الفيزياء – الشياطين والإنتروبيا والرحلة إلى الصفر المطلق / مارك جي رايزن

تجربة فكرية من القرن التاسع عشر أصبحت تقنية حقيقية للوصول إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، مما مهد الطريق لاكتشافات علمية جديدة وتطبيقات مفيدة 

أثناء قراءتك لهذا المقال، تطير جزيئات الهواء حولك بسرعة 3,000 كيلومتر في الساعة، أي أسرع من الرصاصة، وتقصفك من كل جانب. وفي الوقت نفسه، فإن الذرات والجزيئات التي يتكون منها جسمك تدور باستمرار أو تهتز أو تصطدم ببعضها البعض. لا شيء في الطبيعة يقف ساكنًا، وكلما تحركت الأشياء بشكل أسرع، زادت الطاقة التي تحملها؛ ونحن قادرون على الشعور بهذه الطاقة الكلية للذرات والجزيئات، ونسميها "الحرارة".

على الرغم من أن حالة الجمود التام، وهي حالة تقابل درجة حرارة الصفر المطلق، مستحيلة فيزيائيًا، إلا أن العلماء تمكنوا من الاقتراب أكثر فأكثر من هذا الحد النهائي. تبدأ الظواهر الكمومية الغريبة في الظهور في هذه العوالم المتطرفة وتخلق حالات جديدة وغير عادية من المادة. وعلى وجه الخصوص، فإن تبريد سحب الغاز من الذرات، بدلاً من المادة في الحالة الصلبة أو السائلة، ورفع درجة حرارتها إلى درجة حرارة عالية لا تتجاوز جزءًا صغيرًا من الدرجة فوق الصفر المطلق، قد منح الباحثين القدرة على مراقبة سلوك جزيئات المادة. مثل الأمواج، وصنع أدق أجهزة القياس في التاريخ، وصنع أدق الساعات المعتمة.

هذه الطرق لتبريد الذرات لها عيب: لا يمكن تطبيقها إلا على عدد قليل من العناصر من الجدول الدوري، وبالتالي فإن فعاليتها محدودة. على سبيل المثال، كان تبريد الهيدروجين، وهو أبسط ذرة، تحديًا صعبًا للغاية منذ فترة طويلة. ولكن منذ وقت ليس ببعيد، أظهر فريقي البحثي طريقة تبريد جديدة تعمل على معظم العناصر وأيضًا على العديد من أنواع الجزيئات.

كان مصدر إلهامي هو تجربة فكرية أجراها جيمس كليرك ماكسويل في العصر الفيكتوري. لقد طرح هذا الفيزيائي الاسكتلندي العظيم في ذهنه الوجود المفاهيمي لـ "شيطانه" الموجود بالفعل، ويبدو أن لديه القدرة على كسر قوانين الديناميكا الحرارية.

ستفتح قدرة التبريد المكتشفة مؤخرًا اتجاهات جديدة للبحث الأساسي وتؤدي إلى مجموعة واسعة من الاستخدامات العملية. على سبيل المثال، قد تؤدي بعض إصدارات هذه التقنية إلى عمليات لتنقية النظائر النادرة التي تلعب أدوارًا مهمة في الطب والأبحاث الأساسية. ويمكن أن يكون له أيضًا آثار جانبية أخرى، مثل تحسين دقة الأساليب النانوية المستخدمة في صنع رقائق الكمبيوتر. ومن الناحية العلمية، فإن تبريد الذرات والجزيئات يمكن أن يسمح للباحثين باستكشاف منطقة الشفق بين فيزياء الكم والكيمياء العادية، مما يكشف عن الاختلافات المحتملة بين سلوك المادة والمادة المضادة. كما أن التبريد الفائق لنظائر الهيدروجين والهيدروجين يمكن أن يساعد المختبرات الصغيرة على الإجابة على أسئلة في الفيزياء الأساسية، من النوع الذي يتطلب حتى الآن تجارب ضخمة مثل التجارب التي أجريت في مسرعات الجسيمات.

