حقق علماء صينيون إنجازًا علميًا جديدًا على متن محطة الفضاء «تيانغونغ»، بعدما تمكنوا من تبريد سحابة من الذرات إلى درجة حرارة بلغت 9.7 بيكوكلفن فوق الصفر المطلق، مسجلين بذلك أدنى درجة حرارة جرى قياسها حتى الآن.
واستفاد الباحثون من بيئة الجاذبية الصغرى داخل المحطة الفضائية للوصول إلى هذه الدرجة المتناهية الانخفاض، ما أتاح لهم دراسة سلوك المادة في ظروف تقترب من الصفر المطلق بدرجة غير مسبوقة.
وبلغت درجة حرارة الذرات 9.7 أجزاء من التريليون من الكلفن فوق الصفر المطلق، وهو مستوى أقل بكثير من الرقم القياسي السابق البالغ 38 بيكوكلفن، الذي تحقق خلال تجربة أُجريت في بيئة تحاكي الجاذبية الصغرى على الأرض عام 2021.
ويرى الباحثون أن هذا الإنجاز يفتح آفاقًا جديدة لدراسة قوانين فيزياء الكم، وتطوير تقنيات علمية متقدمة تعتمد على التحكم في الذرات فائقة البرودة.
كيف نجح العلماء في الوصول إلى أبرد درجة حرارة؟
أُجريت التجربة باستخدام جهاز متخصص في فيزياء الذرات الباردة يحمل اسم «Cold Atom Physics Rack»، داخل مختبر «منغتيان» التابع لمحطة الفضاء الصينية «تيانغونغ» التي تدور حول الأرض.
وكانت الجاذبية الصغرى عاملًا حاسمًا في نجاح التجربة، إذ تجعل الجاذبية الأرضية الحفاظ على استقرار الذرات فائقة البرودة لفترات طويلة أكثر صعوبة.
واستخدم الفريق البحثي الجهاز لاحتجاز نحو 20 ألف ذرة من عنصر الروبيديوم، ثم خفض درجة حرارتها تدريجيًا حتى وصلت إلى حالة كمومية غير مألوفة تُعرف باسم تكاثف «بوز-أينشتاين».
وتحدث هذه الحالة عندما تنخفض درجة حرارة الذرات إلى مستويات شديدة الانخفاض، فتبدأ في التصرف بصورة جماعية كما لو كانت نظامًا كميًا واحدًا، بدلًا من سلوكها كذرات منفصلة.
تكاثف بوز-أينشتاين ومراقبة الذرات فائقة البرودة
وللوصول إلى درجات حرارة أكثر انخفاضًا، نقل العلماء الذرات إلى مصيدة تعتمد على ضوء الليزر، ثم سمحوا لها بالتمدد في ظروف خاضعة للتحكم الدقيق.
وتمكن الباحثون من مراقبة سحابة الذرات فائقة البرودة لمدة بلغت 7 ثوانٍ أثناء تمددها بحرية، وهي فترة مهمة لدراسة خصائص المادة في هذه الظروف الاستثنائية.
ورغم الوصول إلى درجة حرارة قياسية، فإن الذرات لم تصل إلى الصفر المطلق، الذي يمثل الحد النظري الأدنى لدرجة الحرارة، ويُوصف بأنه النقطة التي تنعدم عندها الحركة الحرارية للذرات.
ومع ذلك، لا تختفي التأثيرات والحركة الكمية حتى عند الاقتراب من هذا الحد، وهو ما يجعل دراسة المادة في درجات الحرارة المتناهية الانخفاض مجالًا مهمًا لفهم قوانين الفيزياء الأساسية.
لماذا يسعى العلماء للوصول إلى الصفر المطلق؟
يعمل العلماء منذ عقود على الوصول إلى درجات حرارة أقل فأقل، لأن الذرات فائقة البرودة توفر بيئة مناسبة لاختبار النظريات الفيزيائية ودراسة الظواهر الكمية التي يصعب رصدها في الظروف العادية.
ويمكن أن تسهم هذه التجارب في فهم حالات المادة الكمومية، وتطوير تقنيات جديدة للمحاكاة الكمية والقياسات فائقة الدقة.
كما قد تمهد الطريق لتطوير أجهزة قياس شديدة الحساسية تُعرف باسم «مقاييس التداخل الذري»، التي يمكن استخدامها في قياس التغيرات الفيزيائية بدقة استثنائية.
تطبيقات مستقبلية في قياس الجاذبية ورصد موجات الجاذبية
تفتح تقنيات الذرات فائقة البرودة المجال أمام تطبيقات علمية متعددة، من بينها اختبار نظرية أينشتاين للجاذبية، والبحث عن ظواهر فيزيائية جديدة تتجاوز ما توصل إليه العلماء حتى الآن.
وقد تساعد أجهزة القياس المتطورة المعتمدة على هذه التقنيات في تطوير الأبحاث المتعلقة برصد موجات الجاذبية، إلى جانب تحسين دقة القياسات في المهمات الفضائية المستقبلية.
وبحسب الباحثين، فإن منصة التبريد المستخدمة في التجربة تتميز بإمكانية تكييفها لتناسب مجموعة واسعة من التجارب العلمية في الفضاء.
ونُشرت نتائج الدراسة في مجلة «ساينس»، وشارك فيها باحثون من جامعة بكين والأكاديمية الصينية للعلوم، الذين أكدوا أن تحقيق هذه الدرجة القياسية قد يمهد لجيل جديد من التجارب في مجال المحاكاة الكمية والقياسات فائقة الدقة خارج الأرض.
