الحالة الخامسة للمادة

مُنذ طفولتنا ونحن ندرس أن للمادة ثلاثة حالات رئيسة صلب وسائل وغاز، ولكن في الحقيقة يوجد حالات أخرى لا نعرفها!

74- الحالة الخامسة للمادة: تكاثف بوز- آينشتاين
--------
هل صَدَف أن سألك طفلك قبلًا عن الفرق بين الماء والثلج؟
أو كيف يَتَحَوَّل أحدهما للآخر؟
هل للسحر علاقة بهذا الأمر؟

وأنت بالطبع وبثقة تامة تُجيبه بأن حالات المادة ثلاث، وتتحول من شكل لآخر؟

حسنًا، لا أنصحك أن تثق بهذه الإجابة كثيرًا، فهي خاطئة للأسف.

ولكن من الجيد معرفة أن الفيزياء تجيب، إذا أردت أن تعرف أكثر، فهذا مكانك المثاليّ 😊

مُنذ طفولتنا ونحن ندرس أن للمادة ثلاثة حالات رئيسة (صلب وسائل وغاز)، ولكن يؤسفني إخبارك أن الحقيقة ليست كذلك.
فبالإضافة إلى الأشكال التي نألفها، هناك أيضاً البلازما، وتكاثُف ”بوز-آينشتاين“، وبهذا يصبح للمادة خمس حالات معروفة عوضاً عن ثلاث فقط.
أما البلازما فهي شكلٌ نادرٌ جداً على الأرض، ولكنها قد تكون الأكثر شيوعًا في الفضاء، وجزيئاتها مشحونة بشحنة عالية جدًا، وبالتالي فإن لها طاقة حركية هائلة.
كما يمكننا استخدام الكهرباء لتأيين الغازات النبيلة (helium, neon, argon, krypton, xenon and radon) لنُنتِج البلازما، علمًا بأن النجوم هي في الأساس كرات كبيرة وساخنة جدًا من البلازما.
وكنا قد تحدثنا عن هذا الشكل من المادة في مقال سابق يمكنك مراجعته من هنا: https://goo.gl/cpYezJ

أما الشكل الأخير للمادة فهو تكاثف بوز-آينشتاين، ولكن -مجددًا- لِكَون الفيزياء عِلما متصلا، فعلينا معرفة بعض المفاهيم الضرورية لنصل لفهمٍ كامل وصحيح لهذه الحالة.

في فيزياء الكم، يمكن تصنيف الجزيئات بناءً على ما يُعرَف بدورانها المِغْزَليّ ”spin“ إلى بوزونات وفيرميونات، ويُمكننا تشبيه الدوران المغزلي للجزيئات بدوران الأرض حول محورها، مع أنه ليس كذلك، ولكنه مثالٌ لتقريب الصورة ليس إلّا، وبناءً على أن كلّ الجزيئات لها دوران مغزلي خاص بها، فإن الاختلاف بين الفيرميونات والبوزونات هو أن للفيرميونات دورانًا مغزليًا مساويًا لنصف العدد الصحيح (1/2 ، 3/2 ، 5/2) وهكذا.. أما البوزونات فيكون دورانها المغزلي مساويًا للعدد الصحيح (1، 2 ، 3 ، 4) وهكذا..
كما أن الفيرميونات تَخضع لِمَبدأ "استبعاد باولي" والذي يفترض أنه لا يمكن لأي فيرميونين متطابقين أن يتماثلا في الحالة الكمومية نفسها في أي زمان محدد، ويَنطبق هذا على الإلكترونات لكونها تُعَدُّ المثال الأكثر شيوعًا على الفيرميونات، كما يُمكننا إعادة صياغة هذا المبدأ لينص على أنه لا يُمكن لأي فيرميونين في نظام كمي أن يَمتَلِكا قِيَمًا متطابقة لكل الأرقام الكمية الأربع، بمعنى أنه لو تطابقت القيم الكمية n ، و ℓ ، و mℓ لإلكترونين، فإنَّ دورانهما المغزلي ms سوف يختلف، وهذا يعني أنهما سوف يدوران في اتجاهين متعاكسين، ولنصل إلى نهاية مُنصِفة في حديثنا عن الفيرميونات يَجدُر القول أنها تخضع أيضًا لإحصاء "فيرمي-ديراك".

ولكن تَمهَّل.. فالمعلومات لم تنته هنا، فلا زِلنا لم نتحدَّث عن البوزونات، وهي التي ستقودنا بدورها إلى الحالة الخامسة للمادة ”تكاثف بوز-آينشتاين“.
تختلف البوزونات عن الفيرميونات بأن لها دَوَرانًا مِغزَليًّا صحيحًا (1 ، 2 ، 3) وهكذا… كما أنها تخضع لإحصاء "بوز-آينشتاين" عِوَضًا عن مبدأ "استبعاد باولي"، ما يعني أن البوزونات يُمكن أن تمتلك الدالة الموجية أو الحالة الكمية نفسها في الوقت نفسه، و لَعَلِّي أجعل الصورة أكثر قرباً بالنسبة لك عندما أُخبرك أن الفوتونات هي بوزونات في حقيقة الأمر.
ولكن ما علاقة الأمر بحالات المادة؟

من المعروف أنه عند تبريد مادة معينة فإنها تَبدأ بفقدان طاقتها الحركية، وتبدأ بالحركة بشكل بطيء جدًّا، ولكن ماذا لو قُمنا بتبريدها إلى درجات حرارة تقارب الصفر المطلق؟ (-273°) حسناً، هذا ما تم فعله تقريبًا، ولكن مع البوزونات، إذ تم استخدام الليزر لتبريد بوزونات من غار الروبيديوم إلى درجات حرارة تُقارِب الصفر المطلق ”تزيد بمقادير نانوكيلفِنية عن الصفر المطلق فقط“ وعندها بدأت هذه البوزونات تَتَجمَّع مع بعضها، ولِكَونِها لا تخضع لمبدأ استبعاد باولي (بعكس الفيرميونات)، فإنَّ جميعها أصبحت متطابقة الحالة الكمومية، وأصبحت تتصرف كوحدة واحدة بِحيث لا يُمكِن تَمييزها عن بعضها البعض أبدًا.
وهذه هي الحالة الأخيرة للمادة، والتي سَبَق أن ذَكَرنا أنها تُسمَّى بـ "تكاثف بوز-آينشتاين" ومع أنه تم التَّنبُّؤ بوجود هذه الحالة من قِبَل العالم ساتيندرا ناث بوز (Satyendra Nath Bose) مكتشف البوزون، ولكِن لم يتم تأكيد وجودها من خلال تجربة عملية حتى عام 1995 من قِبَل كل من العلماء إيريك ألين كورنيل (Eric Allin Cornell) وكارل إدوين ويمان (Carl Edwin Wieman) وفولفجانج كيترلي (Wolfgang Ketterle) والتي حصلوا بموجبها على جائزة نوبل عام 2001.

الآن يُمكنك أن تجيب ابنك إجابةً علميةً وكلُّك ثقة عندما يسألك عن حالات المادة، كما يُمكنك تعليمه أكثر مما تفعله حصة العلوم!

نعم، نسيت أن أهنئك، لديك طفل ذكي 😊
علِّمه ألّا يتوقف عن طرح الأسئلة.

المصادر:
https://goo.gl/OCq0qb
https://goo.gl/tNPK0g

إعداد: أ. أسماء الدويري
تدقيق: Gheyath Selahdar
#فيزيائي