سباق الرصاص

إن إيقاف الذرات والجزيئات والتحكم فيها ليس بالمهمة السهلة. في تجربة نموذجية، تتمثل الخطوة الأولى للباحثين في إنتاج غاز رقيق من بعض العناصر الكيميائية، عن طريق تسخين مادة صلبة أو تبخيرها بالليزر. في الخطوة التالية، يجب إبطاء الغاز وإغلاقه في غرفة مفرغة وإبقائه بعيدًا عن جدران الغرفة.

كانت خطوتي الأولى عبارة عن خدعة قديمة. منذ أكثر من 40 عامًا، اكتشف الكيميائيون أن الغاز عند ضغط جوي متعدد يتسرب عبر ثقب صغير إلى الفراغ يبرد بشكل كبير مع توسعه. ما يميز هذه "الحزم فوق الصوتية" هو أن طاقتها موحدة تقريبًا، أي أن سرعة الجزيئات ستكون قريبة جدًا من المتوسط. على سبيل المثال، إذا انطلق شعاع بسرعة 3,000 كم/ساعة، فإن الجزيئات الموجودة فيه سوف تنحرف عن هذه السرعة بحد أقصى 30 كم/ساعة. في المقابل، فإن جزيئات الهواء في درجة حرارة الغرفة، والتي يبلغ متوسط ​​سرعتها 3,000 كم/ساعة، يمكن أن تتراوح سرعتها بين صفر و6,000 كم/ساعة. وهذا يعني، من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، أنه على الرغم من أن الحزمة لديها كمية كبيرة من الطاقة، إلا أنها باردة بشكل لا يصدق. فكر في الأمر بهذه الطريقة: المراقب الذي يتحرك بجانب الشعاع بسرعة 3,000 كم/ساعة سيرى الجزيئات تتحرك ببطء شديد بحيث لا تزيد درجة حرارة الشعاع عن جزء من مائة من الدرجة فوق الصفر المطلق!

أدركت أنه إذا تمكنت أنا وزملائي من إبطاء وإيقاف مثل هذا الشعاع مع الحفاظ على نطاقه الضيق من السرعات، فقد ينتهي بنا الأمر إلى مجموعة باردة إلى حد ما من الذرات، ومن ثم يمكننا احتجازها وتبريدها بشكل أكبر.

ولتحقيق هذا الهدف، بدأت مجموعتي العمل باستخدام الأشعة فوق الصوتية في عام 2004، بالتعاون مع عوزي إيفين، الكيميائي من جامعة تل أبيب. في البداية حاولنا بناء مروحة تبلغ سرعة حركة أطراف الشفرات نصف سرعة شعاع الغاز الأسرع من الصوت. نبضات مباشرة من الحزمة نحو شفرات المروحة المتراجعة بحيث يتم تعويض سرعة الحزمة تمامًا مع سرعة الشفرات. عندما تم إخراج ذرات الغاز من المروحة، استخرجت المروحة كل الطاقة الحركية منها، تمامًا كما يمكن لمضرب التنس المنسحب أن يجلب الكرة إلى الراحة.

ولكن كان من الصعب التعامل مع هذا الإعداد، لأنه يتطلب ضبطًا دقيقًا للغاية. اقترح روبرت هيبنر، مدير مركز الميكانيكا الكهروميكانيكية بجامعة تكساس في أوستن، مخططًا آخر: التسبب في تناثر الغاز من الجزء الخلفي للقذيفة أثناء انطلاق المقذوف نحو بندقية ملفوفة. المسدس اللولبي (المعروف أيضًا باسم "بندقية غاوس") هو سلاح تجريبي يدفع مقذوفات ممغنطة من ماسورة البندقية باستخدام المجالات المغناطيسية بدلاً من البارود. وهو يعمل عن طريق تسريع القذيفة من خلال سلسلة من ملفات الأسلاك التي يتدفق من خلالها تيار كهربائي، بحيث يتم إنشاء مجالات مغناطيسية داخلها. الرصاصة، وهي في الأساس عبارة عن شريط مغناطيسي، تنجذب إلى مركز الملف الذي تمر من خلاله. وبالتالي فإن قوى الجاذبية تتسارع المقذوف الذي يقترب. ومع ذلك، بمجرد مرور المقذوف بالمركز، ستبدأ القوى في سحبه إلى الخلف وبالتالي إبطائه وإعادته إلى سرعته الأصلية. لكن إذا قمت بإيقاف التيار في كل ملف في اللحظة المحددة التي تمر فيها الرصاصة بمركزها، فإن القوى المغناطيسية تدفع الرصاصة دائمًا في الاتجاه الصحيح - أسفل البرميل.

