الجسيمات الساخنة في فيزياء الكم

تعرف الحرارة في الكم بأنها الطاقة المخزنة في حركة تعتمد على درجة الحرارة للجسيمات، بما في ذلك الإلكترونات والنواة الذرية والذرات الفردية والجزيئات، حيث يتم نقل الحرارة من وإلى المادة بواسطة ناقلات الطاقة الرئيسية.

مفهوم الجسيمات الساخنة

إذا تم استخدام ترمسًا معزولًا بالفراغ للمساعدة في الحفاظ على القهوة ساخنة، فمن المعروف أنه عازل جيد لأن الطاقة الحرارية تواجه صعوبة في التحرك في المساحات الفارغة، حيث اهتزازات الذرات أو الجزيئات التي تحمل الطاقة الحرارية، بحيث لا يمكنها ببساطة السفر إذا لم تكن هناك ذرات أو جزيئات حولها.

تُعرف الجسيمات الخفيفة والسريعة بالمادة المظلمة الساخنة، حيث أن المواد الثقيلة والبطيئة هي مادة مظلمة باردة وتقع المادة المظلمة الدافئة بينهما، وبهذه الطريقة في رؤية الأشياء فإن النيوترينوات المعقمة دافئة والنيوترينوات المتبقية من الكون المبكر ساخنة.

درجة الحرارة هي كمية مادية مفيدة للغاية، حيث يسمح بعمل بيان إحصائي بسيط حول طاقة الجسيمات التي تدور حول مسارات معقدة دون الحاجة إلى معرفة التفاصيل المحددة للنظام إذ قام علماء من جامعة فيينا للتكنولوجيا مع زملائهم من جامعة هايدلبرغ بالتحقيق في كيفية وصول المادة المظلمة إلى مثل هذه الحالة التي تكون فيها البيانات الإحصائية ممكنة.

وكانت النتيجة مفاجئة، حيث يمكن أن تحتوي سحابة من الذرات على درجات حرارة متعددة في وقت واحد، وهذه خطوة مهمة نحو فهم أعمق للأنظمة الكمية الكبيرة وخصائصها الغريبة.

النظرة الإحصائية في الجسيمات الباردة

يتكون الهواء من جزيئات لا حصر لها تتحرك بشكل عشوائي وسيكون من المستحيل تمامًا تتبعهم جميعًا ووصف جميع مساراتهم، لكن لأغراض كثيرة هذا ليس ضروريا، حيث يمكن العثور على خصائص الغاز التي تصف السلوك الجماعي لجميع الجزيئات مثل ضغط الهواء أو درجة الحرارة التي تنتج عن طاقة الجسيمات.

أثبتت هذه النظرة الإحصائية التي طورها الفيزيائي بولتزمان أنها ناجحة للغاية وتصف العديد من الأنظمة الفيزيائية المختلفة من أواني الماء المغلي إلى انتقالات الطور في البلورات السائلة في شاشات LCD.

ومع ذلك على الرغم من الجهود الضخمة ظلت الأسئلة المفتوحة قائمة، خاصة فيما يتعلق بالأنظمة الكمومية تظل كيفية ظهور القوانين المعروفة للفيزياء الإحصائية من العديد من الأجزاء الكمومية الصغيرة للنظام أحد الأسئلة الكبيرة المفتوحة في الفيزياء.

سلوك نظام متعدد الجسيمات الفيزيائية

نجح العلماء في جامعة فيينا للتكنولوجيا الآن في معرفة سلوك نظام متعدد الجسيمات الفيزيائية الكمومية لفهم ظهور المميزات الإحصائية، حيث استعمل فريق البروفيسور يورغ شميدماير نوعًا خاصًا من الرقائق الدقيقة لأخذ سحابة من عدة آلاف من الذرات وتبريدها بالقرب من الصفر المطلق عند -273 درجة مئوية، حيث تصبح صفاتها الكمومية مرئية.

بينت التجربة نتائج ملحوظة عندما تغيرت الظروف الخارجية على الرقاقة فجأة، حيث من الممكن أن يأخذ الغاز الكمومي درجات حرارة مختلفة في وقت واحد، وهو يسمح أن تكون ساخنة وباردة في نفس الوقت ويعتمد عدد درجات الحرارة على كيفية تعامل العلماء مع الغاز بالضبط.

باستعمال الرقاقة الدقيقة الخاصة من الممكن التحكم في الأنظمة الكمومية المعقدة جيدًا وقياس سلوكها، حيث كانت هناك بالفعل حسابات نظرية تتنبأ بهذا التأثير، لكن لم يكن من الممكن أبدًا مراقبته وإنشاءه في بيئة خاضعة للرقابة.

