أبرد درجة حرارة في التاريخ: 10 بيكوكلفن في الفضاء

ما هي أبرد درجة حرارة سُجلت على الإطلاق؟

أبرد درجة حرارة سُجلت على الإطلاق هي درجة حرارة مكافئة تبلغ 9.7 بيكوكلفن، تحققت على متن محطة الفضاء الصينية ونُشرت في مجلة Science في 5 نوفمبر 2026 ^[1][2]. البيكوكلفن هو جزء من تريليون من الكلفن، أي إن الذرات كانت أقل من عشرة أجزاء من تريليون من الدرجة فوق الصفر المطلق ^[2].

تفيد الورقة البحثية، وعنوانها «غازات كمومية دون 10 بيكوكلفن في الفضاء»، بتحضير مكثّف بوز-أينشتاين (BEC) من 2.0 × 10^4 ذرة، أي 20,000 ذرة، بلغ تلك الدرجة المكافئة مع زمن تمدد حر قدره 7.0 ثوانٍ ^[1]. واستخدم الفريق ذرات الروبيديوم ^[2][3].

ويذكر تقرير Science الإخباري أن النتيجة خفّضت أبرد درجة حرارة تحققت من قبل بمعامل أربعة ^[2]. وقال إرنست راسل، الفيزيائي الكمومي في جامعة لايبنيز هانوفر الذي سجّل فريقه الرقم القياسي السابق عام 2021، لمجلة Science: «أهنئ العلماء. أنا معجب جدًا» ^[2].

تقرّب عناوين كثيرة الرقم إلى 10 بيكوكلفن. ويرد الرقمان في التغطية الصحفية: فالورقة تذكر أقل من 10 pK، ويصف مراسل Science السرعات الذرية النهائية بأنها تعادل نحو 10 pK ^[1][2].

كم تبلغ برودة 10 بيكوكلفن مقارنة بالفضاء؟

إنها أبرد بكثير من أي شيء في الطبيعة يعرفه علماء الفلك. فالفضاء الخالي مملوء بإشعاع الخلفية الكونية الميكروي الذي تقيسه ناسا بنحو 2.725 كلفن ^[5]. وبقسمة 2.725 K على 9.7 pK يتبين أن وهج الخلفية في الكون أدفأ بنحو 280 مليار مرة من الذرات على متن تيانقونغ.

الصفر المطلق، أي 0 كلفن، يساوي ناقص 273.15 °C أو ناقص 459.67 °F ^[4]. وعلى هذين المقياسين لا يمكن تمييز الرقم القياسي الجديد من الصفر المطلق، ولهذا يستخدم الفيزيائيون الكلفن وأجزاءه الدقيقة:

• النانوكلفن (nK): جزء من مليار من الكلفن. بلغت تجارب BEC الأولى نحو 100 nK ^[2].
• البيكوكلفن (pK): جزء من تريليون من الكلفن. وتقع تجارب الفضاء اليوم ضمن هذا النطاق ^[1][2].

يُعتقد أن بلوغ الصفر تمامًا مستحيل. وتنص إحدى صيغ القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أن بلوغ الصفر المطلق يتطلب عددًا لا نهائيًا من الخطوات، كما أوضح سايبال ميترا، وهو فيزيائي أجرى معه موقع Live Science مقابلة ^[4].

كيف بلغ العلماء 10 بيكوكلفن؟

بحبس ذرات الروبيديوم بالليزر في الجاذبية الصغرى، وترك أكثرها سخونة تهرب، ثم ترك الباقي ينتشر بلطف ^[2][3]. ووفق ما أوردته Science، كانت الخطوات كما يلي ^[2]:

1. الحبس: احتُجز نحو 2 مليون ذرة روبيديوم في فخ ضوئي داخلي عرضه 54 ميكرومترًا، يتكوّن عند تقاطع شعاعي ليزر شديدين. وعملت الليزرات بقدرة 5 واط.
2. التبخير: خُفضت القدرة تدريجيًا إلى 0.2 ميلي واط، فهربت الذرات الأكثر طاقة. وبردت الذرات المتبقية البالغ عددها 20,000 إلى 3 nK.
3. التمدد: سُمح للذرات بالانتشار في فخ أوسع عرضه 124 ميكرومترًا، ما قلّل شدة تفاعلها. وفي النهاية تحركت بسرعة تقل عن 100 ميكرومتر في الثانية.

