Observation of critical scaling in the Bose gas universality class

تزخر الطبيعة بلحظات تسبب فيها التغييرات الصغيرة تحولات هائلة. فعندما يتجمد الماء ليصبح جليداً، أو عندما تصطف الأسهم الداخلية الصغيرة للمغناطيس فجأة، يمر النظام بتحول طوري. وبالقرب من نقاط التحول هذه، تتغير قواعد اللعبة؛ حيث تصبح المادة حساسة للغاية، وتنمو التقلبات التي كانت يوماً ما ضئيلة ومحلية لتشمل النظام بأكره. يصف العلماء هذا السلوك باستخدام "الأسات المتقاربة الحرجة" (critical exponents)، وهي أرقام تعمل كبصمة لكيفية سلوك النظام مع اقترابه من هذا التحول الدراماتيكي. وكما أن للحيوانات المختلفة آثار أقدام متميزة، فإن أنواعاً مختلفة من المادة تندرج تحت فئات محددة تسمى "فئات الشمولية" (universality classes). لعقود من الزمن، عرف الفيزيائيون أن معظم الغازات الكمومية، حيث تتفاعل الجسيمات مع بعضها البعض، تنتمي إلى فئة مفهومة جيداً. ومع ذلك، كانت هناك فئة نظرية منفصلة تم التنبؤ بها منذ زمن طويل لغاز من الجسيمات التي لا تتفاعل على الإطلاق. لقد ظل هذا الوضع المثالي بمثابة "شبح في الآلة"، لم يُرَ قط في المختبر لأن الجسيمات الحقيقية تصطدم ببعضها البعض دائماً تقريباً، مما يدفعها قسراً إلى فئة الجسيمات المتفاعلة بدلاً من ذلك.

لقد تمكن فريق من الباحثين أخيراً من لمح لمحة من هذا السلوك المراوغ. فمن خلال إنشاء سحابة من جسيمات الضوء المحتجزة داخل صندوق مسطح وصغير، رصدوا القياس الرياضي الدقيق المتوقع لغاز من الجسيمات غير المتفاعلة. أُجريت التجربة في تجويف ميكروي (microcavity)، وهو مساحة تتكون من مرآتين تفصل بينهما مسافة لا تتجاوز جزءاً من الميكرومتر. داخل هذا التجويف، ملأ الباحثون المساحة بمحلول صبغ خاص وسلطوا شعاع ليزر لإنشاء فوتونات، أو جسيمات ضوئية. وخلافاً للذرات في الغاز، التي تتصادم وتتراجع عن بعضها البعض لتبادل الطاقة، نادراً ما تتفاعل هذه الفوتونات. وبدلاً من ذلك، تصل إلى حالة من التوازن عبر الامتصاص وإعادة الانبعاث المستمرين بواسطة جزيئات الصبغ، والتي تعمل كحمام حراري عند درجة حرارة الغرفة. تتيح هذه العملية للضوء أن يتصرف مثل غاز من الجسيمات التي تمتلك درجة حرارة وجهداً كيميائياً، ومع ذلك تظل خالية جوهرياً من القوى المتبادلة التي عادة ما تعقد الأنظمة الكمومية.

ولاحتجاز هذه الفوتونات، استخدم الباحثون تقنية طبعت صندوقاً مربع الشكل على سطح المرآة. خلق هذا الصندوق جهداً مسطحاً ومنتظماً حيث يمكن لجسيمات الضوء التحرك بحرية، مما يحاكي غازاً ثنائي الأبعاد بكثافة ثابتة تقريباً. ومع ضخ المزيد من الفوتونات في النظام، اقتربوا من نقطة حرجة حيث يُتوقع أن يخضع الغاز لتكاثف بوز-أينشتاين، وهي حالة تتجمع فيها الجسيمات في حالة كمومية واحدة. لم يكتفِ الباحثون بالبحث عن هذا التكتل فحسب؛ بل قاموا بقياس مدى ارتباط الجسيمات ببعضها البعض عبر الفضاء. في الغاز البعيد عن مرحلة الانتقال، تكون هذه الارتباطات قصيرة وضعيفة. ولكن مع اقتراب النظام من النقطة الحرجة، راقب الباحثون مدى اتساع نطاق هذه الارتباطات. لقد قاسوا المسافة التي تظل الجسيمات مرتبطة خلالها، وهي قيمة تُعرف باسم "طول الارتباط" (correlation length)، ولاحظوا توسعها بشكل كبير مع زيادة عدد الفوتونات.

