فراغ

كعكة طبقات من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم MoS2 موضوعة على طاولة المختبر. تُحضَّر بالطريقة المألوفة: شريط لاصق يزيل الطبقات العليا للحصول على عينة رقيقة. لكن تحت الشريط تبقى فجوة غير مرئية، حيث لم تعد الطوابق الذرية ملتصقة ببعضها البعض. هناك تحديدًا تبدأ الإلكترونات في التصرف بشكل مختلف عن سلوكها في عمق البلورة.

تخيل لغزًا ضخمًا، كل قطعة فيه جسيم كمومي. لتجميع الصورة، لا يكفي مجرد توصيل القطع، بل يجب تشابكها بطريقة خاصة – إنشاء تشابك كمومي، حيث ترتبط حالة جسيم واحد ارتباطًا وثيقًا بحالة جسيم آخر. عادةً ما يتم ذلك عن طريق تطبيق العمليات بعناية واحدة تلو الأخرى – كما لو كنت تجمع اللغز بدقة وفقًا للتعليمات، صفًا بعد صف.

الضوء الذي يغادر جسمًا ضخمًا يفقد طاقة: يقل تردده قليلًا، وينزاح لونه نحو الطرف الأحمر من الطيف. يسمي الفيزيائيون هذه الظاهرة بالانزياح الأحمر الجذبوي الانزياح الأحمر الجذبوي. في إطار الفيزياء الكلاسيكية، كل شيء واضح، لكن على المستوى الكمومي تظهر دقائق. سابقًا، حاولوا نمذجة هذا الإزاحة كتأثير «خالط الأنماط» — جهاز يخلط الحالات الكمومية المختلفة للضوء. لكن هذا النموذج كان يفشل.

في قدر به ماء مغلي، تظهر فقاعات البخار وتختفي، وصِراع مشابه يحدث في المواد ثنائية الأبعاد. هنا، تخلق الإلكترونات المغناطيسية وتحاول في الوقت نفسه إخمادها.

في الفيزياء الكلاسيكية، يوجد قيد أساسي: لا يمكن أن تكون كثافة الطاقة سالبة، ولا يمكن أن يتجاوز تدفقها سرعة الضوء. تخيل مقهى: لا يستطيع النادل توزيع الطلبات أسرع من ركضه هو نفسه. يسمي الفيزيائيون هذا بشرط هيمنة الطاقة (dominant energy condition).

في مركز كل مجرة تقريبًا يختبئ ثقب أسود فائق الكتلة. جاذبيته قوية لدرجة أنها تغيّر الفضاء نفسه. لكن قليلين يتساءلون: ماذا يفعل بنسيج الواقع نفسه — بالحقول التي تخترق الكون؟ أحد هذه الحقول هو حقل هيغز. في الظروف العادية يعمل مثل شراب كثيف: كلما زادت «التصاق» الجسيم به، زادت كتلته.

الفضاء الفارغ ليس فارغًا كما يبدو. وفق نظرية الكم، يمتلئ الفراغ بجسيمات تُولد وتختفي باستمرار. في عام 1976، أظهر الفيزيائي ويليام أونروه أنه إذا تحرك راصد بتسارع، فإن هذا «الحساء الكمومي» يتحول بالنسبة له إلى حمام دافئ حقيقي — تأثير أونروه.

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.

الثقب الأسود ليس مجرد هاوية يسقط فيها كل شيء. عند أفق الحدث مباشرة، في ما يسمى بالغلاف الكمومي، يولد توهج خافت — إشعاع هوكينغ. هذا ليس ضوءاً هادئاً، بل تياراً من الجسيمات المتلاطمة، قادراً على التأثير في أدق الارتباطات الكمومية.

بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بسلسلة من التحولات الطورية – كالماء عندما يتحول إلى جليد، ولكن بأنماط لا يمكن التنبؤ بها. عند كسر التناظرات المتقطعة في الحقول الكمومية، وُلدت جدران المجال – حدود بين فراغات مختلفة، أشبه بندوب على جسد الزمكان.

غالبًا ما يُشبَّه العالم الكمومي بآلة موسيقية. كل نظام — سواء كان ذرة أو سلسلة جسيمات — يصدر تردداته الخاصة، التي يسميها الفيزيائيون مستويات الطاقة. في الأنظمة الفوضوية، كما في أوركسترا بلا قائد، تملأ هذه الترددات عادةً النطاق المتاح بالكامل دون فجوات. لكن مؤلفي العمل الجديد وجدوا استثناءً مذهلاً. لقد درسوا ما يسمى بالسلاسل المغزلية المقيدة — صفوف من الجسيمات التي لا يمكنها تغيير حالتها إلا وفق قواعد معينة.

