الغازات الكمومية cond-mat.quant-gas

في غرفة مظلمة، يرسم شعاع الليزر نقطة مضيئة على الجدار. يبدو الضوء شيئًا دافئًا يصعب التحكم به، لكن الفيزيائيين يستخدمونه منذ ثلاثة عقود كعصا قائد أوركسترا، مما يجعل الذرات ترقص بتناغم. بدأ كل شيء بملاحظة بسيطة: إذا وجّهت ضوءًا معاكسًا لسحابة من الذرات، فإنه سيعمل على إبطائها، مثل تيار ماء يضرب وجه سباح.

قطرة حبر في كوب ماء سرعان ما تنتشر، فتلطّخ السائل كله. هكذا هي الإلكترونات في المعدن: تندفع بحرية كجزيئات في غاز. ولكن إذا دخلت إلى هذا الوسط شائبة مغناطيسية — ذرة ذات عزم مغناطيسي خاص بها — يبدأ الغريب. عند درجات حرارة منخفضة جدًا، تبدو الإلكترونات وكأنها تلتصق بالشائبة، فترتّب حولها سحابة. هذه السحابة تحجب العزم المغناطيسي، فترتفع مقاومة المعدن.

سحابة من جزيئات 41K87Rb محتجزة في مصيدة بصرية تتمدد مثل الضباب عند الفجر. كل جزيء هو زوج ضعيف الارتباط من ذرات البوتاسيوم والروبيديوم، معلق على حافة التفكك. تبريد مثل هذه السحابة إلى ما يقارب الصفر المطلق دون تفتيت الجزيئات هي مهمة ظلت عصية على الحل لفترة طويلة. قام المنظرون بنمذجة عملية حيث تعمل نبضة قصيرة من المصيدة كعدسة تركّز حركة الجزيئات.

ممثلان على خشبة واحدة. الأول فرميون، متقلب المزاج وصعب الإرضاء، يصعب إجباره على اللعب وفق قواعد المحاكي الكمومي. والثاني بوزون، هادئ الطباع وقنوع، مستعد لشغل أي مكان. يأمل المخرج ألا يلاحظ الجمهور الاستبدال. وهكذا على الخشبة: محاكاة كمومية لنظرية مقياس، حيث تظهر البوزونات في الدور الرئيسي بدلًا من الفرميونات.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بتوسع سريع: التضخم. ولكن ربما كان ينكمش قبل ذلك ثم ارتدّ. يترك كلا السيناريوهين بصمة شبه متطابقة في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، ويظل علماء الكونيات يتجادلون لعقود حول أيهما صحيح.

في عام 1867، ابتكر جيمس كليرك ماكسويل شيطانًا يفرز جزيئات الغاز وبذلك يخالف القانون الثاني للديناميكا الحرارية. يحتاج الشيطان إلى معرفة سرعات الجسيمات. في العالم الكمومي، توجد مهمة مشابهة: كبح التشابك ومنع نموه الانهياري، لكن مراقبة النظام بأكمله مستحيلة. وتبين أن الشيطان لا يحتاج إلا إلى دفتر ملاحظات ناقص.

في المختبر، عادةً ما يدق الزمن على الحائط: عقارب، أرقام، معيار تردد. لكن بالنسبة للكون لا توجد ساعات خارجية. معادلة ويلر-ديويت (Wheeler-DeWitt)، القانون الرئيسي للجاذبية الكمية، لا تتضمن الزمن إطلاقًا، وجميع النظريات الأساسية لا تملك سهم زمن مدمجًا.

الوتر المشدود بين كواركين لا ينفجر فجأة مثل شريط مطاطي. بل يهتز أولاً، وتظهر عليه عقد، ثم يتمزق بعد ذلك — إذا تمزق أصلًا. هذه ليست مجرد صورة، بل وصف دقيق لعملية يسميها الفيزيائيون الحبس: الكواركات محبوسة بإحكام داخل الهادرونات، ولا يمكن فصلها إلا بتمزيق وتر القوة الذي يربطها.

استخدم الفيزيائيون محاكياً كمياً — جهازاً يحاكي سلوك الجسيمات المشحونة — لدراسة تصادمها عند طاقات هائلة. وفقاً لـ النموذج العياري، قوانين العالم المصغَّر، كان من المفترض أن ينتقل النظام بسرعة إلى الفوضى، حيث يكون الاضطراب في أقصى درجاته. لكن الأمور سارت على نحو مختلف. تبعثرت الجسيمات كشظايا انفجار، مع احتفاظها بذاكرة عن التكتلات الشحنية الأولية.

