اللغز شبه السحري كخيال علمي لأشباه الجسيمات

ايهاب محمد زايد-مصر

 نمت حديقة حيوانات الكيانات الشبيهة بالجسيمات الناشئة تلقائيًا والمعروفة باسم أشباه الجسيمات بسرعة وأصبحت أكثر غرابة. فيما يلي بعض الأمثلة الأكثر فضولًا والتي يحتمل أن تكون مفيدة. تظهر البولاريتونات ، وهي أشباه جزيئات نصف خفيفة ونصف مادة ، في شبكة محاكاة من الجسيمات المبردة إلى درجات قليلة فوق الصفر المطلق.

 كيريل كالينين

 يستيقظ هاري كيم في واقع بديل ، وهو ضابط على متن المركبة الفضائية يو إس إس فوييجر ، ويخلق تشويهاً في استمرارية الزمكان مع شعاع من البولارون. يبدو مثل الخيال العلمي؟ حسنًا ، نعم ، ولكن جزئيًا فقط.

 قال دوجلاس ناتلسون ، الفيزيائي في جامعة رايس في تكساس ، الذي كان من بين وظيفته إنشاء أشباه جسيمات ذات خصائص شبه سحرية: “اعتادت ستار تريك أن تحب أخذ أسماء أشباه الجسيمات الحقيقية ونسب الخصائص السحرية إليها”.

 أشباه الجسيمات هي نوع من الجسيمات. ممنوع الدخول من النادي الحصري المكون من 17 جسيمًا “أساسيًا” يُعتقد أنها اللبنات الأساسية لكل الواقع المادي ، تظهر أشباه الجسيمات من التفاعلات المعقدة بين أعداد هائلة من تلك الجسيمات الأساسية. يمكن للفيزيائيين أخذ مادة صلبة أو سائلة أو بلازما مكونة من عدد كبير من الجسيمات ، وإخضاعها لدرجات حرارة وضغوط شديدة ، ووصف النظام الناتج على أنه عدد قليل من الكيانات القوية الشبيهة بالجسيمات. يمكن أن تكون أشباه الجسيمات الناشئة مستقرة تمامًا مع خصائص محددة جيدًا مثل الكتلة والشحنة.

 بولارون ، على سبيل المثال ، اكتشفها ليف لانداو في عام 1933 وأعطيت حجابًا في Star Trek: Voyager في عام 1995 ، وتتجسد عندما يتم احتجاز العديد من الإلكترونات داخل بلورة. إن الدفع والسحب بين كل إلكترون وجميع الجسيمات الموجودة في بيئته “تلبس” الإلكترون بحيث يعمل مثل شبه جسيم بكتلة أكبر.

 في الأنواع الأخرى من المادة المكثفة التي سيطرت على الأبحاث على مدار العقود القليلة الماضية ، تصبح الأمور أكثر غرابة. يمكن للباحثين إنشاء أشباه جسيمات لها جزء دقيق من شحنة الإلكترون أو لفه (نوع من الزخم الزاوي الداخلي). لا يزال غير مفهوم كيف تظهر هذه الخصائص الغريبة. قال سانكار داس سارما ، عالم فيزياء المادة المكثفة بجامعة ماريلاند: “إنه يشبه السحر حرفياً”.

 باستخدام الحدس والتخمين المتعلم والمحاكاة الحاسوبية ، أصبح علماء فيزياء المادة المكثفة أفضل في اكتشاف أشباه الجسيمات الممكنة نظريًا. في غضون ذلك ، في المختبر ، بينما يدفع الفيزيائيون المواد الجديدة إلى حدود جديدة ، نمت حديقة الحيوانات شبه الجسيمية بسرعة وأصبحت أكثر غرابة. قال ناتلسون: “إنه حقًا إنجاز فكري عظيم”.

 تشمل الاكتشافات الحديثة pi-ton ، وكسور غير متحركة وتجاعيد ملتوية. قال ستيف سيمون ، عالم فيزياء المادة المكثفة النظرية بجامعة أكسفورد: “نفكر الآن في أشباه الجسيمات ذات الخصائص التي لم نحلم بها من قبل”.

 فيما يلي بعض من أشباه الجسيمات الأكثر فضولًا والتي قد تكون مفيدة.

 الحوسبة الكمومية مع Majoranas

 واحدة من أقدم أشباه الجسيمات التي تم اكتشافها كانت عبارة عن “ثقب”: ببساطة غياب الإلكترون في مكان يجب أن يتواجد فيه المرء. اكتشف الفيزيائيون في الأربعينيات من القرن الماضي أن الثقوب تتجول داخل المواد الصلبة مثل الجسيمات المشحونة إيجابياً. أغرب – وربما مفيدة للغاية – هي افتراضات ماجورانا أشباه الجسيمات ، والتي لها شخصية منقسمة: إنها نصف إلكترون ونصف حفرة في نفس الوقت. قال داس سارما: “إنه شيء مجنون”.