وسرعان ما أدركت أنه يمكننا تنفيذ فكرة اللافتة وفي نفس الوقت التخلص تمامًا من الرصاصة. وبدلا من ذلك، سوف نستخدم نفس المبدأ على العارضة نفسها، ولكن في الاتجاه المعاكس: هذه المرة لن تقوم ملفات البندقية بتسريع القذيفة ولكنها ستعمل بشكل مباشر على جزيئات الغاز وتجعلها تستقر [انظر الإطار في الصفحة التالية]. هذه الحيلة ممكنة لأن معظم الذرات تمتلك على الأقل قدرًا صغيرًا من المغناطيسية، وجميعها تمتلك مغناطيسية عندما تكون إلكتروناتها في حالة مثارة. العديد من أنواع الجزيئات مغناطيسية أيضًا.

قمنا ببناء الجهاز الجديد واختبرناه أولاً على ذرات النيون المثارة ثم على ذرات الأكسجين. تمكنا من إيقاف كلا النوعين. دون علمنا، قامت مجموعة تعمل في زيورخ بسويسرا تحت إشراف فريدريك ميرك، بشكل منفصل، بتطوير نفس الفكرة ونجحت في احتجاز ذرات الهيدروجين في نفس الوقت تقريبًا الذي كنا نجري فيه تجاربنا. لقد قامت عدة مجموعات حول العالم بالفعل ببناء مسدسات ملف ذرية خاصة بها، وهي في الواقع أجهزة بسيطة للغاية ومستقرة، تعتمد على الأسلاك النحاسية العادية والمكثفات والترانزستورات الجاهزة.

بمجرد أن تمكنا من إيقاف الذرات بهذه الطريقة، أصبح الطريق ممهدًا إلى حد كبير لاحتجازها في المجالات المغناطيسية الساكنة. وكانت المشكلة الأكثر صعوبة هي إيجاد طريقة لتبريدها بشكل أكبر. على الرغم من أن درجة الحرارة البالغة 0.01 درجة كلفن (جزء من مائة من الدرجة فوق الصفر المطلق) تبدو رائعة جدًا، إلا أنها بعيدة كل البعد عن الحدود التي حققتها التقنيات الأخرى. لذلك كان علينا أن نجد طريقة لتحقيق درجة حرارة أقل.

طرق ذات اتجاه واحد

لقد فكرت في طرق التبريد العامة قبل أن يتوصل أي شخص إلى مسدسات الملف الذري بوقت طويل، ولكن لفترة طويلة لم أجد حلاً. وحققت تقنية التبريد بالليزر، التي تم اختراعها في الثمانينات، نجاحا كبيرا وأسفرت عن خلق حالة من المادة تعرف باسم مكثف بوز-آينشتاين ومنح جائزتي نوبل في الفيزياء عامي 80 و1997. لكن نطاق تطبيقات التبريد بالليزر يقتصر في الغالب على ذرات العمود الأول من الجدول الدوري، مثل الصوديوم والبوتاسيوم، لأنه من السهل إثارة العناصر من الحالة الأرضية إلى حالة مثارة واحدة، كما تتطلب هذه التقنية . هناك طريقة أخرى فكرت فيها وهي التبريد التبخيري، الذي يعتمد على جمع الذرات الساخنة وترك الذرات الباردة خلفها (وهذا هو المبدأ الذي يقوم من خلاله العرق بتبريد أجسامنا أثناء تبخره من جلدنا). لكن بدون مساعدة التبريد بالليزر، من الصعب جدًا تحقيق كثافة عالية بما يكفي لبدء التبخر في المقام الأول.

