قص

بركة الطين التي تجف تتغطى بالشقوق، مثل لوحة قديمة تشققت طبقة طلائها. في البداية تتلاقى الشقوق بزاوية قائمة تقريباً، مشكّلة شبكة خشنة. لكن إذا بللنا الطين مرة أخرى وتركنا يجف، يتغير النمط: تبدأ الشقوق بالتلاقي ثلاثاً ثلاثاً، بزاوية 120 درجة، كما في خلايا النحل. ظلّ سبب ذلك لغزاً مدة طويلة. بنى علماء من جامعة أوساكا نموذجاً حاسوبياً يحاكي دورات الجفاف والترطيب.

في 1934 برهن جان لوراي أن لمعادلات نافييه–ستوكس حلولًا دائمًا «بالمعنى المعمم». أما هل يبقى الحل أملس أم قد ينكسر في تفرّد فلم يعرف، ولم يعرف أحد تسعين عامًا. في 2000 أدرج معهد كلاي السؤال ضمن مسائل الألفية السبع. صياغة تشارلز فيفرمان أمينة: يطلب برهان أي من أربع عبارات. (A) و(B): دون قوة خارجية تبقى السلاسة دائمًا، في الفضاء وعلى الطارة.

ورقة الورق تتمزق حيث يتجاوز التوتر قوة التحمل. النسيج الطلائي، وهو طبقة خلوية تبطن أعضاءنا، يتصرف بشكل مشابه، لكن حتى وقت قريب لم تكن النماذج قادرة على إظهار كيف تنشأ التمزقات فيه. يصف نموذج القمم الكلاسيكي النسيج كشبكة من المضلعات المتلاصقة بإحكام، ويمنع الخلايا من الانفصال. أضاف باحثون يابانيون إلى هذا النموذج عملية واحدة تسمح للنسيج بالتمزق، ولأول مرة تتبعوا كيف يحدث ذلك بالضبط.

البحيرة في موسم الجفاف لا تنحسر فجأة. أولاً تظهر جزر من اليابسة على سطح الماء، فتتسع وتلتحم، وبعدها فقط يغادر الماء القاع المكشوف. بطريقة مشابهة تتصرف بلورة الميرابيليت عندما تفقد الماء: تظهر على سطحها بقع دائرية من الملح اللامائي، تنمو في الاتساع ثم تبدأ في التعمق. يسمي الكيميائيون هذا الجفاف: كبريتات الصوديوم العشارية (Na₂SO₄·10H₂O) تفقد الماء وتتحول إلى ثينارديت لامائي (Na₂SO₄).

تسقط قطرة مطر على الزجاج وتنتشر على شكل قرص. أضف القليل من البوليمر إلى الماء، فتصبح مرنة مثل الجيلي. يبدو أن مثل هذا الجيلي يجب أن ينتشر بشكل مختلف. لكن التجارب مع محاليل أكسيد البولي إيثيلين وبولي أكريلاميد أظهرت أن أقصى نصف قطر للبقعة لا يتغير حتى عند تركيز 1000 جزء في المليون (ppm) (أي واحد في الألف).

في عام 1915، أظهر ألبرت أينشتاين وفاندر يوهانس دي هاس أنه عند مغنطة قضيب حديدي، يدور القضيب قليلاً - حيث ينتقل الزخم الزاوي للإلكترونات إلى الشبكة البلورية. بعد قرن من الزمان، اكتشف الفيزيائيون أن الفونونات - كمات الصوت - يمكنها أداء رقصة مماثلة إذا امتلكت المادة لزوجة فونونية هولية.

الطبقة الحية من الخلايا تشبه حشدًا على سلم متحرك. في حالة الهدوء، يتحرك الجميع بسلاسة، ولكن بمجرد حدوث تدافع، يتوقف الحركة. كذلك، يمكن للطبقات الخلوية تحت الحمل أن تتصلب فجأة، وتتحول من كتلة مرنة إلى هيكل صلب. درس علماء الأحياء والفيزياء كيف تتفاعل الطبقات الأحادية الخلوية النموذجية (طبقات رقيقة بسماكة خلية واحدة) مع الإجهاد المستمر.

قطعة من الصلصال، إذا عُجنت، تتصرف كمادة صلبة غير متبلورة (amorphous solid) — ليست بلورة، ولكنها ليست سائلًا أيضًا. داخل هذه المادة يمكن أن تنشأ انهيارات جليدية: إعادة ترتيب صغيرة واحدة تسحب جاراتها، وتمر موجة عبر العينة بأكملها. النسيج الحي، الذي تنقسم فيه الخلايا وتُعاد هيكلته باستمرار، هو أيضًا غير متبلور، لكنه يحتوي على مصدر للطاقة — الانقسامات.

