غاز كمومي

إذا دفعت الماء في قناة ضيقة بسرعة كبيرة، تنشأ موجة شديدة الانحدار تتحطم رغوةً. أما في عالم الذرات فائقة البرودة، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، فالقوانين الكمومية تمنع تلك الموجة من الانهيار.

في سحابة ذرات فائقة البرودة، مبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تنشأ مناطق ذات اتجاهات مختلفة للمغزل المغزلي — العزم الزاوي الذاتي للجسيمات، الذي يمكن تصوره كمغناطيسات صغيرة. تشبه هذه المناطق مناطق ذات مغنطة مختلفة، وتسمى الحدود بينها بالجدران المجالية.

الثقب الأسود ليس مجرد مكنسة كهربائية كونية. إذا كان يدور، فإنه قادر على تضخيم الموجات من حوله، مثلما يردد صدى الجبل الصوت. بالنسبة للمادة المظلمة فائقة الخفة (جسيمات أخف بمليارات المرات من الإلكترون)، فإن هذا التأثير، المسمى بالتضخيم الفائق، يمكن أن يخلق سحابة هائلة. افترض الفيزيائيون أن مثل هذه السحابة تشبه غازاً مخلخلاً تتحرك فيه جميع الجسيمات بتناغم، وكأنهم راقصون يخضعون لإيقاع واحد.

البلازما ليست مجرد غاز ساخن، بل هي أوركسترا كاملة من الجسيمات المشحونة، حيث تعزف كل مجموعة دورها الخاص. الأيونات الثقيلة (ذرات فقدت إلكتروناتها) تحدد الإيقاع البطيء، بينما الإلكترونات الخفيفة تندفع أسرع بعشرة آلاف مرة. عندما يظهر عدم تجانس في مثل هذا النظام - شيء يشبه تلًا لطيفًا في كثافة الأيونات - قد تتصرف الموجات المألوفة بشكل غير متوقع.

في مركز العديد من المجرات يختبئ سحاب غير مرئي — هالة من المادة المظلمة. إذا كانت هذه المادة باردة وخفيفة بما يكفي، فإنها تتصرف مثل سائل فائق السيولة: يتدفق دون احتكاك، وأي دوران فيه يلتف إلى دوامات كمية صغيرة — خيوط بحجم نواة الذرة. في هالة عرضها آلاف السنين الضوئية، قد يكون هناك عدد لا يحصى من هذه الدوامات.

عند درجات حرارة لا تتجاوز أجزاء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق، يولد مكثف بوز-أينشتاين — حالة تسير فيها آلاف الذرات بتناغم كمومي واحد. أضف إلى ذلك ذرات ثنائية القطب، التي يحاول كل منها جذب الغطاء نحوه من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي ثنائي القطب-ثنائي القطب، فيهدد التناغمُ بالتحول إلى نشازٍ فوضوي يقود إلى الانهيار.

ذرة بوتاسيوم وحيدة تدخل سحابة كثيفة من ذرات الصوديوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تسمى هذه البيئة مكثف بوز-أينشتاين — إذ تندمج كل الجسيمات فيه في موجة كمية واحدة. كان يمكن توقع أن تلتقط الشائبة جارًا واحدًا فقط وتشكل زوجًا. لكن التجربة أظهرت شيئًا آخر. باستخدام موجات الراديو، استشعر الفيزيائيون مستويات الطاقة في النظام.

في العالم الكمومي، يمكن للجسيمات أن تندمج في سائل واحد يتدفّق دون احتكاك. واحدة من أكثر أشكاله غموضًا هي سائل هول الكمومي الكسري (fractional quantum Hall liquid). فيه تتحرّك الإلكترونات أو الذرّات كدوّامة واحدة، وينقسم شحنه إلى أجزاء، مثل فطيرة مقطّعة إلى قطع متساوية تمامًا. لكن تحضير مثل هذا السائل في المختبر يشبه محاولة تركيب أحجية صورة حيث تخاف كل قطعة من اللمس.

في مركز العديد من المجرات تختبئ هالة غير مرئية من المادة المظلمة، وهي التي تُبقي النجوم في الأطراف وتمنعها من التطاير. لفترة طويلة، وُصفت هذه الهالة بأنها غاز جسيمات مخلخل، لكن عملًا جديدًا يقدم نظرة مختلفة: قد تتجمع المادة المظلمة في قطرة كمومية. تتشكل هذه القطرة من مكثف بوز-أينشتاين فائق السيولة، وهي حالة تندمج فيها جسيمات عديدة في كائن كمومي واحد.

