ذرات فائقة البرودة

كانت الكناري تُؤخذ إلى المنجم ليس من أجل تغريدها. كان الطائر يسقط من مجثمه قبل أن يلاحظ عامل المنجم غاز أول أكسيد الكربون. في الفراغ فائق الارتفاع، يقوم بدور الكناري سحابة من مئة ألف ذرة من الليثيوم أو الروبيديوم. يبرّدها الليزر إلى عشرات الميكروكلفن، فتبقى معلقة في مصيدة مغناطيسية ضحلة لا يتجاوز عمقها ألف كلفن تقريبًا.

مختبر الكم يشبه مطبخًا ينتظر فيه الطباخ يومًا كاملًا حتى يبرد الموقد. الكيوبتات فائقة التوصيل لا تعمل إلا عند درجات حرارة تبلغ أجزاء من المئة من الكلفن، وكل دورة «تبريد – قياس – تدفئة» تستهلك يومًا. مجموعة من المهندسين بنت ثلاجة بحجم البطيخة وكتلة 3 كجم تنجز المهمة في ساعتين. في الداخل، بدلًا من البرج المعتاد بالأنابيب، تصميم مقلوب: أبرد نقطة في الأعلى، والمراحل الدافئة في الأسفل.

تخيل كرة بلياردو معلقة في الهواء، تُطلق نحوها حبيبات صغيرة من أنبوب نفخ. كل اصطدام بالكاد يُلاحظ، لكن إذا كانت الكرة خفيفة جدًا ولا تهتز كثيرًا من الحرارة، يمكن تمييز الدفعات الفردية. هذا تقريبًا ما يحدث في التجربة: كرة زجاجية بحجم بكتيريا تطفو في الفراغ، ويُطلق نحوها شعاع ضيق من ذرات الزينون.

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.

جهاز استقبال راديوي بحجم كف اليد قادر على قياس قوة الإشارة بدقة تفوق مناضد المختبرات باهظة الثمن. لا توجد بداخله ملفات ولا هوائيات — فقط رأس زجاجي وسحابة من ذرات الروبيديوم مُبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تطفو الذرات في نقطة تقاطع أشعة الليزر، محتجزةً ليس بالمغناطيس بل بقوة الضوء — مثل ذبابة صغيرة في قطرة شراب.

في الفضاء السحيق، يوجد جسم افتراضي — ثقب أسود فائق البرودة. يحمل شحنة كهربائية ويقع في كون يتمدد — فضاء دي سيتر، حيث يهيمن الثابت الكوني. درجة حرارته قريبة من الصفر المطلق — أعلى منه بحوالي واحد على تريليون درجة.

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.

المادة المظلمة هي الهيكل غير المرئي الذي تحمل عليه المجرات. ولكن كيف ظهرت بالضبط؟ الإجابة القياسية: جسيمات المادة المظلمة توقفت ذات يوم عن التصادم و"تجمدت" بالكمية التي نراها اليوم. ومع ذلك، هناك طريق أكثر دهاءً، وهو UFO، أو التجميد فائق السرعة. هنا يشبه الأمر قهوة تبرد ثم تسخن مجددًا بينما تُحمل عبر ممر بارد.

تخيل ناطحة سحاب مبنية ليس من الطوب المنفرد، بل من شقق استوديو كاملة. هكذا تمامًا تتكون بلورة Au₆Te₁₂Se₈: عُقدها ليست ذرات، بل عناقيد ذرات فائقة من الذهب وعناصر الكالكوجين، والتي تتصرف ككائنات كمومية واحدة. في الشبكات الذرية العادية، تولد الحركة الجماعية للإلكترونات موجة طولية لكثافة الشحنة - ما يشبه 'الموجة' في المدرجات، حيث يقف الجمهور ويجلس بالتناوب.

الفراغ ليس فارغًا كما يبدو. إذا تحرك راصد بتسارع، فإن الفراغ من حوله يسخن — هذا ما تنبأ به ويليام أونروه في سبعينيات القرن العشرين. التأثير يشبه إشعاع الثقب الأسود، لكن في فضاء مسطح.

