رفع طاقة الفراغ

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 الممر الضيق، لا يسير الناس كحشد، بل في صفوف. عدد الصفوف يعتمد على عرض الممر. في الغرافين، يلعب التلامس النقطي الكمومي دور هذا الممر - وهو انقباض حيث تتحرك الإلكترونات باليستياً دون تشتت. بوابتان بفجوة 75 نانومتر تُنشئان هذا الممر، وبوابة ثالثة تغير عرضه، فتفتح أو تغلق الأنماط الكمومية - "صفوف" متقطعة للإلكترونات. كل نمط جديد يضيف درجة إلى الموصلية.

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).

لنأخذ طبقتين رقيقتين من أشباه الموصلات. الأولى مشبعة بالإلكترونات الحرة — كمقهى مزدحم حيث كل طاولة مشغولة. والثانية، على العكس، مليئة بالأماكن الفارغة — «الثقوب» التي تتوق إلى الامتلاء. عندما تُقرَّب هاتان الطبقتان من بعضهما، تقفز بينهما شرارة جذب: تبدأ الإلكترونات والثقوب بالإحساس ببعضها عبر الفجوة الرقيقة.

في اللحظات الأولى، تمدد الكون بسرعة هائلة. تُسمى هذه العملية بالتضخم، والقوة الدافعة هي حقل الإنفلاتون. طاقته دفعت الفضاء بعيداً، مثلما ترفع الخميرة العجين. لكن لدى الفيزيائيين شك: ربما بقيت في العجين «فقاعات» — جسيمات فائقة الثقل وُلدت من التمدد نفسه. درس مؤلفو العمل نماذج حيث يرتبط الإنفلاتون ببعد إضافي.

حيرت مفارقة الثقب الأسود الفيزيائيين لعقود. إذا تبخر الثقب الأسود في النهاية عبر إشعاع هوكينج، فأين تذهب المعلومات عن كل ما سقط فيه؟ أظهرت أعمال ستيفن هوكينج وجاكوب بيكينشتاين أن إنقاذ القوانين الأساسية للطبيعة يتطلب خطوة غير تقليدية.

من السهل أن تفقد أوركسترا الإلكترونات المتناغمة في الموصل الفائق إيقاعها. فالصدمات الحرارية تدمر النظام الهش، ويعود المقاومة. لعقود، بحث العلماء عن طرق لتقوية هذا الفريق، غالبًا عن طريق تغيير تركيب المادة أو ضغطها إلى ضغوط لا يمكن تصورها. لكن هناك أداة ثالثة شبه غير ملموسة: الفراغ الممتلئ بالطنين الكهرومغناطيسي.

الثقوب الدودية هي أنفاق افتراضية عبر الزمكان المنحني، يسمح بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين. لكي لا ينهار هذا النفق فورًا، يحتاج إلى مادة غريبة ذات ضغط سالب — مادة لا تجذب بل تدفع.

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.

الكون ليس فراغًا، بل كرة بلورية هائلة تخترقها حدود غير مرئية — جدران المجال — تجمّدت بعد تحولات طورية. هذه الندوب على جسد الفراغ قد تكون أرقّ من شعرة، لكن عندما يعبر فوتون الخلفية الكونية مثل هذا الجدار، يدور استقطابه — كأن الضوء يلتف على خيط غير مرئي خلّفه القطاع المظلم.

تخيل أنك تهز مرآة بسرعة في الفراغ. يبدو أنه لا يمكن أن ينشأ شيء من لا شيء؟ لكن الفيزياء الكمومية تؤكد أن الاهتزازات السريعة بما فيه الكفاية يمكن أن تولد جسيمات حقيقية مباشرة من الفراغ. تُعرف هذه الظاهرة بالتأثير الديناميكي لكازيمير تأثير كازيمير — وهو أشبه بـ«هزّ» الفراغ، يحول التقلبات الافتراضية إلى مادة قابلة للملاحظة. لكن بالقرب من الثقب الأسود، لا تنجح هذه الحيلة.

عندما تقرّب مغناطيسًا من حفنة من برادة الحديد، تترتب البرادة على طول خطوط غير مرئية — هكذا يلتف المجال حول المغناطيس من قطب إلى قطب. وبطريقة مشابهة يمكن رؤية الجاذبية حول الأجسام الضخمة: فقط بدل البرادة يكون الفضاء نفسه، وبدل المغناطيس نجم أو ثقب أسود. اقترح مؤلفو العمل تحليل الجاذبية إلى حقلين. أحدهما يشبه الكهربائي — فهو يسحب. والآخر يشبه المغناطيسي — فهو يلوي.

الفراغ ليس صمتًا تامًا، بل هو مرجل فقاعي من التموجات الكمومية التي تولد من العدم وتختفي خلال أجزاء من المليار من الثانية. تعمل هذه السيمفونية غير المرئية كريح ثابتة تضغط الذرة على الجدار — تمامًا كما يدفع صوت جهير قوي كرة خفيفة. يكون الضغط أقوى عند القرب، ويضعف عند البعد، لأن التفاعل لا ينتقل فورًا، بل بسرعة سرعة الضوء. في السابق، لم نكن نستطيع سوى تخمين هذا اللحن من خلال علامات غير مباشرة.

