٦٫١٠ تكاثف بوز–أينشتاين والتدفق فائق السيولة

الصفحة الرئيسية ／ ٦. المجال الكمي (V5.05)

أولًا الظواهر والأسئلة المطروحة

عند تبريد جماعة من الجسيمات البوزونية إلى درجات شديدة الانخفاض، تتخلى عن السلوك الفردي وتشغل حالة كمومية واحدة، فتتماوج كأنها «بساط» بمرحلةٍ متسقة. من العلامات المعملية: هدب تداخل واضح عند إطلاق تكاثفين مستقلّين معًا، وجريان دائم من دون مقاومة في أوعية حلقية، ولزوجة شبه منعدمة عند التحريك البطيء ثم ظهور دوامات مُكمَّاة فجأة بعد اجتياز عتبة. نسأل: لماذا ينزلق المائع البارد تقريبًا بلا احتكاك؟ ولماذا تتخذ السرعة قيَمًا مُكمّاة لا اعتباطية؟ ولماذا تتعايش «مكوّنات» طبيعية وفائقة السيولة في آنٍ واحد؟

ثانيًا قراءة نظرية خيوط الطاقة: قفل الطور، وإغلاق القنوات، وعيوب مُكمّاة

في نظرية خيوط الطاقة تتكوّن البُنى المستقرة — كالذرات أو أزواج الإلكترونات — من التفافات خيوط تتصل أغلفتها الخارجية بــ«بحر الطاقة»، ويحافظ لبّها على إيقاعه الذاتي. ومع عزمٍ كلي صحيح تتبع الحركة الجماعية قواعد بوزونية وتتراكب الأطوار تراكبًا متسقًا. عند التبريد الكافي تبرز ثلاثة مسارات:

• قفل الطور: بسط «بساط» الجريان
  بانخفاض الحرارة يضعف ضجيج التوتّر الخلفي فتقلّ الاضطرابات التي تشتت الطور. تصطف الأطوار بين الجيران وتنسج شبكة طور مشتركة تمتد عبر العيّنة. حين يُبسط البساط يهبط ثمن الحركة الجماعية بقوة، كأن الجريان يسلك أملس ممرات التوتّر.
• إغلاق القنوات: انهيار اللزوجة
  تنشأ اللزوجة العادية من تسرب الطاقة عبر قنوات تموّج دقيقة إلى الوسط. بعد تشكّل البساط يخمد النظام الجماعي تلك القنوات: ما يبدد التوافق الطوري يُردّ أو يُحظر، فتغيب المقاومة عند الدفع الضعيف. ومع ازدياد التدفق أو القصّ لا يعود البساط متماسكًا في كل مكان، وتُفتح مسالك تبديد جديدة.
• عيوب مُكمّاة: ظهور الدوامات
  لا يمكن للبساط أن يلتوي اعتباطًا؛ تحت إجهاد كافٍ يتنازل بعيوب طوبولوجية. العيب النموذجي دوّامة مُكمّاة: نواة خيطية ضعيفة الممانعة تحيط بها التفافة طور بمقدار دورة أو دورتين أو ثلاث… عددٌ صحيح يضمن الإغلاق أحادي القيمة. ويغدو توليد الدوامات وإفناؤها المسار الرئيس لفقد طاقة الجريان الفائق.
• منشأ المكوّنين الطبيعي والفائق
  بعيدًا عن الصفر المطلق تبقى فئة غير مقفولة الطور، تتبادل الطاقة مع الوسط فتشكّل المكوّن الطبيعي، بينما يمثّل البساط المكوّن فائق السيولة. نحصل تلقائيًا على صورة «مكوّنين»: واحد يحمل جريانًا شبه عديم الفقد، وآخر يحمل الحرارة واللزوجة. وكلما انخفضت الحرارة اتسع البساط وازداد نصيب الفائق.

تنبيه مفهومي: تُعدّ البوزونات العياريّة — كالضوء والغلونات — حزَم أمواج تجوب بحر الطاقة، أمّا التكاثف الذري فيعني قفل طور بُنىً ملتفّة مستقرة. كلاهما بوزوني، لكن «المادة» مختلفة: تموّجات حقليّة مقابل درجات حريّةٍ جماعية لقشورٍ خارجية.

