علماء يكتشفون وجود "حالة كمومية" جديدة للمادة
في ظروف خاصة جدًا، تحت درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، وفي بيئات مضبوطة بدقة بالغة، لاحظ العلماء سلوكًا غير مسبوق للجسيمات، يوحي بأننا أمام حالة جديدة من التنظيم الفيزيائي على المستوى دون الذري.
المادة، كما نعرفها، تتخذ أشكالًا مألوفة، صلبة، سائلة، غازية، ويضاف لها ما يعرف باسم الحالة الرابة للمادة وهي "البلازما" التي تنشأ في درجات حرارة مرتفعة.
لكن عندما ننتقل إلى عالم الجزيئات الدقيقة، حيث تتحكم قوانين ميكانيكا الكم، تبدأ القواعد المألوفة بالاختلال.
طرق غريبة
عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، أي سالب 273.15 سيليزية، تبدأ الجسيمات مثل الإلكترونات أو الذرات في التصرف بطرق غريبة، حيث يمكن أن تُظهر سمات التراكب (أي توجد في حالة من الاحتمالات المتعددة) أو تتشابك (أي أن ترتبط بعلاقة على الرغم من وجود مسافة بينها)، وتتفاعل كأنها وحدة واحدة لا يمكن فصلها، هذه الحالات تُعرف بـ"الحالات الكمومية".
أشهر هذه الحالات هي الموصلية الفائقة، حيث تسري الكهرباء دون مقاومة، وتكاثف بوز-آينشتاين، حيث تتصرف آلاف الذرات كما لو كانت "ذرة واحدة عملاقة"، والسوائل الفائقة، وهي مواد تنساب بلا احتكاك أو مقاومة. والآن، يضيف العلماء إلى هذه القائمة حالة جديدة تمامًا، بحسب الدراسة التي نشرها الباحثون في دورية "فيزيكال ريفيو ليترز".
اعتمد الباحثون على تجارب دقيقة باستخدام مواد تبريد فائقة وتطبيق مجال مغناطيسي قوي. في هذه الحالة المتطرفة، تبدأ الجسيمات في فقدان "هويتها الفردية"، وتتحول إلى ما يشبه السلوك الجماعي التام، وكأن كل الذرات كيان واحد.
الإكسيتونات
قال لويس جوريجي، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، إيرفين، في بيان صحفي رسمي من الجامعة: "إنها مرحلة جديدة من المادة، تُشبه وجود الماء في صورة سائلة أو جليدية أو بخارية"، وأضاف: "لم يُتوقع حدوثها إلا نظريًا، ولم يُقسها أحدٌ حتى الآن".
تشبه هذه المرحلة الجديدة سائلًا مُكوّنًا من الإلكترونات ونظائرها، المعروفة باسم "الفجوات"، والتي تتزاوج تلقائيًا وتُشكّل حالات غريبة تُعرف باسم "الإٍكسيتونات"، وعلى غير العادة، تدور الإلكترونات والفجوات معًا في نفس الاتجاه.
الإكسيتون هو جسيم زائف، يظهر داخل المواد الصلبة مثل أشباه الموصلات عندما يمتصّ إلكترون طاقة (مثل ضوء) فيقفز إلى مستوى طاقة أعلى، مخلفًا وراءه "ثغرة" تُعرف باسم الفجوة أو الثقب، هذه الفجوة في العالم الكمومي، ورغم أنها ليست جسيم حقيقي (ومن ثم جاء لقب "زائف")، تتصرف وكأنها جسيم، داخل شبكة الذرات التي تتصرف ككيان واحد.
يشكل الإلكترون والثقب الذي تركه ثنائيا مشحونا، يشبه "ذرة مؤقتة"، ترتبط فيه الجسيمتان بقوة كهربائية ساكنة، تمامًا مثل الإلكترون والبروتون في ذرة الهيدروجين.
وقال جوريجي: "إنها حالة جديدة في حد ذاتها. لو استطعنا حملها بأيدينا، لأصدرت ضوءًا ساطعًا عالي التردد".