قدر الماء يغلي دائمًا بنفس الطريقة: مئة درجة — وتبدأ الفقاعات. مع السوائل الكمومية، الأمر مختلف تمامًا. عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى ما يقارب الصفر المطلق، يمكن أن تتحول إلى موجة مادة واحدة — مكثف بوز-أينشتاين. لكن الانتقال نفسه، كما اتضح، يمكن أن يكون من ثلاثة أنواع مختلفة.

تشبه البلورة الزمنية ساعة أبدية: فذراتها تؤدي حركات إيقاعية من تلقاء نفسها. في الساعات العادية، يقوم نابض أو بطارية بدفع البندول، أما هنا فتنشأ الحركة دون إمداد بالطاقة - فالنظام يعود ببساطة إلى حالته الأصلية على فترات متساوية. طرح هذه الفكرة فرانك ويلكزك في عام 2012.

ينطلق شعاعا الليزر الذريان المتوازيان من مكثفات بوز-أينشتاين في رحلة سقوط حر. في الصورة الكلاسيكية، تبقى المسافة بينهما ثابتة، كقطارين يسيران على سكك متوازية. لكن إذا كان الزمكان ليس جليداً جامداً، بل غشاءً حياً متموجاً، فإن كل ارتجافة فيه تنتقل إلى المادة. تستشعر الذرات دفعات ميكروسكوبية ناتجة عن التقلبات الكمومية، فتبدأ مساراتها بالانحراف قليلاً.

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.

تخيّل جوقتين في غرفتين عازلتين للصوت على مسرح مهتز. إنهما تغنيان لكن لا تسمعان بعضهما البعض — فالهواء لا ينقل اللحن. ومع ذلك، إذا اهتز المسرح، فإن اهتزازاته تربط بين أغنيتهما. على هذه الفكرة تقوم اختبارات جديدة لـالجاذبية الكمومية.

سحابة باردة من الذرّات تشبه سربًا من اليراعات التي تنجذب نحو بعضها. يحاول التجاذب بين الذرّات أن يجمعها في كتلة واحدة كثيفة. لكن الارتعاش الكمومي — الحركة الحتمية للجسيمات — يمنع الكتلة من الانهيار. عندما يكون التجاذب قويًا، تنقسم السحابة إلى كتل منفصلة. هكذا تولد السوليتونات — موجات مستقرة تشبه قمة منعزلة تجري على سطح الماء دون أن تتبدد.

حجر يُلقى يسقط بتسارع، ومن زمن السقوط يمكن حساب قوة الجاذبية. يكرر العلماء هذه التجربة مع سحابة من الذرات المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تسقط هذه السحابة في غرفة مفرغة، وتقسم نبضات الليزر موجاتها، مثل الضوء في مقياس التداخل (interferometer). من إزاحة الموجات تُقاس الجاذبية بدقة هائلة.

سحابة ذرية فائقة البرودة، محاصرة في مصيدة من ضوء الليزر، تستطيع «التنفس»: فهي تنقبض وتتمدد بإيقاع، مثل الرئتين. لطالما عرف الفيزيائيون كيفية مراقبة هذا التنفس، لكنهم الآن فقط أدركوا أن مداه ليس مجرد صورة جميلة، بل مقياس دقيق للاهتزازات الطاقية الخفية داخل السحابة. يُظهر العمل أن سعة التنفس مرتبطة بتقلبات الطاقة بصيغة عالمية.

الماء في الكوب يبرد خلال دقائق. الغاز في الغرفة يملؤها بالتساوي خلال ثوانٍ. لكن إذا حبست الذرات في أنبوب بسمك شعاع ليزر وأثرتها جيدًا، فإنها ستستغرق عدة ثوانٍ «لتبرد» نحو التوازن — وهي مدة طويلة جدًا بمقاييس الذرات. أخذ المجربون سحابة من ذرات الروبيديوم وبرّدوها إلى حالة تكاثف بوز-أينشتاين — حيث تندمج جميع الذرات في موجة كمومية واحدة.