شعاعا ضوءٍ يلتقيان في نقطةٍ واحدة ثم يتباعدان. يشكّل مساراهما سطحين متقاطعين في الزمكان — سطحين معدومين (null hypersurfaces) (حدود ينتشر الضوء على طولها). على هذا الزوج من السطوح يستطيع الفيزيائيون تحديد البيانات الابتدائية لمعادلات أينشتاين. يُسمّى هذا مسألة كوشي المميزة (characteristic Cauchy problem). حتى الآن، دُرست هذه المسألة فقط في إطار الفيزياء الكلاسيكية.

منذ أن لاحظ فريتز زفيكي أن عناقيد المجرات تتحرك بسرعة كبيرة، وقامت فيرا روبين بقياس دوران الأذرع الحلزونية، ظلت المادة المظلمة اللغز الأكبر في علم الكون.

في اللحظات الأولى من حياة الكون، لم يكن هناك أي أثر للطاقة المظلمة — تلك القوة التي تدفع المجرات بعيدًا عن بعضها بسرعة متزايدة اليوم. ولكن إذا نظرنا أعمق، إلى مستوى مقاييس بلانك (أصغر بمليارات المليارات من نواة الذرة)، يتوقف الزمكان عن كونه أملسًا. إنه يشبه رغوة من "الطوب" الصغير — بنى متقطعة قد ينشأ منها الجاذبية.

بناء منزل على الرمال فكرة سيئة. في الفيزياء، اعتُقد لفترة طويلة أن نظرية الجاذبية الكمية لا يمكن بناؤها على «رمال» ثابتة — زمكان محدد مسبقًا. تعلمنا النسبية العامة لأينشتاين أن الزمكان نفسه يتغير تحت تأثير المادة، لذا فإن أي خلفية صلبة هي تبسيط مصطنع.

على ملاءة مشدودة تجري طيّة وحيدة — انحدار حاد في الارتفاع لا يتبدد بل يتحرك ككل. يسمي الفيزيائيون هذه الطيّة «كينك» (kink). إذا جذبت الملاءة فجأة في مكان واحد، ستنتشر تموجات عليها. لكن في بعض الأوساط، لا تتبدد هذه التموجات بل تتجمع في كتلة وترتجف في مكانها لعشرات ومئات الدورات. هذه الكتلة هي أوسيلون. لفترة طويلة، اعتُبرت الأوسيلونات أجسامًا مستقلة تعيش بنفسها في الفضاء الفارغ.

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.

ألقِ حفنة من الفوسفور في السيليكون، وعند تركيز معين من الشوائب، يبدأ المادة فجأة في توصيل التيار. هذا هو الانتقال الطوري من معدن إلى عازل، ويحدث فجأة. ولكن ما الذي يتغير بالضبط في الدوال الموجية للإلكترونات عندما يتحول العازل إلى معدن؟ يمكن استخلاص الإجابة من كيفية امتصاص المادة للضوء.

في عام 1953، أثبت عالم الرياضيات ألكسندر غروتينديك نظرية أصبحت حجر الزاوية في نظرية الجداءات التنسورية. تنص على أنه بالنسبة للفضاءات العادية للدوال، فإن المعيارين الطبيعيين - الإسقاطي والحقني - متكافئان حتى ثابت عام. بعبارة أخرى، طريقتان لقياس "حجم" تركيبات المتجهات تعطيان نتائج متقاربة.

في بطارية الهاتف، هناك دائمًا طاقة لا يمكن الوصول إليها، وكأنها ملتصقة بالقطبين. في العالم الكمومي، يُطلق على هذا الجزء "الملتصق" اسم الطاقة المقيدة. أظهر مؤلفو الدراسة أنه إذا تم توصيل جسيم مساعد بالبطارية (وهو يلاحظ فقط ولا يتخلى عن طاقته)، فإن الطاقة المقيدة تتوقف عن كونها عبئًا ميتًا. الاكتشاف الرئيسي هو سقف صارم لهذا التعزيز.

تشبه مراصد الموجات الثقالية أذنًا حساسة تصغي إلى قصف بعيد للكوارث الكونية. ولسماع الهمس الخافت لاندماج الثقوب السوداء، تستخدم كاشفات الموجات الثقالية ضوءًا مُعدًّا خصيصًا يُدعى الفراغ المضغوط. هذا الضوء يكبح الضجيج الكمومي الطبيعي، مما يسمح للأجهزة بتجاوز الحد الكمومي القياسي.

توسع الكون المبكر بسرعة لا يمكن تصورها — أسرع من أن يعبره الضوء. في هذا المرجل المغلي، كانت أي منطقة من الفضاء تشبه علبة طلاء مفتوحة: حدودها تلتقط باستمرار «بخارًا» جديدًا من الخارج، بينما يهرب جزء من محتواها إلى الأبد. بنى مؤلفو الدراسة الجديدة نموذجًا رياضيًا لهذه العلبة المفتوحة — نظام كمومي غير معزول عن محيطه.

