رقصة الكم

عندما يتم تبريدها إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، تتصرف ذرات المادة مثل الأمواج، وتفقد هويتها الفردية - وتتبنى هوية جماعية

د. ايهود التمان. كفاح
تومز المبردة إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق لا "تتجمد في مكانها"، كما قد يعتقد المرء بشكل حدسي. وبدلاً من ذلك، فإنهم يطيعون قوانين نظرية الكم، ويستمرون في رقص رقصة كمومية دقيقة، ولكن دقيقة. تسمح التقنيات المتقدمة التي تم تطويرها في العقد الماضي للعلماء بحصر مجموعة من الذرات وتبريدها إلى درجة حرارة أقل من تلك السائدة عند حافة الكون - جزء من المليار من الدرجة فوق الصفر المطلق. وفي ظل هذه الظروف، تنظم المادة نفسها في حالة خاصة من التجميع، تسمى، على اسم المتنبئين بوجودها، "تكثيف بوز-آينشتاين". قام الدكتور ايهود التمان من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم، والبروفيسور يوجين ديملر من جامعة هارفارد في الولايات المتحدة الأمريكية، والبروفيسور أناتولي بولكوفنيكوف من جامعة بوسطن في الولايات المتحدة الأمريكية، بتطوير منهج فريد يسمح باستخدام النتائج من التجارب على الذرات المبردة كنوع من "المجهر" الذي يسمح بمشاهدة الرقص الكمي للذرات. تسمح هذه الملاحظات، من بين أمور أخرى، بتحديد حالات التجميع الجديدة للمادة.
لا تتفاعل ذرات المادة الموجودة في حالة تكثيف بوز-آينشتاين مع بعضها البعض. عند درجة الحرارة المنخفضة حيث توجد، فإنها تفقد خصائصها "الجسيمية"، وتتصرف كالموجات. مع انخفاض درجة الحرارة، تصبح موجات الذرات المختلفة متداخلة أكثر فأكثر، حتى تفقد عند نقطة معينة "هويتها" الفردية لصالح "هوية المجموعة" التي تتقاسمها جميع الذرات في المجموع. وهكذا، بدلاً من العديد من الموجات، يتم إنشاء موجة واحدة كبيرة مشتركة.
عندما يُسمح لمجموعتين من هذه المجموعات، المحبوستين في فخاخ منفصلة، ​​بالانتشار والاتصال ببعضهما البعض، فإنهما يتصارعان بنمط يذكرنا بصراع تموجين ينتشران في الماء نتيجة، على سبيل المثال، رمي حجر، أو سقوط قطرة ماء. وهذا التداخل هو دليل مباشر على الطبيعة الموجية للجسيمات. مثل هذه الحالة من المادة المكثفة، حيث "ترقص" الموجات بطريقة منسقة، تعتبر حالة منظمة بشكل خاص للمادة (أو بلغة الفيزيائيين: "ظاهرة الموجة التعاونية ثابتة، أو بدون تذبذب" ). وهذه نتيجة مستقرة تكرر نفسها من تجربة إلى أخرى.
ولكن في ظل ظروف أخرى، على سبيل المثال عندما تقتصر حركة الجسيمات على خط أو مستوى واحد، فإن الاصطدامات بين جزيئات المادة تصبح حتمية. ونتيجة لذلك، تتشابك موجات من الجسيمات المختلفة مع بعضها البعض، ويتعطل الرقص المنسق والمتناغم بسبب التقلبات الكمومية، ويصبح غير منتظم. وفي مقال نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية" (PNAS)، أظهر الدكتور ألتمان وشركاؤه في البحث أن ملاحظات أنماط التداخل يمكن أن تعلمنا عن التقلبات الكمومية للذرات.
إن نمط التداخل الناتج عن مثل هذه التكاثفات المضطربة يكون غير منتظم، ويتضمن تشوهات وتقلبات تختلف من تجربة إلى أخرى. هذه التغييرات هي في الواقع آثار التذبذب الكمومي.
وتمكن الدكتور ألتمان وشركاؤه في البحث من حساب الخصائص الإحصائية للتشوهات، وأظهروا أنها تعبر بشكل مباشر عن النشاط الكمي لجزيئات المادة. العلماء الفرنسيون الذين طبقوا هذه النظرية مؤخرًا ولاحظوا نظامًا من الذرات المبردة تتحرك على مستوى، تمكنوا لأول مرة في هذا النوع من الأنظمة من ملاحظة انتقال الذرات من حالة التجمع إلى حالة التجميع الأخرى .
وفي مقال آخر نُشر في المجلة العلمية Nature Physics، يصف الدكتور ألتمان وشركاؤه الباحثون، بمزيد من التفصيل، التوزيع الإحصائي للتقلبات العشوائية في نمط التداخل. وتبين أن هذا التوزيع يشبه توزيع التقلبات الذي يصف ظواهر نادرة وقوية مثل الزلازل أو انهيار سوق الأسهم. قد تساعد هذه النتائج في تطوير تقنية تسمح بقياس التغيرات الصغيرة جدًا في مجال الجاذبية، من خلال تحديد درجة التوافق (أو عدم التوافق) بين الموجات الناشئة عن تكاثف بوز-آينشتاين. قد تكون التطبيقات الإضافية عبارة عن أنظمة تكنولوجية لرسم خرائط فعالة للطبقات الجيولوجية لغرض الكشف عن النفط، أو للكشف عن موجات الجاذبية. 
 
 
التغييرات في أوضاع التجميع

إن التغير في حالة التجميع، أي في تنظيم بنية المادة، يكون في بعض الأحيان نتيجة للتغيرات في درجات الحرارة، وهو مقياس للتقلبات العشوائية للذرات التي تتكون منها المادة. على سبيل المثال، عندما يتم تبريد الماء، فإن جزيئات الماء تبطئ حركتها حتى يغير الماء حالة تجمعه ويصبح ثلجًا. لكن المزيد من التبريد، إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق، لن يؤدي إلى توقف الجسيمات تمامًا. في هذه الحالة، لا تنتج التغيرات في حالات التجميع عن التغيرات في درجات الحرارة، بل عن التقلبات الكمومية. تنشأ هذه التقلبات من مبدأ عدم اليقين، والذي بموجبه من المستحيل معرفة موقع الجسيم وسرعته في نفس الوقت. تسمح الطبيعة الغامضة للتقلبات الكمومية للمادة بتنظيم نفسها في حالات تجميع جديدة وغير مألوفة.
إن السلوك الكمومي للجسيمات المفردة معروف جيدا اليوم، ولكن كيف تؤثر مبادئ نظرية الكم على سلوك العديد من الجسيمات التي تشكل معا المادة في "عالم الأجسام الكبيرة"؟ يركز العديد من العلماء، في أنحاء مختلفة من العالم، بما في ذلك معهد وايزمان للعلوم، على الجهود المبذولة للعثور على إجابة لهذا السؤال الأساسي.

في الصورة: يتم تحرير مجموعتين من الذرات الباردة (المربعات المظلمة في المركز) من الحبس، وتنتشر في السحب المتداخلة (الأشكال الناقصية الخفيفة). تضاء السحابة المشتركة من جانب واحد وتلقي بظلالها على الشاشة. نمط الخطوط الذي يتم الحصول عليه هو نتيجة التداخل بين السحب. ومن الخصائص الإحصائية للنطاقات يمكن التعرف على طبيعة التقلبات الكمومية التي حدثت داخل تجمعات الذرات قبل التوسع