طبقة رقيقة من الزيت على سطح الماء تتمزق إلى قطرات منفصلة عند أدنى اهتزاز. شيء مشابه يحدث في رياح النجم النابض — وهو تدفق من الجسيمات يقذفه نجم نيوتروني سريع الدوران. في هذا التدفق توجد أيضًا طبقات من البلازما، ويمكن أن تتفكك إلى كتل — جزر مغناطيسية. ولكن، على عكس الزيت، تحمل هذه الطبقات شحنة كهربائية.

إذا ألقيت مكعب ثلج في كوب ماء، فسيطفو حتى يذوب. لكن إذا برّدت الماء ببطء، ففي لحظة ما يتجمد كله دفعة واحدة — وهذا تحول طوري من النوع الأول: حاد، بحدود واضحة. وهناك حالة أخرى: عند تسخين المغناطيس، يفقد خصائصه ليس فجأة، بل تدريجيًا، دون حدود مرئية. تحولات مشابهة تمامًا، لكن ليس مع الماء أو المغناطيس، بل مع الجاذبية نفسها، تحدث في النجوم النيوترونية.

ورقتان من الورق موضوعتان معًا تبدأان بالانزلاق البطيء فوق بعضهما عند التسخين. هذا تقريبًا ما تفعله طبقات ثنائي كبريتيد الموليبدينوم، وهي مادة بسماكة ذرة واحدة. في درجة حرارة الغرفة، تنزلق تلقائيًا بسرعة تقارب مترًا في الثانية. كان يُعتقد سابقًا أن تحريك الطبقات يتطلب تجاوز حاجز، كما لو كنت تسحب صندوقًا ثقيلًا فوق عتبة الباب.

عندما يُشدّ قطعة من المعدن، يتغير شكلها ويصبح في الوقت نفسه أقوى. السر يكمن في عيوب مجهرية في الشبكة البلورية تُسمى الانخلاعات (dislocations). إنها مثل تجاعيد على بساط: إذا حرّكت التجعد، يتحرك البساط بسهولة أكبر من سحبه بالكامل. لكن عندما تكثر التجاعيد، تبدأ في إعاقة بعضها البعض وتعلق.

ورقة مسطحة بنظام شقوق، موضوعة في تدفق الماء أو الهواء، تُظهر سلوكاً يشبه الستائر ذاتية الضبط. الضغط الديناميكي يفتح الشقوق، ويميل كل شريط من المادة ليصبح جناحاً مصغّراً — عنصراً يولّد قوة رفع بفضل فرق الضغط بين السطحين.

قطرة زيت في الماء مغطاة بجزيئات الصابون لا تتصرف مثل قطرة عارية. جزيئات الصابون هي أعواد صغيرة: أحد طرفيها يحب الماء والآخر يحب الزيت. في السائل الهادئ، تقف على السطح مثل السياج، وتقلل التوتر السطحي — تلك القوة التي تشد القطرة إلى شكل كروي. ولكن بمجرد أن يتدفق السائل، تبدأ الأعواد بالدوران والاصطفاف على طول التدفق، ويضعف طبقتها الواقية.

الغشاء الدمعي على العين هو أنحف طبقة سائلة تحمي القرنية وتحافظ على حدة الرؤية. عادةً ما يُتصوَّر كسطح أملس تمامًا، لكن القرنية الحقيقية، حتى السليمة منها، مغطاة بتفاوتات مجهرية. في الدراسة الجديدة، بنى العلماء نموذجًا يأخذ في الاعتبار هذه الخشونة، بالإضافة إلى انزلاق السائل على السطح، وقوى التجاذب الجزيئية، وانتقال الدهون عند الحدود مع الهواء.

قطرة المطر عندما تسقط على الأرض تضرب بقوة معينة. ولكن ماذا لو لم تكن القطرة دائرية، بل ممدودة مثل السيجار، أو مفلطحة مثل القرص؟ يبدو أن شكل القطرة هو العامل الحاسم: قوة الاصطدام يمكن أن تتغير بأكثر من عشرة أضعاف فقط بسبب شكل القطرة لحظة سقوطها.