وجد الفريق أن هذا النمو اتبع نمطاً رياضياً دقيقاً. فمع اقترابهم من النقطة الحرجة، لم يزد طول الارتباط فحسب، بل تباعد (diverged)، مما يعني أنه نما بلا حدود، ولم يحده سوى حجم صندوقهم التجريبي. ومن خلال تحليل كيفية تغير هذا الطول مع عدد الجسيمات، قاموا بحساب أس تقارب حرج، وهو رقم يصف معدل هذا التباعد. أسفرت قياساتهم عن قيمة تقارب 0.52. وهذه النتيجة تطابق تماماً التوقعات النظرية طويلة الأمد لغاز بوز المثالي، وهي فئة شمولية لم يتم تأكيدها تجريبياً من قبل. أما التجارب السابقة مع الغازات الكمومية المتفاعلة، مثل سحب الذرات فائقة البرودة، فقد أنتجت قيماً مختلفة، مما أكد أن تلك الأنظمة تنتمي إلى فئة مختلفة. وتظهر البيانات الجديدة أنه عندما تُزال التفاعلات، يتبع النظام مساراً مختلفاً وأكثر بساطة.

ولضمان أن هذه النتيجة لم تكن نتاجاً لآلية التجربة أو تأثيراً ناتجاً عن عدم التوازن، اختبر الباحثون مدى متانة نتائجهم. فقد قاموا بتغيير حجم المصيدة وتركيز جزيئات الصبغ. وعندما كان تركيز الصبغ مرتفعاً، وصلت الفوتونات إلى حالة التوازن الحراري بسرعة، وبقيت في حالة توازن مع الحمام الحراري، وظل الأس الحرج ثابتاً. ومع ذلك، عندما خفضوا تركيز الصبغ، أصبح الوقت الذي تستغرقه الفوتونات للوصول إلى التوازن الحراري أطول من الوقت الذي تقضيه داخل التجويف. وفي هذه الحالة غير المتوازنة، بدأ الأس المقاس ينحرف عن القيمة المتوقعة. وقد أكد ذلك أن السلوك العالمي النقي الذي رصدوه كان بالفعل خاصية لنظام في حالة توازن حراري، وأن انهيار التوازن الحراري قد دمر قوانين القياس المحددة.

تكمكم تكمن أهمية هذا العمل في قدرته على عزل تنبؤ أساسي لميكانيكا الكم كان مخفياً بسبب الواقع الفوضوي لتفاعلات الجسيمات. لسنوات، كان غاز بوز المثالي مجرد بناء نظري، نموذجاً مثالياً لم تستطع الأنظمة الواقعية تحقيقه لأن حتى أضعف القوى بين الجسيمات كانت ستدفعها إلى فئة شمولية مختلفة. ومن خلال استخدام الضوء، الذي يتجنب هذه التفاعلات بطبيعته، خلق الباحثون بيئة نقية لاختبار النظرية. إن رصد سلوك القياس المحدد، بأس تقارب حرج قدره 0.52، يوفر أول دليل تجريبي على وجود هذه الفئة الشمولية المتميزة. إنه يؤكد أن الطبيعة لديها بالفعل مجموعة منفصلة من القواعد للأنظمة التي لا تتفاعل فيها الجسيمات، مما يثبت صحة تنبؤ ظل قائماً لعقود. ويفتح هذا الإنجاز نافذة جديدة لدراسة التحولات الطورية، مما يسم يسمح للعلماء باستكشاف الأنقى من السلوكيات الكمومية دون ضجيج القوى المتبادلة بين الجسيمات.