قال شوزونغ تشن من جامعة بكين، كبير علماء الجهاز: «نحتفظ بالعدد نفسه من الذرات. وحدها طاقة التفاعل تتغير» ^[2]. ويضيف معهد شنغهاي للبصريات والميكانيكا الدقيقة أن التبريد التبخيري في فخ ضوئي يكون أقل فاعلية في الجاذبية الصغرى، لذا استخدم الفريق تدرجًا مغناطيسيًا إضافيًا للمساعدة في تكوين المكثّف ^[3].

الجهاز هو حامل فيزياء الذرات الباردة في وحدة مختبر منغتيان بالمحطة، التي أُطلقت عام 2022 ^[2][3]. ويذكر المعهد أن مطوريه قلّصوا منظومة أرضية بحجم نحو 20 مترًا مكعبًا ووزن 10 أطنان إلى جهاز طيران بحجم نحو 0.7 متر مكعب ووزن نصف طن ^[3].

هل 9.7 بيكوكلفن درجة حرارة حقيقية؟

إنها درجة حرارة مكافئة تصف مدى بطء حركة الذرات، وليست قراءة على مقياس حرارة ^[3]. ويؤكد معهد شنغهاي أن الرقم 9.7 pK «يصف التمدد البطيء للغاية للذرات»، ولا يعني أن الأجهزة أو ما حولها بلغت الدرجة نفسها ^[3].

وتستخدم الورقة البحثية نفسها عبارة «درجة حرارة مكافئة» ^[1]. ويقدّر العلماء هذه الدرجة من سرعة انتشار سحابة الذرات المحررة؛ فكلما كان الانتشار أبطأ كانت الطاقة أقل ^[2][3]. وتذكر Science أن السرعات النهائية تقل عن 100 ميكرومتر في الثانية ^[2]. ويورد تقرير Phys.org عن الورقة نطاق شك يتراوح من 7.0 إلى 12.9 pK حول القيمة 9.7 pK ^[7].

وهذا التمييز مهم عند مقارنة الأرقام القياسية. فالرقم السابق 38 pK، ورقم ناسا 52 pK، هما أيضًا درجتا حرارة فعليتان مستنتجتان من سرعة تمدد السحابة، فالمقارنة إذن بين كميات متماثلة وإن اختلفت طرائق التجارب ^[2][6][7]. أما مقارنتها بدرجة حرارة ثلاجة أو كوكب أو الفضاء العميق فمفيدة لتقدير الحجم، لكنها ليست فيزياء دقيقة.

لماذا سُجل الرقم القياسي في الفضاء لا على الأرض؟

تسحب الجاذبية الذرات فائقة البرودة إلى الأسفل، ما يضطر العلماء إلى إبقائها في فخاخ أقوى تحافظ على دفئها ^[2][3]. وتوضح Science أن الجاذبية تضغط الذرات على المجالات التي تعلّقها فترفع درجة حرارتها ^[2]. أما في المدار فيمكن جعل الفخ أضعف بكثير ورصد الذرات مدة أطول ^[3].

ووضع فولفغانغ كيترلي، الفيزيائي في معهد MIT والحائز جائزة نوبل عام 2001، الرصد الذي استمر سبع ثوانٍ في سياقه قائلًا: «على الأرض كانت ستسقط نحو 250 مترًا، أي إنها ستصطدم بالأرض ما لم يكن لديك حجرة تفريغ ارتفاعها 250 مترًا» ^[3].