ومع تطبيق الفريق للمجال المغناطيسي، تنخفض قدرة المادة على حمل الكهرباء فجأة، مما يُظهر أنها تحولت إلى هذه الحالة الغريبة.
هذا الاكتشاف مهم لأنه قد يسمح بنقل الإشارات بطريقة بديلة من الشحنة الكهربائية، مما يفتح آفاقا جديدة نحو تقنيات حاسوبية موفرة للطاقة في الأجهزة الكمومية.
وعلى عكس المواد التقليدية المستخدمة في الإلكترونيات، لا تتأثر هذه المادة الكمومية الجديدة بأي شكل من أشكال الإشعاع، مما يجعلها مرشحا مثاليا لبناء حواسيب تسافر في الفضاء ولا تتعطل بسبب الإشعاع، أثناء الرحلات الطويلة.
هاشتاغز
جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا
اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:
التعليقات
لا يوجد تعليقات بعد...
أخبار ذات صلة
الجزيرة
منذ 3 ساعات
- الجزيرة
فتح خزائن الدماغ.. هل يمكن قراءة الأفكار؟
حقق باحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا في الولايات المتحدة إنجازا هاما في فهم كيفية تشكيل الدماغ البشري للذكريات البصرية وتخزينها واستدعائها. واستخدم الباحثون في دراستهم الجديدة، التي نشرت في 8 يوليو/ تموز الجاري في مجلة أدفانسد ساينس، تسجيلات دماغية لمرضى ونموذجا للتعلم الآلي لإلقاء ضوء جديد على الشفرة الداخلية للدماغ التي تصنّف ذكريات الأشياء إلى فئات، فتكون كخزانة ملفات للصور في الدماغ. وأظهرت النتائج أن فريق البحث استطاع قراءة أفكار المشاركين من خلال تحديد فئة الصورة البصرية التي يجري تذكرها، وذلك عبر التوقيت الدقيق للنشاط العصبي للمشارك. ويحلّ هذا العمل جدلا أساسيا في علم الأعصاب، ويتيح إمكانات واعدة لواجهات الدماغ والحاسوب المستقبلية، بما في ذلك أجهزة مساعدة لاستعادة الذاكرة المفقودة لدى المرضى الذين يعانون من اضطرابات عصبية مثل الخرف. ويعد الحصين منطقة دماغية حيوية ومعروفة بدورها في تكوين ذكريات عرضية جديدة من قبيل ماذا وأين ومتى وقعت أحداث الماضي. وبينما يمكن فهم وظيفته في تشفير المعلومات المكانية (أين) والزمانية (متى)، فإن كيفية تمكنه من تشفير عالم الأشياء الواسع وعالي الأبعاد (ماذا) لا تزال لغزا. وحيث إنه لا يمكن للحصين تخزين كل شيء على حدة، افترض العلماء أن الدماغ قد يبسط هذا التعقيد من خلال ترميز الأشياء في فئات. ووظّف البحث تسجيلات أدمغة 24 مريضا بالصرع ، حيث زEرعت أقطاب كهربائية عميقة داخل الجمجمة في أدمغتهم لتحديد موقع نوبات الصرع. وأتاحت تسجيلات هؤلاء المرضى للفريق تحديد كيفية تشفير الخلايا العصبية الحصينية للمعلومات البصرية المعقدة، ليس من خلال معدل إطلاق الإشارات فحسب، بل من خلال التوقيت الدقيق لنشاطها. يقول مدير مركز ترميم الأعصاب في جامعة جنوب كاليفورنيا بكلية كيك للطب وأستاذ الهندسة الطبية الحيوية بكلية فيتربي للهندسة والباحث المشارك في الدراسة تشارلز ليو: "من خلال العمل مع مرضى يعانون من خلل في الذاكرة، كان من المثير للاهتمام للغاية رؤية الدراسات الحالية تكشف عن نموذج للأساس العصبي لتكوين الذاكرة". كيف يخزن الدماغ المعلومات البصرية؟ طوّر فريق البحث نهجا مبتكرا للنمذجة التجريبية لكشف هذه العملية المعقدة، وسجّل الفريق النشاط الكهربائي -وتحديدا النبضات- من الخلايا العصبية في الحصين لدى مرضى الصرع، وجُمعت التسجيلات أثناء قيام المرضى بمهمة "المطابقة المتأخرة للعينة"، وهي تقنية شائعة في علم الأعصاب لاختبار الذاكرة البصرية قصيرة المدى. يقول الأستاذ المشارك في قسم جراحة الأعصاب وقسم ألفريد إي. مان للهندسة الطبية الحيوية الباحث المشارك في الدراسة دونغ سونغ: "سمحنا للمرضى برؤية خمس فئات من الصور: حيوان، نبات، مبنى، مركبة، وأدوات صغيرة، ثم سجلنا إشارة الحصين. وبناء على الإشارة سألنا أنفسنا سؤالا باستخدام تقنية التعلم الآلي الخاصة بنا: هل يمكننا فك تشفير فئة الصورة التي يتذكرونها بناء على إشارة أدمغتهم فقط؟". أكدت النتائج فرضية أن الدماغ البشري يتذكر بالفعل الأشياء المرئية بتصنيفها إلى فئات، وأن فئات الذاكرة البصرية التي كان المرضى يفكرون فيها قابلة للفك بناء على إشارات أدمغتهم. ويرى سونغ أن "الأمر يشبه قراءة حصينك لمعرفة نوع الذاكرة التي تحاول تكوينها، ووجدنا أنه يمكننا فعل ذلك بالفعل، ويمكننا فك تشفير نوع فئة الصورة التي كان المريض يحاول تذكرها بدقة عالية". ويكمن جوهر الاكتشاف في نموذج فك تشفير الذاكرة القابل للتفسير الذي ابتكره فريق البحث، فعلى عكس الطرق السابقة التي غالبا ما تعتمد على حساب متوسط النشاط العصبي على مدار العديد من التجارب أو استخدام دقة زمنية محددة مسبقا، يحلل هذا النموذج المتقدم "الأنماط المكانية والزمانية" للنبضات العصبية من مجموعة كاملة من الخلايا العصبية، كما تقدم الدراسة دليلا على أن الحصين يستخدم رمزا زمنيا لتمثيل فئات الذاكرة البصرية، وهذا يعني أن التوقيت الدقيق لنبضات الخلايا العصبية الفردية، غالبا على نطاق الملِّي ثانية، يحمل معلومات ذات معنى. وركزت الدراسات السابقة غالبا على الخلايا العصبية الفردية، أما هذا البحث فكشف أن مجموعات الخلايا العصبية الحصينية تشفّر فئات الذاكرة بطريقة موزعة، حيث إنه وبينما شاركت نسبة كبيرة من الخلايا العصبية (70-80%) في تحديد ذاكرة بصرية لفئة معينة، فإن لحظات قصيرة ومحددة فقط داخل كل خلية عصبية ساهمت في هذا التشفير، وتسمح هذه الإستراتيجية الفعّالة للدماغ بتخزين ذكريات متنوعة مع تقليل استهلاك الطاقة. يقول ليو: "يمكننا البدء بتطوير أدوات سريرية لاستعادة فقدان الذاكرة وتحسين الحياة بهذه المعرفة، بما في ذلك أجهزة مساعدة للذاكرة وإستراتيجيات أخرى لاستعادة الأعصاب، في حين أن هذه النتيجة قد تكون مهمة لجميع المرضى الذين يعانون من اضطرابات الذاكرة، إلا أنها ذات صلة عميقة بشكل خاص بمرضى الصرع الذين شاركوا في الدراسات، والذين يعاني الكثير منهم من خلل وظيفي في الحصين يتجلى في كل من نوبات صرع وكذلك الاضطرابات المعرفية/الذاكرة".
