الزجاج المغزلي: فيزياء الكم وراء الاكتشاف الذي فاز بفريزي بجائزة نوبل

جنبًا إلى جنب مع باحثي المناخ, مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء هذا العام لجورجيو فريسي لمساهمته العلمية في فهم الأنظمة المعقدة. وقررت لجنة الجائزة التركيز على الحل الذي اقترحه لمشكلة الزجاج المغزلي على أساس أن هذا النموذج قادر على تفسير العديد من الظواهر خارج فيزياء المواد. ما هي مرحلة الزجاج المغزلي وما هي مساهمة فريزي في النظرية؟

المزيد عن هذا الموضوع على موقع العلوم

• "لقد جلب الفائزان بجائزة نوبل مانابا وهاسلمان فائدة هائلة للبشرية من خلال توفير أساس مادي متين لفهمنا للمناخ" (شركاء فريسي للجائزة)
• أزمة المناخ تصل إلى جائزة نوبل في الفيزياء: اثنان من مطوري النماذج المناخية وباحث في التعقيد يفوزان بجائزة نوبل 2021
• وتبع نوبل وولف مرة أخرى في نفس العام: وهذه المرة البروفيسور جورجيو فريسي

الأوساخ غالبا ما تكون مصدر إزعاج. الأشخاص الكسالى الذين بنيناهم يكتسحونها تحت الطاولة أو تحت السجادة، لكن عاجلاً أم آجلاً لا يمكن تجاهل ذلك. في الفيزياء، "الشوائب" مرادفة لخلل في البلورة أو اضطراب في النمط الدوري. إذا تم تدمير الهيكل العظمي قليلا، فإن العدوى ليست ملحوظة على الإطلاق. ومن ناحية أخرى، إذا كان التلوث كبيرا، فإن التفاعل بين الجزيئات المتبقية يكون معقدا ومتفرعا. وذلك لأن الأنماط المتماثلة تبسط العمليات الحسابية والفوضى تزيد من التعقيد.

على مر التاريخ، تم إزالة الأوساخ من طاولة المختبر أو الأوراق العلمية للتركيز في الغالب على الأنظمة البسيطة مثل البلورات الدورية النقية. تغير هذا الاتجاه في سبعينيات القرن العشرين، حيث بدأ الفيزيائيون بإضافة عيوب إلى البلورة بغرض فهم بنية الزجاج. التركيب الذري للزجاج معقد ورائع. تبدو الذرات التي يتكون منها الزجاج متجمدة في مكانها، تمامًا مثل المادة الصلبة، ولكنها ليست مرتبة مثل البلورة. إن عدم التماثل في الزجاج يجعل من الصعب على المنظرين أن يصفوا رياضيا كيفية تشكل الزجاج، لذلك اعتمد الفيزيائيون بشكل أساسي على التجارب العلمية. فشلت التجارب الأولية التي دمجت العيوب في البلورة لأن كمية العيوب كانت صغيرة جدًا، على غرار الاختلافات في الأوساخ بين اللوحة المشكلة حديثًا واللوحة التي تم تنظيفها جيدًا بعد غمرها في حمام الطين. جاء التقدم التجريبي من اتجاه مختلف قليلاً بفضل المواد ذات الطور المعروف باسم "الزجاج المغزلي". كانت الشبكة الأولى التي تم إنشاؤها في المختبر والتي تم العثور عليها في مثل هذه الحالة من التجميع مكونة من ذرات حديد متناثرة داخل شبكة نحاسية. يتكون اسم الزجاج المغزلي من لحام اسمين: دوران، مما يدل على أن ذرات الحديد لها دوران داخلي، أو بمعنى آخر لها مغناطيس صغير ذو اتجاه محدد، وكلمة زجاج تشير إلى حقيقة أن الدورانات مغزلية. موجهة بشكل عشوائي في اتجاهات مختلفة وأن قوة القوى المؤثرة بين الدورات عشوائية تمامًا. إن الافتقار إلى النظام في اتجاه وقوة التفاعل بين دوران ذرات الحديد هو "التراب" الذي يخلق بنية جديدة ومستقرة للمادة (أو بعبارة أخرى، حالة غريبة من التجميع).

تدور الزجاج والمواد المغناطيسية

لفهم مدى اختلاف مرحلة "الزجاج المغزلي" عن المواد المغناطيسية الأخرى، سنجري مراجعة موجزة عن المغناطيس "الكلاسيكي" في الطبيعة. يتم تصنيف المواد المصنوعة من الذرات ذات الدوران المغزلي وفقًا لاستجابتها للتغيرات في درجات الحرارة والمجالات المغناطيسية. على سبيل المثال، عند درجات الحرارة المنخفضة، يعتبر الحديد مادة مغناطيسية حديدية لأنه "يتذكر" المجال المغناطيسي المطبق عليه، وهذا يعني أن السبينات تميل إلى الاصطفاف مع اتجاه المجال المغناطيسي وتتجمد في هذا الاتجاه حتى بعد تجمد المجال. أطفئ. في المواقع الجيولوجية، تساعد المعادن المغناطيسية (الحديد أو الكوبالت أو النيكل) الباحثين على قياس مجال الأرض عبر التاريخ. الخاصية المغناطيسية الحديدية هي في الأساس كمومية، وسبب كون الحديد مغناطيسًا حديديًا يرجع إلى حقيقة أن تكلفة الطاقة اللازمة للمحاذاة في نفس الاتجاه أصغر من الاتجاه المعاكس. عند درجات الحرارة المرتفعة، التي تزيد عن 771 درجة مئوية، تميل السبينات في الحديد إلى ترتيب نفسها بشكل عشوائي دون وجود مجال مغناطيسي خارجي. في هذه الحالة، يكون الحديد في المرحلة البارامغناطيسية، مما يعني أن السبينات "لا تتذكر" المجال المغناطيسي عند إيقافه. تحت درجة الحرارة الحرجة، يكون الاتصال بين السبينات أقوى من الطاقة الحرارية ويمر المعدن إلى الطور المغناطيسي الحديدي الذي تميل فيه السبينات إلى الاصطفاف في اتجاه موحد (اعتمادًا على المجال الخارجي أو في اتجاه عشوائي بدون تأثير خارجي). في هذه الحالة يصبح المعدن مغناطيسا، وفي معظم الأحيان تصطف السبينات في مجالات، وبعبارة أخرى ينقسم المعدن إلى مناطق موجهة مغناطيسية موحدة). بالمقارنة مع الحديد، فإن الشبكة المصنوعة من ذرات الكروم تتصرف بطريقة معاكسة تحت درجة حرارتها الحرجة. فبدلاً من محاذاة المغناطيسات الداخلية في اتجاه موحد، تقوم كل ذرة بتوجيه مغناطيسها الداخلي عكس جيرانها. تسمى هذه المرحلة بالمنغنيز الحديدي المضاد، وفي درجات الحرارة المنخفضة لا يخلق الكروم مجالًا مغناطيسيًا.

مرحلة الدوران الزجاجي هي نوع من الجمع بين الاثنين. يتم إنشاء الزجاج المغزلي من طبقة متطرفة غير مغناطيسية تحتوي على ذرات ذات دوران أقل وذرات مغناطيسية منتشرة داخلها، أي ذات دوران غير صفري. يمكن أن تكون الرابطة بين الذرات المغناطيسية مغناطيسية حديدية أو مضادة للمغناطيسية، مما يعني أن الذرات المجاورة ستميل البوصلة الداخلية في نفس الاتجاه، أو في الاتجاه المعاكس لبعضها البعض. على الرغم من أن الحديد يكون مغناطيسيًا بطبيعته عند درجات الحرارة المنخفضة، إلا أنه عند تشتيته في سلك نحاسي، فإنه يمكن أيضًا أن يعمل كمغناطيس مضاد. والسبب في ذلك يرجع إلى تحرك الإلكترونات الحرة على الشبكة. الإلكترونات لها نصف دوران ويتأثر اتجاهها بدوران ذرات الحديد. يخلق هذا التفاعل المعقد تأثيرًا يسمح للدوران المجاور بالمحاذاة في نفس الاتجاه أو الاتجاه المعاكس. يؤدي التأثير الغريب أحيانًا إلى إنشاء أنماط غير قابلة للذوبان. لنفترض، على سبيل المثال، ثلاث ذرات حديد متناثرة بشكل عشوائي في الشبكة. تشكل ثلاث ذرات ثلاث روابط على الأكثر (atom1-atom3، atom2-atom3، atom1-atom2). الرابطة التي تذكرك يمكن أن تكون مغناطيسية حديدية أو مضادة للمغناطيسية بشكل عشوائي. لنفترض أن إحدى الروابط مضادة للمغناطيسية، والاثنتين المتبقيتين ذات مغناطيسية حديدية. يمكنك إقناع نفسك بأنه ليس من الممكن اختيار اتجاه محدد لكل ذرة من الذرات التي ستوفر طبيعة الرابطة بينهما. هذه الحالة يطلق عليها الفيزيائيون حالة "محبطة"، ويقال أحيانًا أن الدورات نفسها "محبطة". وتبين أن الحالة المستقرة للنظام هي الحالة الأقل إحباطًا.

