قياس الخواص الحرارية

بدلاً من الحمام الجليدي، قميص غازي دافئ. هكذا أصبحوا الآن يبردون مقارن التيار المبرد في المعهد الوطني للقياس في اليابان. سابقًا، كان هذا الجهاز، الذي يقارن التيارات الكهربائية بدقة تصل إلى أجزاء من المليار، يتطلب الغمر في الهيليوم السائل. أما اليوم فهو يعمل داخل مبرد مغلق حيث لا يبرده سائل بل غاز. مقارن التيار المبرد هو ميزان للكهرباء.

مترجم عالمي واحد لكل لهجات الصوديوم. الصوديوم السائل في المفاعل يتصرف بطرق مختلفة: قرب جدار الأنبوب يكون كثيفًا وسريعًا، وعند سطح الغليان يكون مخلخلًا وبطيئًا. سابقًا، كانت كل حالة من هذه الحالات تتطلب مجموعة حسابات منفصلة، كما لو كنت تستأجر مترجمًا جديدًا لكل جملة. الآن، جهد شبكي عصبي واحد، مُدرَّب على بيانات كمومية باستخدام الدالة r2SCAN، يتعامل مع جميع "اللهجات" دفعة واحدة.

نجمة واحدة تومض كل 38 ثانية. هذا ليس وميضًا عشوائيًا: داخل القزم الأبيض WD 0158−160 تجري اهتزازات منتظمة، كأنها دقات بندول غير مرئي. من إيقاع هذه الدقات ومن المسافة الدقيقة إلى النجم، تمكن علماء الفلك من حساب كتلته ودرجة حرارته دون نظرة واحدة إلى الطيف. عادةً، يُوزن القزم الأبيض بواسطة خطوط الامتصاص في ضوئه: كما تُحدد بصمات الأصابع كمية المادة ومدى سخونتها.

يُفتتح موسم السباحة عندما يبدو الماء محتملاً. لكن لكل شخص عتبته الخاصة: أحدهم يرتجف عند عشرين درجة، بينما يسبح آخر بهدوء عند خمس عشرة درجة. قرر العلماء معرفة سبب هذا الاختلاف. شبهوا جسم السباح بمنزل يحاول الاحتفاظ بالحرارة بينما تهب رياح باردة في الخارج. في الداخل، يشعل الموقد — وهي العضلات التي تولّد الحرارة عند الحركة.

البطارية العادية تُطلق الحرارة بشكل متدرج: ما تخزنه تُخرجه. القدرة محددة مرة وإلى الأبد — مثل صنبور يتدفق منه الماء في تيار واحد. لكن في بعض الأحيان لا نحتاج إلى تدفق منتظم، بل إلى اندفاع قوي قصير: تسخين قطعة فورًا، أو إطلاق تفاعل، أو التخلص من حرارة زائدة. جمع العلماء جهازًا من أنبوبين يتدفق فيهما الماء باتجاهين متعاكسين — ساخن وبارد.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. لكن إذا ضغطته قليلاً، مثل الزنبرك، تتغير خصائصه. لطالما أراد العلماء قياس كمية الحرارة التي تمتصها هذه المادة المضغوطة، لكن الأجهزة لم تكن تتسع في الجهاز الضيق. الآن توصلوا إلى طريقة لتجاوز هذه العقبة.

عندما تسخن مقلاة في المطبخ، تشعر اليد بالحرارة قبل لمسها — هذا هو الأشعة تحت الحمراء، غير المرئية للعين لكنها محسوسة للجلد. التلسكوب الشمسي يلتقط حرارة غير مرئية مماثلة، لكنها صادرة من النجم وليس من الموقد. جهاز اسمه HATS يلتقط الإشعاع في نطاق التيراهرتز — وهي منطقة من الطيف بين الضوء تحت الأحمر والميكروويف، التي لم تدرس كثيرًا من قبل بسبب صعوبات تقنية.

في الغرفة، يلامس الهواء الجلد ونشعر بحرارته. لكن إذا انطلق الجسم فجأة بتسارع هائل، فستأتي الحرارة حتى من الفراغ المطلق. هذا ليس خيالًا، بل نتيجة صارمة لنظرية المجال الكمومي: بالنسبة لمراقب يتسارع، يصبح الفراغ حمامًا دافئًا. التأثير الذي تنبأ به ويليام أونرو في عام 1976، ظل حتى الآن بعيدًا عن الملاحظة المباشرة.

