لقد وجد علماء معهد وايزمان الإجابة على هذا السؤال في مكان مدهش: هندسة الفضاء
يشبه الجهاز الصغير المخروطي المستخدم في تجارب دراسة الظواهر الغريبة في عالم كيمياء الكم مدخل الهواء في محركات الطائرات، وهو يلعب بالفعل دورًا مشابهًا: توجيه تدفق الغاز. ففي الطائرة، يتحكم في إمداد الهواء اللازم لحرق الوقود، بينما في التجارب، يقوم الجهاز بتشكيل حزم من الذرات أو الجزيئات الباردة. في حين أن هذا المخروط، أو الكاشطة باللغة الإنجليزية، كان عنصرًا ضروريًا في تجارب العوارض الذرية والجزيئية لعقود من الزمن، إلا أن استخدامه فرض حدًا أساسيًا على عدد الجسيمات التي يمكن تعبئتها في الحزمة. والآن كشف البروفيسور إدواردز ناريفيسيوس ومجموعته البحثية في قسم الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم طريقة بسيطة التغلب على هذا القيد.
تتيح تجارب الأشعة الباردة، التي تُجرى في المختبرات حول العالم، للباحثين مراقبة السلوك الكمي للذرات والجزيئات، على سبيل المثال، كموجات تتداخل مع بعضها البعض. إن الجمع بين حزم مختلفة، كما يفعل Narevičius وأعضاء مجموعة البحث في مختبرهم، يخلق أنواعًا جديدة ورائعة من التفاعلات الكيميائية.
يوضح ناريفيسيوس أن التبريد الشديد اللازم لهذه التجارب - بالقرب من الصفر المطلق - يتم تحقيقه عن طريق رش غاز مكون من ذرات أو جزيئات تحت ضغط عالٍ في حاوية من خلال فوهة صغيرة في حجرة مفرغة - أي ضغط يصل إلى الصفر تقريبًا. انتشرت الجسيمات في التجربة إلى سحابة شديدة البرودة تتحرك بسرعة عالية. يقوم الجهاز المخروطي بتشكيل بعض هذه السحابة على شكل شعاع. يقول ناريفيتشيوس: «سيكون من المعقول الاعتقاد بأن زيادة ضغط الغاز في الخزان، والذي يتسبب في إطلاق المزيد من الذرات دفعة واحدة إلى حجرة الفراغ، سيؤدي إلى زيادة كثافة الشعاع. ولكن هذا ليس كيف يحدث. وفوق ضغط معين، تظل الكثافة ثابتة. ولم يعرف الباحثون كيفية التغلب على هذا القيد، مما يترك العديد من التجارب المثيرة للاهتمام خارج نطاق الممكن.
ويضيف ناريفيتشيوس: "لقد كانت مشكلة مثالية لتلميذي يائير سيغيف". جاء سيجيف إلى معهد وايزمان وهو يتمتع بخبرة في مجال الطيران والفضاء. وباستخدام خوارزمية يستخدمها مهندسو الطيران لنمذجة التدفق في الغلاف الجوي العلوي، أنشأ سيجيف محاكاة لتدفق الجسيمات عبر المخروط. وكشفت عمليات المحاكاة هذه عن ظهور موجات صدمية داخل المخاريط، مما أدى إلى منع تدفق الجسيمات في الشعاع. تنتج هذه الظاهرة عن تفاعل بين جزيئات الحزمة والمخروط: حيث ترجع الجزيئات منه بسرعات عالية، وتتصادم وتعطل تدفق الحزمة. سرعة العودة العالية هي نتيجة لدرجة الحرارة "المرتفعة" (درجة حرارة الغرفة) لسطح المخروط؛ ولهذا السبب قام سيجيف بتجربة المحاكاة باستخدام مخاريط شديدة البرودة. وأظهرت النتائج ضعفا كبيرا في موجات الصدمة، فضلا عن حزم أكثر كثافة.
وفي وقت لاحق، أجرت المجموعة تجارب على أنواع مختلفة من الحزم الجزيئية، حيث قامت بتبريد المخاريط إلى درجات حرارة أقل وأقل. وقد سمح لهم استخدام النيون والبلازما المضيئة برؤية النتائج بوضوح (انظر الفيديو). واكتشف الباحثون أن شكل موجات الصدمة تغير وأن كثافة الحزم زادت بشكل ملحوظ مع تبريد المخاريط، ووصلت إلى ذروتها عندما كانت درجة الحرارة أقل من بضع عشرات من الدرجات فوق الصفر المطلق - باردة بما يكفي ل يقول ناريفيتشيوس: "قم بتجميد الجزيئات إلى حافة المخروط، وبالتالي السماح للبقية بالاستمرار في التدفق "دون الشعور بأي إزعاج من المخروط".
كشفت محاكاة تعتمد على نماذج هندسة الفضاء عن وجود موجات صدمية في الحزم الباردة، بسبب درجة الحرارة "المرتفعة" نسبياً للأجهزة المخروطية المستخدمة في التجربة:
