العلماء يعيدون إنشاء لغز كمي في خزان مياه – ويكتشفون شيئًا جديدًا تمامًا

استخدم العلماء موجات الماء الدوامية لمحاكاة التأثير الكمي، وكشفوا عن أنماط عقدية دوارة يمكن أن تعمق فهم الظواهر الكمومية الخفية.

في عالم فيزياء الكم الغريب، يمكن أن تتأثر الجسيمات بقوى لا تمر عبرها بشكل مباشر أبدًا. أحد الأمثلة الشهيرة هو تأثير أهارونوف-بوم (AB)، حيث تتغير الإلكترونات بواسطة المجال المغناطيسي حتى عندما تتجنب المجال نفسه. وعلى الرغم من أن العلماء توقعوا هذا التأثير في عام 1959، إلا أن إثباته تجريبيًا استغرق أكثر من 20 عامًا لأن التغيرات في سلوك موجة الإلكترونات كان من الصعب للغاية قياسها بشكل مباشر.

الآن، باحثون من معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST)، العمل مع جامعة أوسلو وجامعة أدولفو إيبانيز، بإعادة إنشاء وتوسيع تأثير AB باستخدام إعداد بسيط غير متوقع: خزان مياه.

النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في فيزياء الاتصالاتأظهر أن موجات الماء التي تنتقل نحو دوامة من اتجاهين متعاكسين تخلق أنماطًا دوارة مثيرة. وتشمل هذه خطًا أو أكثر من المياه الراكدة مؤقتًا والتي تنتشر للخارج أثناء الدوران ببطء.

يقول أديتيا سينغ، طالب الدكتوراه في وحدة الفيزياء اللاخطية وغير المتوازنة والمؤلف الأول المشارك للدراسة: “كان هذا شيئًا جديدًا وغير متوقع”. “وهذا ما يجعل هذا النظام التناظري السائل ذا قيمة كبيرة. فهو يكشف عن تأثيرات طوبولوجية – سلوكيات موجية تحدث عبر النظام بأكمله – والتي لا يمكن رؤيتها في التجارب الكمومية.”

من نظرية الكم إلى تجارب خزان المياه

كان البحث مستوحى من دراسة أجراها عالم الفيزياء النظرية مايكل بيري عام 1980، والذي أثبت أنه يمكن إعادة إنشاء تأثير AB في نظام السوائل الكلاسيكي. في النسخة الكمومية من التأثير، تتحرك الإلكترونات حول سلك ملفوف بإحكام يسمى الملف اللولبي.

عندما تنتقل الموجات عبر الدوامة، فإنها تشوه وتشكل أنماطًا تشبه المذراة، والتي تتمركز حول الدوامة المركزية. عندما يتغير اتجاه الموجات (اتجاه السهم)، ينعكس نمط التشويه. يُظهر القسمان العلويان الأنماط المحاكاة بينما يُظهر القسمان السفليان الأنماط التي تمت مشاهدتها في التجارب. الائتمان: سينغ وآخرون. آل، (2026) كومون. فيز.

عندما يمر تيار كهربائي عبر الملف اللولبي، فإنه يخلق مجالًا مغناطيسيًا موجودًا بالكامل داخل الملف. على الرغم من أن الإلكترونات تنتقل خارج المجال المغناطيسي، إلا أن خصائصها الموجية تظل تتغير في الطور.

استبدل بيري الملف اللولبي بدوامة تتشكل عند تصريف خزان المياه. وبدلاً من الإلكترونات، أرسل موجات ماء عبر الخزان بحيث تحركت حول الدوامة وليس عبرها. طورت الموجات نمطًا مشوهًا يشبه المذراة حول الدوامة، مما يكشف عن تغير في الطور.

يضيف جوناس رونينغ، المؤلف الأول المشارك وباحث ما بعد الدكتوراه السابق في وحدة OIST: “مع انتقال الموجات في الاتجاه المعاكس، ترى نمط صورة معكوسة”. “كان السؤال المطروح علينا هو: ماذا يحدث إذا أرسلت موجات من كلا الاتجاهين في نفس الوقت؟ لقد اعتقدنا أن الأنماط قد تلغي بعضها البعض، أو أن كلا النموذجين الشبيهين بالمذراة سيكونان مرئيين، لكن حدسنا كان خاطئًا تمامًا”.