وفي فبراير/شباط 2004 قمت بزيارة جامعة برينستون وتحدثت هناك مع ناثانيال ج. فيش، وهو فيزيائي يتعامل مع البلازما. أخبرني عن فكرة طورها حينها: كيفية نقل تيار كهربائي من الإلكترونات في البلازما - وهو غاز من الإلكترونات والأيونات الموجبة - باستخدام حيلة تجعل الإلكترونات تتحرك في اتجاه واحد وليس الآخر. سألت نفسي إذا كان بإمكاننا تحقيق نتيجة مماثلة باستخدام الذرات أو الجزيئات: بناء "بوابة" تسمح للذرات بالمرور في اتجاه واحد ولكن ليس في اتجاه آخر.

دعونا ننحي جانبًا المشكلة الفنية للحظة، وهي كيفية بناء بوابة ذات اتجاه واحد، ونحاول أولاً أن نفهم لماذا يمكن لمثل هذا الجهاز أن يساعد في تبريد الغاز. ستكون الخطوة الأولى هي تقليل حجم الغاز دون رفع درجة حرارته. لنفترض أن لدينا خزانًا مفصولاً إلى مجلدين بواسطة بوابة. تتناثر ذرات الغاز الموجودة في الخزان في اتجاهات عشوائية بشكل عشوائي، وعاجلاً أم آجلاً سوف تطير نحو البوابة. إذا كانت البوابة تسمح لهم بالمرور في اتجاه واحد فقط، على سبيل المثال من اليسار إلى اليمين، ففي النهاية ستتركز جميع الذرات على الجانب الأيمن من الحاوية. والأمر الحاسم هو أن سرعات الذرات لا تتغير أثناء العملية، وبالتالي سيبقى الغاز عند نفس درجة الحرارة التي كانت عليها في البداية. (من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، يختلف هذا الإجراء تمامًا عن ضغط الغاز إلى النصف الأيمن من الحجم، وهو الإجراء الذي يؤدي إلى تسارع الذرات وبالتالي رفع درجة الحرارة).

ستكون الخطوة التالية هي السماح للغاز بالتمدد مرة أخرى إلى حجمه الأصلي. مع تمدد الغاز، تنخفض درجة حرارته، ولهذا السبب تبرد علب الرش عند الاستخدام. وبالتالي فإن النتيجة النهائية ستكون الغاز في الحجم الأصلي ولكن عند درجة حرارة أقل.

المشكلة التي حيرت علماء الفيزياء لفترة طويلة هي أن بوابات الفرز الذري هذه تبدو وكأنها تنتهك قوانين الفيزياء. عندما يكون الغاز في حالة مضغوطة، تكون الإنتروبيا الخاصة به منخفضة (الإنتروبيا هي مقياس لمقدار اضطراب النظام). لكن وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، من المستحيل خفض إنتروبيا نظام ما دون إهدار الطاقة وخلق المزيد من الإنتروبيا في مكان آخر.

كتبت أقلام كثيرة عن هذه المفارقة منذ التجربة الفكرية التي قدمها جيمس كليرك ماكسويل عام 1871، والتي يستطيع فيها "كائن حكيم وذكي" أن يرى تحركات الجسيمات، ويفتح أو يغلق بوابة وفقا لذلك. أصبح هذا المخلوق الافتراضي معروفًا باسم "شيطان ماكسويل" ويبدو أنه ينتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية، حيث إنه قادر على خفض إنتروبيا الغاز مع إنفاق كمية ضئيلة من الطاقة. وبعد سنوات عديدة، في عام 1929، تمكن ليو زيلارد من حل المفارقة. وأثار احتمال أن الشيطان كان يجمع المعلومات في كل مرة يتم فيها إغلاق البوابة. هذه المعلومات، وفقا له، تحمل إنتروبيا توازن بدقة انخفاض إنتروبيا الغاز، وبالتالي "تحفظ" القانون الثاني. (كان زيلارد سابقًا لعصره: فبعد بضعة عقود من الزمن، كانت فكرة أن المعلومات لها معنى مادي فعلي هي التي حفزت على إنشاء نظرية المعلومات).

