ذرات صينية تصل إلى أبرد مستوى مسجل في الفضاء.. لماذا لا تعني 9.7 بيكوكلفن درجة حرارة تقليدية؟

نجح باحثون صينيون في تبريد ذرات الروبيديوم داخل محطة تيانغونغ الفضائية إلى درجة حرارة مكافئة تبلغ 9.7 بيكوكلفن، محققين بذلك أدنى مستوى مسجل في الفضاء حتى الآن. وتمكن الفريق من تتبع التمدد الحر لسحابة الذرات لمدة 7 ثوانٍ في بيئة الجاذبية الصغرى، ما يتيح إجراء قياسات أكثر دقة في تجارب فيزياء الكم.

رقم قياسي يتجاوز تجارب سابقة

اعتمدت التجربة على أشعة الليزر لتبريد ذرات الروبيديوم داخل مصيدة ثنائية القطب ضوئية، وهي تقنية توفر تحكمًا أكثر مرونة في الذرات مقارنة بالمصائد المغناطيسية. وبعد نقل الذرات إلى مصيدة ضوئية أوسع وتقليل قوة حصرها، انخفضت طاقة تمدد سحابة الذرات، قبل أن تؤكد القياسات ثلاثية الأبعاد الوصول إلى درجة حرارة مكافئة قدرها 9.7 بيكوكلفن.

وأعلن الفريق أن نطاق عدم اليقين في القياس يتراوح بين 7.0 و12.9 بيكوكلفن. ويمثل الرقم الجديد تحسنًا بنحو أربعة أضعاف مقارنة بالرقم القياسي السابق، الذي سُجل عند 38 بيكوكلفن خلال تجربة أُجريت في برج سقوط.

كما يتجاوز هذا الإنجاز تجربة أخرى نُفذت في مختبر الذرات الباردة التابع لمحطة الفضاء الدولية، إذ وصلت تلك التجربة إلى 52 بيكوكلفن باستخدام مصائد مغناطيسية وتقنية عدسات الموجات المادية.

وتبرز مدة الرصد بوصفها أحد أهم جوانب التجربة الصينية؛ فقد تمكن الباحثون من تتبع التمدد الحر لسحابة الذرات لمدة 7 ثوانٍ، مقارنة بثانيتين في تجارب برج السقوط، وبثانية واحدة في التجربة السابقة داخل محطة الفضاء الدولية.

لماذا يهم الاقتراب من الصفر المطلق؟

كلما انخفضت درجة حرارة الذرات، تباطأت حركتها، ما يسمح للعلماء بدراسة سلوكها بدرجة أعلى من الحساسية. وعند الاقتراب الشديد من الصفر المطلق، يمكن للذرات أن تدخل حالة كمومية خاصة تُعرف باسم تكاثف بوز-أينشتاين، حيث لا تتصرف أعداد كبيرة منها كجسيمات مستقلة، بل تشكل موجة كمومية مشتركة.

وتوفر هذه الحالة فرصة لدراسة فيزياء الكم وسلوكيات المادة التي يصعب رصدها في الظروف العادية. غير أن الوصول إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض يمثل تحديًا كبيرًا، لأن الجاذبية تدفع الذرات إلى أسفل المنطقة التي تُحتجز فيها، ما يحد من دقة التجارب.

واستخدمت تجارب سابقة المجالات المغناطيسية للتغلب على هذه المشكلة، لكن المصائد المغناطيسية قد تقيد حالات اللفّ الداخلي للذرات. أما المصائد الضوئية التي تعتمد على أشعة الليزر، فتمنح الباحثين مجالًا أوسع للتحكم، وقد سمح استخدامها في بيئة الجاذبية الصغرى بتجاوز هذا العائق.

تمهيد لتجارب كمومية أكثر تعقيدًا

لا يقتصر الإنجاز على تحطيم رقم قياسي لدرجة الحرارة، إذ إن الجمع بين التبريد الشديد وإطالة زمن مراقبة الذرات قد يفتح الطريق أمام تجارب كمومية كان تنفيذها صعبًا في السابق.

ويعتزم العلماء مستقبلًا استخدام مصائد ضوئية ذات حجم قابل للضبط لزيادة عدد الذرات في التجارب. كما يخططون لتوظيف مجالات ليزرية مُشكّلة خصيصًا لدراسة أطوار كمومية غير مألوفة، من بينها زجاج بوز وأطوار موت الفراكتلية.

ومن الأهداف الأخرى تطوير أجهزة تداخل ذرية من نوع ماتش-زندر في الفضاء. وتستفيد هذه الأنظمة من الخصائص الموجية الكمومية للذرات لإجراء قياسات فائقة الدقة، بما قد يسمح باختبار مبادئ أساسية في الفيزياء، مثل مبدأ التكافؤ، بدرجة أعلى من الحساسية في بيئة الفضاء.

ويجب التنبيه إلى أن قيمة 9.7 بيكوكلفن لا تمثل قياسًا تقليديًا مباشرًا لدرجة الحرارة وفق المفهوم الديناميكي الحراري، بل هي درجة حرارة مكافئة تُحسب انطلاقًا من طاقة تمدد سحابة الذرات وسرعة انتشارها.

المصدر: donanimhaber