الجزيرة
منذ 5 ساعات
- الجزيرة
دراسة: البشر يستنزفون موارد الأرض بأسرع ما يمكن استعادته
صادف يوم تجاوز موارد الأرض لعام 2025 يوم 24 يوليو/تموز، وهو التاريخ الذي استنفدت فيه البشرية كامل الميزانية السنوية للطبيعة من الموارد والخدمات البيئية، وفقا ل دراسة تحليلية لشبكة البصمة العالمية. وذكرت الدراسة أن سكان الكوكب يفرطون في الاستهلاك باستنزاف موارد الطبيعة بوتيرة أسرع مما تستطيع تجديده، وهو ما يتجلى في إزالة الغابات، وفقدان التنوع البيولوجي، وتراكم انبعاثات الكربون في الغلاف الجوي. وهذا جزء من سياق بدأ في أوائل سبعينيات القرن الماضي. ويأتي هذا اليوم، الذي يتم الاحتفال به سنويا، قبل أسبوع واحد فقط من تاريخ العام الماضي 2024، ويرجع ذلك أساسا إلى حقيقة أن المحيطات يمكن أن تمتص كميات أقل من ثاني أكسيد الكربون مما تم الإبلاغ عنه سابقا. وتشير الدراسة إلى أنه لو استهلك كل سكان الكوكب مثل سكان الولايات المتحدة، لكانت الموارد قد استنفدت بحلول 13 مارس/آذار. أما ألمانيا وبولندا، فاستنفدتا مواردهما في الثالث من مايو/أيار والصين وإسبانيا في 23 مايو/أيار، وجنوب أفريقيا في الثاني من يوليو/تموز. وتستهلك البشرية حاليا، موارد الطبيعة أسرع بنسبة 80% من قدرة النظم البيئية على الأرض على التجدد، ويحدث هذا الإفراط في الاستخدام نتيجةً لاستنزاف رأس المال الطبيعي، وهذا يُعرّض أمن الموارد على المدى الطويل للخطر. وتتجلى عواقب ذلك في إزالة الغابات، وتآكل التربة، وفقدان التنوع البيولوجي، وتراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وهذا يُسهم في ازدياد وتيرة الظواهر الجوية المتطرفة وانخفاض إنتاج الغذاء. ويُحدَّد يوم تجاوز موارد الأرض باستخدام أحدث إصدار من حسابات البصمة البيئية والقدرة البيولوجية الوطنية. وتُوفر وكالات الأمم المتحدة والهيئات التابعة لها، جميع بيانات المدخلات لحسابات شبكة البصمة العالمية، بعد مراجعة دورية لمجموعات بياناتها، وقد يُؤدي هذا إلى تحديثات في حسابات البصمة البيئية والقدرة البيولوجية التاريخية. ومن المراجعات الرئيسية هذا العام تعديل تنازلي لقدرة المحيطات على امتصاص الكربون، إلى جانب ارتفاع طفيف في بصمة الفرد وانخفاض طفيف في القدرة البيولوجية، أدى إلى تقديم يوم تجاوز موارد الأرض 8 أيام عن موعده عام 2024، وكانت 7 من هذه الأيام ناتجة عن مراجعات البيانات. تجاوز الحدود البيئية وظل يوم تجاوز موارد الأرض ثابتا نسبيا خلال العقد الماضي، ولكنه لا يزال يقع في بداية العام، أي بعد أقل من 7 أشهر. أما بقية العام، فتعيش البشرية على استنزاف رأس المال الطبيعي، وهذا يزيد من تآكل المحيط الحيوي. وحتى لو بقي التاريخ ثابتا، فإن الضغط على الكوكب يتزايد، مع تراكم الضرر الناجم عن تجاوز الموارد بمرور الوقت. فمنذ أن بدأ ما يعرف بالتجاوز البيئي العالمي في أوائل سبعينيات القرن الماضي، تراكم العجز السنوي ليُشكل دينا بيئيا متزايدا. ويُعادل هذا الدين حاليا 