تأثير مبيمبا هو لغز حيث يتجمد الماء الساخن أحياناً أسرع من الدافئ. عادةً ما يُعزى ذلك إلى كيفية فقدان الماء للحرارة و الإنتروبيا (مقياس الفوضى). لكن في كوب من الماء، تعوق الفوضى وضع نموذج دقيق. بنى الفيزيائيون نموذجاً كمياً: جسيم في بئر ذات تجويفين يفصل بينهما حاجز. مثل كرة على منحدر به منخفضان: للانتقال من أحدهما إلى الآخر، يلزم طاقة.

الحرارة تحيط بنا في كل مكان: من أنبوب عادم السيارة إلى هيكل حاسوب محمول يعمل. يمكن للمواد الكهروحرارية أن تحول هذه الحرارة المهدورة إلى كهرباء. لكن للعثور على مواد فعالة حقًا بين مئات المركبات، يجب قياس معلمتين أساسيتين بسرعة ودقة: مدى جودة توصيل المادة للتيار الكهربائي، ومدى شدة توليدها لجهد كهربائي عند اختلاف درجات الحرارة (وهو ما يُعرف بمعامل زيبيك).

الآلة الحرارية ليست مضطرة أن تكون حديدية. في العالم المصغر، يمكن لإلكترون واحد أن يلعب دور المكبس، وبدلاً من الوقود، يمكن أن تكون عملية القياس نفسها هي الوقود. «جيبان» متجاوران للإلكترونات يتصلان بجسر ضيق. يمكن للإلكترون أن يتواجد في الجيب الأيسر أو الأيمن، لكن الطبيعة الكمومية تسمح له بالتسرب عبر الجسر — وهذا ما يسمى النفق الكمومي.

البخار المتصاعد فوق معدن ساخن مشهد مألوف في المطبخ. لكن إذا استخدمنا الروبيديوم بدلًا من الماء، تتحول هذه السحابة إلى بطارية. لا تعمل بالتفاعلات الكيميائية، بل بالتناسق الكمي بين الذرات. في التجربة، وُضعت سحابة بخار تحتوي على تريليون ذرة روبيديوم (فلز قلوي مشابه للصوديوم) في خلية زجاجية.

قطعة معدنية محمّاة في الفرن تشبه مقلاة على الموقد: كلما زادت الحرارة، زادت سرعة انتقالها إلى يدك إذا لمستها. لكن عند درجات حرارة يكون فيها المعدن قريبًا من الانصهار، يصعب قياس هذه السرعة: الحساسات لا تلتصق جيدًا، والحرارة تتسرب إلى الهواء، والعينة نفسها تتوهج وتشوش الأجهزة. الطريقة الجديدة تتجاوز هذه العقبات.

قد يمتلك النظام الكمومي خاصية تُسمى السحر. هذه ليست خدعًا، بل مقياس لمدى صعوبة محاكاة سلوكه على حاسوب تقليدي. الحالات العادية — التي تُسمى الحالات المثبِّتة — يستطيع الحاسوب حسابها بسهولة. أما الحالات ذات السحر فتُحيّره. المشكلة أن التحقق من وجود السحر عادةً ما يتطلب قياس النظام من كل الاتجاهات — وهو أمر شاق ومكلف. يقترح مؤلفو الدراسة الجديدة تجاوز هذه القياسات المعقدة.

الماء هو السائل الشائع الوحيد الذي لا ينكمش فورًا عند التبريد. يذوب الجليد فيزداد الماء كثافة، لكن فقط حتى 4 درجات مئوية. بعد ذلك، مع مزيد من التبريد، يتمدد مرة أخرى. هذا السلوك الغريب يفسر كيف تبقى الأسماك حية في البرك المتجمدة: الماء الأكثر كثافة يغوص إلى القاع، بينما تبقى الطبقة الباردة الأخف في الأعلى، وتتحول إلى جليد.

