الميوعة الفائقة

الميوعة الفائقة هي خاصية مميزة لسائل عديم اللزوجة ، وبالتالي يتدفق دون أي فقدان للطاقة الحركية . عند تحريكه، يُشكّل السائل المائع الفائق دوامات تستمر في الدوران إلى ما لا نهاية. تحدث الميوعة الفائقة في نظيرين من الهيليوم ( الهيليوم-3 والهيليوم -4 ) عند تسييلهما بتبريدهما إلى درجات حرارة منخفضة للغاية . وهي أيضًا خاصية للعديد من حالات المادة الغريبة الأخرى التي يُفترض وجودها في الفيزياء الفلكية ، وفيزياء الطاقة العالية ، ونظريات الجاذبية الكمومية . ^{[ 1 ]} وقد طوّر الفيزيائيان النظريان السوفيتيان ليف لانداو وإسحاق خالاتنيكوف النظرية شبه الظاهراتية للميوعة الفائقة .

غالبًا ما تتزامن ظاهرة الميوعة الفائقة مع تكثيف بوز-أينشتاين ، لكن لا توجد علاقة مباشرة بين الظاهرتين؛ فليست كل مكثفات بوز-أينشتاين تُعتبر ميوعة فائقة، وليست كل الميوعة الفائقة مكثفات بوز-أينشتاين. حتى عند تزامن الميوعة الفائقة والتكثيف، لا ترتبط مقاديرهما: ففي درجات الحرارة المنخفضة، يمتلك الهيليوم السائل نسبة عالية من الميوعة الفائقة ونسبة منخفضة من التكثيف؛ بينما قد يُظهر تكثيف بوز-أينشتاين ضعيف التفاعل، بنسبة تكثيف تقارب الواحد، نسبة ميوعة فائقة معدومة. ^{[ 2 ]}

تتمتع الموائع الفائقة ببعض الاستخدامات العملية المحتملة، مثل إذابة المواد في مذيب كمي .

اكتُشفت ظاهرة الميوعة الفائقة في الهيليوم-4 على يد بيوتر كابيتسا ^{[ 3 ]} ، وبشكل مستقل على يد جون إف. ألين ودون ميسينر ^{[ 4 ]} عام 1937. ويُحتمل أن أونيس قد لاحظ انتقال طور الميوعة الفائقة في 2 أغسطس 1911، وهو نفس اليوم الذي لاحظ فيه الموصلية الفائقة في الزئبق. ^{[ 5 ]} ومنذ ذلك الحين، وُصفت هذه الظاهرة من خلال الظواهرية والنظريات المجهرية . كابيتسا وحده هو من نال جائزة نوبل لاكتشافه هذا. أما النظرية الماكروسكوبية المقبولة للميوعة الفائقة في الهيليوم-4 فقد وضعها ليف لانداو عام 1941. [LD Landau, J. Phys. USSR 5, 71 (1941), "The Theory Of Superfluidity In Helium II"]. وقد نال لانداو جائزة نوبل عن هذا العمل عام 1962.

في الهيليوم-4 السائل، تحدث الميوعة الفائقة عند درجات حرارة أعلى بكثير مما هي عليه في الهيليوم-3 . كل ذرة من الهيليوم-4 هي جسيم بوزوني ، نظرًا لدورانها الصحيح . أما ذرة الهيليوم-3 فهي جسيم فرميوني ؛ ولا يمكنها تكوين بوزونات إلا من خلال الاقتران مع جسيم آخر مماثل لها، وهو ما يحدث عند درجات حرارة أقل بكثير. كان اكتشاف الميوعة الفائقة في الهيليوم-3 أساسًا لمنح جائزة نوبل في الفيزياء عام 1996. ^{[ 1 ]} هذه العملية مشابهة لاقتران الإلكترونات في الموصلية الفائقة .