تخيل أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي النغمة نفسها، فيمتزج الصوت في تناغم قوي. هكذا يولد مكثف بوز-أينشتاين: عدد كبير من الجسيمات البوزونية عند درجة حرارة منخفضة للغاية ينتقل إلى حالة كمومية واحدة ويتصرف ككل واحد مجهري.

تتوهج اليراعات في غابة مظلمة — نرى كل ومضة، لكننا لا نرى الطيران. المجهر الغازي الكمومي قادر على إظهار ذرات باردة منفردة، مثل تلك اليراعات. لكنه حتى الآن لم يكن قادرًا على تحديد سرعة حركتها. الآن وجد العلماء طريقة لإصلاح ذلك. يقترحون إضاءة الذرات بطريقة خاصة بحيث تُلقي "ظلًا" على جسيمات مساعدة مجاورة. من هذا الظل يمكن استنتاج ليس فقط موقع الذرة، بل أيضًا زخمها — أي اتجاه وسرعة الحركة.

في سلسلة من المصائد، كما في صف من القلاع الساحلية، استقرت الذرات. وبجوارها بحر كمي: مكثف بوز-أينشتاين (مادة عديمة المقاومة تتحرك فيها الجسيمات كموجة واحدة). نبضات الليزر تثير الذرات، فتمنح طاقتها للبحر، خاضعةً لـلقوانين الكمومية. قد يبدو أن هذا التبادل سيفرغ كل شيء.

لفترة طويلة، لم يتمكن علماء الكون من النظر إلى ما وراء نقطة البداية — التفرد الكثيف بلا حدود للانفجار العظيم الانفجار العظيم، حيث تفقد معادلات النسبية العامة لأينشتاين قوتها التنبؤية.

سحابة صغيرة من 300 ألف ذرة من الإتيربيوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، رُحّلت على مسار ضوئي طوله 34 سنتيمترًا — وكأننا نقلنا حمولة هشة على طريق وعر دون أن تهتز.

في سحابة فائقة البرودة، تتصرف ذرات البوتاسيوم كموجات يمكن أن تتراكب وتضخّم بعضها البعض — تمامًا كما تخلق الموجات الصوتية في آلة موسيقية وترًا عاليًا. تعلّم الفيزيائيون التحكم في هذه العملية بتغيير قوة التفاعل بين الذرات باستخدام مجال مغناطيسي.

يسلك الضوء والمادة في العالم المتناهي الصغر قوانين يصعب حسابها حتى على الحواسيب الفائقة. يبني الفيزيائيون «محاكيات كمومية» خاصة — منشآت تلعب فيها الذرات الباردة دور الجسيمات والحقول. لكن حتى الآن، كانت هذه المحاكيات قادرة على تمثيل المجال فقط في أبسط صوره: كما لو كان إما موجوداً أو غير موجود. أما الضوء الحقيقي فله عدد لا نهائي من الدرجات. يقترح العمل الجديد محاكياً يمكن للمجال فيه أن يتخذ ثلاث حالات مختلفة.

عادةً ما يجلب التبريد النظام: يتجمد الماء إلى جليد. لكن في العالم الكمومي، يتخذ النظام أشكالًا غير متوقعة. قام المجربون بتبريد البولاريتونات - جسيمات هي في آنٍ واحد ضوء ومادة - إلى ما يقرب من الصفر المطلق. بدأت السحابة 'ترقص'، موحّدةً تذبذبات جميع الجسيمات في إيقاع واحد.

المادة المظلمة هي محيط غير مرئي، كما أظهرت أرصاد فيرا روبين، يمنع النجوم في المجرات من التشتت. يشتبه الفيزيائيون في أنه إذا كانت المادة المظلمة تتكون من جسيمات فائقة الخفة، فإنها عند البرودة الكونية تتحول إلى وسط سائل عديم الاحتكاك - ما يُسمى بالـمُكَثَّف.

في المختبرات على الأرض، يُنتَج تكاثف بوز-أينشتاين بتبريد سحابة من الذرات إلى أجزاء من المليار من الكلفن. تفقد الذرات فرديتها وتندمج في موجة كمومية واحدة تتصرف ككل واحد. لكن في الفضاء، ليست هناك حاجة لمثل هذه الظروف: فالجاذبية نفسها تحفر آبارًا عميقة تنضغط فيها المادة وتبرد إلى حالة من الضباب الكمومي. يتكاثف هذا الضباب في أماكن مختلفة تمامًا.