ثلاجة المستقبل المغناطيسية لن تصدر ضجيج ضاغط. ستعمل على تبريد الطعام من خلال مادة خاصة تسخن في مجال مغناطيسي وتبرد عند إزالة المجال. تشبه هذه الدورة ضغط وتمدد الغاز في الثلاجة العادية، لكن بدلاً من المكبس يعمل المغناطيس. لفهم مدى جودة المادة لمثل هذه الثلاجة، يجب قياس ثلاثة أشياء: مقدار الحرارة التي تطلقها، ومدى برودتها، وكيف تتغير سعتها الحرارية.

عندما تعمل الخوادم في مراكز البيانات بكامل طاقتها، فإنها تسخن مثل مكواة تُركت دون مراقبة. هذه الحرارة تذهب سدى، ويُستهلك المزيد من الطاقة للتبريد. اقترح مهندسون من ألمانيا توظيف هذه الحرارة: دعها تدفع السائل عبر أنابيب رفيعة بنفسها، دون أي محركات أو مضخات. جهازهم يشبه صندوقًا مسطحًا بقاع غير متماثل. نصف القاع مصنوع من مادة موصلة جيدة للحرارة، والنصف الآخر من مادة رديئة التوصيل.

تُسخَّن قطعة من سبيكة الألمنيوم، فتروي بهدوء قصة متانتها. كل المطلوب هو الإنصات إلى هذه الرواية في طريقة امتصاص المعدن للحرارة. الطريقة المعتادة لمعرفة مدى متانة السبيكة هي شدّها حتى التمزق. وهذا يستغرق وقتًا طويلًا ويدمر العينة. أما في الدراسة الجديدة فسلكوا مسارًا مختلفًا: سجّلوا كيف تمتص السبيكة الحرارة أثناء التسخين، ثم سلّموا هذه التسجيلات إلى برنامج حاسوبي.

الهيدروجين بطل في الطاقة لكل كيلوغرام، لكن تخزينه متعب. في حالته الغازية يشغل حجمًا هائلًا، وإذا تم ضغطه أو تبريده إلى سائل، نحتاج إلى أسطوانات ثقيلة وطاقة كبيرة. هناك طريق ثالث: بعض المواد الصلبة تمتص الهيدروجين مثلما تمتص الإسفنجة الماء، وتحتفظ به داخلها. سخّن المادة — يخرج الهيدروجين، برّدها — يُمتص مرة أخرى.

جهاز قياس الزلازل (seismometer) هو أذن الكوكب. فهو يلتقط أدق ارتعاشات التربة ويحولها إلى إشارة كهربائية. لكن هذه الأذن ليست مثالية: فحساسيتها تعتمد على درجة الحرارة. في الصقيع وفي الحر، يسمع الجهاز بشكل مختلف قليلًا، وهذا يُدخل خطأً في القياسات.

السبيكة المعدنية تشبه الكوكتيل: تمزج عدة عناصر فتحصل على مادة بخصائص جديدة. لكن بينما يتذوق الساقي المشروب ليعرف طعمه، يحتاج المهندسون إلى معرفة مسبقة بكيفية تصرف السبيكة أثناء العمل.

الخلية مدينة تعمل فيها محركات صغيرة بلا توقف. فهي تنقل البضائع، وتحرك الأهداب، وتجعل العضلات تنقبض. كل هذا العمل يطلق حرارة، تمامًا كما يسخن محرك السيارة. لكن قياس هذه الحرارة من محرك فردي بحجم بضعة نانومترات ليس بالمهمة السهلة. النمذجة العشوائية تساعدنا على النظر إلى هذا العالم.

جسيمات متناهية الصغر تشبه الزهور تستطيع القيام بأمرين في آن واحد: التسخين والإخبار عن مدى سخونتها. هذا ليس خيالًا علميًا، بل نتيجة عمل على جسيمات نانوية من فريت الكوبالت — وهي مادة مغناطيسية تستجيب للمجال المغناطيسي. عادةً ما يتطلب التسخين وقياس الحرارة أدوات مختلفة، لكن هنا يجتمع كل شيء في جسيم واحد. كيف يعمل ذلك؟ توضع الجسيمات في مجال مغناطيسي متناوب، فتبدأ مغنطتها بالتذبذب.

