القانون الثالث للديناميكا الحرارية

في بلورة مثالية من تيتانات الرصاص، تصطف الذرات كما يصطف الجنود في ساحة العرض: كل ثنائيات الأقطاب الكهربائية تشير في اتجاه واحد. لقلب هذا الصف 180 درجة، تطلبت الحسابات القديمة طاقة تقارن بتسخين البلورة إلى درجة حرارة تبلغ ملايين الدرجات. مثل هذا الحاجز جعل تبديل الاستقطاب مستحيلًا، وظل الفيزيائيون قرابة 70 عامًا يفسرون السلوك المرصود بالعيوب وحدود الحبيبات.

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.

في طبقة رقيقة من بلورة سائلة، تكون الجزيئات عادة موجهة مثل أعواد الثقاب في علبة: محاورها الطويلة متوازية، لكن الاتجاهين "للأعلى" و"للأسفل" موزعون بشكل عشوائي. لإجبار كل الجزيئات على النظر في اتجاه واحد، يلزم تصميم جزيئي خاص. وجد الباحثون حيلة كيميائية تفعل ذلك بشكل شبه تلقائي.

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.

مترجم يحفظ كل الحوار مسبقًا يردّ فورًا — لا يحتاج إلى الاستماع إلى المحادثة كاملة من جديد. هكذا يعمل النموذج الجديد: فهو لا يشغّل الذرات في الحاسوب لساعات، بل يخرج مباشرة الطاقة الحرة للبلورة عند أي درجة حرارة وضغط.

لدى الثقب الأسود ثلاثة قوانين للديناميكا الحرارية — تمامًا مثل الغاز المثالي. الأول: الطاقة لا تختفي. الثاني: مساحة أفق الحدث لا تتناقص. أما الثالث، وهو الأكثر صعوبة، فيتطلب أنه عند درجة حرارة الصفر، تميل الإنتروبيا (مقياس الاضطراب) إلى الصفر أو إلى ثابت عام.

تحمل الرياح حبوب اللقاح، وكل حبة تتحرك وكأنها مستقلة بذاتها. ولكن بمجرد أن يتحول الهواء إلى دوامة، لا يمكن فصل مسارات حبوب اللقاح بعد الآن، فهي متشابكة. هذا تقريبًا ما تفعله الإلكترونات في المعدن الغريب: حركتها مرتبطة بشدة بالتذبذبات اللينة للوسط، لدرجة أن الجسيمات الناقلة المألوفة تختفي.

النهر يتفرع. أحد الفرعين واسع وسريع، تتدفق فيه المياه بسلاسة، لكن مع ارتفاع درجة الحرارة يتباطأ التيار: تظهر الدوامات والأمواج. الفرع الثاني ضيق، ذو منحدرات، حيث تقفز المياه من صخرة إلى أخرى. هذا التدفق، على العكس، يصبح أكثر حيوية مع التسخين. تقريباً هكذا، وفقاً لدراسة جديدة، يتصرف التيار الكهربائي في عائلة المعادن الغامضة — الأكتينيدات.

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.

قاعة مكتظة بالراقصين ينزلقون دون أدنى احتكاك — يمرون عبر بعضهم البعض دون أن يتلامسوا. هذا هو السائل فائق السيولة. في قشرة النجم النيوتروني، يمكن للنيوترونات أن تتصرف بهذه الطريقة، لكن شبكة صلبة من الأيونات تعيقهم — كما لو أن حلبة الرقص امتلأت فجأة بأعمدة كثيفة. كان يُعتقد عادةً أن الشبكة ثابتة تمامًا، وأن السيولة الفائقة تكاد تختفي.

الكعكة الرياضية — الطوروس — تقع على حدود عالم ثلاثي الأبعاد حيث تعمل الجاذبية. يمكن عجنها وتمديدها، وقرر الفيزيائيون اختبار سلوكها. داخل هذا العالم، يمكن أن يكون الفضاء مسطحًا مثل الطاولة، أو منتفخًا مثل فقاعة الصابون، أو منحنيًا مثل السرج. الحدود على شكل كعكة لم ترغب في البقاء ملساء. تظهر عليها تجاعيد تلقائيًا، وأحيانًا تعبر نفسها — مثل شريط ملفوف في حلقة يخترق جانبه.