تساعد التجربة العلماء على فهم القوانين الأساسية لفيزياء الكم وعلاقتها بالقوانين الإحصائية للديناميكا الحرارية، وهذا مناسب للعديد من أنظمة الكم المختلفة، وربما حتى للتطبيقات التكنولوجية وألقت النتائج بعض الضوء على الطريقة التي يظهر بها عالمنا الميكروسكوبي الكلاسيكي من العالم الغريب للأجسام الكمومية الدقيقة.

تأثير التشابك ميكانيكيا

للتشابك تأثير ميكانيكي كمي بحت يسمح لجسيمين أو أكثر بأن يكون لهما علاقة أوثق بكثير مما تسمح به الفيزياء الكلاسيكية، حيث يمكن أن يتحمل درجات الحرارة العالية والبيئات الفوضوية، وقد تعني هذه النتيجة غير المتوقعة من الباحثين في ICFO أن تقنيات الكم القائمة على التشابك والتي كان يُعتقد سابقًا أنها تعمل فقط في الظروف الباردة منخفضة الضوضاء، إذ قد تعمل أيضًا في البيئات الحارة والفوضوية.

التشابك الكمي هو العملية التي من خلالها ترتبط جسيمات مثل الفوتونات ارتباطًا وثيقًا، بحيث إذا تم استقطاب إحداهما في اتجاه رأسي فسيكون الآخر دائمًا مستقطبًا في اتجاه أفقي، ومن ثم من خلال قياس استقطاب أحد الفوتونين في الزوج يتم تأكيد على الفور من استقطاب الآخر بغض النظر عن المسافة بينهما.

عادة ما يُنظر إلى الدوال المتشابكة على أنها هشة للغاية حتى أصغر اضطراب أو ضوضاء في بيئتهم، حيث يمكن أن يتسبب في فك الارتباط الجسيمات المتشابكة من خلال التفاعلات العشوائية، مما يجعل التشابك يختفي، لذلك تعمل تقنيات الكم الحالية عادةً في درجات حرارة فائقة البرودة ويبذل مصمموها جهودًا كبيرة للحفاظ على عزل أنظمة الكم الخاصة بهم.

الاستراتيجية المعاكسة

أظهر باحثو (ICFO) بقيادة مورجان ميتشل الآن أن الاستراتيجية المعاكسة لتعزيز التفاعلات العشوائية بنشاط يمكن أن تساعد في توليد التشابك والحفاظ عليه أيضًا، ففي تجربتهم قاموا بتسخين مجموعة من ذرات الروبيديوم 87 ( 87 روبية) إلى 450 كلفن مما أدى إلى تكوين بخار من الذرات القلوية الساخنة.

ووجدوا أن الذرات الفردية في هذا البخار لم تكن معزولة بل اصطدمت مع بعضها البعض كل 20 ميكروثانية، إن كل تصادم جعل إلكتروناتهم تدور في اتجاهات عشوائية مما ينتج عنه مغنطة.

استخدم ميتشل وزملاؤه الليزر لمراقبة هذا المغناطيس عبر سلسلة من القياسات التي مكنتهم من اكتشاف التشابك بين الذرات ودراسة تأثير الاصطدامات الذرية، وتُعرف تقنية القياس باسم عدم التدمير الكمي البصري (QND)؛ لأنها تستطيع قياس دوران الإلكترون دون إزعاجها.

كيف تتحرك الطاقة الحرارية في الفراغ

عادة ما يتم إجراء الحرارة في مادة صلبة من خلال اهتزازات الذرات أو الجزيئات أو ما يسمى بالفونونات، ولكن في الفراغ لا يوجد وسط فيزيائي لذلك، حيث كان من المعروف سابقا أن الفونونات لا يمكنها السفر من خلال الفراغ كما يقول شيانغ زانغ ما اكتشفناه بشكل مفاجئ هو أنه يمكن بالفعل نقل الفونونات عبر الفراغ عن طريق تقلبات كمومية غير مرئية.

في التجربة وضع فريق تشانغ غشاءين من نيتريد السليكون المطلي بالذهب على بعد بضع مئات من النانومترات داخل غرفة مفرغة، وعندما قاموا بتسخين أحد الأغشية ارتفعت درجة حرارة الآخر أيضًا، وعلى الرغم من عدم وجود شيء يربط بين الغشاءين وتمر طاقة ضوئية ضئيلة بينهما.

وحتى لو كان هناك مساحة فارغة بغض النظر عن عدم وجود ضوء تقول ميكانيكا الكم أنه لا يمكن أن يكون فارغًا حقًا ولا تزال هناك بعض تقلبات المجال الكمومي في الفراغ، كما يقول فونج تؤدي هذه التقلبات إلى نشوء قوة تربط بين شيئين وهو ما يسمى تفاعل كازيمير، لذلك عندما يسخن جسم واحد ويبدأ في الاهتزاز والتذبذب، حيث يمكن في الواقع أن تنتقل هذه الحركة إلى الجسم الآخر عبر الفراغ بسبب هذه التقلبات الكمية.