رقاقة بلورية صغيرة تستقر على ركيزة، كورقة خريف على راحة اليد. سمكها أرق من شعرة الإنسان، وفي داخلها تغلي تأثيرات كمومية: موصلية فائقة، ترتيب مغناطيسي، وسائل مغزلي كمومي. ولكن كيف يمكن قياس مقدار تمدد هذه الرقاقة بالحرارة أو انكماشها في المجال المغناطيسي؟ يتطلب الجهاز المعتاد عينة بحجم زر — والبلورة النادرة بهذا الحجم ببساطة لا تنمو.

في المجمد العادي، يتحول الماء إلى جليد، لكن في الخلايا الحية، مثل هذا الجليد كارثة: البلورات الحادة تمزق الأغشية كما تمزق الإبر بالونًا. العلماء الذين يحفظون الخلايا للطب تعلموا تجنب هذه الكارثة، لكن كل طريقة تتحدث بلغتها الخاصة. في العمل الجديد، تم اقتراح قاموس مشترك — الديناميكا الحرارية.

تخيّل طبّاخًا يرشّ الماء على مقلاة محمّاة. فورًا تتصاعد فقاعات الهسهسة ويتبخر الماء، معطيًا استجابة لحظية عن درجة الحرارة — أسرع بكثير من أي ميزان حرارة. هذا المبدأ البديهي هو الأساس لمنهج جديد في القياس الحراري الكمومي. هنا، مستشعر صغير للغاية — مثل ذرة مفردة — يُسخَّن عمدًا إلى حالة ساخنة غير متوازنة.

في العالم الكمومي، تستطيع الجسيمات المرور عبر الجدران — وهذا هو النفق الكمومي. إذا وُضع كاشف في مسار هذا العبور «الشبحي» مباشرة، فإن لحظة الرصد تعمل عمل مسدس البداية: يتلقى الجسيم دفعة قوية ويخرج من الحاجز بطاقة فائضة، ليتحول إلى محرك صغير. لا يحتاج الجهاز إلى بطاريات أو جهد خارجي، فالوقود هو الملاحظة نفسها.

مقياس الحرارة المغمور في عينة ما يخبرنا عادةً بدرجة الحرارة فقط. لكن إذا كانت درجة الحرارة تتأرجح قليلًا، واستجابت العينة بتأخّر، فإن هذه الاستجابة تخفي أكثر من ذلك: الجزء التخيلي من السعة الحرارية، والذي تبيّن أنه قادر على سماع صدى الزمن الكمومي.

الآلة الحرارية مثل مركب شراعي: لكي تتقدم إلى الأمام، تحتاج إلى فرق. عادةً ما يكون هذا فرقًا في درجات الحرارة بين الخزان الساخن والبارد. ولكن ماذا لو بدأ الخزان نفسه في التحرك؟ الرياح التي تملأ الأشرعة لا تنشأ فقط من فرق الضغط، بل أيضًا من حركة الكتل الهوائية. في عمل جديد، تبيّن أن الحركة النسبية للخزانات تؤثر على الآلة الحرارية الكمومية مثل هذه الرياح، مما يسمح لها بتجاوز حد كارنو الكلاسيكي.

كيوبتان (وهما بتّان كموميان، أي نظامان ذو مستويين) ينزلقان عبر حمّامين حراريين، أحدهما ساخن والآخر بارد. يتحرك أحدهما بسرعة 0.8 من سرعة الضوء. في هذه اللحظة، تتصدع الديناميكا الحرارية المألوفة: فالكيوبت المتحرك يُدرك درجة الحرارة بشكل مختلف عن الكيوبت الساكن. بالنسبة له، قد يبدو الحمام البارد أكثر سخونة، والحمام الساخن أكثر برودة.

البطارية الكمومية ليست صندوقاً فيه إلكتروليت، بل حفنة من الذرات أو الدوائر فائقة التوصيل، تُخزن الطاقة في حالات مثارة. يمكن شحنها في أجزاء من الثانية باستخدام التأثيرات الكمومية الجماعية. لكن بمجرد أن تجد البطارية نفسها في العالم الحقيقي، تبدأ الطاقة بالتسرب على شكل حرارة: الإنتروبيا القصوى (ergotropy)، أي أقصى شغل يمكن استخراجه من حالة كمومية، تتبدد بشكل غير قابل للعكس.