تدرج حراري

ألقِ حصاة في بركة ماء، وستنتشر دوائر على سطحها. وبالمثل، فإن أي جسم، حتى الأصغر منه، يزعج الحقل الثقالي حوله. في الفضاء البارد الفارغ، هذه الاضطرابات، مثل تموجات على سطح هادئ، تجعل جسمين متقاربين يتنافران دائمًا. تُعرف هذه الظاهرة باسم تفاعل كازيمير-بولدر الثقالي (Casimir–Polder interaction).

الأشعة الكونية لا تنتقل في خط مستقيم. فالجسيمات المشحونة، التي تسارعت إلى سرعات هائلة، تتعرج في المجال المغناطيسي للمجرة، مثل حبيبات الغبار في تيار الرياح. يُفترض عادةً أنها تتبعثر ببساطة على طول خطوط المجال وعبرها. لكن المجال يحتوي على انحناءات ودوامات تجعل الجسيمات تنزلق أيضًا جانبياً، مثل متزلج ينحدر على منحدر بشكل مائل.

الطفل الساخن والبالغ البارد – نفس النجم النيوتروني يبدو مختلفًا. فبمجرد ولادته في انفجار مستعر أعظم، يكون محمىً إلى عشرات المليارات من الدرجات. ولكن مع مرور الوقت، يبرد وينكمش مثل المعدن المبرد. بالنسبة للنجم PSR J1012+5307، يعني هذا الانتقال انكماش نصف قطره إلى النصف تقريبًا.

كوكب WASP-121 b هو عملاق غازي تصل حرارته إلى 2500 درجة مئوية. إنه يواجه النجم بوجه واحد على الدوام، مثل كرة أرضية ثابتة تحت مصباح. ولكن عندما يعبر أمام قرص النجم، يكشف دورانه لنا جوانب مختلفة — كما لو أن هذه الكرة الأرضية تدور ببطء لتسمح لنا بإلقاء نظرة على كل زواياها.

الشمس مرجل يغلي من الهيدروجين والهيليوم، حيث يُحتجز الغاز المتوهج في شرك مغناطيسي. عندما تعيد الحبال غير المرئية الاتصال، تتحرر طاقة تضاهي مليارات الانفجارات النووية الحرارية. أين تذهب هذه الطاقة؟ تحليل جديد لأرشيف هينودي يرسم صورة غير متوقعة: عند قاعدة التوهج، تصطف أيونات العناصر الثقيلة كالنمل على درب.

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.

بطارية الليثيوم أيون تشبه مبنى متعدد الطوابق، حيث تعيش أيونات الليثيوم في كل طابق. عندما تُشحن البطارية، تنتقل الأيونات من طابق إلى آخر، ويسخن المبنى بأكمله قليلًا. عادةً ما تتوزع هذه الحرارة بالتساوي، مثلما تتوزع حرارة الأرضية الدافئة. لكن في بعض الأحيان يصبح مكان واحد حارًا جدًا — وعندها قد يشتعل المبنى بأكمله. بنى العلماء نموذجًا يُظهر كيفية انتشار الحرارة داخل البطارية.

الفضاء بين النجوم ليس فارغًا: فهو مليء بغاز مخلخل، دافئ في بعض المناطق وبارد في أخرى. الحدود بين هذه المناطق تشبه الجدران بين فقاعات الصابون. عندما يصطدم جسيم فائق الطاقة — وهو شعاع كوني — بهذا الجدار، يتغير المجال المغناطيسي هناك بشكل حاد، ويرتد الجسيم مثل كرة ترتد عن الحائط. تتبع العلماء ملايين من هذه الجسيمات في نموذج حاسوبي للمجرة.

قطعة من سبيكة اليوروبيوم والإنديوم عند تبريدها في مجال مغناطيسي تتصرف مثل الماء الذي لا يتجمد دفعة واحدة، بل أولًا في زاوية من الكأس ثم في أخرى. عند درجة حرارة حوالي 16 كلفن (أي 257 درجة مئوية تحت الصفر)، تفقد هذه المادة خصائصها المغناطيسية فجأة، لكن مجالًا قويًا يبلغ حوالي 25 ألف إرستد يكسر القفزة الواحدة إلى خطوتين متتاليتين.

الجليد على مقلاة دافئة لا يذوب فحسب، بل يبدأ في الحركة. تتشكل تحته طبقة رقيقة من الماء، وتنزلق القطعة كما لو كانت على زيت. تعتمد سرعة هذا الانزلاق على مدى سرعة انتقال الحرارة عبر طبقة الماء ومدى انحدار السطح. أجرى العلماء تجربة: وضعوا الجليد والشمع على مستوى مائل بدرجة حرارة قابلة للضبط.

في السلك العادي، تدفع الحرارة الإلكترونات — وهذا هو تأثير زيبيك (Seebeck effect)، المعروف من المزدوجات الحرارية. لكن في المغناطيسات، الأمور أكثر تعقيدًا: هناك، تمتلك حاملات التيار أيضًا مغزلًا، أي "قمة دوارة" خاصة بها.

قدر ماء يُسخَّن من الأسفل مثال بسيط على الاضطراب (turbulence). السائل الساخن يصعد والبارد يهبط، وينقسم التدفق تلقائيًا إلى خلايا دوّارة تشبه اللفائف الأفقية. في دراسة جديدة، أخذ الفيزيائيون وعاءً عريضًا مستطيلًا (أطول بعشر مرات من ارتفاعه) وتتبعوا عدد هذه اللفائف التي تنشأ. نفس التسخين — واللفائف تارة ثلاث وتارة سبع.

عميقًا تحت أقدامنا، في مركز الأرض تمامًا، يقع اللب الحديدي الصلب. لكنه ليس من الحديد النقي — فهناك عناصر أخف أيضًا، مثل الهيدروجين. كيف يتوزع الهيدروجين بالضبط داخل اللب، ظل لغزًا لفترة طويلة. بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا لسلوك الهيدروجين في الحديد تحت ضغوط ودرجات حرارة هائلة — كما في اللب الحقيقي.

قام التلسكوب الفضائي Gaia بقياس سرعة دوران أكثر من مائة ألف نجم. اتضح أن سرعة الدوران تعتمد على درجة حرارة النجم. في النجوم الأبرد من 6500 درجة، تتحرك السطح بسرعة تتراوح بين 10 و20 كيلومترًا في الثانية. ولكن بمجرد أن يصبح النجم أكثر سخونة، تقفز السرعة فجأة إلى 100 كيلومتر في الثانية.

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.