إذا كنت تملك خزانا من مادة تعرف باسم “السائل الفائق”، وقمت بتسخين أحد طرفيه ليقترب من الغليان، فقد تلاحظ أمرا غريبا، إذ يبدأ الطرف الآخر في السخونة، رغم أن السائل يبدو ساكنا تماما، ثم تعود الحرارة إلى الطرف الأول في حركة متبادلة، وكأن الحرارة ترتد ذهابا وإيابا، بينما السائل لا يتحرك على الإطلاق.
هذا النوع غير المعتاد من انتقال الحرارة، الذي حير العلماء لعقود منذ أن تنبأ به الفيزيائي لازلو تيزا عام 1938، لا يحدث في السوائل العادية، بل في حالات فيزيائية نادرة جدا، تعرف باسم “السوائل الفائقة”، حيث تتزاوج الذرات وتتحرك دون احتكاك تقريبا، مما يغير تماما الطريقة التي تنتقل بها الحرارة.
من أمثلة هذه المواد، الهليوم-4 السائل، الذي يتحول إلى سائل فائق عند تبريده إلى أقل من 2.17 كلفن، والليثيوم-6 والصوديوم، وهي غازات ذرية يمكن تحويلها إلى الحالة الفائقة باستخدام تقنيات تبريد فائقة الدقة تعتمد على الليزر، وتجرى عادة في المختبرات المتخصصة.
عندما تُبرد هذه المواد إلى درجات حرارة قريبة للغاية من الصفر المطلق (نحو سالب 273.15 درجة مئوية)، فإن سلوكها يتغير كليا، فالسائل الفائق يمكنه أن يتدفق دون أي مقاومة أو احتكاك، وإذا وضعته في أنبوب دائري، فسيظل يدور فيه إلى الأبد دون أن يتوقف، كما يمكنه تسلق جدران الحاوية والخروج منها دون أي قوة خارجية، وهو أمر مستحيل في السوائل العادية.
أما الخاصية الأبرز، فهي أن الحرارة في هذه الحالة لا تنتقل عشوائيا، بل تسير على هيئة موجة، مثل الصوت تماما، وهذا ما يُعرف علميا باسم “الصوت الثاني” ، وهي ظاهرة لطالما حاول العلماء رصدها بصريا، لكن دون نجاح يذكر.
ماذا فعل الباحثون؟
والمشكلة التي حالت دون ذلك تتمثل في أن الغازات فائقة البرودة لا تُصدر إشعاعا حراريا يمكن تتبعه بالأشعة تحت الحمراء، كما تفعل المواد العادية، ولهذا، طور باحثون من “معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا” طريقة جديدة تم الإعلان عنها في دورية “ساينس”، تعتمد على مراقبة ذبذبات الذرات، بدلا من حرارة الأشعة تحت الحمراء.
وفي قلب مختبر بالغ البرودة، استخدم الفريق ذرات الليثيوم-6، ووجدوا أنه عندما تسخن هذه الذرات قليلا، تبدأ بالاهتزاز بترددات أعلى، وباستخدام موجات راديوية دقيقة، تمكن العلماء من “جعل الذرات تهتز” بطريقة واضحة يمكن تتبعها، وكأنها تومض تحت المجهر، كاشفة عن رحلتها الحرارية الفريدة.
ولتقريب الصورة، يمكن تخيل أن كل ذرة تشبه وترا صغيرا في آلة موسيقية، وعندما تكون باردة، تهتز ببطء، وعندما تسخن، تهتز بسرعة، ومن خلال ضبط الموجات الراديوية على ترددات هذه الاهتزازات ذاتها، تمكن الباحثون من جعل الذرات “تعزف” بحرارة، مظهرة حركة الحرارة بشكل مرئي.
وهذا الرنين مكن العلماء من تصوير حركة الحرارة داخل السائل الفائق إطارا تلو الآخر، كما لو كانوا يصورون فيلما بطيئا، لكنهم لم يروا الحرارة تتحرك بالطريقة التقليدية، بل على هيئة موجة صوتية ترتد بين الجدران، كما لو كانت الحرارة نفسها “تتحدث”.
تطبيقات عملية للاكتشاف
ويقول البروفيسور مارتن زويرلاين، المشرف على الدراسة، في بيان أصدره معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لأول مرة، يمكننا رؤية هذا الانتقال الحراري الغريب وتوثيقه صورة بصورة، فقد رأينا كيف تتحول المادة من سائل عادي إلى سائل فائق تُعامل فيه الحرارة كما لو كانت صوتا يرتد بين الجدران”.
ويضيف أن أهمية هذا الاكتشاف لا تقتصر على الجانب النظري، بل قد تفتح آفاقا جديدة لفهم سلوك أكثر الكيانات غرابة في الكون، مثل النجوم النيوترونية فائقة الكثافة، أو المواد الخارقة التي تنقل الكهرباء دون فقدان للطاقة، وهو الحلم الذي يسعى العلماء لتحقيقه منذ عقود من أجل ثورة في عالم الطاقة النظيفة”.
ويختم بالقول: “ما نرصده هنا في ذرات أخف من الهواء بمليون مرة، يشبه إلى حد كبير سلوك الإلكترونات في الموصلات فائقة التوصيل، أو حتى النيوترونات في قلب نجم نيوتروني، فلدينا الآن نافذة نادرة تسمح لنا بقياس سلوك الحرارة بدقة لم تكن ممكنة من قبل”.
وهكذا، فإن ما أنجزه هؤلاء الباحثون لا يعيد تعريف انتقال الحرارة فحسب، بل يفتح الباب لفهمها كظاهرة ديناميكية، نابضة، وربما كما يقول البعض، كـ”لغة خفية” تتردد داخل أعماق المادة.