الفيزياء والكون
 
 
2014/05/10

 فيزياء الكم تحت الصفر المطلق


عند انخفاض الحرارة العادي غالبية الذرات (الازرق) تقترب من الصفر المطلق. فقط بعضهم يملك درجة حرارة اعلى. في درجة الحرارة السلبية يكون الامر صورة معكوسة، حيث غالبية الذرات ( الحمراء) تملك اقصى طاقة، مباشرة تحت الصفر المطلق.
هل يمكن الوصول الى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الصفر المطلق؟ ومالذي يحدث للمادة في درجة حرارة تحت الصفر المطلق؟
فرقة بحث المانية تمكنت من الحصول على غاز درجة حرارته أقل من درجة حرارة الصفر المطلق. بنتيجة ذلك تمكنا من الحصول على اول مادة تنتمي الى فيزياء الكم ولربما ينفتح الباب لمعرفة طبيعة الطاقة المظلمة التي تحيظ بالكون. وهذا الغاز يمكن ايضا ربطه بظواهر اخرى مثل الضغط السالب او عمل المكائن بدون فقدان للطاقة على الاطلاق.

للوهلة الاولى يبدو تعبير الحرارة السالبة نوع من البرادوكس من حيث ان صفر كيلفين (الذي يعادل 273,15- بالمقياس المئوي) ينظر اليه عادة على انه أقل حرارة ممكنة. كيف يمكن أذن ان تنخفض درجة الحرارة الى أدنى من درجة الصفر المطلق؟
في الواقع ان البرادوكس مرتبط بطريقة تعريفنا للحرارة. على العموم لاتوجد لدينا اية معضلة مع الحرارة السالبة.

على المقياس المئوي ( سيلسيوز) تتموضع درجة الصفر انطلاقا من اللحظة التي يتحول فيه الماء الصافي الى جليد، في حين تتموضع النقظة مئة في اللحظة التي يغلي فيه الماء الصافي. على مقياس فهرنهايت اختار العالم دانييل فهرنهايت قياس درجة الحرارة بميزانه الزئبقي انطلاقة من التغييرات الفيزيائية على محلول ملحي، حيث الماء يتجمد عند درجة 32 مئوي ويغلي عند درجة 212 مئوي. اي ان المقاييس كانت تنطلق من التغييرات الفيزيائية على سائل مقياسي.
فقط في نهاية القرن الثامن عشر ربط العلماء درجة الحرارة بالطاقة. درجة حرارة الغاز اصبحت تعرف من خلال مقدار الفوضى في حركة ذرات الغاز. الحسابات أظهرت عندها ان درجة حرارة الغاز تتناسب مع متوسط طاقة الحركة لمركبات الغاز. في لحظة ثبات الحركة التام لجميع مكونات الغاز حدد وليم توماس كيلفين درجة الصفر على مقياسه. غير ان مقياس كيلفين لايملك حد اعلى للحرارة، انطلاقا من فكرة انه يمكن لمركبات الغاز ان تتحرك بأي مقدار على الاطلاق.

غير أنه منذ الخمسينات أكتشف الفيزيائيون ان الامر لايحتاج ان يكون على الدوام على هذا المنوال. مثلا الحقل المغناطيسي يستطيع ان يحجز طاقة الجزيئات ، وبالتالي درجة الحرارة، الى حدود قصوى محددة. احيانا جميع الجزيئات تصل الى درجة الحرارة القصوى في وقت واحد، الامر الذي ينظر اليه على انه نوع انعكاسي لحالة الصفر المطلق، حيث جميع الجزيئات تصل الى نقطة الثبات المطلق. بذلك يمكن القول ان جزيئات الطرف الثاني من المرآة حصلت على درجة الحرارة السالبة.

هذا الالتباس الذي نراه هنا لمفهومي الحرارة السالبة والموجبة سببه ان جذور هذه المفاهيم تمتد الى فترة لم يكن المرء فيها يعلم بوجود مادة نظامها الداخلي يتزايد مع تزايد درجة حرارتها.
كيف يمكن ان نفهم هذا الامر؟
في الغازات العادية تتناقص الحركة العشوائية للمركب كلما بردت المركبات، اي كلما فقدت من حرارتها. في الغاز الذي يملك درجة حرارة سلبية يكون الامر على العكس: تقل الحركة العشوائية كلما ازدادت الطاقة، الى ان تصل الى الحدود العليا الممكنة من القيمة، حيث تصبح مكونات الغاز فيها في اعلى مستوى من الانتظام. بمعنى اخر يمكن رؤية الاحداث في الطريق للوصول الى الصفر المطلق من الجهة المعاكسة: الصفر المطلق لكيفين يصبح هنا ردة فعل على الطاقة القصوى وليس الدنيا. اي ان الصفر المطلق هو الحالة التي تكون فيها المادة تملك الطاقة القصوى الممكنة لهذا الغاز.

منذ فترة قصيرة تمكن فريق ابحاث من معهد بصريات فيزياء الكم في غارتشينغ الالمانية، وللمرة الاولى، من حصر 100 الف ذرة غازية في كمين، بحيث انحصروا وفقدوا القدرة على الحركة الحرة. بهذا الشكل وصلت حرارة الغاز الى درجة ناقص بضعة مليار جزء من كيلفين. (اي اقل من الصفر المطلق بقليل)
التجربة جرى تنفيذها بمساعدة حقل مغناطيسي وضوء لازر في بيئة مفرغة من الهواء. تتطلب الامر ذلك لكون الالتقاء بمادة غازية ذات درجة حرارة ايجابية سيفتقد خواصه الغريبة وسيترتب على ذلك انتقال الحرارة منه. ومن حيث ان الطاقة تنتقل على الدوام من الاعلى الى الادنى، فأن المادة ذات الحرارة السلبية على الدوام اكثر حرارة. من هنا، وحسب هذا التعريف سيكون الغاز ذو الحرارة السالبة هو الاكثر حرارة في العالم.

حتى الان يوجد هذا الغاز الغريب فقط في المختبر. غير ان العلماء بدؤا منذ الان بالتخطيط لاستغلال هذا الغاز في انتاج المكائن ذات الفعالية الحرارية الى درجة المئة بالمئة. جوانب اخرى ترافق هذا الغاز. الغازات العادية تصطدم مكوناتها بجدار الحاوية وتنعكس قيمته بما يسمى ضغط الغاز. الغاز السالب الحرارة يكون حتى ضغطه سالب لانه يتوجه الى الداخل. والضغط السالب من خواص الطاقة المظلمة. لذلك لربما الحرارة السالبة تساعد في معرفة طبيعة الطاقة المظلمة.


quantum gas negative temperature
negative-temperature-understanding-what-happens-below-absolute-zero