لو كانت سندريلا فيزيائية: عن ساتياندرا بوز وتكثيف بوز-آينشتاين

إذا أخذت مجموعة من البوزونات وقمت بتبريدها إلى درجة قريبة جدًا جدًا من الصفر المطلق، فإن جميع البوزونات ستفقد تقريبًا كل طاقتها في الحال. وفي هذه الحالة سوف يفقدون أيضًا هويتهم الشخصية.

في عام 1995، واجه اثنان من الباحثين من جامعة كولورادو في الولايات المتحدة الأمريكية، إريك كورنيل وكارل وينمان، تحديًا صعبًا. على طاولة التجربة وقفت أمامهم مجموعة من ذرات الروبيديوم، وكان هدف كورنيل ووينمان هو تبريد هذه العينة إلى درجة حرارة لا يمكن تصورها تقريبًا: 170 جزءًا من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق. إذا نجح كورنيل ووينمان في مهمتهما، فقد يحولان مجموعة ذرات الروبيديوم إلى نوع جديد من المواد، لم يسبق له مثيل من قبل.

لفهم ما كان الباحثان يحاولان تحقيقه في عام 1995، لا بد من العودة إلى بداية القرن العشرين. ولد ساتيندرا بوس عام 1894 في كلكتا، الهند. حتى منذ شبابه برز كعالم رياضيات لامع بشكل خاص، وتقدم داخل الأكاديمية الهندية إلى منصب محاضر الفيزياء في جامعة دكا. وحدثت ثورة علمية هائلة في أوروبا في نفس الوقت: فقد قلب أينشتاين وبور وشرودنجر وآخرون الصورة النيوتونية للعالم رأسًا على عقب. لكن الهند البعيدة كانت معزولة إلى حد ما عن الاتجاه السائد، ولم يتمكن سوى عدد قليل من العلماء الهنود من حضور المؤتمرات والدورات التدريبية وغيرها من الفرص للتلاقح المتبادل التي تعتبر في غاية الأهمية لتقدم العلوم. كان بوز مهتمًا جدًا بنظرية الكم، لكنه اضطر إلى العمل بمفرده إلى حد كبير.

في أحد الأيام، ألقى بوز محاضرة على طلابه حول جوانب معينة من نظرية الكم. حاول بوز أن يثبت للطلاب أن النظرية لا تزال غير مثالية: كانت هناك ظواهر فيزيائية لم تصفها نظرية الكم بشكل صحيح. ولكن كما يحدث لكل محاضر من وقت لآخر، أخطأ بوز في حساباته على السبورة. وعندما وصل إلى نهاية الحساب، اكتشف، لدهشته، أن النظرية التي كتبها على السبورة تصف في الواقع الظواهر الفيزيائية المرغوبة بشكل جيد للغاية. عاد Bose عدة خطوات إلى الوراء في الحساب، وحدد خطأه. تتعامل النظرية المقبولة مع كل فوتون من الضوء كجسيم منفصل ومستقل: كل فوتون لديه مجموعة من الخصائص ويمكن دائمًا تصميم تجربة مناسبة للتمييز بين أي فوتونين بناءً على هذه الخصائص. لقد أخطأ بوز في التعامل مع الفوتونات على أنها جسيمات لها خصائص متماثلة تمامًا ولا يمكن تمييزها عن بعضها البعض.

في ومضة إلهام، أدرك بوز أن خطأه لم يكن خطأً على الإطلاق: لتفسير الظواهر الفيزيائية المرغوبة، يجب على المرء أن يفترض أن هناك مواقف تكون فيها الفوتونات متطابقة تمامًا ولا يمكن تمييزها عن بعضها البعض. وبعد تحليل الفكرة بعمق والاقتناع بصحتها، كتب بوز مقالًا علميًا عن الموضوع عام 1925 وأرسله للنشر في المجلات العلمية الرائدة في عصره. يمكنك تخمين ما حدث بعد ذلك. يدعي عالم فيزياء مجهول من إحدى دول العالم الثالث البعيدة أنه اكتشف خطأً في نظرية الكم. رفضته جميع المجلات رفضًا قاطعًا.

لكن بوس لم يستسلم. أخذ المقال، ولفه بعناية في ظرف وأرسله مباشرة إلى أهم عالم في العالم - ألبرت أينشتاين. إذا كانت سندريلا عالمة فيزياء نظرية، فهذا هو بالضبط ما كان ينبغي أن تبدو عليه أسطورتها: قرأ أينشتاين بحث بوز وأدرك على الفور أنها كانت مراجعة دراماتيكية للنظرية. قام بترجمة مقالة بوز إلى الألمانية وأرسلها، باسم بوز بالطبع، إلى مجلة علمية. يمكنك تخمين ما حدث بعد ذلك. أشهر عبقري عصره يضع يديه على تصحيح مهم لنظرية الكم. نشرت المجلة المقال على الفور.