البلوتونيوم معدن ذو شخصية. أحد أشكاله ينكمش عند التبريد، بينما يتضخم شكل آخر. لكن عند درجة حرارة الغرفة، تتصرف السبيكة بشكل غريب: المسطرة تُظهر شيئًا، والأشعة السينية تُظهر شيئًا آخر. المسطرة تقول إن العينة لا تكاد تنمو، بينما ترى الأشعة السينية الذرات في الشبكة البلورية تتباعد أكثر فأكثر.

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تتصادم الأنوية فحسب، بل أيضًا البروتونات المنفردة. حتى في مثل هذه الأنظمة الصغيرة، تُلاحظ سلوكيات جماعية تشبه تدفق السوائل. لكن البروتون جسم كمومي، حالته توصف بالدالة الموجية، وليس بدرجة الحرارة والضغط.

يمكن أن يكون الماء جليدًا أو سائلًا أو بخارًا. يسمي الفيزيائيون هذه الحالات أطوارًا. نظريًا، لكل طور مقياسه الخاص — طريقة لوصف مدى احتماليته. لكن ليس كل مقياس يمكن تخيله يوجد في الطبيعة. بعض الأطوار حقيقية، وبعضها مجرد وهم رياضي. وجد العلماء معيارًا بسيطًا يفصل الواقع عن السراب. لنأخذ نظامًا يمكن أن يتواجد في حالات مختلفة وننظر إلى إنتروبياه — مقياس الفوضى.

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.

الماء، الذي يُفصَل بالكهرباء إلى هيدروجين وأكسجين، هو حلم قديم للوقود النظيف. لكن فقاعات الغاز الصغيرة تقف في الطريق: فهي تلتصق بالأقطاب الكهربائية مثل الرغوة على جدران كوب المشروب الغازي، وتعيق التيار عن أداء عمله. كل فقاعة من هذه الفقاعات هي بمثابة سدادة صغيرة تحجب جزءًا من السطح حيث يجب أن يحدث التفاعل. قرر العلماء النظر في ما سيحدث إذا رفعنا الضغط في الجهاز.

الماء في قدر عند تسخينه لا يغلي، بل يتحول إلى جليد. هذا تقريبًا ما تفعله الذرات فائقة البرودة في شبكة بصرية (optical lattice) — وهي شبكة بلورية ضوئية تثبّت الذرات في أماكنها. قام العلماء بمحاكاة هذا النظام على الكمبيوتر لفهم كيف يتغير النظام مع ارتفاع درجة الحرارة.

التشابك الكمي هشّ كالجليد في الفرن، وعادةً ما يتلاشى من أدنى حرارة. بالقرب من الثقب الأسود، حيث ينحني الفضاء بفعل جاذبية أينشتاين، ويسخن إشعاع هوكينغ هوكينغ، كان ينبغي أن تنهار أي رابطة. لكن الفيزيائيين اكتشفوا استثناءً.

مكعب من تانتالات البوتاسيوم يتصرف كعازل كهربائي عادي: فهو لا يخزن المجال الكهربائي. ولكن بمجرد زراعة هذه المادة كغشاء رقيق على ركيزة من بلورة أخرى، يتغير كل شيء. الشبكات البلورية للغشاء والركيزة غير متطابقة في الحجم، لذا يضطر الغشاء إلى التكيف — فهو ينضغط بنسبة 2.1 بالمئة.

إذا مررنا تيارًا كهربائيًا في سلك، فإن السلك يسخن. هذا يعرفه كل من لمس شاحن الهاتف مرة واحدة على الأقل. يسمي الفيزيائيون هذا التسخين بتسخين جول (Joule heating) — نسبة إلى جيمس جول، الذي قاس في منتصف القرن التاسع عشر كمية الحرارة التي ينتجها التيار الكهربائي. ومنذ ذلك الحين، أصبحت المعادلة بسيطة: كلما زادت المقاومة وشدة التيار، زادت حرارة السلك.