أقل درجة حرارة في الكون: رحلة إلى حدود البرودة المطلقة
تمثل درجة الحرارة واحدة من أهم المفاهيم الفيزيائية في فهم طبيعة الكون، وهي تعبير عن الطاقة الحركية لجزيئات المادة. وكلما قلت درجة الحرارة، قلت الحركة الجزيئية، حتى نصل إلى مفهوم “الصفر المطلق”، وهو الحد الأدنى الذي لا يمكن نظريًا تجاوزه. في هذا المقال، سنغوص في أعماق الكون وفي أعماق الفيزياء لفهم ما هي أقل درجة حرارة ممكنة، وأين يمكن أن توجد، وكيف استطاع العلماء الاقتراب منها عبر التجارب.
مفهوم درجة الحرارة والصفر المطلق
في علم الفيزياء، تُقاس درجة الحرارة عادة بوحدة كلفن (Kelvin)، وهي مقياس يبدأ من الصفر المطلق، وليس مثل المقياس المئوي أو الفهرنهايت. الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة ممكنة، ويعادل 0 كلفن أو -273.15 درجة مئوية. عند هذه الدرجة، تتوقف الذرات تمامًا عن الحركة الاهتزازية. ولكن، وفقًا لمبدأ الريبة لهايزنبرغ في ميكانيكا الكم، فإن الوصول فعليًا إلى الصفر المطلق مستحيل لأن الجسيمات لا يمكن أن تكون ساكنة تمامًا.
رغم هذا الحاجز النظري، استطاع العلماء الوصول إلى درجات حرارة تقترب من هذا الحد بشكل غير مسبوق، سواء في المختبرات أو في ظواهر كونية طبيعية.
أبرد مكان طبيعي في الكون
عند التفكير في البرودة الكونية، قد تتبادر إلى الأذهان مناطق الفضاء بين النجوم أو بين المجرات، حيث لا توجد مصادر حرارية قريبة. ومع ذلك، فإن أبرد مكان معروف طبيعيًا في الكون ليس مجرد فراغ مظلم، بل هو سحابة غازية في كوكبة القوس تُعرف باسم سديم بوميرانغ (Boomerang Nebula).
سديم بوميرانغ: غرفة التجميد الكونية
يُعتبر سديم بوميرانغ أبرد مكان تم اكتشافه في الفضاء على الإطلاق، حيث تبلغ درجة الحرارة داخله حوالي 1 كلفن أو -272.15 درجة مئوية، أي أبرد من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي نفسه، الذي تبلغ درجة حرارته حوالي 2.7 كلفن. يعود سبب هذه البرودة الفائقة إلى سرعة التوسع المذهلة للغاز المنبعث من النجم المركزي، ما يؤدي إلى تبريد شديد نتيجة التمدد، كما يحدث في التبريد بالتوسع في الثلاجات التقليدية.
سديم بوميرانغ هو مثال حي على كيف يمكن للطبيعة أن تخلق بيئات أقرب ما تكون إلى الصفر المطلق دون تدخل بشري.
تجارب مخبرية للوصول إلى درجات حرارة شبه صفرية
في المختبرات الفيزيائية، استطاع العلماء باستخدام تقنيات معقدة الوصول إلى درجات حرارة أقل من تلك الموجودة في الطبيعة. فيما يلي نستعرض أبرز هذه المحاولات:
التبريد بالليزر
في أواخر القرن العشرين، تم تطوير تقنيات التبريد بالليزر، والتي تستخدم فوتونات الليزر لإبطاء حركة الذرات، مما يؤدي إلى تقليل حرارتها بشكل كبير. باستخدام هذه التقنية، تمكن العلماء من تبريد عينات من ذرات الصوديوم إلى درجات حرارة أقل من مليون جزء من الكلفن.
أبرد درجة حرارة تم تحقيقها مخبريًا
في عام 2019، قام باحثون في معهد الفيزياء في جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ألمانيا بتحقيق رقم قياسي جديد، حيث تم تبريد مجموعة من الذرات إلى درجة حرارة تبلغ حوالي 38 تريليون جزء من الكلفن فوق الصفر المطلق (38 نانوكلفن) باستخدام فخ مغناطيسي في الفضاء. هذه التجربة جرت في محطة الفضاء الدولية ضمن مشروع مختبر الذرات الباردة “CAL”، التابع لوكالة ناسا، بهدف دراسة الظواهر الكمومية في غياب الجاذبية.