كل المناقشات حول معضلة ماكسويل، بما في ذلك حل زيلارد، لم تتجاوز الفرضية النظرية، وبدا لعقود عديدة أنها مقدر لها أن تظل كذلك. لكن أنا وزملائي خلقنا أول إدراك لتجربة ماكسويل الفكرية بالطريقة التي تخيلها ماكسويل. (وفي تجارب أخرى حديثة، تم إجراء أشياء مماثلة على المستوى الأساسي، ولكن باستخدام ميكانيكا النانو وعدم استخدام بوابات الغاز.) واستخدمنا هذه الطريقة لتبريد الذرات إلى درجة حرارة 15 جزءًا من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق.

وكما سنرى لاحقًا، يوضح الجهاز الذي بنيناه كيف يمكن لشيطان ماكسويل أن يتواجد فعليًا، وكذلك سبب صحة رؤية زيلارد - أن المعلومات تلعب دورًا حاسمًا -.

وخلصت إلى أنني إذا أردت أن تعمل البوابة ذات الاتجاه الواحد، فإن ذرات الغاز تحتاج إلى حالتين متميزتين (قيم مختلفة للإلكترونات حول النواة) تكون كلاهما منخفضة الطاقة وبالتالي مستقرة. دعنا نطلق على الدولتين "الزرقاء" و"الحمراء". تطفو الذرات في وعاء يعبره شعاع الليزر في المنتصف. يتم ضبط الطول الموجي للشعاع بدقة إلى الحجم الذي يتسبب في ارتداد الذرات "الحمراء" عند اقترابها من الشعاع، أي أن الشعاع يعمل بشكل أساسي كبوابة مغلقة. في البداية، تكون جميع الذرات "زرقاء" وبالتالي يمكنها المرور عبر حاجز الليزر دون أي تدخل. ولكن على يمين الشعاع الحاجز مباشرة، يتم ضرب الذرات بواسطة شعاع ليزر ثانٍ، تم ضبطه بحيث تتحول الذرات من "الأزرق" إلى "الأحمر" عن طريق تشتيت فوتون واحد. الآن يتم صد الذرات "الحمراء" بواسطة شعاع الحجب وبالتالي لا يمكنها المرور عبر البوابة والعودة إلى الجانب الأيسر. وفي نهاية المطاف، ستتجمع كل الذرات في الجانب الأيمن، وسيظل الجانب الأيسر فارغًا.

لقد عرضنا بوابتنا لأول مرة باستخدام ذرات الروبيديوم في أوائل عام 2008. وقد أطلقنا على طريقتنا اسم التبريد أحادي الفوتون، لتمييزها عن الطريقة السابقة، التبريد بالليزر، الذي يتطلب العديد من الفوتونات لتبريد كل ذرة.