وفقًا لنظرية أينشتاين، فإن دوران الأرض يجرّ معه الزمكان نفسه — ويُعرف هذا التأثير بجرّ الأطر المرجعية بالقصور الذاتي، أو تأثير لينز-ثيرينغ. تخيّل: جسم ضخم، مثل ملعقة في عسل كثيف، يلفّ نسيج الزمكان حوله.

فسيفساء بنروز هي تغطية للمستوى بنوعين من البلاطات لا تتكرر أبدًا، مما يخلق نمطًا غير دوري. اكتشفها روجر بنروز كفضول رياضي، لكنها وجدت بشكل غير متوقع تجسيدًا فيزيائيًا في العالم الكمومي. قام الباحثون بمحاكاة سلسلة من الجسيمات، حيث يُحدد التفاعل بينها بقاعدة مبنية على أرقام فيبوناتشي والنسبة الذهبية.

كل شيء يسعى إلى التوازن: يبرد الشاي، ويسكن البندول. ومقياس هذه الحركة هو الإنتروبيا — الفوضى المتزايدة. لكن أحيانًا يتجمد الماء الساخن قبل الفاتر. تأثير مبيمبا ليس مجرد طرفة — إنه يظهر أيضًا في العالم الكمومي. لقد ابتكر العلماء طريقة للتحكم في هذه المفارقة.

الذرات، مثل الخيوط في ضفيرة متقنة، تخضع لقاعدة صارمة: إذا كانت إحدى الخيوط «مشحونة» — أي مثارة إلى حالة عالية الطاقة — يجب على الجارات أن تلتزم الصمت وتبقى غير مثارة. هذه الظاهرة — حصار ريدبيرج (تأثير كبح الإثارة المتزامنة للذرات المتقاربة) — تتيح نسج أنماط كمومية مستقرة حيث تعرف كل ذرة مكانها.

المبدأ الأساسي الذي اكتشفه فولفغانغ باولي — مبدأ استبعاد باولي — ينص على أنه لا يمكن لأي فرميونين (جسيمات ذات لف مغزلي نصفي) أن يتواجدا في نفس الحالة الكمومية.

الفراغ ليس دائمًا فارغًا: يمكن أن يخفي طاقةً كامنة، مثلما يخفي الماء فائق التبريد الجليد. يطلق الفيزيائيون على هذه الحالة اسم الفراغ الكاذب — حالة لا تحتاج إلا إلى دفعة صغيرة لتتحول انهيارًا إلى الفراغ الحقيقي. في التجربة، لعبت حلقة من ذرات رايدبرغ دور الماء، وهي جسيمات عملاقة تستجيب للحقول الكهربائية كما تستجيب الهوائيات.

في الهيليوم فائق السيولة هيليوم — وهي حالة يتدفق فيها السائل دون احتكاك — تنشأ تلقائيًا دوامات كمية: قمع مجهرية تشبه الدوامات في الماء العادي، لكنها تخضع لقوانين ميكانيكا الكم.

الجسم فائق الصلابة هو جليد يتدفق. مثل بركة مغطاة بقشرة، لكن بعمق سائل دون احتكاك. عادةً، تُنشأ هذه القشرة بتغيير خصائص السائل في كامل حجمه. وجد فريق من الباحثين في الهيليوم طريقة أبسط: جعلوا السطح يهتز بموجات خاصة، فاكتسب السائل بنفسه «جلدًا» صلبًا. اتضح أن الاهتزازات لم تكن مجرد تموجات، بل دوامات كمية — روتونات، كشف عن طبيعتها فاينمان.

بلورات الزمن تنبض في الزمن، مثل بندول إيقاع أبدي لا يحتاج إلى تعبئة. طرح الفكرة فرانك ويلتشيك قبل نحو عشر سنوات. سابقاً، لكي لا يختل هذا البندول، كان يُدخل في النظام عمداً فوضى — وهي مفارقة، لكن الفوضى كانت تساعد في الحفاظ على الإيقاع.

تم التقاط الذرات في حلقة ضوئية. هذا ليس مجازًا: أشعة الليزر تشكل مصيدة حلقية تتحرك بداخلها الذرات في دائرة. لا يقتصر دور الضوء على تثبيتها فحسب، بل يربط أيضًا دوران الذرة بـ"بوصلة" داخلية — السبين (spin). والنتيجة أن الذرة التي تجري على طول الحلقة تشعر باتجاه حركتها، وهذا يغير حالتها الداخلية. هذا الارتباط ليس جميلًا فحسب.