22 عاما من الإنتاجية البيولوجية الكاملة للأرض. وبعبارة أخرى، إذا كان التجاوز البيئي قابلا للعكس تماما، فسيستغرق الأمر 22 عاما من القدرة التجديدية الكاملة للكوكب لاستعادة التوازن المفقود. ومع ذلك، من غير المرجح أن يكون التجاوز البيئي بأكمله قابلا للعكس. وإذا استمر تجاوز الحد الأقصى للانبعاثات عند مستواه الحالي، فسينمو هذا الدين بنحو 0.8 سنويا. ومن العواقب الملموسة لهذا التجاوز التراكمي ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي: فمنذ بدء تجاوز الحد الأقصى العالمي، زادت التركيزات بمقدار 100 جزء في المليون. ففي عام 1970، بلغت مستويات ثاني أكسيد الكربون 47 جزءا في المليون فوق مستويات ما قبل الصناعة، أما اليوم فهي أعلى بمقدار 147 جزءا في المليون. ويقول الدكتور لويس أكينجي، عضو مجلس إدارة شبكة البصمة العالمية "إننا نتجاوز حدود الضرر البيئي الذي يمكننا التغاضي عنه، فقد دخلنا الآن ربع القرن الـ21، ونحن مدينون لكوكبنا بما لا يقل عن 22 عاما من التجديد البيئي". ويضيف أكنجي أنه حتى "لو أُوقف أي ضرر إضافي الآن. إذا كانت البشرية لا تزال ترغب في اعتبار هذا الكوكب موطنا لها، فإن هذا المستوى من التجاوز يستدعي طموحا في التكيف والتخفيف من آثاره، من شأنه أن يُقزّم أي استثمارات تاريخية سابقة قمنا بها من أجل مستقبلنا المشترك"، من جهته، يقول الدكتور ماتيس واكرناجل، عضو مجلس إدارة شبكة البصمة العالمية: " نظرا لطبيعة الفيزياء، لا يمكن أن يدوم التجاوز. سينتهي إما بتصميم متعمد أو بكارثة مُلقاة على عاتقنا. لا ينبغي أن يكون اختيار الخيار الأفضل صعبا، لا سيما في ظل كثرة الخيارات المتاحة". وتشير الدراسة إلى أن الحلول والفرص التي يمكنها تأجيل يوم تجاوز طاقة الأرض في الاتجاه الصحيح تتوفر في 5 مجالات رئيسية، وهي المدن، والطاقة، والغذاء، والسكان، والكوكب، إذ سيؤدي خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الوقود الأحفوري بنسبة 50% على سبيل المثال إلى تأجيل يوم تجاوز طاقة الأرض لمدة 3 أشهر فقط.
الجزيرة
منذ 16 ساعات
- الجزيرة
علماء يكتشفون وجود "حالة كمومية" جديدة للمادة
أعلن فريق من علماء الفيزياء بقيادة باحثين من جامعة كاليفورنيا، إيرفين، الأميركية، عن اكتشاف حالة جديدة من حالات المادة الكمومية، ليست مادة صلبة ولا سائلة ولا غازية، بل شيء أغرب، يتصرف بقواعد لا تخضع للمنطق المعتاد. في ظروف خاصة جدًا، تحت درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، وفي بيئات مضبوطة بدقة بالغة، لاحظ العلماء سلوكًا غير مسبوق للجسيمات، يوحي بأننا أمام حالة جديدة من التنظيم الفيزيائي على المستوى دون الذري. المادة، كما نعرفها، تتخذ أشكالًا مألوفة، صلبة، سائلة، غازية، ويضاف لها ما يعرف باسم الحالة الرابة للمادة وهي "البلازما" التي تنشأ في درجات حرارة مرتفعة. لكن عندما ننتقل إلى عالم الجزيئات الدقيقة، حيث تتحكم قوانين ميكانيكا الكم، تبدأ القواعد المألوفة