ثالثًا مشاهد ممثلة: من الهيليوم إلى الذرات الباردة

• هيليوم فائق السيولة: يُظهِر الهيليوم-٤ أثر النافورة وصعودًا بلا لزوجة على الجدران وشبكاتٍ من الدوامات. نرى في هذه القراءة أنّ بساط الطور يغطي الحجم، ولا تُفتح قنوات التسرب إلى بحر الطاقة إلا حين يُفرض توليد الدوامات.
• تكاثف ذرات مخففة باردة: تتكاثف سُحُب قلوية في مصائد مغنطو-بصرية؛ وبعد الإطلاق يرسم تكاثفان مستقلان، إذا تراكبا، هدبَ تداخلٍ واضحًا. هنا تتساوى حواف «بساطين» فتظهر الهدب بوصفها «نقوش اصطفافٍ طوري»، لا آثار تصادمٍ ذري فردي.
• مصائد حلقية وجريان دائم: في القنوات الحلقية يدوم الجريان طويلًا؛ ويُقفل عدد اللفّات لبساطٍ مغلق، ولا تقفز المنظومة إلى عددٍ صحيحٍ تالٍ إلا بتجاوز عتبة توليد الدوامة.
• سرعة حرجة وعوائق: ملعقة ضوئية تُسحب ببطء لا تخلّف ذيلًا؛ وفوق سرعةٍ بعينها تنشأ «شارع» من الدوامات وتعلو اللزوجة. القراءة نفسها: عند الدفع البطيء القنوات مغلقة، وعند القوي يتمزق البساط وتندفع سلاسلُ عيوبٍ تحمل الطاقة بعيدًا.
• أغشية ثنائية الأبعاد وأزواج الدوامات: في الحدّ ثنائي الأبعاد تتزاوج الدوامة وضدّها؛ ومع التسخين تفكّ الأزواج ويتبدد النظام. البساط في بعدين لا يطيق إلا عيبًا مُزاوجًا؛ فإذا انفصلا انهارت شبكة الطور.

رابعًا بصمات قابلة للرصد

• تداخل ثابت عند تراكب التكاثفين، مع انزياح طور الهدب وفق الفارق الطوري العام.
• جريان شبه عديم اللزوجة: علاقة الضغط–الغزارة عند الدفع الضعيف شبه عديمة الفقد، ولا يتراكم هبوط الضغط.
• دوامات مُكمّاة: تدويرٌ أو تحريكٌ قوي يولّد شبكات نوىً دوامية؛ العدد يتناسب مع معدل الدوران، ومقياس النواة ثابت.
• قفزات حرِجة: تجاوز سرعةٍ عتبية يرفع فجأة التبديد والتسخين.
• نقل ذو مكوّنين: قد ينفصل تدفق الحرارة عن تدفق الكتلة، ويظهر نمطٌ صوتي ثانٍ يشبه «موجة الإنتروبيا».

خامسًا تطابقٌ مع الوصف الشائع

نستخدم في الوصف الشائع دالة موجية مجهرية (مُعامِل ترتيب) لتمثيل «بساط الطور»، وتُحدَّد السرعة بتدرّج الطور. عند السرعات المنخفضة لا توجد حوامل طاقة قابلة للإثارة، فلا تبديد. وتُحدَّد السرعة الحرجة بإمكان إثارة الدوامات والفونونات. تضيف قراءة خيوط الطاقة صورة أكثر «مادية»: عندما يضعف ضجيج التوتّر الخلفي تُقفل الأطوار في شبكة موحّدة؛ ومع الدفع الضعيف تبقى قنوات الفقد مغلقة؛ أما الدفع القوي فيفتحها على هيئة عيوب مُكمّاة. تتوافق اللغتان في المرصودات وقوانين القياس، غير أنّ الأولى تركّز على الهندسة والأمواج، والثانية على تنظيم الخيوط والبحر.

سادسًا خلاصة

التكاثف البوز–أينشتايني والتدفق فائق السيولة ليسا «غرائب البرد الشديد»، بل نتيجة قفل الأطوار في بساطٍ عابرٍ للمقاييس. يوجّه هذا البساط الجريان في أملس ممرات التوتّر ويُبقي قنوات الفقد مغلقة عند الدفع الضعيف؛ فإذا اشتدّ الدفع تنازل البساط بعيوب مُكمّاة — دوامات — وبدأ التبديد.
خلاصةٌ جامعة: قفلُ الطور يبسط البساط ويغلق القنوات؛ والدفع القوي يخلق العيوب، فيتبعه التبديد.