وشملت المحاولات السابقة للإفلات من الجاذبية إسقاط الشرائح الذرية من أبراج وإطلاقها على صواريخ دون مدارية ^[2]. وأطلقت ناسا مختبر الذرات الباردة إلى محطة الفضاء الدولية عام 2018 ^[2]، وبلغ مكثّف بوز-أينشتاين المُنتَج على المحطة درجات حرارة فعلية منخفضة حتى 52 pK، وأُعلن ذلك في Nature Communications عام 2022 ^[6]. أما الرقم القياسي السابق، 38 pK مع تمدد حر لمدة 2 ثانية، فجاء من فخ مغناطيسي بشريحة ذرية في الجاذبية الصغرى ^[1]؛ وتصفه Science News بأنه تجربة برج إسقاط نُشرت عام 2021 ^[6].

ويختلف الجهاز الصيني في أنه يستخدم فخاخًا ضوئية مصنوعة من ضوء الليزر بدلًا من الفخاخ المغناطيسية ^[1][2]. وتشير الورقة إلى أن الفخاخ الضوئية لم تُستخدم من قبل في تحضير مثل هذه الغازات الكمومية في الجاذبية الصغرى ^[1].

ما هو مكثّف بوز-أينشتاين؟

مكثّف بوز-أينشتاين حالة من حالات المادة تتكدس فيها الذرات شديدة البرودة في موجة كمومية واحدة وتتصرف بصورة جماعية ^[2][3]. وتشبّهه Science بفوتونات شعاع الليزر، وتلاحظ أن الذرات في BEC يمكنها أن تتدفق دون مقاومة وأن تكوّن أنماط تداخل ^[2].

توقع ساتيندرا ناث بوز وألبرت أينشتاين وجود المكثفات عام 1924؛ ثم صنعها فريقان للمرة الأولى عام 1995، أحدهما بالروبيديوم-87 والآخر بالصوديوم-23، وهو عمل نال جائزة نوبل في الفيزياء عام 2001 ^[2]. وتصف Live Science المكثّف بأنه يتصرف كأنه ذرة واحدة ^[4].

ولأن آثاره تظهر على مقاييس أكبر بكثير من الذرات المفردة، تتيح مكثفات BEC للباحثين دراسة السلوك الكمومي مباشرة ^[3]. وللاطلاع على مقدمة مبسطة للأفكار ذات الصلة، راجع Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not. ولقصة أخرى من علوم الفضاء هذا الأسبوع، راجع Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows.

فيمَ يمكن استخدام الذرات فائقة البرودة في الفضاء؟

أساسًا في القياسات الدقيقة والمحاكاة الكمومية؛ ويصف الباحثون والخبراء المستقلون هذه الاستخدامات بأنها اتجاهات للعمل المستقبلي ^[2][3].

• اختبار الجاذبية: تُعدّ أزمنة التمدد الطويلة مثالية لتجارب التداخل التي قد تختبر ما إذا كانت الجاذبية تسحب جميع أنواع الذرات بالتساوي، كما تفترض النسبية العامة، بحسب Science ^[2]. وقال هولغر مولر من جامعة كاليفورنيا في بيركلي: «الـ 7 ثوانٍ مقياس جودة أهم من 10 بيكوكلفن» ^[2].
• مقاييس التداخل الذرية: قال راسل لمعهد شنغهاي إن حساسيتها تزداد بمربع الزمن الذي تقضيه الذرات داخل الجهاز، وإن هذه الأدوات قد تساعد في قياس مجال جاذبية الأرض واختبار نماذج المادة المظلمة ^[3].
• المحاكاة الكمومية: يخطط الفريق لاستخدام شبكات ضوئية، وهي مصفوفات من بقع الليزر تحاكي البلورة، لمحاكاة تأثيرات مرتبطة بالموصلية الفائقة عند درجات الحرارة المرتفعة ^[2][3].
• الذرات المختلطة: لاحظت هيلين بيران من جامعة السوربون باريس الشمالية أن الفخاخ الضوئية تستطيع حمل ذرات في حالات داخلية مختلفة في آن واحد ^[2].

وقال ويبياو تشن من معهد شنغهاي لمجلة Science إن الحامل «مفتوح للمجتمع الدولي» ^[2]. ولم يثبت بعدُ أيٌّ من هذه التطبيقات بهذا الجهاز.