 في عام 2010 ، جادل داس سارما ومعاونوه في إمكانية استخدام أشباه جسيمات ماجورانا لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية. عندما تحرك الإلكترون والثقب حول بعضهما البعض ، فإنهم يخزنون المعلومات ، مثل نمط مضفر في حبلين. تقلبات مختلفة تتوافق مع 1s و 0s والتراكبات من 1s و 0s وهي بتات الحساب الكمومي.

 فشلت الجهود المبذولة لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية فعالة حتى الآن لأن التراكبات الكمومية لمعظم أنواع الجسيمات تتفكك عندما ترتفع درجة حرارتها أو عندما تصطدم بجزيئات أخرى. ليس كذلك بالنسبة لأشباه جسيمات ماجورانا. إن تركيبتها غير العادية تمنحها طاقة صفرية وشحنة صفرية ، وهذا يسمح لها نظريًا بالتواجد بعمق داخل نوع معين من الموصلات الفائقة ، وهي مادة توصل الكهرباء بدون مقاومة. لا توجد جسيمات أخرى يمكن أن توجد هناك ، مما يخلق “فجوة” تجعل من المستحيل على ماجورانا أن تتحلل. قال داس سارما: “إن فجوة التوصيل الفائق تحمي ماجورانا” – على الأقل من الناحية النظرية.

 منذ عام 2010 ، كان التجريبيون يتسابقون لبناء أشباه جسيمات ماجورانا الفعلية من تجميع معقد لموصل فائق وسلك نانوي ومجال مغناطيسي. في عام 2018 ، أفادت مجموعة من الباحثين في دورية Nature أنهم لاحظوا التوقيعات الرئيسية لـ Majoranas. لكن الخبراء الخارجيين شككوا في جوانب تحليل البيانات ، وفي وقت سابق من هذا الشهر تم سحب الورقة.

 إن التفكير في شبه جسيم محتمل شيء ، ومراقبته في تجربة تقترب فيها درجات الحرارة من الصفر المطلق ، والعينات تتكون من ذرة بذرة ، ويمكن للشوائب الصغيرة أن تعرقل كل شيء.

 داس سارما غير رادع. “أنا أضمن لك أن ماجورانا ستظهر ، لأن نظريتها أصيلة. هذه مشكلة هندسية. هذه ليست مشكلة فيزيائية.

 ثقب أسود مصنوع من البولاريتون

 توفر حديقة حيوانات أشباه الجسيمات المتنامية ، مع مجموعة من الشخصيات غير المعتادة ، للفيزيائيين مجموعة أدوات يمكنهم من خلالها بناء نظائر لأنظمة أخرى يصعب الوصول إليها أو يستحيل الوصول إليها ، مثل الثقوب السوداء.

 قال ماكسيم جاكيت من مختبر كاستلر-بروسل بجامعة السوربون في باريس: “بهذه النظائر نريد أن نذهب ونبحث في الفيزياء التي لا يمكننا لمسها بأيدينا”.

 تتشكل الثقوب السوداء في الكون حيثما تصبح الجاذبية قوية لدرجة أنه حتى الضوء لا يستطيع الهروب. يمكنك عمل نظير بسيط للثقب الأسود عن طريق سحب القابس الموجود في حوض الاستحمام الخاص بك ومشاهدة الماء وهو يتدحرج في البالوعة: يتم امتصاص موجات الماء التي تقترب جدًا من الصرف إلى الدوامة. يمكنك صنع نظير أفضل – كما يفعل جاكيه ومساعدوه – مع أشباه الجسيمات المسماة بولاريتون.

 

 بإذن من ماكسيم جاكيه

 البولاريتونات هي مزيج من المادة والضوء. يستخدم الباحثون مرآتين لحبس فوتون داخل قفص يحتوي أيضًا على إكسايتون ، وهو في حد ذاته نوع من أشباه الجسيمات مصنوعة من إلكترون وثقب يدور كل منهما حول الآخر. (يختلف الإكسايتون عن شبه جسيم ماجورانا ، وهو نصف إلكترون ونصف حفرة في نفس المكان في نفس الوقت). يمتزج الفوتون مع الإكسيتون ليشكل بولاريتون. يتم وضع العديد من الفوتونات والإكسيتونات في أقفاص ودمجها بهذه الطريقة ، وتتصرف هذه البولاريتونات بشكل جماعي مثل الضوء السائل ، وهو عديم الاحتكاك ولا يتشتت. صمم الباحثون تدفق هذه البولاريتونات لتقليد كيفية تحرك الضوء حول الثقب الأسود.

