا الطوق محدود بشدة. في سلسلة من الجسيمات المتفاعلة، تلعب التقلبات الحرارية دور كلب نفور يشد الطوق: كلما ارتفعت درجة الحرارة، قصرت المسافة التي يظل عندها التشابك قائمًا.

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.

البلازما في مفاعل الاندماج النووي تشبه سربًا من اليراعات يجب حبسه في وعاء غير مرئي. كان يُعتقد سابقًا أن جدران الوعاء يجب أن تكون ناعمة تمامًا، وإلا ستجد اليراعات شقًا وتطير بعيدًا. العمل الجديد يُظهر أن الوعاء يمكن أن يُلصق من قطع ذات دروز ملحوظة، ومع ذلك يبقى السرب في الداخل.

يمكن تخيل المغناطيس العادي كصف من الجنود، حيث ينظر الجميع في اتجاه واحد. أما المادة المضادة للمغناطيسية الحديدية فتُرتَّب بشكل مختلف: الجنديان المتجاوران ينظران في اتجاهين متعاكسين، لكن الصف يظل منظمًا ككل. قلب هذا الصف صعب — فهو لا يستجيب للمجالات الخارجية الضعيفة.

المعدن مليء بالإلكترونات الحرة — تندفع بين الذرات كسرب نحل حول الخلية. إذا اخترقت هذا المعدن بخيط مغناطيسي رفيع، تبدأ الإلكترونات في الإحساس بمجاله. أظهر حساب جديد: أنها لا تلتف حول المجال فحسب، بل تحبسه في الداخل، كما تحبس السدادة الماء في الزجاجة. وتحبسه بدقة بكميات محددة — إما لا شيء إطلاقًا، أو نصف الكمية القياسية للمجال المغناطيسي بالضبط.

المادة المظلمة غير مرئية، لكنها وفقًا للحسابات هي التي تربط المجرات ببعضها. التقاط جسيماتها يشبه سماع همس في غرفة صاخبة. نحتاج إلى مادة تستجيب لأدنى دفعة بصوت عالٍ وواضح. قد تكون المغناطيسات الجزيئية هي هذه المادة — مواد يعمل فيها كل جزيء كمغناطيس مستقل. على عكس المغناطيس العادي، تعتمد خصائصها المغناطيسية على الجزيئات الفردية، ويمكن ضبطها كيميائيًا.

بدون الهيكل الخفي المصنوع من المادة المظلمة، لكانت المجرات قد تفككت بفعل قوى الطرد المركزي. ففي سبعينيات القرن الماضي، أثبت عالم الفلك فيرا روبين من خلال قياس سرعات دوران النجوم في المجرات أنها تتحرك وكأن كتلة هائلة غير مرئية، موزعة بعيدًا خارج القرص المرئي، تمسك بها. لكن دراسة جديدة تُظهر أن المادة المظلمة ليست مجرد ثقل جاذبي سلبي.

تعمل الجاذبية كمصور غير مرئي. عندما تسقط قطعة معدنية، يتولد داخلها، وفقاً لـ ألبرت أينشتاين والكهرومغناطيسية لدى جيمس كلارك ماكسويل، حقل كهربائي - هكذا يتشابك انحناء الزمكان مع الكهرومغناطيسية.

كان الكون بعد الانفجار العظيم متجانسًا تقريبًا بشكل مثالي. "تقريبًا" لأن الاضطرابات الصغيرة في الكثافة، التي مدّدها التضخم الكوني، أصبحت بذورًا للمجرات. ولكن ماذا لو كانت هذه الاضطرابات نفسها قادرة على توليد ليس فقط النجوم، بل أيضًا الثقوب السوداء؟ ليس الثقوب العادية، بل البدائية، وهي أجسام نشأت في اللحظات الأولى عندما كان الكون حارًا وكثيفًا.