وفي الوقت نفسه، دون علمنا، قام غونزالو موغا من جامعة بلباو في إسبانيا، بالتعاون مع زميله أندرياس روتشهاوبت (الآن في جامعة لايبنيز في هانوفر بألمانيا)، بتطوير فكرة مماثلة دون معرفة بحثنا. منذ ذلك الحين، قمت أنا وموجا وروشابت بتحليل بعض الجوانب النظرية للبوابة رياضيًا. في بحث مشترك نُشر عام 2006، أوضحنا أنه عندما تبعث الذرة فوتونًا واحدًا، فإن الفوتون يحمل معه معلومات عن تلك الذرة، وبالتالي يحمل أيضًا كمية صغيرة من الإنتروبيا. علاوة على ذلك، فإن الفوتون الأصلي هو جزء من شعاع منظم من الفوتونات (شعاع الليزر)، في حين أن الفوتونات المتناثرة تتناثر في اتجاهات عشوائية. وبالتالي تصبح الفوتونات أقل ترتيبًا، والزيادة المقابلة في إنتروبيا الضوء تعادل بدقة الانخفاض في إنتروبيا الذرات، والذي ينتج عن الحاجز الناتج عن البوابة أحادية الاتجاه. وهكذا، فإن التبريد بفوتون واحد يعمل مثل شيطان ماكسويل بالطريقة التي تصورها ليو زيلارد في عام 1929. الشيطان، في هذه الحالة، بسيط وفعال للغاية: شعاع ليزر يحفز عملية لا رجعة فيها عن طريق تشتيت فوتون واحد. ومن المؤكد أن مثل هذا الشيطان ليس كائنًا ذكيًا ولا جهاز كمبيوتر، ولا يحتاج إلى اتخاذ قرارات بناءً على المعلومات الواردة من الذرات. إن توافر المعلومات وإمكانية جمعها، من حيث المبدأ، أمر كاف.

جبهة الالتقاط والتبريد

إن التحكم في حركة الذرات والجزيئات يفتح اتجاهات جديدة في العلوم. لطالما حلم الكيميائيون بحبس الجزيئات وتبريدها لدراسة التفاعلات الكيميائية التي تحكمها قوانين ميكانيكا الكم. يعمل المسدس اللولبي على أي جزيء مغناطيسي ويوفر تكملة للطريقة التي تستخدم القوى الكهربائية، وليس المغناطيسية، لإبطاء أي جزيء مستقطب كهربائيًا. إذا كانت الجزيئات صغيرة بما فيه الكفاية، فإن تبريد الفوتون الواحد يمكن أن يخفض درجات الحرارة بما يكفي لبدء الظواهر الكمومية في السيطرة. على سبيل المثال، تصبح الجزيئات موجات منتشرة يمكنها إحداث تفاعلات على مسافات أكبر بكثير من المعتاد، دون الحاجة إلى الطاقة الحركية التي تغذي التفاعلات الطبيعية. العديد من المجموعات البحثية تتعمق الآن في هذا الاتجاه.

يتمتع تبريد الفوتون الفردي بميزة كبيرة أخرى: فهو يعمل على الهيدروجين وأيضًا على نظائره الديوتيريوم (الذي تحتوي نواته على نيوترون بالإضافة إلى بروتون واحد) والتريتيوم (مع نيوترونين). في أواخر التسعينيات، نجح دان كليفنر وتوماس ج. جريتيك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، بعد جهود كبيرة، في احتجاز الهيدروجين وتبريده باستخدام الطرق المبردة والتبريد التبخيري، لكنهم لم يحققوا إنجازًا مماثلاً مع النظائر الأخرى. . يعتمد المزيد من التقدم على طرق جديدة لالتقاط نظائر الهيدروجين وتبريدها في جهاز بسيط نسبيًا. يعتبر التبريد بفوتون واحد مناسبًا بشكل ملحوظ لاحتجاز وتبريد نظائر الهيدروجين الثلاثة. سيكون أحد الأهداف هو توسيع الحدود الحالية للتحليل الطيفي فائق الدقة، وهو تطبيق مهم آخر للذرات الباردة.

إن التقاط وتبريد التريتيوم قد يجعل من الممكن قياس كتلة النيوترينو، وهو الجسيمات الأولية الأكثر شيوعًا في الكون بين الجسيمات المعروفة، وبالتالي فهم أفضل لتأثيرات الجاذبية لهذه الجسيمات على تطور الكون. التريتيوم مشع، ويتحول إلى هيليوم 3 عندما يضمحل أحد نيوتروناته ويتحول إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو مضاد، وهو جسيم المادة المضادة المقابل للنيوترينو. ومن خلال قياس طاقة الإلكترون الذي ينطلق من النواة على شكل إشعاع بيتا، يستطيع الفيزيائيون تحديد مقدار الطاقة التي أخذها النيوترينو المضاد معه، والتي مرت عبر الجهاز دون أن يتم اكتشافها، ومن ذلك يستنتجون ما هو كتلته هي. ويتوقع الفيزيائيون أن تكون كتلة النيوترينو مساوية لكتلة النيوترينو المضاد.

