محطة تيانغونغ تبرد 20 ألف ذرة إلى مستوى قياسي وتمنح الفيزيائيين 7 ثوانٍ لرصد سلوك الكم

نجح باحثون في محطة تيانغونغ الفضائية الصينية في تبريد سحابة تضم نحو 20 ألف ذرة روبيديوم إلى مستوى يقارب 9.7 بيكو كلفن فوق الصفر المطلق، مسجلين بذلك أدنى درجة حرارة معروفة حتى الآن. ويتيح التمدد البطيء للسحابة نافذة مراقبة متواصلة تمتد إلى سبع ثوانٍ لدراسة سلوك المادة في العالم الكمي.

أبرد حالة مسجلة للمادة

تتجاوز النتيجة الرقم القياسي السابق البالغ 38 بيكو كلفن، الذي سُجل عام 2021، بانخفاض يقارب أربعة أضعاف. ولا يعني ذلك الوصول إلى الصفر المطلق نفسه، إذ يستحيل بلوغه رياضيًا، لكنه يضع المادة قريبًا للغاية من الحد الأدنى للطاقة الحرارية.

وتعود المنافسة على الاقتراب من هذا الحد إلى عقود. ففي يونيو/حزيران 1995، تمكن باحثون من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في الولايات المتحدة وجامعة كولورادو بولدر من تبريد ذرات الروبيديوم إلى مستوى يعلو الصفر المطلق بنحو جزء واحد من 20 مليارًا، ما أدى إلى إنتاج حالة جديدة من المادة عُرفت باسم تكاثف بوز-أينشتاين.

عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تستطيع ذرات متعددة مشاركة الحالة الكمية نفسها والتصرف كموجة مادية واحدة. ويسمح ذلك بدراسة ظواهر تظهر عادة على مستوى الجسيمات المفردة، لكن على نطاق أكبر وأكثر قابلية للرصد.

لماذا كانت محطة الفضاء مهمة؟

في عام 2003، استخدم فريق قاده معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مصيدة مغناطيسية لتبريد الصوديوم إلى 450 بيكو كلفن، غير أن هذه المصائد تؤثر في خاصية دوران الذرات المعروفة باسم «اللف المغزلي». وفي عام 2021، استعان باحثون من جامعة بريمن الألمانية ببرج للسقوط الحر لتقليل تأثير الجاذبية، ووصلوا إلى 38 بيكو كلفن.

أما في تجربة تيانغونغ، فقد استفاد الفريق من بيئة انعدام الوزن لإطالة زمن بقاء الذرات في الحالة المبردة. واستخدم الباحثون حزم ليزر متقاطعة لحبس الذرات داخل «مصيدة ثنائية القطب البصرية»، وهي طريقة لا تتأثر بالمجالات المغناطيسية.

وجمع الفريق بين الليزر والتبريد التبخيري لإبطاء الذرات الأسرع والوصول إلى تكاثف بوز-أينشتاين. ورغم أن إنتاج هذا التكاثف في المدار ليس جديدًا، إذ سُجلت أول تجربة من نوعها عام 2020 على متن محطة الفضاء الدولية، فإن الخطوة اللاحقة في تجربة تيانغونغ مثلت إنجازًا غير مسبوق.

استخدم الباحثون تدرجًا مغناطيسيًا خفيفًا لإخراج الذرات الأسرع، ثم نقلوا الذرات الأبطأ المتبقية إلى مصيدة بصرية أوسع قبل تحريرها. وأظهرت صور التُقطت من زاويتين مختلفتين أن درجة حرارة السحابة تراوحت بين 7.0 و12.9 بيكو كلفن.

سبع ثوانٍ لدراسة أسرار الكم

هذه الدرجة ليست نتيجة قياس مباشر بواسطة مقياس حرارة تقليدي، بل تقدير يستند إلى طاقة تمدد سحابة الذرات. ومع ذلك، فإن بطء تمددها يمنح الفيزيائيين سبع ثوانٍ كاملة من المراقبة المتواصلة، وهي فترة مهمة لدراسة السلوك الكمي للمادة.

وقد تساعد درجات الحرارة المنخفضة وفترات الرصد الأطول في إجراء تجارب باستخدام مقاييس التداخل، التي تقسم الموجات المادية ثم تعيد جمعها. ويمكن لهذه الأجهزة أن تختبر ما إذا كانت ذرات مختلفة تسقط بالطريقة نفسها، بما يفتح مسارات جديدة لفحص نظرية النسبية العامة.

وعلى الرغم من بقاء الوصول إلى الصفر المطلق مستحيلًا، فإن الطريقة الجديدة، التي تقرّب المادة من حالة السكون شبه الكامل، تُعد خطوة مهمة في دراسة الأسرار الكمية للكون.

المصدر: webtekno