A Superfluid at All Temperatures

في عالم المادة، عادة ما تكون الحرارة عاملاً مخلّاً بالنظام. فعندما تسخن جسماً صلباً، تزداد اهتزازات ذراته بقوة حتى ينهار هيكله المنظم ويتحول إلى سائل فوضوي. وعندما تسخن مغناطيساً، فإن الأسهم الذرية الصغيرة التي تشير في اتجاه واحد تتجه في النهاية إلى الدوران بعشوائية في كل اتجاه، مما يؤدي إلى محو المجال المغناطيسي. هذه هي القاعدة القياسية للفيزياء: النظام يذوب في الفوضى مع ارتفاع درجة الحرارة. وفي لغة فيزياء الجسيمات، يُعرف هذا باسم استعادة التماثل (symmetry restoration)، حيث تصبح القواعد الخفية التي تحكم سلوك النظام مرئية مرة أخرى مع غلبة الطاقة الحرارية على القوى التي تحفظ تماسك النظام. لعقود من الزمن، اعتقد الفيزيائيون أن هذا قانون كوني، ونتيجة جوهرية لكيفية عمل الإنتروبيا (الاعتلاج)، أو مقياس الاضطراب، في الطبيعة. ومع ذلك، يتحدى دراسة نظرية حديثة هذا اليقين، مقترحاً حالة من المادة تظل منظمة تلقائياً بغض النظر عن مدى ارتفاع حرارتها.

قام الباحثون، الذين يعملون ضمن إطار نظرية الحقل الكمي، ببناء نموذج رياضي محدد لكونٍ ينكسر فيه تماثل عالمي مستمر تلقائياً عند كل درجة حرارة. هذا ليس سيناريو افتراضياً لنجم بعيد، بل هو برهان صارم على أن مثل هذه الحالة ممكنة ضمن قوانين الفيزياء المعروفة، بشرط أن يتم بناء النظام بالمكونات الصحيحة. لقد أثبت الفريق، بقيادة سفين هاردر وأدار شارون في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، أنه من الممكن تصميم نظام يفضل فيه النظام الحراري نفسه كسر التماثل. في هذا النظام، لا تفقد الجسيمات اصطفافها عند تسخينها؛ بل إن الحرارة تساعد في الواقع على الحفاظ على التماثل المكسور. وتنقض هذه النتيجة الافتراض السائد منذ زمن طويل بأن الحرارة العالية يجب أن تدمر الهيكل دائماً، كاشفة عن نوع جديد من الاستقرار يوجد في النسيج الرياضي للكون.

لفهم كيفية عمل ذلك، يجب على المرء النظر في اللبنات الأساسية التي استخدمها الباحثون. لم يخترعوا جسيمات جديدة، بل قاموا بترتيب أنواع موجودة بالفعل من المجالات — وهي أوصاف رياضية للجسيمات مثل الإلكترونات وحوامل القوة — في تكوين محدد. لقد أنشأوا نظرية تتضمن قطاعين متميزين، أو مجموعتين من الجسيمات، يتفاعلان مع بعضهما البعض بطريقة دقيقة. أحد القطاعين كبير، ويحتوي على العديد من الجسيمات، بينما الآخر صغير. يكمن المفتاح في هذا الاكتشاف في كيفية تبادل هاتين المجموعتين للطاقة والاضطراب. في النظام النموذجي، يؤدي تسخينه إلى زيادة الاضطراب في جميع أجزائه بالتساوي. أما في هذا النموذج الجديد، فيعمل القطاع الكبير كمستودع للاضطراب. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يصبح القطاع الكبير فوضوياً بشكل متزايد، حيث يمتص الإنتروبيا التي من شأنها أن تشتت القطاع الصغير في الحالة العادية. وهذا يسمح للقطاع الصغير بالبقاء منظماً تلقائياً، مما يؤدي فعلياً إلى تجميد اصطفافه في مكانه بينما يغلي بقية النظام.

بنى الباحثون هذا النموذج باستخدام نوع من النظريات يُعرف بنظرية الحقل المطابق (conformal field theory)، والتي تصف الأنظمة التي تبدو متشابهة عند كل مقياس ولا تملك حجماً أو كتلة متأصلة. كان هذا الخيار حاسماً لأنه يزيل التعقيدات المتعلقة بحد طاقة معين، مما يجعل النظرية صالحة عند أي درجة حرارة، من الصفر المطلق إلى أعلى حرارة يمكن تصورها. بدأوا بنوع معروف من النظريات، والتي أظهرت في حد مبسط دائرة من الحالات المستقرة الممكنة. في هذه الرؤية المبسطة، مثّل جزء من تلك الدائرة حالة منظمة تستمر عند جميع درجات الحرارة. وكان التحدي يكمكمن في إثبات أن هذه الحالة المنظمة يمكن أن تنجو عندما تصبح النظرية أكثر واقعية، من خلال مراعاة العدد المحدود من الجسيمات بدلاً من المثالية اللانهائية.