تمتد خطوط المياه المسطحة مؤقتًا إلى الخارج وتدور في الاتجاه المعاكس لتدفق الدوامة. يُظهر الفيديو الأيسر النمط من التجربة، بينما يُظهر الفيديو الأيمن نفس التأثير في نموذج المحاكاة. الائتمان: سينغ وآخرون. آل، (2026) فيزياء المجتمع.

موجات الماء المتعارضة تخلق أنماطًا دوارة

وللتحقق من ذلك، قام الفريق بتوليد دوامة في وسط خزان مياه كبير مصمم خصيصًا وأرسل موجات من جوانب متقابلة حتى اصطدمت وتداخلت مع بعضها البعض. وباستخدام الضوء الموجود أسفل الخزان وكاميرا عالية السرعة، تتبع الباحثون كيفية تطور أنماط الموجات عبر السطح مع مرور الوقت.

بدون دوامة، تشكل الموجات المتعارضة عادة نمط موجة دائمة تظهر فيه الموجات ثابتة في مكانها. تحتوي هذه الأنماط على واجهات موجية ثابتة حيث تشترك الموجات في نفس المرحلة.

أدى إدخال الدوامة إلى تغيير السلوك تمامًا. لقد غيرت الدوامة طور الموجات، مما أدى إلى تغيير كيفية تداخل الموجات المستقرة. أنتج هذا خطوطًا عقدية دوارة، وهي المناطق التي ينخفض ​​فيها ارتفاع الموجة إلى الصفر.

يقول سينغ: “عندما رأينا هذه السطور لأول مرة، اعتقدنا أنها قطعة أثرية تجريبية”. “ولكن عندما رأيناها أيضًا في عمليات المحاكاة لدينا، أسقطنا كل شيء وسرعان ما توصلنا إلى الرياضيات التي تحدد كيفية ظهورها”.

تكشف الخطوط العقدية الدوارة عن الفيزياء الخفية

عرضت الخطوط العقدية سلوكًا غير عادي. لقد كانت تدور دائمًا في الاتجاه المعاكس للدوامة، وظهر المزيد من الخطوط العقدية عندما أصبح تدفق الدوامة أقوى.

ولأن الاكتشاف لا يزال في مراحله الأولى، فإن الباحثين لا يعرفون بعد ما إذا كانت الخطوط العقدية يمكن أن يكون لها تطبيقات عملية. ومع ذلك، يقول المؤلف الرئيسي البروفيسور ماهيش باندي إن النظام يفتح العديد من الاحتمالات للدراسة المستقبلية.

في كل من عمليات المحاكاة (أعلاه) والتجارب (أدناه)، يزداد عدد الخطوط العقدية الدوارة مع تدفق دوامة أسرع. عند التدفق السفلي (يسار)، يظهر خط عقدي واحد فقط، بينما عند التدفق الأعلى (يمين)، يظهر خطان عقديان. الائتمان: سينغ وآخرون. آل، (2026) كومون. فيز.

يقول باندي: “أحد الاتجاهات هو جعل النظام أكثر تعقيدًا عن طريق إدخال دوامات متعددة وترتيبها في شبكة”. “سيعكس هذا الإعداد الظروف في بعض المواد فائقة التوصيل، حيث تتصرف موجات الماء مثل التيار الفائق. لا نعرف بعد ما الذي سنراه، وهذا بالضبط ما يجعل الأمر يستحق القيام به.”

وعلى نطاق أوسع، توضح النتائج كيف يمكن للقياسات الكلاسيكية البسيطة أن توفر نظرة ثاقبة للعالم الكمي. يقول باندي: “قد يتنبأ المنظرون بهذه التأثيرات، لكن التجارب الكمومية لن تراها”. “مع نظائرها من هذا القبيل، يمكننا أن نفعل ذلك.”

المرجع: “الطوبولوجيا التي أصبحت مرئية من خلال الموجات الدائمة في مائع دوار” بقلم Aditya Singh، وJonas Rønning، وChien-Chia Liu، وLuiza Angheluta، وAndres Concha، وMahesh M. Bandi، 20 أبريل 2026، فيزياء الاتصالات.
دوى: 10.1038/s42005-026-02603-ث

تم تمويل هذه الدراسة من قبل FONDECYT Regular ومعهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا في جامعة الدراسات العليا.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.