سحابة ذرية فائقة البرودة، تشبه الضباب، تشير إلى أن الجاذبية قد لا تعمل وفق نيوتن. على أطراف المجرات تتحرك النجوم أسرع من المتوقع، وتغير نظرية MOND قانون الجذب على المسافات الكبيرة، مما يزيل الحاجة إلى المادة المظلمة. عندما وُضع هذا الضباب في مصيدة MOND، تمدد أكثر وتأرجح بشكل أبطأ.

ربما نشأ كوننا من حالة شديدة عدم الاستقرار يسميها الفيزيائيون الفراغ الكاذب. تخيل كوبًا من الماء بُرِّد إلى ما دون نقطة التجمد: يبقى السائل سائلًا حتى أول اهتزاز، يطلق فورًا التبلور إلى جليد. وعلى نحو مماثل، الفراغ الكاذب هو حالة مشحونة بالطاقة للحقل، جاهزة للانزلاق إلى حالة أكثر استقرارًا، وهي حالة الفراغ الحقيقي.

جسيمان متمسكان ببعضهما مثل متسلقي الجبال المرتبطين بحبل واحد، وينطلقان نحو الجدار. عند الاصطدام، هل يرتدان معًا أم ينقطع الحبل؟ على ماذا يعتمد ذلك؟ نظر الفيزيائيون إلى أبسط حالة: كل شيء يحدث على خط مستقيم، والجسيمان يتجاذبان فقط عندما يكونان في نفس النقطة، والجدار صلب تمامًا.

داخل تجويف مرآوي صغير، أصغر من سمك الشعرة، يُحبس الضوء وينعكس مرارًا عن الجدران. إذا وُضعت فيه مادة قادرة على امتصاص الضوء وإصداره، تبدأ جسيمات الضوء (الفوتونات) في «الارتداء» بإثارات المادة — وهكذا تولد أنماط بولاريتونية (polaritonic modes). عادةً ما يهيمن على هذا التجويف ضوء متماسك ساطع، يشبه شعاع ليزر قوي.

الضوء العادي هو تيار من الجسيمات المستقلة: تمر الفوتونات عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ جيرانها. لكن في الدوائر فائقة التوصيل، المبردة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، يتغير الوضع. هناك، تسافر الفوتونات عبر مسارات ضيقة من المعدن، وإذا تم دمج عناصر صغيرة تسمى وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) في هذه المسارات، يبدأ الضوء في «إدراك» نفسه.

في سحابة باردة من ذرات الصوديوم والروبيديوم، تمكن الفيزيائيون لأول مرة من تجميع جزيئات تدور مثل القمم الدوارة التي تم إطلاقها. عادةً في التجارب فائقة البرودة، ترتبط الذرات في أزواج دون دوران — مثل شخصين يمسكان بأيدي بعضهما ويقفان في مكانهما. هنا، حصلت الأزواج على دفعة إضافية: فهي تدور حول محور مشترك، وهذا الدوران يغير سلوكها. لإنشاء هذه الأزواج، استخدم العلماء مجالًا مغناطيسيًا.

ارمِ حفنة من حبات البازلاء في قدر مليء بالسميد — ستغرق الحبات بسرعة، دافعةً حبيبات السميد جانبًا. لكن إذا جعلت السميد كثيفًا ولزجًا جدًا، فستعلق الحبات. هذا تقريبًا ما فعلته ذرات الليثيوم الخفيفة في سحابة من ذرات البوتاسيوم الثقيلة عند درجة حرارة تبلغ أجزاء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق.

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.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص. ما دامت الآلات قليلة، يمكن لقائد الأوركسترا أن يوجه كلًا منها على حدة. لكن عندما يصل عدد الموسيقيين إلى الآلاف، تصبح الأوامر الفردية عبئًا لا يُحتمل. وجد فيزيائيون من برينستون وشيكاغو طريقة لقيادة الأوركسترا كلها دفعة واحدة دون أن تفقد الموسيقى تعقيدها.

بنى الفيزيائيون سلسلة من ذرات ريدبرغ — وهي ذرات تحمل إلكترونات في مدارات بالغة الاتساع، بحجم مسارات الكواكب. هذه الذرات العملاقة تستشعر جاراتها بقوة، مما يحوّل السلسلة إلى نظير كمومي للوتر. باستخدام الليزر، شُدّ النظام إلى نقطة حرجة تتلاشى فيها جميع المقاييس — تمامًا كما يصبح وتر العود مشدودًا جاهزًا لإصدار نغمات نقية بغض النظر عن طوله.

