نجح علماء على متن محطة الفضاء الصينية "تيانغونغ" في تبريد سحابة من الذرات إلى درجة حرارة بلغت 9.7 بيكوكلفن، مسجلين بذلك أدنى درجة حرارة تُقاس على الإطلاق.
واستفادت التجربة التي حطمت الرقم القياسي من بيئة الجاذبية الصغرى داخل المحطة الفضائية، ما أتاح للباحثين دراسة المادة عند درجات حرارة أقرب إلى الصفر المطلق من أي وقت مضى.
وبلغت درجة حرارة الذرات 9.7 أجزاء من التريليون من الدرجة فوق الصفر المطلق، أي أنها كانت أبرد بنحو 280 مليار مرة من متوسط درجة حرارة الكون.
وحطم هذا الإنجاز الرقم القياسي السابق البالغ 38 بيكوكلفن، الذي تحقق خلال تجربة أُجريت في بيئة تحاكي الجاذبية الصغرى على الأرض عام 2021.
ويقول الباحثون إن هذا الاختراق العلمي يفتح آفاقا جديدة لفهم أغرب القوانين التي تحكم فيزياء الكم.
وكتب الفريق البحثي، الذي يضم علماء من جامعة بكين والأكاديمية الصينية للعلوم، في دراسة نشرتها مجلة "ساينس": "يمكن لهذه الدرجة القياسية المنخفضة من الحرارة أن تحفز جيلا جديدا من التجارب في مجال المحاكاة الكمية والقياسات فائقة الدقة في الفضاء".
كيف تمكن العلماء من الوصول إلى هذه الدرجة؟
أُجريت التجربة باستخدام جهاز متخصص في فيزياء الذرات الباردة، يُعرف باسم "Cold Atom Physics Rack"، والموجود داخل مختبر "منغتيان" التابع لمحطة الفضاء الصينية التي تدور حول الأرض.
وكانت بيئة انعدام الوزن في الفضاء عاملا حاسما في نجاح التجربة، لأن الجاذبية الأرضية تجعل الحفاظ على استقرار الذرات فائقة البرودة لفترات طويلة أمرا أكثر صعوبة.
وداخل المنشأة البحثية، تمكن العلماء من احتجاز نحو 20 ألف ذرة من عنصر الروبيديوم، ثم خفضوا درجة حرارتها تدريجيا حتى وصلت إلى حالة غريبة من حالات المادة تعرف باسم تكاثف "بوز-أينشتاين"، حسبما ذكرت صحيفة "ديلي ميل" البريطانية.
وتحدث هذه الحالة غير المألوفة عندما تصبح الذرات شديدة البرودة إلى درجة أنها تبدأ بالتصرف كما لو كانت جسما كميا واحدا ضخما، بدلا من التصرف كذرات منفصلة.
ولخفض درجة الحرارة إلى مستويات أدنى، نقل الفريق الذرات إلى مصيدة مكونة من ضوء الليزر، ثم سمح لها بالتمدد في ظروف خاضعة لتحكم دقيق.
وتمكن الباحثون من مراقبة سحابة الذرات فائقة البرودة لمدة استثنائية بلغت 7 ثوان، بينما كانت تتمدد بحرية.
وعلى الرغم من صعوبة تصور درجات الحرارة المتناهية الانخفاض التي تحققت في التجربة، فإنها لا تزال، من الناحية التقنية، أعلى من الصفر المطلق.
والصفر المطلق هو الحد النظري الأدنى لدرجة الحرارة، الذي يُوصف عادة بأنه النقطة التي تتوقف عندها الحركة الحرارية للذرات.
لماذا يسعى العلماء للوصول إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض؟
يسعى العلماء منذ عقود إلى الوصول إلى درجات حرارة أقل فأقل، لأن الذرات فائقة البرودة توفر بيئة مختبرية مثالية لاختبار القوانين الأساسية للفيزياء.
ويمكن للتجارب التي تُجرى عند هذه المستويات الحرارية أن تساعد الباحثين على استكشاف حالات كمية غامضة لا يمكن دراستها في الظروف العادية.
وقد يمهد هذا العمل أيضا الطريق لتطوير جيل جديد من أجهزة قياس فائقة الحساسية، تُعرف باسم مقاييس التداخل الذري، والقادرة على إجراء قياسات بدرجات استثنائية من الدقة.
ويمكن استخدام هذه الأجهزة مستقبلا في اختبار نظرية أينشتاين للجاذبية، والبحث عن ظواهر فيزيائية جديدة تتجاوز ما هو معروف حاليا، بل والمساهمة في جهود رصد موجات الجاذبية.
ويؤكد الباحثون أن منصة التبريد التي طوروها، مناسبة بصورة خاصة للبعثات الفضائية المستقبلية، نظرا لإمكانية تكييفها واستخدامها في مجموعة واسعة من التجارب العلمية.