في الجبال يوجد سرج — نقطة يمر فيها الطريق من وادٍ إلى آخر. إذا وقفت عليه تمامًا، تخطو خطوة وتجد نفسك تنزل على منحدر جديد. في الكيمياء، يُسمى هذا المكان الحالة الانتقالية: لحظة وجيزة تتجمد فيها الذرات على عتبة التحول. لنحو مئة عام، كان الفيزيائيون على يقين من أن هذا الممر يختفي في العالم الكمومي.

فقاعة صابون معلقة في الهواء، وشكلها يحوي بالفعل كل ما يلزم لحساب التوتر الداخلي. مبدأ مشابه نجح في عمل جديد حول الجاذبية الكمومية. أخذ الفيزيائيون سطحًا مغلقًا — وهو ما يعادل تلك الفقاعة — وحددوا عليه عدة أرقام: مثلًا شدة المجال الكهربائي والانحناء. وكان ذلك كافيًا لينشأ من الداخل جسم كمومي من تلقاء نفسه.

تتعلم الشبكات العصبية التقليدية من آلاف الأمثلة، مستهلكةً ساعات وغيغاواطات من الطاقة. لكن الفيزيائيين وجدوا طريقًا كموميًا مختصرًا. كان ماكس بلانك قد أظهر تكميم الطاقة، واليوم يسمح لنا ذلك بالتوليد دون تدريب. تبني الطريقة مشهدًا طاقيًا: كل نقطة فيه تمثل صورة أو عبارة محتملة، والصورة النهائية هي أدنى منخفض فيه.

الموصل الفائق ينقل التيار دون مقاومة — مثل الماء الجاري في أنبوب دون احتكاك. السر يكمن في أزواج الإلكترونات: إلكترونان يلتصقان معًا ككيان واحد، رغم أنهما عادةً يتنافران. في الموصل الفائق العادي، يتجه لَفّا الإلكترونين في الزوج إلى اتجاهين مختلفين — وهذه حالة مفردة (singlet). يمكن تشبيهها بمتزلجين فنيين يدوران ظهرًا لظهر.

لقرابة قرن، يراقب علماء الفلك كيف تدور المجرات وكأن كتلة غير مرئية تمسك بها. أول من لاحظ ذلك كان فريتز زويكي أثناء دراسته حركة المجرات في عنقود كوما، بينما قامت فيرا روبين بقياس دقيق لسرعات النجوم في أطراف المجرات الحلزونية، فاكتشفت أنها تظل مرتفعة ولا تنخفض كما كانت المادة المرئية تتنبأ.

عادةً ما يُرسم عالم الكم بنقاط، لكن الأجهزة الحقيقية لا ترى سوى بقع ضبابية. لطالما شك هايزنبرغ و فون نويمان في أن الدقة غير قابلة للتحقيق. تقترح النظرية الجديدة التفكير في الحالات على أنها «قطرات كم» – مناطق من القيم الممكنة، مثل قطرة ماء تحت المجهر ذات حدود غير واضحة.

الكون ليس كتلة صلبة واحدة، بل نسيج من عدد لا يحصى من الخيوط الكمومية. الزمكان لا يجري كالماء، بل يهتز كسجادة في مهب الريح. لوقت طويل، رأى الفيزيائيون النمط العام فقط، متجاهلين ارتعاش الخيوط الفردية. لكن إذا أصغيت، تندمج هذه الرعشات في ما يشبه الصوت — ليس مسموعًا بالأذن، لكنه يشبه موجة في وتر مشدود. هذا ما وُصف في العمل الجديد: الاهتزاز المتناغم للخيوط الكمومية في الكون.

تخيّل الكون ككتابٍ بعددٍ محدودٍ من الصفحات. توسّعه المتسارع، الذي يحرّكه الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تدفع الفضاء بعيدًا — يعمل كتجلّدٍ غير مرئي: الصفحات البعيدة تُثبَّت إلى الأبد، فتصبح فصولًا لا يمكن الوصول إليها.

البت الكمومي (الكيوبت) بناء شديد الحساسية. حتى الحرارة الضعيفة تدمره، كما تقلب دفعة عشوائية كأساً من الكريستال. لحماية هذه المعلومات الهشة، ابتكر الفيزيائيون بنية كمومية ثلاثية الأبعاد تذكرنا بالدمى الروسية المتداخلة.