اكتشاف فريسي

دفعت مشكلة الإحباط الباحثين إلى التساؤل عما إذا كان الزجاج المغزلي هو مرحلة جديدة في حد ذاته أم أنه مجرد مغناطيس بطيء جدًا. يكون الانتقال بين المغناطيس الحديدي والمغناطيس البارامغناطيسي في المعدن حادًا وواضحًا مثل الشمس. من ناحية أخرى، يوجد في الزجاج المغزلي وفي درجات الحرارة المنخفضة مجال مغناطيسي صغير يتلاشى تدريجيًا. وفي الوقت نفسه، يعتبر الزجاج سائلًا بشكل أساسي، لكن معدل تدفقه بطيء جدًا. وجهة النظر هذه قادت الباحثين إلى افتراض أن الزجاج المغزلي عبارة عن مغناطيس بطيء جدًا، ولكن لملاحظة اختفاء المجال المغناطيسي، ربما يتعين عليك الانتظار لفترة أطول من عمر الكون.

في السبعينيات والثمانينيات، تم تطوير العديد من النماذج الرياضية لوصف الزجاج المغزلي. ولتبسيط المشكلة، حاول سام إدواردز من جامعة كامبريدج وفيليب أندرسون من جامعة برينستون في عام 1975 وصف نظام تستجيب فيه السبينات لأقرب الجيران فقط. تبين أن الافتراض لا يسهل الحسابات بشكل كبير، وقد وجد أن نموذج سام وفيليب معقد بشكل لا يصدق مع وجود عدد كبير من الحالات ذات الحد الأدنى من الطاقة المحلية (الحالة المفضلة للأنظمة الفيزيائية). المحلية تعني أن الطاقة مطلوبة لإجراء تغييرات طفيفة في النظام، ولكن في نفس الوقت إذا استثمرنا ما يكفي من الطاقة يمكن أن ننجر إلى حالة طاقة أقل. بعد ذلك، قام ديفيد شيرينجتون من لندن وسكوت كيركباتريك من مختبرات IBM بتبسيط النموذج باستخدام افتراض أن قوة التفاعل هي نفسها تمامًا (ولكن لا يزال من الممكن أن تختلف في خاصية واحدة - المغناطيسية الحديدية أو المضادة للمغناطيسية الحديدية). ويأمل الباحثون أن يؤدي هذا الافتراض، حتى لو كان أقل واقعية، إلى تبسيط المشكلة إلى حل. ولسوء الحظ، لم يكن النظام أقل تعقيدًا من النظام السابق، وفشلت محاولات إثبات وجود الزجاج المغزلي في هذا النموذج. هذا هو المكان الذي يظهر فيه جورجيو فريسي في الصورة. قام عالم الفيزياء النظرية بحل نموذج شيرينجتون-كيركباتريك وأظهر أن كل حالة ذات الحد الأدنى من الطاقة تكون مستقرة بدرجة كافية. ينشأ الاستقرار لأن الانتقال بين حد أدنى محلي وآخر يتطلب استثمارًا كبيرًا في الطاقة وانعكاسًا كبيرًا في الدورات في النظام.