بالاختلال. طرق غريبة عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، أي سالب 273.15 سيليزية، تبدأ الجسيمات مثل الإلكترونات أو الذرات في التصرف بطرق غريبة، حيث يمكن أن تُظهر سمات التراكب (أي توجد في حالة من الاحتمالات المتعددة) أو تتشابك (أي أن ترتبط بعلاقة على الرغم من وجود مسافة بينها)، وتتفاعل كأنها وحدة واحدة لا يمكن فصلها، هذه الحالات تُعرف بـ"الحالات الكمومية". أشهر هذه الحالات هي الموصلية الفائقة، حيث تسري الكهرباء دون مقاومة، وتكاثف بوز-آينشتاين، حيث تتصرف آلاف الذرات كما لو كانت "ذرة واحدة عملاقة"، والسوائل الفائقة، وهي مواد تنساب بلا احتكاك أو مقاومة. والآن، يضيف العلماء إلى هذه القائمة حالة جديدة تمامًا، بحسب الدراسة التي نشرها الباحثون في دورية "فيزيكال ريفيو ليترز". اعتمد الباحثون على تجارب دقيقة باستخدام مواد تبريد فائقة وتطبيق مجال مغناطيسي قوي. في هذه الحالة المتطرفة، تبدأ الجسيمات في فقدان "هويتها الفردية"، وتتحول إلى ما يشبه السلوك الجماعي التام، وكأن كل الذرات كيان واحد. الإكسيتونات قال لويس جوريجي، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، إيرفين، في بيان صحفي رسمي من الجامعة: "إنها مرحلة جديدة من المادة، تُشبه وجود الماء في صورة سائلة أو جليدية أو بخارية"، وأضاف: "لم يُتوقع حدوثها إلا نظريًا، ولم يُقسها أحدٌ حتى الآن". تشبه هذه المرحلة الجديدة سائلًا مُكوّنًا من الإلكترونات ونظائرها، المعروفة باسم "الفجوات"، والتي تتزاوج تلقائيًا وتُشكّل حالات غريبة تُعرف باسم "الإٍكسيتونات"، وعلى غير العادة، تدور الإلكترونات والفجوات معًا في نفس الاتجاه. الإكسيتون هو جسيم زائف، يظهر داخل المواد الصلبة مثل أشباه الموصلات عندما يمتصّ إلكترون طاقة (مثل ضوء) فيقفز إلى مستوى طاقة أعلى، مخلفًا وراءه "ثغرة" تُعرف باسم الفجوة أو الثقب، هذه الفجوة في العالم الكمومي، ورغم أنها ليست جسيم حقيقي (ومن ثم جاء لقب "زائف")، تتصرف وكأنها جسيم، داخل شبكة الذرات التي تتصرف ككيان واحد. يشكل الإلكترون والثقب الذي تركه ثنائيا مشحونا، يشبه "ذرة مؤقتة"، ترتبط فيه الجسيمتان بقوة كهربائية ساكنة، تمامًا مثل الإلكترون والبروتون في ذرة الهيدروجين. وقال جوريجي: "إنها حالة جديدة في حد ذاتها. لو استطعنا حملها بأيدينا، لأصدرت ضوءًا ساطعًا عالي التردد". ومع تطبيق الفريق للمجال المغناطيسي، تنخفض قدرة المادة على حمل الكهرباء فجأة، مما يُظهر أنها تحولت إلى هذه الحالة الغريبة. هذا الاكتشاف مهم لأنه قد يسمح بنقل الإشارات بطريقة بديلة من الشحنة الكهربائية، مما يفتح آفاقا جديدة نحو تقنيات حاسوبية موفرة للطاقة في الأجهزة الكمومية. وعلى عكس المواد التقليدية المستخدمة في الإلكترونيات، لا تتأثر هذه المادة الكمومية الجديدة بأي شكل من أشكال الإشعاع، مما يجعلها مرشحا مثاليا لبناء حواسيب تسافر في الفضاء ولا تتعطل بسبب الإشعاع، أثناء الرحلات الطويلة.