مكعب الثلج في كوب الماء لا يطفو فحسب، بل يندفع. جزيئات الماء تقصفه من كل الجهات، وهذا القصف يولّد قوة يمكن قياسها. في الفيزياء توجد قوة مشابهة، لكنها لا تؤثر على الثلج، بل على كل ما له كتلة، ولا تنشأ من تزاحم الجزيئات، بل من المعلومات. تُسمى قوة الإنتروبيا. حول الثقب الأسود يمكن تخيل كرة غير مرئية — أفق الحدث.

وُضعت ورقتان رفيعتان مرسوم عليهما خلايا سداسية فوق بعضهما ودُوِّرتا قليلًا. ينشأ نمط جديد — تموّج (moiré) يشبه لمعة الحرير. تقريبًا هكذا تصرفت الإلكترونات في التجربة: اصطفّت في طبقتين، وكانت إحداهما منزاحة عن الأخرى بمقدار 30 درجة بالضبط. تتصرف الإلكترونات ككائنات خجولة: حتى في حالة السكون التام لا تبقى مكانها، بل تهتز باستمرار.

على سطح كرة صغيرة جدًا يعيش حقلان غير مرئيين، مثل نوعين من التموجات على فقاعة صابون. هذان الحقلان لا يهتزان فحسب، بل يؤثران باستمرار على بعضهما البعض، مثل موسيقيين يعزفان بتناغم. في عمل جديد، استنتج الفيزيائيون معادلات دقيقة تصف كيف تتغير هذه التموجات مع الزمن، وكيف تسخن وتتحول إلى فوضى. درجة الحرارة هنا ليست مقياس حرارة مألوفًا، بل هي مقياس للاضطراب الداخلي للحقول.

في فيزياء الجسيمات الأولية، من المعتاد منذ زمن طويل اعتبار أن قوى الطبيعة — الكهرومغناطيسية، والتفاعل الضعيف، والتفاعل القوي — تخضع لتناظر صارم يسمى التناظر المعياري (gauge symmetry). إنه بمثابة مجموعة قواعد تتبادل بها الجسيمات ناقلات القوى. ولكن من أين تأتي القواعد نفسها؟ عادةً ما تُدخل يدويًا، ثم يُتحقق من أن كل شيء متسق.

صيادٌ يُلقي شبكته في مياه راكدة هادئة. كلما طال الحبل، ضعُف إحساسه بأدقّ حركة للسمكة — فالموجة تتبدد في الطريق. لكن ماذا لو لم يكن الإشارة تخفت بل تتصاعد؟ هذا تقريبًا هو الخدعة التي يصفها مؤلفو العمل على مجموعة من الجسيمات موضوعة في مجال ذي تدرّج قوة "مدرَّج" خاص.

الفراغ الكمومي في النموذج القياسي ليس فراغًا مطلقًا، بل وفقًا لـالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، هو وسط فيزيائي يشبه وترًا مشدودًا بإحكام، تولد فيه وتفنى باستمرار جسيمات افتراضية.

غبارتان صغيرتان تحومان في نقطة تقاطع أشعة الليزر. كل واحدة تُمسك بواسطة «ملقط» خاص بها — شعاع مركّز يمنع الجسيم من السقوط. داخل تجويف مرآوي، يرتد الضوء بين الجدران، وترتبط تذبذباته بارتعاش الغبارتين. عادةً، تهتز هذه الجسيمات باستمرار بسبب الحركة الحرارية، وهذا الاهتزاز يحجب رؤية التأثيرات الكمومية. لإيقاف الاهتزاز، يستخدم العلماء الضوء: فهو يسحب الطاقة من الحركة، مثل يد تهدئ أرجوحة تتأرجح.

سحابة ذرية فائقة البرودة، محاصرة في مصيدة من ضوء الليزر، تستطيع «التنفس»: فهي تنقبض وتتمدد بإيقاع، مثل الرئتين. لطالما عرف الفيزيائيون كيفية مراقبة هذا التنفس، لكنهم الآن فقط أدركوا أن مداه ليس مجرد صورة جميلة، بل مقياس دقيق للاهتزازات الطاقية الخفية داخل السحابة. يُظهر العمل أن سعة التنفس مرتبطة بتقلبات الطاقة بصيغة عالمية.

في بلورة HfTe5، تتصرف الإلكترونات تقريبًا مثل الضوء: كتلتها صغيرة جدًا لدرجة أنها تخضع لقوانين النسبية. إذا وضعت هذه البلورة في مجال مغناطيسي قوي، تبدأ الإلكترونات في الدوران في مدارات صغيرة. طاقتها لا تتغير بشكل سلس، بل على شكل درجات — مثل طوابق المبنى. في المجال الضعيف، ترى نمطًا واحدًا من هذه الدرجات، وفي المجال القوي، ترى نمطًا آخر بإيقاع خاص.