الماء في أعماق الأرض مضغوط أكثر من ألف ضعف مقارنة بالسطح. وحتى هناك يستمر في التدفق، لكن بنيته الداخلية تتغير. قام الباحثون بقياس كيفية مقاومة الماء للتدفق والانضغاط عندما يزداد الضغط من الصفر إلى 1.6 جيجا باسكال — وكأن كل سنتيمتر مربع يحمل كتلة مقدارها 16 طنًا. اتضح أن مقاومة التدفق تزداد أسرع من مقاومة الانضغاط، وتقل نسبتهما إلى النصف.

عملة تدور على طاولة مشهد مألوف للجميع. في البداية تدور بسرعة، ثم تميل، ويصبح صوت قرعها أسرع فأسرع. في الثواني الأخيرة تبدو وكأنها تعلق: يتباطأ الدوران، لكن العملة لا تريد أن تستلقي نهائيًا. هذه اللحظة الأخيرة لغز حقيقي للفيزيائيين. في العمل الجديد، صور العلماء هذه الحركة بكاميرا عالية السرعة وغيّروا الظروف: أخذوا أقراصًا بأحجام وكتل مختلفة، ووضعوها على أسطح مختلفة، وحتى فرغوا الهواء.

قطعة العجين، إذا مددتها من الجانبين، لا تتمدد بشكل متساوٍ: في مكانٍ ما تصبح أرق وتتمزق. النسيج الحي يتصرف بشكل مشابه، لكن بدل التمزق تظهر فيه أشرطة انزلاقية — مناطق ضيقة تبدأ فيها الخلايا بالانزلاق فوق بعضها، مثل أوراق اللعب عند قصّها. هذه الأشرطة تقسم النسيج إلى مناطق تتصرف بشكل مختلف: بعضها يبقى مرنًا، وبعضها يصبح سائلًا.

الخلايا على سطح الجنين تشبه حبات الأرز التي يمكن أن تصطف في اتجاه واحد. يُسمى هذا النظام بالنظام النيماتيكي (nematic order). ينشأ عندما تبدأ الخلايا في التصرف بتناسق، مثل سرب من الأسماك يسبح في اتجاه واحد. قام العلماء بمحاكاة هذه العملية على غلاف كروي — كما لو كان بالونًا منفوخًا مغطى بالعديد من هذه "الحبات". عندما تصطف "الحبات"، يفقد الغلاف تماثله ويتغير شكله. إذا نشأ النظام فجأة، يتمدد الغلاف مثل الشمامة.

طبقة الخلايا التي تبطن الأعضاء الداخلية تشبه طابورًا في مترو مزدحم: الجميع يقفون متلاصقين، لكن أحيانًا يبدأ الحشد بالتدفق وينزلق الناس بجانب بعضهم البعض. يسمي علماء الأحياء هذا السلوك انتقالًا من الحالة الصلبة العالقة إلى الحالة السائلة. حتى الآن كان يُعتقد أن مفتاح ذلك هو شكل الخلايا: إذا أصبحت الخلايا أكثر استطالة، يتحول النسيج إلى سائل.

تشبه المثانة البولية بالونًا هوائيًا: فبينما تمتلئ، يتمدد الجدار ويتغير الشكل. عادةً ما يتابع الأطباء الضغط داخلها وكمية السائل الذي دخل، لكنهم لا ينظرون تقريبًا إلى الهندسة نفسها — أي كيف ينحني السطح. غير أن التفاوتات قد تظهر قبل أن تتدهور المؤشرات المألوفة.

عندما تحتك صفيحتان من القشرة الأرضية ببعضهما، توجد بينهما طبقة من الصخور المطحونة — مثل الرمل بين راحتي اليدين. هذه الطبقة، التي يسميها الجيولوجيون طفلة الصدع، لا تتصرف كصخر صلب، بل كعجينة كثيفة: يمكن أن تنضغط وتتمدد وتنزلق. ومن تقلباتها يعتمد ما إذا كان الصدع سينزلق في زلزال مدمر أو سيزحف ببطء وأمان. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة نموذجًا رياضيًا لهذه الطبقة.

أسطوانة حادة الرأس تحلق بست سرعات صوتية — ليست أكثر الأجسام أناقة، لكنها أصبحت البطل الرئيسي لحساب جديد. سطح مثل هذا الجسم لا يكون أملس تمامًا: عند دخول الغلاف الجوي، يحترق الدرع الحراري وتظهر نتوءات وانخفاضات. كيف تحوّل هذه النتوءات التدفق الهادئ إلى اضطراب عاصف، كان يُرى سابقًا فقط في تجارب منفردة وكان يكاد لا يخضع لنمذجة دقيقة.