 الضوء السائل غير مستقر ، وفي النهاية يهرب الفوتون. هذا القفص المتسرب هو الذي يسمح لجاكيه بدراسة كيفية تطور الثقوب السوداء مع مرور الوقت. وضع الفيزيائي الرياضي الحائز على جائزة نوبل روجر بنروز نظرية مفادها أن الثقوب السوداء الدوارة يمكن أن تفقد الطاقة وتتباطأ تدريجياً. يخطط جاك لاختبار هذه الفكرة باستخدام البولاريتون.

 قال جاكيه: “لا يمكن لأحد أن يخبرك بهذا في الفيزياء الفلكية ، لكن يمكننا ذلك” ، معترفًا بأنها “قفزة” من هذه التجارب المعملية إلى ما يجري في الثقوب السوداء الفعلية.

 إذا كان من الممكن أن تتحلل شبه الجسيمات ، فسوف تتحلل في النهاية. المغنون ، على سبيل المثال – شبه جسيم مصنوع من أجزاء من المجال المغناطيسي المتحرك عبر مادة ما – يمكن أن يتحلل إلى مغنونيين آخرين طالما أن طاقة هذه المنتجات ليست أكبر من طاقة المغناطيس الأصلي.

 ومع ذلك ، فإن أشباه الجسيمات مستقرة إلى حد ما ، ويفترض أن ذلك لسببين: فهي تخرج من الأنظمة التي يتم الاحتفاظ بها في درجات حرارة منخفضة جدًا ، لذا فهي تمتلك القليل من الطاقة لتبدأ بها ، وتتفاعل مع بعضها البعض فقط بشكل ضعيف ، لذلك هناك القليل من الاضطرابات التي تؤدي إلى حدوث ذلك. تسوس. قال روبن فيريسن ، عالم فيزياء المادة المكثفة بجامعة هارفارد: “عندما يكون هناك الكثير من الشد والجذب ، كان التوقع الساذج هو أن الاضمحلال لن يحدث إلا بشكل أسرع”.

 لكن أبحاث فيرسن قلبت تلك الصورة رأساً على عقب. في ورقة بحثية نُشرت في عام 2019 ، وصف هو وزملاؤه كيف قاموا نظريًا بنمذجة أشباه الجسيمات المتحللة ثم رفعوا تدريجياً قوة التفاعلات بينهم لمعرفة ما حدث. في البداية تلاشت أشباه الجسيمات بسرعة أكبر ، كما هو متوقع. ولكن بعد ذلك – لمفاجأة فيريسن – عندما أصبحت قوة التفاعل قوية للغاية ، ارتدت أشباه الجسيمات مرة أخرى. قال: “فجأة أصبح لديك شبه جسيم مرة أخرى وهو طويل العمر بشكل لا نهائي”.

 أجرى الفريق بعد ذلك محاكاة حاسوبية لاستكشاف سلوك المغناطيس شديد البرودة ، ورأوا ماغنونات تظهر ولم تتحلل. أظهروا أن فهمهم الجديد لأشباه الجسيمات شديدة التفاعل يمكن أن يفسر بعض الميزات المحيرة التي شوهدت في تجارب الماغنون من عام 2017. أكثر من مجرد نظرية أنيقة ، هذه المغنطيسات الأبدية تتحقق في الطبيعة.

 

 تشير النتائج إلى أن أشباه الجسيمات يمكن أن تكون أقوى بكثير مما كان يعتقده الباحثون في السابق. أصبح الخط الفاصل بين الجسيم وشبه الجسيم غير واضح. قال فيرسن: “لا أرى اختلافًا جوهريًا”.

 تنشأ أشباه الجسيمات من ترتيبات للعديد من الجسيمات. لكن ما نطلق عليه الجسيمات الأساسية ، مثل الكواركات والفوتونات والإلكترونات ، قد لا يكون أوليًا كما نعتقد. يشك بعض الفيزيائيين في أن هذه الجسيمات الأساسية ظاهريًا تنبثق أيضًا – على الرغم مما لا يمكن لأحد أن يقوله بالضبط.

 “نحن لا نعرف النظرية الأساسية التي تنشأ منها الإلكترونات والفوتونات وما إلى ذلك. قال ليون بالينتس ، المنظر الذي يبحث في حالات المادة الكمومية في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا ، “نعتقد أن هناك إطارًا موحِّدًا”. “الأشياء التي نعتقد أنها جسيمات أساسية ربما ليست جوهرية ؛ إنها أشباه جسيمات في نظرية أخرى “.