يمكن استخدام نفس الطرق لاحتجاز وتبريد الهيدروجين المضاد، وهو المادة المضادة المكافئة للهيدروجين. تم إنشاء الهيدروجين المضاد مؤخرًا في CERN، وهو مختبر فيزياء بالقرب من جنيف، ويجب التعامل معه بحذر شديد نظرًا لأن المادة المضادة تختفي في ومضة من الطاقة بمجرد ملامستها للمادة. في هذه الحالة، لا يمكن استخدام طريقة شعاع الموجات فوق الصوتية كنقطة انطلاق. بدلًا من ذلك، من الممكن إنشاء شعاع من جزيئات الهيدروجين المضاد عن طريق إطلاق البروتونات المضادة عبر سحابة من البوزيترونات ثم إيقافها وتبريدها باستخدام شيطان ماكسويل الذي أنشأناه. سيتمكن المجربون الذين يدرسون الهيدروجين المضاد من الإجابة على السؤال البسيط: "هل تسقط المادة المضادة بنفس طريقة سقوط المادة؟" وبعبارة أخرى، "هل تعمل الجاذبية بنفس الطريقة على جميع الأجسام التي لها نفس الكتلة؟"

قد يكون للمسدس اللولبي الذري الجديد وتقنيات التبريد أحادية الفوتون أيضًا تطبيقات عملية مهمة. لا تزال نظائر معظم العناصر في الجدول الدوري منفصلة باستخدام جهاز يعرف باسم الكالوترون، اخترعه إرنست لورانس خلال مشروع مانهاتن. تقوم الكلوترونات بفصل النظائر، التي تختلف كتلتها قليلاً عن بعضها البعض، بمساعدة مجال كهربائي، يشبه إلى حد ما مطياف الكتلة الكبير. يوجد اليوم برنامج كلوترون نشط واحد فقط في روسيا، وهو ليس فعالاً حقًا. في هذه الحالة من الممكن تصميم شيطان ماكسويل مشابه لشيطان يعمل تحت التبريد ويمكنه فصل النظائر في الشعاع بكفاءة أكبر من البروتونات. ومن الممكن بهذه الطريقة إنتاج كميات صغيرة من النظائر، مثل الكالسيوم 48 أو الإيتربيوم 168، وهي عناصر تلعب دورا في الطب والأبحاث الأساسية، دون زيادة خطر الانتشار النووي لأن هذه الطريقة عملية فقط لعزل كميات صغيرة جدا. من النظائر.

أحد الآثار الجانبية الأخرى التي نقوم باختبارها هو بناء الهياكل على مقياس النانومتر. بدلًا من استخدام المجالات المغناطيسية لإبطاء الذرات، يمكننا السماح للحقول بتركيز حزم الذرات مثل العدسات التي تركز الضوء، ولكن بدقة نانومترية واحدة فقط أو حتى أقل. وبهذه الطريقة، ستتمكن هذه الحزم من غرق الذرات وإنشاء تفاصيل أصغر مما هو ممكن اليوم باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية، وهي المعيار الذهبي لتصنيع شرائح الكمبيوتر. إن القدرة على إنشاء هياكل على مقياس نانومتر باستخدام مثل هذه الطريقة، من الأسفل إلى الأعلى، بدلاً من الأساليب من الأعلى إلى الأسفل، والتي تعتبر أكثر شيوعاً في علوم النانو، سوف تؤسس لمجال جديد من البحث أسميه علم الذرة.