أصبح Bose شخصية مرغوبة جدًا في أوروبا. أمضى عامًا في الزيارات والمؤتمرات، وعمل مع أينشتاين وعلماء آخرين، وعندما عاد إلى الهند تم تعيينه بسرعة أستاذًا جامعيًا. كان هذا غير عادي للغاية لأن ساتيندرا بوس لم يكن حتى دكتورًا. هكذا يكون الأمر عندما يوصيك شخص مثل أينشتاين، ويتبين أنه يمكن أن يساعدك.

واصل أينشتاين أفكار بوز وطورها بعدة خطوات أخرى. لقد افترض أن الفوتونات ليست وحدها التي يمكنها التصرف كجسيمات متطابقة تمامًا، بل هناك أيضًا نوع معين من جسيمات المادة تسمى "البوزونات" (بازدراء بالطبع) قادر على القيام بذلك. إذا أخذت مجموعة من البوزونات وقمت بتبريدها إلى درجة قريبة جدًا جدًا من الصفر المطلق، فسيحدث فجأة نوع من "الانهيار الذري": ستفقد جميع البوزونات تقريبًا كل طاقتها مرة واحدة. وفي هذه الحالة سوف يفقدون أيضًا هويتهم الشخصية. سيتم إعادة تعيين جميع الخصائص الفيزيائية التي تميز عادة ذرة عن أخرى. وستصبح مجموعة البوزونات في الواقع ذرة واحدة كبيرة. هذه حالة جديدة تمامًا للمادة: إنها ليست غازية، وليست سائلة، وليست صلبة - إنها... شيء آخر. وتسمى هذه الظاهرة "تكثيف بوز-آينشتاين". من المهم التأكيد على أن البوزونات يجب ألا تفقد كل طاقتها: إذا فقد الجسيم كل طاقته، فإنه يتوقف في مكانه - عندها سنعرف على وجه اليقين موقعه وسرعته، وهذا سينتهك مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. وينص هذا المبدأ على أنه من المستحيل بأي حال من الأحوال معرفة موضع الجسيم وسرعته بدقة تامة. وبالتالي، ستنزلق البوزونات إلى أدنى مستوى طاقة ممكن للجسيم.

كان تكثيف بوز-آينشتاين لسنوات عديدة هو الكأس المقدسة لفيزياء الكم. من الصعب جدًا قياس الظواهر الكمومية في التجارب: فهي تحدث في جسيمات صغيرة جدًا ولفترات زمنية قصيرة جدًا. لكن تكثيف بوز-آينشتاين يخلق نوعًا من الذرة الفائقة: جسيم كبير يتكون من العديد من الجسيمات المتطابقة تمامًا. نظرًا لأن محتوى الطاقة في الذرات منخفض جدًا، فإن جميع الظواهر الكمومية تستغرق وقتًا طويلاً (نسبيًا بالطبع) وتكون مراقبتها تجريبيًا أسهل. بمعنى آخر، يترك العالم الكمي العالم الجزئي للحظة وجيزة وينتقل إلى العالم الكلي. كل هذا قد يحدث، إذا صحت حسابات إريك كورنيل وكارل وينمان، عند درجة حرارة 170 نانوكلفن فوق الصفر المطلق.

وكانت الطريقة التي أردنا من خلالها الوصول إلى درجة الحرارة المذهلة هذه مبتكرة بشكل خاص: التبريد باستخدام شعاع الليزر. تصطدم الفوتونات الموجودة في شعاع الليزر بالذرات وتبطئها، وكما تتذكر فإن كمية الطاقة في الذرة تنعكس في سرعتها: الذرة البطيئة هي ذرة باردة. انخفضت درجة حرارة مجموعة الذرات بشكل كبير. ثم قام الباحثون بتنشيط مغناطيس قوي وتوجيه تأثيره بحيث تتمكن الذرات السريعة ذات الطاقة العالية من الهروب من العينة - ولم يبق سوى الذرات البطيئة والباردة. وهذا مشابه لكيفية تبريد فنجان القهوة: فالذرات السريعة والساخنة تترك الكوب كبخار متصاعد، وتصبح القهوة المتبقية أكثر برودة.

هذا كل ما استغرقه الأمر. وكما تنبأ أينشتاين وبوز قبل ما يقرب من سبعين عامًا، عندما غادرت آخر الذرات السريعة العينة، حدث "انهيار جليدي" مفاجئ: سقطت جميع الذرات كذرة واحدة إلى أدنى مستوى طاقة لها. وأصبحت مجموعة الذرات في العينة ذرة واحدة كبيرة، ونشأ نوع جديد من المادة في الكون، وولدت جائزة نوبل جديدة.

[المقالة مأخوذة من البرنامج صنع التاريخ!"، بودكاست عن العلوم والتكنولوجيا والتاريخ].