تسبح البكتيريا مثل زورق صغير بمحرك لولبي. لكن محركها هو سوط طويل يدور ويدفع الجسم إلى الأمام. غير أن الجسم لا يتحرك باستقامة: فهو يتمايل مثل عوامة على موجة. هذا التمايل ليس صدفة، بل جزء من ميكانيكا الحركة. حتى الآن، كانت دراسة هذه التمايلات تتم في الماء الساكن. وماذا لو كان الماء يتدفق؟ ففي الطبيعة، تعيش البكتيريا دائمًا تقريبًا في سوائل متحركة: في الأنهار، وفي الأمعاء، وفي الأنابيب.

شبكة العنكبوت ليست مجرد شبكة لزجة، بل أداة دقيقة تستجيب للطقس. عندما يصبح الهواء رطبًا، تقصر خيوط حرير العنكبوت وتلتوي في الوقت نفسه، مثل منشفة مبللة تُعصر من الطرفين. كان يُعتقد سابقًا أن الخيط يلتوي لأن البروتينات بداخله مرتبة بشكل حلزوني. لكن لم يتم العثور على تأكيدات مباشرة لمثل هذا الترتيب. الآن، اقترح الباحثون تفسيرًا آخر.

قطرة من خليط كثيف من نشا الذرة والماء تسقط على طاولة. عادةً، يتصلب هذا الخليط فوراً عند الاصطدام العنيف — بل يمكن حتى الجري فوقه إذا ملأت به حوض سباحة. لكن في هذه التجربة، سار كل شيء بشكل مختلف. التقطت كاميرا عالية السرعة: في اللحظة الأولى بعد التلامس، تنساب القطرة كسائل عادي. وفقط بعد ذلك، عندما تنخفض سرعة الاصطدام، تتصلب فجأة وتتصرف كجسم صلب.

اضغط على قاع علبة معدنية فارغة — سينخفض إلى الداخل ويبقى كذلك. اضغط مرة أخرى — سينتفخ إلى الخارج. هذه هي ثنائية الاستقرار (bistability): النظام له حالتان مستقرتان، مثل مفتاح الضوء. القوس المرن هو أبسط مثال على هذا النظام. يمكن أن يكون مقوسًا لأعلى أو لأسفل، ولتبديل حالته تحتاج إلى بذل قوة. أخذ العلماء قوسًا مصنوعًا من مادة تغير شكلها بنفسها تحت تأثير الضوء.

خيط رفيع في تيار ماء — كشعرة في تدفق الدش. إذا حركت الماء ذهابًا وإيابًا، فالشعرة تارةً تستطيل مع التيار وتارةً تنكمش. أخذ العلماء خيوطًا بروتينية حقيقية (الأكتين، الذي تتكون منه العضلات) ووضعوها في قناة مجهرية حيث اهتز السائل بترددات مختلفة. عند الاهتزازات السريعة، كان الخيط يعود بطاعة إلى وضعه الأصلي بعد كل دورة — مثل البندول. ولكن عندما تباطأت الاهتزازات، تغير كل شيء.

في بلورة الألماس توجد شقوق غير مرئية تُسمى الانخلاعات (dislocations). وهي أماكن انزلقت فيها صفوف الذرات، كما لو أن ورقة في رزمة أوراق سُحبت في منتصفها. حول هذه الأماكن ينشأ إجهاد، وهو يؤثر على كيفية تكسر المادة أو انحنائها أو توصيلها للتيار. نظرية المرونة تصف هذا الإجهاد منذ 80 عامًا، لكن لم يكن ممكنًا رؤيته مباشرة.

كان الكون المبكر بعيدًا عن الكمال: بعض مناطق تتمدد أسرع من غيرها، مما يخلق تجاعيد وانحرافات في نسيج الزمكان. لكن الارتداد الكمومي — الانتقال من الانكماش إلى التمدد، الناتج عن قوانين العالم الصغير — يصلح كل شيء.

قطرة ماء تسقط على ورقة لوتس فترتد دون أن تترك أثرًا. هذه معجزة التنظيف الذاتي صقلتها الطبيعة على مدى ملايين السنين، ويحاول المهندسون منذ زمن طويل محاكاتها. لكن إذا اصطدمت القطرة بسرعة كبيرة، تتفتت إلى رذاذ، وتفقد كتلتها وتترك آثارًا مبللة على السطح. كان يُعتقد أنه عند السرعات العالية للاصطدام يستحيل تجنب الرذاذ، حتى أُضيف القليل من البوليمر إلى الماء.