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.

يشبه الكون كعكة متعددة الطبقات، حيث طبقتنا — النجوم والكواكب والبشر — ليست سوى واحدة من طبقات كثيرة. في الطبقة المجاورة، التي يسميها الفيزيائيون القطاع الخفي، تغلي عمليات خاصة بها. يحكي هذا العمل عن إحدى هذه العمليات — تحول طوري من النوع الأول، عندما تغير المادة حالتها فجأة، مثلما يتحول الماء إلى جليد.

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.

الثقب الأسود العادي يشبه الموقد الذي يسخن أكثر كلما قلت كتلته. ثقب صغير يجب أن يتوهج إلى درجات حرارة لا يمكن تصورها ويتبخر في لحظة. لكن هذا السيناريو لا يأخذ في الاعتبار التصحيحات الكمومية — ما يحدث عندما يبدأ نسيج انحناء الزمكان نفسه في الاهتزاز.

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.

اضرب جرسًا — سيستجيب بنغمته المميزة. هكذا أيضًا الثقب الأسود، عندما يضطرب بسقوط نجم أو ثقب أسود آخر، يبدأ في "الرنين"، باعثًا موجات ثقالية. لكن بدلًا من الصوت، يكون الاهتزاز في المكان نفسه، وبدلًا من نغمة واحدة، هناك مجموعة كاملة من الترددات المتلاشية. تُسمى هذه الأنماط شبه الطبيعية.

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.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط اللحن العام. هكذا تقريبًا ينظر الفيزيائيون إلى الإلكترونات في الكوبرات (cuprates) — مواد سيراميكية توصل التيار دون مقاومة عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل. الأبطال الرئيسيون هم ذرات النحاس والأكسجين. تقفز الإلكترونات بينها، وتتفاعل، وتُحدث تأثيرًا مذهلًا.

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.

الموصل الفائق هو مادة تتدفق فيها الكهرباء دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن لكي يصبح الأنبوب مثاليًا، يجب تبريده إلى درجة حرارة منخفضة جدًا. يبحث الفيزيائيون منذ زمن طويل عن طرق لصنع مثل هذا الأنبوب عند درجة حرارة أكثر دفئًا، ومن بين الأدلة المهمة النقطة الحرجة الكمومية. النقطة الحرجة الكمومية هي مثل ممر بين واديين.

تخيّل أنك تريد فحص ندفة ثلج دون أن تذوب أو تتضرر. هذا تقريبًا التحدي الذي يواجه العلماء الذين يريدون دراسة البروتينات المنفردة — تلك الآلات الجزيئية الدقيقة للحياة. البروتين في محلول يهتز باستمرار ويلتصق بجيرانه، وفي المجهر الإلكتروني يدمره الشعاع.

إن قدرًا عاديًا من الألومنيوم على الموقد لا يصدر جزيئات يمكن التقاطها بالضوء. ولكن إذا أخذت الألومنيوم وملح الألومنيوم وسخنتهما معًا في فرن صغير، فستحصل على تيار من جزيئات فلوريد الألومنيوم - مثل بخار الماء المتصاعد من فوهة إبريق الشاي، لكن بدلاً من قطرات الماء، تطير جزيئات صغيرة جدًا.

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.

في الهيليوم المبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، يتوقف السائل عن الاحتكاك بنفسه ويبدأ بالتدفق دون أدنى مقاومة. أطلق الفيزيائيون في مثل هذا الهيليوم فائق الميوعة كرات بوليمرية صغيرة — يتراوح قطرها من ميكرومتر واحد إلى ستة ميكرومترات، بحجم البكتيريا — وتابعوا سقوطها عبر إضاءة ليزرية. كانت الكرات تتوهج، وسجلت الكاميرا مساراتها.

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.

يبدو زجاج النوافذ العادي جامدًا إلى الأبد، لكن في داخله لا تبقى الذرات ساكنة أبدًا. في تيلوريد الجرمانيوم اللابلوري (GeTe) — وهي مادة تُستخدم في الأقراص القابلة لإعادة الكتابة والذاكرة غير المتطايرة — تمكن الفيزيائيون لأول مرة من تتبع مباشرة كيف تتمدد الروابط الذرية وتنحني خلال أجزاء من تريليون من الثانية.