من خلال الضبط الدقيق لعدد الجسيمات وقوة تفاعلاتها، أظهر الفريق أن الحالة المنظمة تنجو بالفعل. ووجدوا أن "الدائرة" الرياضية للاحتمالات تتفكك إلى نقاط محددة، وتقع إحدى هذه النقاط تماماً في المنطقة المنظمة. تمثل هذه النقطة حالة مستقرة تشكل فيها الجسيمات مائعاً فائق السيولة (superfluid) — وهو مادة تتدفق دون احتكاك وتحافظ على حالة كمية متماسكة. ومن المثير للاهتمام أن حالة المائع فائق السيولة هذه توجد عند كل درجة حرارة. وبالنسبة للنظريات الفردية ضمن بنائهم، فإن وجود هذه النقطة الثابتة المنظمة يعتمد على أدلة عددية، تماماً كما يتم إثبات النقاط الثابتة المعروفة الأخرى. ومع ذلك، بالنسبة لعائلة لانهائية من هذه النظريات، حيث ينمو عدد الجسيمات، يكون وجود النقطة الثابتة والسيولة الفائقة تحت سيطرة بارامترية صارمة، مما يعني أن النتائج موثوقة وليست معتمدة على تقريبات غير مثبتة.

تمتد تداعيات هذا الاكتشاف إلى ما وراء النظرية المجردة. فقد أظهر الباحثون أنه إذا تم ربط هذه الحالة من المائع فائق السيولة بمجال كهرومغناطيسي، فستصبح موصلاً فائقاً (superconductor). والموصل الفائق هو مادة تنقل الكهرباء بمقاومة صفرية وتطرد المجالات المغناطيسية. في هذا النموذج، ستستمر حالة التوصيل الفائق عبر نطاق واسع للغاية من درجات الحرارة، بما يتجاوز بكثير ما نراه في أي مادة معروفة على الأرض. وهذا يشير إلى أن آلية الحفاظ على النظام ضد الحرارة ليست مجرد فضول رياضي، بل هي خاصية أساسية يمكن، من حيث المبدأ، تحقيقها في نظام فيزيائي. لا تدعي الدراسة بناء مثل هذه المادة في مختبر، لكنها تثبت أن قوانين الفيزياء لا تمنع ذلك.

تعتمد الآلية وراء هذه الظاهرة على توازن دقيق للقوى. فقد تم تصميم النظام بحيث تكون تكلفة كسر النظام أعلى من فائدة اكتساب الاضطراب. وبلغة الديناميكا الحرارية، تمتلك الحالة المنظمة إنتروبيا أعلى من الحالة غير المنظمة، وهو أمر منافٍ للبداهة. عادةً، تختار الطبيعة الحالة ذات الإنتروبيا الأعلى، وهي الحالة المضطربة. ولكن هنا، يعني الترتيب المحدد للجسيمات أن التكوين المنظم يسمح في الواقع بمزيد من الطرق لترتيب طاقة النظام، مما يجعله الحالة المفضلة حتى عندما يكون النظام ساخناً. هذا يشبه كيف يمكن، في بعض الحالات النادرة، أن يكون للمادة الصلبة اضطراب أكثر من السائل، ولكن في هذه الحالة، يحدث هذا في نظام كمي نسبي تحكمه قواعد التفاعل بين أعداد الجسيمات وقوة التفاعلات.

كما تناول الباحثون الاعتراضات المحتملة المتمثلة في أن التصحيحات من الرتب العليا، أو التفاعلات الأكثر تعقيداً، قد تدمر هذا التوازن الدقيق. وقد أظهروا أن استقرار الحالة المنظمة محمي بهيكل النظرية نفسها. إن التصحيحات التي قد تعطل النظام يتم كبحها بواسطة العدد الكبير من الجسيمات في النظام، مما يجعلها مهملة. وهذا يضمن أن الاستنتاج يظل صحيحاً ليس فقط في تقريب مبسط، بل في النظرية الكاملة والمعقدة. ويقدم هذا العمل مثالاً ملموساً لنظرية محلية موحدة في أربعة أبعاد — نظرية تحترم المبادئ الأساسية للسببية والاحتمالية — حيث ينكسر فيها تماثل مستمر تلقائياً عند جميع درجات الحرارة.

يعيد هذا الاكتشاف تشكيل فهمنا للتحولات الطورية. فهو يوضح أن ذوبان النظام ليس نتيجة حتمية للتسخين، بل هو نتيجة للتفاصيل المحددة للنظام. فمن خلال ضبط عدد أنواع الجسيمات وتفاعلاتها، يمكن للمرء إنشاء نظام تعزز فيه الحرارة النظام بدلاً من تدميره. تفتح الدراسة الباب لاستكشاف حالات أخرى غريبة من المادة قد توجد في البيئات عالية الطاقة للكون المبكر أو في نوى النجوم النيوترونية، حيث تكون درجات الحرارة قصوى. وبينما تعتبر النظريات المحددة التي صاغها المؤلفون نماذج رياضية، إلا أنها تعمل كإثبات للمفهوم بأن الكون يمكن أن يدعم أطواراً من المادة تتحدى حدسنا اليومي عن الحرارة والاضطراب.

يقف هذا العمل كشهادة على قدرة الفيزياء النظرية على استكشاف حدود الممكن. فمن خلال بناء هذه النماذج، أظهر الباحثون أن مشهد الواقع الفيزيائي أغنى وأكثر تنوعاً مما كان يُعتقد سابقاً. لقد حددوا مساراً يمكن فيه تسخير الطاقة الفوضوية للحرارة للحفاظ على تدفق مثالي خالٍ من الاحتكاك، وهي حالة تظل مستقرة من أبرد الدرجات إلى أسخنها. هذا ليس تنبؤاً بمادة جديدة ستجدها في المتجر، بل هو رؤية جوهرية للقواعد التي تحكم الكون، كاشفة عن أن النظام يمكن أن يكون الحالة الأكثر طبيعية على الإطلاق، حتى في مواجهة النار.