وحتى لو ظل الصفر المطلق بعيد المنال كما كان دائمًا، فلا يزال هناك الكثير لنكتشفه ونكتسبه في رحلتنا على الطريق المؤدي إليه.

__________________________________________________________________________________________________

عن المؤلف

يشغل مارك ج. رايزن كرسي مدير مؤسسة سيد دبليو ريتشاردسون في الفيزياء بجامعة تكساس في أوستن، حيث حصل أيضًا على درجة الدكتوراه. وتشمل اهتماماته الاصطياد البصري والتشابك الكمي. عندما كان طفلًا صغيرًا، التقى رايسن بـ ليو زيلارد، الذي كان مريضًا لدى والده طبيب القلب، وشرح له سبب عدم انتهاك شياطين ماكسويل لقوانين الديناميكا الحرارية.

باختصار

إن الطرق التقليدية لتبريد الغازات إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق لا تعمل إلا على عدد قليل من الأساسيات.

يمكن لمزيج من تقنيتين مبتكرتين تبريد ذرات جميع العناصر تقريبًا وحتى بعض الجزيئات.

إحدى التقنيات، التي يبدو أنها تنتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية، هي التجسيد المادي لتجربة فكرية شهيرة من القرن التاسع عشر، تُعرف باسم شيطان ماكسويل.

التبريد: الخطوة الأولى

الفرامل المغناطيسية

يمكن للخطوة الأولى للتبريد خفض درجة حرارة الغاز إلى حوالي مائة درجة فوق الصفر المطلق عن طريق إطلاق الغاز في الفراغ بسرعة عالية (عملية تؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة بشكل كبير) ثم إبطائها باستخدام جهاز جديد المعروف باسم بندقية الملف الذري. تم استخدام Coilguns في الأصل كأسلحة تجريبية مصممة لتسريع المقذوفات باستخدام المجالات المغناطيسية. يطبق المسدس الحلزوني الذري نفس الفكرة في الاتجاه المعاكس لإبطاء أي ذرة أو جزيء له استقطاب مغناطيسي شمالي وجنوبي، وهي خاصية تمتلكها معظم العناصر في الجدول الدوري.

تمتد تطبيقات الطريقة من دراسة خصائص الجسيمات الأولية دون الحاجة إلى معجلات باهظة الثمن إلى فصل النظائر لاستخدامها في الطب والبحث.

التبريد: الخطوة الثانية

البرد الشيطاني

بعد أن يقوم مسدس ملف ذري أو أي جهاز آخر بتبريد الغاز إلى درجة حرارة بضعة أجزاء من المئات من الدرجة فوق الصفر المطلق، يمكن للمرء أن يبدأ عملية التجميد الخطيرة، وصولاً إلى أجزاء من المليون من الدرجة وحتى أقل من ذلك. تنجح التقنية الجديدة للتبريد بفوتون واحد في هذه المهمة من خلال بوابة ذات اتجاه واحد مستوحاة من تجربة فكرية في القرن التاسع عشر. تتمثل الفكرة في المقام الأول في السماح للبوابة بتركيز الذرات في حجم صغير (ولكن دون رفع درجة حرارتها) ثم السماح لها بالانتشار مرة أخرى إلى حجمها الأصلي (عملية تؤدي إلى خفض درجة حرارتها).

والمزيد حول هذا الموضوع

التحليل الطيفي للغازات فائقة التبريد. دونالد هـ. ليفي في مجلة ساينتفيك أمريكان، المجلد. 250، لا. 2، الصفحات 96-109؛ فبراير 1984.

الشياطين والمحركات والقانون الثاني. تشارلز إتش بينيت في مجلة ساينتفيك أمريكان، المجلد. 257، لا. 5، الصفحات 108-116؛ نوفمبر 1987.

محاصرة الليزر للجسيمات المحايدة. ستيفن تشو في ساينتفيك أمريكان، المجلد. 266، لا. 2، الصفحات 70-76؛ فبراير 1992.

فيسبوك