تنمو كومة الثلج وفق قواعد صارمة: تسقط رقاقات الثلج لتشكل تضاريس، تجذب بدورها المزيد من الثلج، فتتعزز النتوءات. وتصف الرياضيات نفسها نمو المدن، والنقوش على لحاء الأشجار، والتموجات على الماء، وتجمعات الغبار الكوني. هذا التجانس يسميه الفيزيائيون «العالمية». صنع العلماء «كومة ثلج كمومية» — سحابة من الذرات الباردة داخل مصيدة من أشعة الليزر.

حفنة من الرمل على طاولة مهتزة تشبه حشداً في حلبة رقص ما زال يحافظ على إيقاع الأغنية القديمة لثانية واحدة بعد أن شغّل الدي جي أغنية جديدة. أجبر العلماء طبقة رقيقة من الحبيبات على القفز على منصة تهتز عمودياً وغيّروا قوة الاهتزاز فجأة. بعد القفزة مباشرة، درجة حرارة الحبيبات — وهي مقياس للحركة العشوائية لحبيبات الرمل — لم تتصرف كما ينبغي أن تتصرف تحت القوة الجديدة.

الغرافين هو غشاء كربوني بسماكة ذرة واحدة، وهو موصل ممتاز. لكن سطحه مجعّد بطبيعته، مثل مفرش طاولة غير مكوي. صمّم العلماء «ساندويتشًا»: طبقتان من هذا الغشاء مضغوطتان بإحكام ضد بعضهما البعض عبر فاصل عازل لا يسمح بمرور التيار الكهربائي. في هذا الثنائي، تعمل كل طبقة على تنعيم تجاعيد الطبقة المجاورة — تمامًا كما يضغط نصفا الشطيرة على بعضهما فيجعلان السطح مستويًا تمامًا.

في الفراغ التام، تتجاذب صفيحتان معدنيتان. شبه ريتشارد فاينمان الفراغ برغوة تغلي: أزواج من الجسيمات تولد وتختفي فوراً، مولدةً تأثير كازيمير. إذا كانت الصفائح غير متماثلة، فإنها تدور أيضاً — وهذا هو المحرك الفراغي. لكن ليس من الضروري وجود أجزاء غير متماثلة لحدوث الدوران.

هزّ وعاءً مليئاً بالرمل والكرات — وسترى كيف تطفو الأجسام الكبيرة أو تغوص حسب حجمها. لكن إذا هززته بذكاء، يمكنك أن تجعل الكرات تتجمع في أزواج وسلاسل، وكأنها ملتصقة ببعضها. هذا «الغراء الخفي» هو ما تمكن فيزيائيون من الهند وألمانيا من التقاطه وقياسه لأول مرة. أخذوا وعاءً مسطحاً يحتوي على حبيبات — أقراصاً صغيرة — وتمت هزها بحيث تتحرك بشكل عشوائي، مثل الجزيئات في السائل.

في كوب من الماء المالح، حتى لو كان ثابتًا، يحدث شيء ما باستمرار. جزيئات الملح الصغيرة — الأيونات — تسبح وتتصادم، مما يُحدث تموجات في الماء. هذه التموجات غير مرئية، لكنها تُنتج قوة تجذب أو تدفع الأجسام القريبة. كان يُعتقد سابقًا أن هذه القوة تعمل فقط على مسافة قصيرة جدًا — وكأنها تخمد بسرعة. لكن اتضح أنها في الماء المالح تمتد أبعد.

حبيبة ألماس بالغة الصغر، أصغر من ذرة غبار، تحوم في مصيدة مغناطيسية مصنوعة من شرائح دقيقة. داخل البلورة عيب وحيد يعمل كمنارة. يجعل العلماء الألماسة تتواجد في مكانين في آنٍ واحد، مثل كرة ساحر توجد تحت كأسين في الوقت نفسه دون أي خداع. هذا ليس مجرد خدعة.

الفضاء بين سطحين متقاربين ليس فراغًا خالصًا، بل «غراء كمومي» يغلي. فيه تولد وتفنى باستمرار تقلبات كمومية — دفقات طاقة مجهرية للحقول الكهرومغناطيسية، والتي وفقًا للنظرية الكمومية تمنح الفراغ بنية ديناميكية.

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.

في دائرة فائقة التوصيل مبردة إلى درجة حرارة أقل من 10 ميلي كلفن، يهتز مذبذب ميكانيكي بتردد 5.33 ميغاهرتز. عادةً في مثل هذه الأنظمة، تعيش الميكانيكا أطول من الضوء، لكن هنا تنعكس الأدوار: يخمد المذبذب أسرع من الفوتونات في الرنان. هذا النظام المقلوب للتبديد يحول الوضع الميكانيكي إلى قائد أوركسترا بارد يجعل الفراغ يغني نغمات غير كلاسيكية.