سجل علماء صينيون رقماً قياسياً جديداً في عالم الفيزياء، بعدما نجحوا في تبريد سحابة من الذرات إلى درجة حرارة تبلغ 9.7 تريليونات جزء من الدرجة فوق الصفر المطلق، في تجربة أجريت على متن محطة الفضاء الصينية «تيانغونغ».
ويعادل هذا الرقم مستوى من البرودة يصعب تحقيقه على الأرض، ويفتح المجال أمام تجارب أكثر دقة لدراسة الظواهر الكمومية وسلوك المادة في ظروف استثنائية.
وبحسب تقرير نشره موقع «IFLScience»، فإن التجربة اعتمدت على تبريد نحو 20 ألف ذرة من عنصر الروبيديوم إلى ما يعادل 9.7 بيكو كلفن، وهو رقم قياسي جديد لأدنى درجة حرارة تم تحقيقها في مثل هذه التجارب، ونُشرت نتائج البحث في مجلة «Science»، بمشاركة فريق من مؤسسات علمية صينية، من بينها جامعة بكين والأكاديمية الصينية للعلوم.
9.7 تريليون جزء فوق الصفر المطلق
تقترب هذه النتيجة بصورة استثنائية من الصفر المطلق، وهو أدنى حد نظري لدرجة الحرارة، ويبلغ نحو 273.15 درجة مئوية تحت الصفر، وعند الاقتراب من هذا الحد، تتراجع الطاقة الحركية للذرات إلى مستويات شديدة الانخفاض، ما يتيح للعلماء مراقبة سلوك المادة في ظروف لا تظهر عادة في الحياة اليومية.
ولا تعني النتيجة أن محطة الفضاء الصينية أو المعدات الموجودة داخلها وصلت إلى هذه الدرجة من البرودة، بل إنها تخص سحابة صغيرة من ذرات الروبيديوم جرى إعدادها وتبريدها داخل جهاز بحثي متخصص. كما أن الرقم لا يمثل قراءة تقليدية لمقياس حرارة، وإنما درجة مكافئة حُسبت من حركة الذرات ومعدل تمددها بعد إطلاقها من المصيدة التي كانت تحتجزها.
واستخدم الباحثون أشعة الليزر للتحكم في حركة الذرات وخفض طاقتها، مستفيدين من تقنية تعرف باسم المصيدة ثنائية القطب الضوئية، إذ تعمل أشعة الليزر على حصر الذرات والتحكم فيها، ثم يجري خفض طاقتها تدريجياً للوصول إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض.
وبدأت التجربة بتبريد الذرات إلى نحو 6 نانوكلفن، قبل السماح لها بالتمدد لمدة تصل إلى 7 ثوانٍ، وهو ما أتاح للباحثين متابعة حركتها واحتساب درجة الحرارة المكافئة التي وصلت إلى المستوى القياسي الجديد.
لماذا اختار العلماء الفضاء؟
تكمن أهمية إجراء التجربة في الفضاء في أن الجاذبية تمثل أحد أبرز العوائق أمام الوصول إلى درجات الحرارة فائقة الانخفاض على الأرض. فعندما تصبح الذرات باردة للغاية، يصعب إبقاؤها مستقرة داخل المصائد المستخدمة للتحكم فيها، لأن الجاذبية تؤثر في توزيعها وتحد من الوقت المتاح لمراقبة سلوكها.
أما في المدار الأرضي المنخفض، فتتيح بيئة الجاذبية الصغرى للعلماء استخدام مصائد أضعف والاحتفاظ بالذرات ومراقبة تمددها لفترات أطول، مقارنة ببعض التجارب الأرضية التي تعتمد على إسقاط الذرات داخل أبراج مرتفعة أو استخدام طائرات تحاكي انعدام الوزن لفترة قصيرة.
وكانت تجارب سابقة قد سجلت درجات حرارة بلغت نحو 38 بيكو كلفن في برج إسقاط على الأرض، لكن إمكانية متابعة الذرات لم تتجاوز نحو ثانيتين. كما تمكن مختبر الذرات الباردة على متن محطة الفضاء الدولية عام 2022 من الوصول إلى نحو 52 بيكو كلفن، مع استمرار التجربة لمدة ثانية واحدة.
وتتجاوز النتيجة الصينية هذين الرقمين، إذ لم يقتصر الإنجاز على الوصول إلى درجة حرارة أقل، بل أتاح أيضاً متابعة تمدد سحابة الذرات لمدة أطول، ما يوفر نافذة زمنية إضافية لدراسة خصائصها.
ماذا يستفيد العلماء من هذه البرودة؟
لا يقتصر الهدف من هذه التجارب على تسجيل أرقام قياسية، إذ تساعد درجات الحرارة فائقة الانخفاض على تكوين حالة من المادة تعرف باسم «تكاثف بوز-أينشتاين»، وفيها تتصرف أعداد كبيرة من الذرات كما لو أنها نظام كمومي واحد، بدلاً من أن تتحرك كل ذرة بصورة مستقلة.
وتتيح هذه الحالة للعلماء دراسة ظواهر فيزيائية لا يمكن رصدها بسهولة في الظروف العادية، كما توفر وسيلة لاختبار النظريات المتعلقة بسلوك المادة على المستوى الكمومي، وتطوير تقنيات قياس شديدة الدقة.
ومن بين التطبيقات التي يتطلع الباحثون إلى تطويرها مقاييس التداخل الذري، وهي أجهزة تعتمد على الخصائص الموجية للذرات لقياس تأثيرات دقيقة، مثل التسارع والجاذبية، ويمكن أن تسهم هذه التقنيات مستقبلاً في تحسين قياسات المجال الجاذبي للأرض واختبار بعض المبادئ الأساسية في الفيزياء.
ويرى الباحثون أن التجربة تمثل خطوة مهمة نحو تطوير مختبرات كمومية أكثر تقدماً في الفضاء، لكنها لا تعني أن هذه التطبيقات أصبحت جاهزة للاستخدام، لأنها تتطلب المزيد من التجارب وتحسين القدرة على التحكم في أعداد أكبر من الذرات وإطالة مدة مراقبتها.