الدوامة في غاز فائق الميوعة تشبه الدوامة في الحوض: السائل يدور حول قلب فارغ. إذا قمت بتدوير هذه الدوامة بقوة ثلاثة أضعاف القوة العادية، فلن تصمد — ستنقسم إلى ثلاث دوامات منفصلة، مثلما ينقسم تيار ماء سميك إلى قطرات. في الحساب الجديد، وُضعت دوامة ثلاثية في حلقة من ذرات فائقة البرودة، وتم ضغط الحلقة قليلاً إلى شكل بيضاوي.

اصطفت أربع عشرة ذرة روبيديوم في صف واحد، مثل خرزات على خيط. كل ذرة هي مغناطيس صغير يمكن أن يشير إلى الأعلى أو إلى الأسفل. معًا، تتبع قواعد صارمة تشبه جدول مواعيد القطارات: كل شيء متوقع، كل شيء يتكرر. لكن بمجرد إدخال تغيير بالكاد يُلاحَظ، يخرج الجدول عن مساره. يعرف الفيزيائيون منذ زمن طويل أن في مثل هذه السلاسل "قوانين حفظ هشّة". إنها مثل أوتار غير مرئية تُمسك النظام.

شريط مطاطي مشدود — وفجأة ينقطع. في عالم الذرات هناك صورة مشابهة: الوتر الذي يربط الجسيمات يمكن أن يتمزق. في عمل جديد، أخذ الفيزيائيون سلسلة من ذرات ريدبيرج وتتبعوا كيفية تمزق هذا الوتر. عند الشد الضعيف، يتمزق الوتر تمامًا، وينقسم النظام إلى عدة أجزاء مستقلة — كما لو أن الشريط المطاطي تطاير إلى قطع.

الثقب الأسود هو مكان لا يمكن حتى للضوء أن يهرب منه. لكن نظرية الكم تقول إنه مع ذلك يتوهج بشكل خافت. هذا التوهج يسمى إشعاع هوكينغ. في الفضاء، لا يمكن رؤيته: إنه ضعيف جدًا. لذلك، يبني الفيزيائيون نماذج للثقوب السوداء من مواد عادية. على سبيل المثال، من سلسلة من السبينات الكمومية - إبر مغناطيسية صغيرة تخضع لقوانين العالم الكمومي.

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.

في سحابة فائقة البرودة، تتصرف ذرات البوتاسيوم كموجات يمكن أن تتراكب وتضخّم بعضها البعض — تمامًا كما تخلق الموجات الصوتية في آلة موسيقية وترًا عاليًا. تعلّم الفيزيائيون التحكم في هذه العملية بتغيير قوة التفاعل بين الذرات باستخدام مجال مغناطيسي.

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.

البلاط العادي يُرتب في نمط دوري — يتكرر الشكل مرارًا وتكرارًا. لكن الذرات، تلك "الطوب" الأساسي للمادة، تُظهر سلوكًا أكثر دهاءً: في ظروف معينة، تترتب تلقائيًا في فسيفساء معقدة لا يتكرر نمطها أبدًا — مثل لوحات القيشاني القديمة بتناغمها غير الدوري الصارم.

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.

أخذ الفيزيائيون 114 ذرة من الروبيديوم، وبرّدوها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (كما في تجارب الهيليوم السائل)، ثم رصّوها بعناية في نمط قرص العسل. ثم بدأوا بتغيير شدة التفاعلات تدريجياً، تماماً مثل رفع درجة الحرارة ببطء في قدر. على نار هادئة، حافظت الذرات على صفوف مغناطيسية منتظمة تشبه البلورة.

سحابة ذرية صغيرة، مبردة إلى أجزاء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق، تطفو في مصيدة حلقية. تبدو وكأنها عقد مضيء، لكن الفيزيائيين جعلوها تعيش على سطح كعكة دائرية غير مرئية. باستخدام أشعة ليزر ونبضات ميكروويف، تم ربط ثلاث حالات داخلية للذرات في دورة مغلقة. الأمر يشبه ثلاث طرق مقفلة في حلقة، حيث يمكن للذرة أن تنتقل من واحدة إلى أخرى حتى تعود إلى البداية.