تدور الزجاج ومشاكل التحسين

على الرغم من قلة ما كان معروفًا، ساعدت مرحلة الزجاج المغزلي كثيرًا في فهم الأنظمة البيولوجية والشبكات العصبية والمسائل الرياضية من علوم الكمبيوتر. العلاقة بين الأنظمة الأربعة موجودة في العدد الهائل من درجات الحرية. إن تعقيدها يخلق عددًا كبيرًا من الترتيبات الممكنة ويجعل من الصعب على الباحثين التنبؤ بالحالة التي سيجدها النظام كدالة للوقت. تمت ملاحظة أول استخدام للزجاج المغزلي في مشاكل التحسين في علوم الكمبيوتر. ظهر التشابه الأول في مشكلة "البائع"، وهي مشكلة تحسين معروفة تبحث عن أقصر طريق عبر عدد محدود من الوجهات. الأسلوب الساذج لحل المشكلة هو قياس أطوال المسارات الموجودة واختيار أقصر طريق من القائمة، ولكن مع زيادة عدد التوقفات، يزداد عدد المسارات بشكل كبير. تعتبر مسألة أقصر مسار تشبيهًا مثاليًا لمسألة الزجاج المغزلي: فالأهداف موازية للدوران، وأطوال المسار تساوي قوة الوصلات بين الدورات، وأقصر طول يساوي الحد الأدنى من الطاقة التي يوفرها الجسم الفيزيائي. يختار النظام أن يكون في. بمعنى آخر، في كل مرة تصنع فيها الطبيعة الزجاج، فإنها تحل مشكلة التحسين! (سأشير إلى أن هذا عادةً ما يكون حلاً محليًا، إذا كنت تريد البحث عن الحد الأدنى العالمي، فيجب عليك تسخين النظام وتبريده ببطء. وفي كل مرة يتعطل فيها النظام في حالة مستقرة، تقوم بتسخينه قليلاً وتبريده ببطء على أمل أن يستقر في حالة ذات طاقة أقل). ستواجه العديد من الخوارزميات صعوبة في العثور على الحد الأدنى العالمي في النظام، ولكن الحل محليًا في متناول اليد. وتماشيًا مع هذا النهج، قام الباحثون في شركة IBM في الثمانينيات بتطوير خوارزمية تعتمد على حل Frisee لإيجاد حل محلي لمشاكل التحسين. على سبيل المثال، في مسألة البائع، سترسم الخوارزمية طريقًا قصيرًا جدًا، طريقًا سيصبح أطول فقط إذا قرر البائع الانحراف قليلاً عن طريقه، ولكنه لن يكون بالضرورة أقصر طريق موجود على الخريطة.

تدور الزجاج والأنظمة البيولوجية

بدأ الارتباط بين الزجاج المغزلي وعلم الأحياء في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات. وجد الباحث جون هوفيلد من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا العديد من أوجه التشابه بين الشبكات العصبية والزجاج المغزلي. يمكن العثور على الخلايا العصبية على نطاق واسع في حالتين - تشغيل أو إيقاف، تمامًا مثل الدوران المُقاس على محور واحد. تعد قوة الاتصال بين الخلايا العصبية معلمة حرة تشبه قوة الاتصالات بين السبينات في مرحلة الدوران الزجاجي. والفرق الرئيسي هو أن الاتصالات في الخلايا العصبية تتغير بمرور الوقت وفي الزجاج المغزلي يتم توفير الاتصال وتثبيته. إذا كانت شبكات الخلايا العصبية مشابهة للزجاج المغزلي، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو ما يعادل الحالة الفيزيائية بأقل قدر من الطاقة؟ الفرضية المقبولة اليوم هي أن البنية المستقرة للزجاج المدور تشبه الذاكرة المخزنة في الشبكات. تم العثور على علاقة أخرى ومثيرة للدهشة للزجاج المغزلي في العمليات التطورية للأنظمة البيولوجية. أحد الأسئلة المركزية في هذا المجال يتعلق بتكوين جزيء DNA من الأحماض الأمينية. لم يتم بعد حل المسار الكيميائي من الأحماض الأمينية إلى الجزيئات التي تحمل المعلومات، ولكن من الممكن بناء نماذج رياضية تصف تفضيل الأنظمة المعقدة التي تحتوي على الكثير من المعلومات. تعتمد كمية المعلومات الموجودة في البوليمر على مدى تعقيده وعدد الحالات الموجودة التي تخلق نمطًا مشابهًا. لقد اتضح أن مثل هذه الأنماط يمكن أن تتشكل إذا أخذنا بعين الاعتبار رياضيات مشابهة لتلك الخاصة بالزجاج المغزلي.

وماذا عن المناخ؟ مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لبريزي لمساهمته العلمية في فهم الأنظمة المعقدة إلى جانب الباحثين في مجال المناخ. وقررت لجنة الجائزة التركيز على دوران الزجاج لأن هذا النموذج قادر على تفسير العديد من الظواهر خارج فيزياء المواد. لا يرتبط المناخ مباشرة بالفريزية، لكن التنبؤات الإحصائية للأنظمة المعقدة التي تتمتع بدرجات كبيرة من الحرية تنتمي إلى فئة واحدة، إلى جانب علم المناخ.