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.

الجزيئات فائقة البرودة مادة واعدة للحوسبة الكمومية، لكن جمعها في مصفوفة مرتبة مثل البيض في العلبة ليس بالأمر السهل. تم اقتراح طريقة لتحميل جزيء واحد في الملاقط الضوئية أو الشبكات مباشرة من الغاز. الجزيئات في هذه الحالة تكون فورًا في حالة الحركة الأكثر هدوءًا. السر يكمن في التنافر القوي بين الجزيئات المحمية بالموجات الدقيقة.

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.

طبقة من الإلكترونات محبوسة بين طبقتين من أشباه الموصلات، عند درجة حرارة منخفضة، تصطف في شبكة منتظمة - مثل خرزات على خيط مشدود بين الأصابع. وعندما ترتفع درجة الحرارة، ينهار النظام: تذوب البلورة. لكن كيف تذوب بالضبط، ظل لغزًا لفترة طويلة.

في العالم الكبير المألوف لدينا، أي حركة تخمد حتمًا: يتدخل الاحتكاك، وهو عملية تبديد (dissipation) تشتت الطاقة. لكن الواقع الكمومي يقدم مفاجآت. ظاهرة السيولة الفائقة، المعروفة مثلًا في الهيليوم عند درجات حرارة منخفضة للغاية، تسمح للسائل بالتدفق دون مقاومة لزوجة، وكأنه نسي الخسائر إلى الأبد.

الضوء الصادر من بلورات البيروفسكايت النانوية يشبه أداء جوقة، حيث تتردد الأصوات تارةً منفردة وتارةً كثنائي متناغم. سابقًا، لم يكن يُسمع هذا الثنائي إلا مع تبريد شديد، يقارب برودة الفضاء الخارجي. أما الآن، فقد غنّت الجوقة في درجة حرارة الغرفة.

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.

منذ أن أظهرت فيرا روبين لأول مرة وبشكل مقنع أن المجرات محاطة بمادة غير مرئية، لا يزال البحث عن طبيعة المادة المظلمة أحد المهام الرئيسية في الفيزياء.

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.

مكعبات الثلج في الكأس تذوب، والماء يختلط من تلقاء نفسه. هكذا تتصرف العديد من الأنظمة الكمومية: تتبادل الجسيمات الطاقة، وبعد فترة يختفي النظام. ولكن إذا أضفت ملعقة من العسل إلى الكأس، يتباطأ الاختلاط، ومع البرد الشديد يتجمد الماء إلى زجاج — دون شبكة بلورية، ولكن أيضًا دون سيولة.

الكيوبت، قلب الحاسوب الكمومي، يشبه فقاعة صابون: أدنى نسمة هواء تجعلها تنفجر. على الأرض، تسحب الجاذبية الفقاعات إلى الأسفل مسببة اهتزازات، ويضيف الاضطراب الحراري للذرات ارتجاجاً. الانتروبيا — مقياس هذه الفوضى — تدمر المعلومات الكمومية.

عندما تُبرَّد سحابة من الذرات إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكنها الدخول في حالة كمومية موحدة، حيث تتصرف كمجموعة منسقة. إذا وُلد في مثل هذه السحابة نيوترينو — وهو جسيم شبح لا يتفاعل تقريبًا مع المادة — فإنه عادةً ما يفلت دون أن يُلاحظ.

ثقبان أسودان يدوران في رقصة متقاربة، وحولهما يولد شيء مذهل: جزيء ثقالي. سحابة من البوزونات فائقة الخفة، وهي جسيمات كتلتها أقل من إلكترون فولت، تغلف الزوج مثل سحابة إلكترونية في أيون H2+. لكن الدور الذي تلعبه النوى هنا تلعبه الثقوب السوداء، والدور الذي يلعبه الإلكترون يلعبه حقل موزع على عشرات الكيلومترات.