خبرني - في إنجاز علمي غير مسبوق، تمكن علماء صينيون من الوصول إلى واحدة من أدنى درجات الحرارة التي جرى تسجيلها على الإطلاق، بعدما نجحوا في تبريد سحابة من الذرات إلى درجة حرارة مكافئة بلغت 9.7 بيكوكلفن، أي ما يعادل 0.0000000000097 كلفن، وذلك على متن محطة الفضاء الصينية "تيانغونغ" التي تدور حول الأرض.
ووفقا لدراسة نُشرت في مجلة "Science"، فإن درجة الحرارة التي حققها الباحثون تقل بنحو 280 مليار مرة عن متوسط درجة حرارة الفضاء، الذي يبلغ نحو 2.7 كلفن، أو ما يعادل سالب 270.45 درجة مئوية، في خطوة تمثل تقدما كبيرا في مساعي العلماء للاقتراب من الصفر المطلق.
ويُعرف الصفر المطلق بأنه أدنى درجة حرارة ممكنة نظريا، وتبلغ صفر كلفن، أي سالب 273.15 درجة مئوية، وعند هذه الدرجة تصل الطاقة الحرارية إلى حدها الأدنى، إلا أن قوانين الفيزياء تجعل الوصول إليها بصورة فعلية أمرا مستحيلا، إذ تزداد صعوبة التخلص من الطاقة المتبقية كلما اقتربت المادة منها.
تجربة فضائية لتجاوز قيود الجاذبية
واعتمد الباحثون في تجربتهم على إنتاج ما يُعرف باسم "تكاثف بوز-أينشتاين"، وهي حالة نادرة من حالات المادة تتشكل عندما تُبرّد ذرات معينة إلى درجات حرارة تقترب بشدة من الصفر المطلق، فتبدأ في التصرف بصورة جماعية، وكأنها جسم كمومي واحد بدلا من كونها جسيمات منفصلة.
وتتيح هذه الحالة للعلماء دراسة الظواهر الكمومية على نطاق أوسع، فضلا عن إمكانية استخدامها في تطوير أدوات فائقة الدقة لقياس التغيرات الفيزيائية واختبار القوانين التي تحكم الكون.
وجاء اختيار الفضاء لإجراء التجربة بسبب تأثير الجاذبية، التي تمثل أحد أبرز التحديات أمام الوصول إلى درجات الحرارة شديدة الانخفاض على الأرض، إذ تؤثر في حركة الذرات وتحد من كفاءة بعض تقنيات التبريد.
وقاد التجربة علماء الفيزياء شياوجي تشو وشوتسونغ تشين من جامعة بكين، إلى جانب ويبياو تشين من الأكاديمية الصينية للعلوم، مستفيدين من بيئة الجاذبية الصغرى المستمرة على متن محطة تيانغونغ.
كيف وصل العلماء إلى هذه الدرجة؟
بدأ الفريق التجربة بسحابة من ذرات الروبيديوم-87، وهو نظير مناسب لعمليات التبريد بالليزر وإنتاج تكاثف بوز-أينشتاين.
واستخدم الباحثون أشعة الليزر لتبريد الذرات وحصرها داخل مصيدة ضوئية، قبل تطبيق تقنية تُعرف باسم "التبريد التبخيري"، تقوم على السماح للذرات الأعلى طاقة بالهروب، بحيث تنخفض الطاقة الإجمالية للذرات المتبقية.
وللتغلب على غياب تأثير الجاذبية المعتاد في هذه العملية، استخدم العلماء تدرجا في المجال المغناطيسي لمحاكاة تأثير الجاذبية، بما يساعد الذرات الأعلى طاقة على مغادرة المصيدة بكفاءة أكبر.
وأسفرت هذه المرحلة عن تكوين تكاثف بوز-أينشتاين يضم نحو 20 ألف ذرة من الروبيديوم، عند درجة حرارة بلغت 3.1 نانوكلفن.
ولم يتوقف الباحثون عند ذلك، بل نقلوا السحابة الذرية إلى مصيدة ضوئية أوسع، وبدأوا في إضعافها تدريجيا، بما يسمح للذرات بالانتشار ببطء مع تقليل الطاقة المرتبطة بتمددها.
وفي المرحلة الأخيرة، أوقفوا المصيدة تماما، ثم راقبوا انتشار السحابة الذرية، التي ظلت قابلة للرصد لمدة تصل إلى سبع ثوانٍ بعد إطلاقها، وهو ما أتاح للفريق قياس سرعة تمددها وحساب درجة حرارتها المكافئة، التي بلغت الرقم القياسي الجديد عند 9.7 بيكوكلفن.
آفاق جديدة لأبحاث الفيزياء والكم
ولا تقتصر أهمية هذا الإنجاز على تحطيم الرقم القياسي لدرجات الحرارة المنخفضة، بل تمتد إلى تطبيقات علمية محتملة، أبرزها تطوير تقنية "التداخل الذري"، التي تعتمد على الخصائص الموجية للذرات لرصد تغيرات بالغة الصغر في البيئة المحيطة.
ومن شأن إبطاء حركة الذرات وإطالة الفترة التي يمكن خلالها مراقبتها أن يساعد العلماء على تطوير أجهزة قياس أكثر حساسية، يمكن استخدامها لاختبار مبادئ أساسية في الفيزياء، من بينها "مبدأ التكافؤ"، الذي ينص على أن تأثير الجاذبية في الأجسام لا يعتمد على كتلتها أو تركيبها.
كما قد تتيح هذه التقنية دراسة حالات غير مألوفة من المادة والظواهر الكمومية التي يصعب الوصول إليها باستخدام المختبرات الأرضية التقليدية.
وأكد الباحثون أن المنصة الجديدة، التي تعتمد بالكامل على الأنظمة الضوئية لإنتاج الذرات فائقة البرودة، تلبي متطلبات متقدمة للمحاكاة الكمومية والقياسات فائقة الدقة، ما يجعلها مرشحة للمساهمة في تطوير التجارب العلمية خلال المهمات الفضائية المستقبلية.
ويمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة في تطوير تقنيات الفيزياء الكمومية، إذ لا يقتصر السباق العلمي على الوصول إلى درجات حرارة أكثر انخفاضا، بل يستهدف أيضا تسخير الخصائص الفريدة للمادة عند هذه المستويات لدراسة أسرار الكون واختبار القوانين التي تحكمه.
