المطر الكمي;Quantum Rain
على الرغم من غرابة وتفرد قوانين عالم الكم في تجاربنا اليومية، إلا أن التجارب تُظهر بين الحين والآخر ظواهر تبدو غريبة ومألوفة في آن واحد.
Numerical simulations of the breakup of a quantum droplet. (CNR-INO)
لأول مرة، شوهدت قطرات تتحطم متحولةً إلى "مطر كمي" في سائل متحلل فائق البرودة من نظائر البوتاسيوم والروبيديوم، ما يربط بين عالم ديناميكيات الموائع الكلاسيكي والمشهد الأثيري للغازات الذرية.
قام فريق من الباحثين من جميع أنحاء إسبانيا وإيطاليا بتحليل خصائص الغاز الذري المتفتت، موسّعين بذلك فهمنا الحالي لكيفية سلوك السوائل الكمية بطرق قد تساعدنا على التحكم في نشاطها بشكل أفضل.
يقول لوكا كافيتشيولي، المؤلف الرئيسي للدراسة وفيزيائي المادة المكثفة من المعهد الوطني الإيطالي للبصريات: "لا تُعزز قياساتنا فهمنا لهذا الطور السائل الغريب فحسب، بل تُظهر أيضًا إمكانية إنشاء مصفوفات قطرات كمية لتطبيقات مستقبلية في تقنيات الكم".
إن مشاهدة عاصفة تُرسل زخات من قطرات الماء تتساقط على زجاج النافذة أشبه بشعر مكتوب في مذكرات الفيزياء. كل كرة سائلة مُحاطة بطبقة من التوتر السطحي، تندمج وتنقسم ثم تندمج مجددًا بينما تسحبها الجاذبية بشكل متعرج على الزجاج بشكل متقطع.
 |
| Rain drops on a window pane. (Joshua_seajw92/Canva) |
هذه الحركات ناتجة إلى حد كبير عن شد وجذب بين القوى الجزيئية فيما يُعرف بعدم استقرار هضبة رايلي.
يُحدث اختلال طفيف في الشحنات الموزعة عبر ذرات الهيدروجين والأكسجين في الماء تأثيرًا ثنائي القطب، يدفع ويجذب الشحنات في الماء والزجاج، مما يؤدي إما إلى تقسيم القطرات الكبيرة إلى قطرات أصغر، أو إلى تجميع القطرات الأصغر في حبيبات سميكة ورطبة تُبقي مساحة السطح عند أدنى حد لها.
في حين أن ذرات الأكسجين والهيدروجين في جزيئات الماء عبارة عن أنظمة منفصلة من الإلكترونات والجسيمات النووية، تفقد الذرات في الغاز فائق البرودة أي إحساس بالهوية. تهيمن الاحتمالات الكمومية، مُشتتةً البوزونات المتجمعة في سحابة واحدة، حيث لا يعود مفهوم الجسيم النقطي منطقيًا.
ومع ذلك، هذا لا يعني عدم وجود مصالح متنافسة داخل الغاز الذري. على عكس متوسط استهلاك الطاقة عبر السحابة، هناك تقلبات في حلول التصميم المحتمل للسحابة، مما يُحدث دفعة طاردة فيما يُعرف بتصحيح لي-هوانغ-يانغ.
يمكن أن يتسبب هذا التوتر أيضًا في وميض الغازات الذرية لفترة وجيزة إلى قطرات أصغر، تختلف في الحجم والشكل حسب البوزونات وحالات الجسيمات التي تُكوّن الغاز.
سبق رصد ودراسة القطرات الكمومية، إلا أن قصر مدة وجودها جعل دراستها صعبة.
بدأ الباحثون وراء هذه التجربة الجديدة برصد قطرات كمومية استمرت لعشرات الملي ثانية في سحب فائقة البرودة من البوتاسيوم-41 والروبيديوم-87، مما منحها نقطة انطلاق محتملة لإجراء تعديلات.
بإطلاق السائل الكمومي في قناة تُسمى الدليل الموجي، والتي تُضيّق الطبيعة الموجية للخليط، وجدوا أن قطرات متعددة ستتشكل - وهو ما يُشبه "مطرًا" حقيقيًا من النشاط.
A) رسم تخطيطي لإعداد التجربة.
B) توقيت عدم الاستقرار المُدخل في غاز السحابة الفائقة للتفتت.
C) بيانات امتصاص البوتاسيوم، تُظهر توقيت التفتت بالملي ثانية.
(كافيتشيولي وآخرون، رسائل المراجعة الفيزيائية، 2025)
اعتمدت الأشكال التي اتخذتها الشظايا على انحصارها في حالة طاقة أساسية، حيث تُحدد أطوالها باختلافات أعداد الذرات.
تم التنبؤ بديناميكيات نتائج التجربة نظريًا، مما منح الباحثين أساسًا تجريبيًا لأدوات جديدة قد تساعدهم على فهم أفضل لكيفية انعكاس التأثيرات الكمومية على الظواهر في حياتنا اليومية.
تقول كيارا فورت، الفيزيائية من جامعة فلورنسا: "بدمج التجارب مع المحاكاة العددية، تمكنا من وصف ديناميكيات تفكك قطرة كمية من حيث عدم الاستقرار الشعري".
"يُعد عدم استقرار هضبة رايلي ظاهرة شائعة في السوائل الكلاسيكية، وتُلاحظ أيضًا في الهيليوم فائق الميوعة، ولكنها لم تُلاحظ بعد في الغازات الذرية".
كتب هذا المقال من قبل منسق مجلة "معرفة لك"
نُشر هذا البحث في مجلة "Physical Review Letters ".