الجدول التالي يلخص أبرز درجات الحرارة المسجلة:
| البيئة أو الحالة | درجة الحرارة (بالكلفن) | الملاحظات |
|---|---|---|
| الصفر المطلق (النظري) | 0 K | الحد الأدنى الممكن نظريًا للحرارة |
| سديم بوميرانغ | 1 K | أبرد منطقة طبيعية معروفة في الكون |
| إشعاع الخلفية الكونية | 2.7 K | حرارة الفضاء بين المجرات |
| درجة حرارة الكون بعد الانفجار العظيم بدقائق | 10¹⁰ K | حرارة مرتفعة جدًا في بدايات الكون |
| أبرد درجة حرارة تم تحقيقها مخبريًا (2019) | 38 نانوكلفن | أقل درجة حرارة تم بلوغها في المختبر |
| درجة حرارة الهواء في القارة القطبية الجنوبية | حوالي 184 K | أبرد حرارة سجلت على سطح الأرض |
أهمية الوصول إلى درجات حرارة منخفضة في البحث العلمي
الاقتراب من الصفر المطلق ليس مجرد إنجاز تقني، بل له أهمية علمية كبيرة. عند درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تبدأ المادة في إظهار سلوكيات فيزيائية غير تقليدية، ما يسمح للعلماء بفهم أعمق لقوانين الطبيعة، وخاصة في نطاق ميكانيكا الكم.
تكاثف بوز-آينشتاين (Bose-Einstein Condensate)
أحد أبرز الظواهر التي لا يمكن ملاحظتها إلا في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق هو تكاثف بوز-آينشتاين. في هذا النوع من الحالة، تتصرف مجموعة من الذرات كما لو كانت جسيمًا واحدًا، وتبدأ في الاندماج في حالة كمومية مشتركة. هذه الظاهرة توفر نافذة لفهم طبيعة المادة والضوء في ظروف قصوى.
التطبيقات التكنولوجية
استخدام درجات الحرارة الفائقة البرودة له تطبيقات حيوية في:
-
تطوير أجهزة استشعار فائقة الدقة.
-
تحسين أداء الحواسيب الكمومية.
-
دراسة النقل الفائق للطاقة.
-
إنتاج الدوائر فائقة التوصيل.
عقبات نظرية وتقنية أمام بلوغ الصفر المطلق
رغم النجاحات الكبيرة التي حققتها الفيزياء الحديثة، يبقى الوصول إلى الصفر المطلق عقبة جوهرية من منظور نظري وعملي. السبب يعود إلى أن إزالة كل الطاقة الحركية من الذرات يتطلب وقتًا وطاقة لانهائيين، كما أن مبدأ الريبة يمنع وجود جسيمات في حالة سكون تام.
من الناحية التقنية، فإن أي محاولة للتبريد الشديد تواجه مشاكل مثل التداخلات المغناطيسية، والإشعاعات الحرارية الطفيفة، والقيود التي تفرضها المواد المستخدمة في تصميم الأجهزة التجريبية.
مقارنة بين البيئة الفضائية والمختبرات الأرضية
رغم أن الفضاء يبدو البيئة المثالية للبرودة الشديدة نظرًا لانخفاض كثافة المادة فيه، إلا أن التجارب المخبرية أثبتت قدرة الإنسان على تجاوز البيئة الفضائية في الوصول إلى درجات حرارة أقل. يعود ذلك إلى إمكانية التحكم الدقيق في الظروف داخل المختبر واستخدام تقنيات متقدمة كالتبريد بالليزر والفخاخ المغناطيسية.
استكشاف آفاق جديدة للبرودة
البحث عن درجات حرارة أدنى لا يزال في طليعة الأبحاث الفيزيائية المعاصرة. هناك آمال كبيرة في أن تُسهم هذه التجارب في:
-
تسريع الثورة الكمومية، من خلال تطوير تقنيات أكثر فعالية للحوسبة الكمية.
-
فهم طبيعة المادة المظلمة، التي يُعتقد أنها تشكل معظم كتلة الكون.
-
تحسين تقنيات التبريد الصناعي والطبي، خصوصًا في تخزين المواد الحيوية والنقل الدوائي.
الخلاصة
درجة الحرارة ليست مجرد مقياس للحرارة أو البرودة، بل هي أداة رئيسية لفهم الكون من حولنا. أقل درجة حرارة في الكون ليست مجرد رقم، بل تمثل حدود الإمكانيات البشرية والعلمية في سبر أعماق المادة والطاقة. من سديم بوميرانغ إلى المختبرات الأرضية والفضائية، تستمر رحلة الفيزيائيين إلى الحدود القصوى، حيث تصبح قوانين الفيزياء الكلاسيكية عاجزة، وتبدأ قوانين ميكانيكا الكم في إظهار أعاجيبها. إن الوصول إلى تلك الدرجات شبه المعدومة من الحرارة يفتح الباب أمام آفاق علمية جديدة قد تغيّر شكل العالم كما نعرفه.
المراجع:
-
National Aeronautics and Space Administration (NASA), Cold Atom Laboratory project
-
Carr, Lincoln D., and Castin, Yvan. “Bose–Einstein condens