أثبت فولفغانغ كيترلي وفريقه تجريبياً ظاهرة الميوعة الفائقة في غاز فرميوني فائق البرودة ، وذلك برصدهم دوامات كمومية في الليثيوم-6 عند درجة حرارة 50 نانو كلفن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في أبريل 2005. ^{[ 6 ] [ 7 ]} وقد رُصدت هذه الدوامات سابقاً في غاز بوزوني فائق البرودة باستخدام الروبيديوم-87 في عام 2000، ^{[ 8 ]} ومؤخراً في غازات ثنائية الأبعاد . ^{[ 9 ]} وفي عام 1999، ابتكرت لين هاو مكثفاً مماثلاً باستخدام ذرات الصوديوم ^{[ 10 ]} بهدف إبطاء الضوء، ثم إيقافه تماماً لاحقاً. ^{[ 11 ]} واستخدم فريقها لاحقاً هذا النظام من الضوء المضغوط ^{[ 12 ]} لتوليد نظير الميوعة الفائقة للموجات الصدمية والأعاصير: ^{[ 13 ]}

تؤدي هذه الإثارات الهائلة إلى تكوين السوليتونات التي تتحلل بدورها إلى دوامات كمومية - تتشكل بعيدًا عن حالة التوازن، في أزواج ذات دوران متعاكس - كاشفةً بشكل مباشر عن عملية انهيار الميوعة الفائقة في مكثفات بوز-أينشتاين. باستخدام إعداد حاجز ضوئي مزدوج، يمكننا توليد تصادمات مضبوطة بين موجات الصدمة، مما ينتج عنه إثارات غير خطية وغير متوقعة تمامًا. لقد رصدنا هياكل هجينة تتكون من حلقات دوامية مغمورة في أغلفة سوليتونية مظلمة. تعمل الحلقات الدوامية كـ"مراوح وهمية" تؤدي إلى ديناميكيات إثارة غنية للغاية.

طُرحت فكرة وجود الميوعة الفائقة داخل النجوم النيوترونية لأول مرة من قِبل أركادي ميغدال . ^{[ 14 ] [ 15 ]} قياسًا على تكوين الإلكترونات داخل الموصلات الفائقة لأزواج كوبر نتيجةً لتفاعل الإلكترون مع الشبكة البلورية، يُتوقع أن تُكوّن النيوكليونات في النجم النيوتروني، عند كثافة عالية ودرجة حرارة منخفضة، أزواج كوبر أيضًا بسبب قوة التجاذب النووي بعيدة المدى، مما يؤدي إلى الميوعة الفائقة والموصلية الفائقة. ^{[ 16 ]}

في نظرية المادة المظلمة فائقة الميوعة، يمكن أن توجد المادة المظلمة في حالة فائقة الميوعة عند مقاييس معينة، حيث تنقل قوة مشابهة لقوة نظرية الديناميكا النيوترونية المعدلة (MOND) عبر الفونونات في هذه الحالة. تهدف هذه النظرية إلى محاكاة النجاحات الجزئية لنظرية المادة المظلمة والجاذبية المعدلة. فعلى المقاييس الأصغر، تُنتج النظرية ديناميكيات مشابهة لنظرية MOND، مما يسمح بمحاكاة نجاحاتها، على سبيل المثال في التنبؤ بمنحنيات دوران المجرات وعلاقة تولي-فيشر المحكمة، كما تتجنب المشكلات التي تسببها نظرية المادة المظلمة الباردة التقليدية، حيث تُنتج هالات المادة المظلمة الكثيفة احتكاكًا ديناميكيًا كبيرًا. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} أما على المقاييس الأكبر، فتُنتج النظرية سلوكًا مشابهًا للمادة المظلمة الدافئة أو الساخنة، مما يسمح بوجود كتلة إضافية على مستوى عناقيد المجرات، حيث تُقلل نظرية MOND من تقدير قوة الجاذبية، كما يسمح بمحاكاة الظواهر التي يمكن وصفها بدقة بواسطة المادة المظلمة، مثل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

نظرية الفراغ المائع الفائق (SVT) هي منهج في الفيزياء النظرية وميكانيكا الكم حيث يُنظر إلى الفراغ الفيزيائي على أنه مائع فائق. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

يتمثل الهدف النهائي لهذا النهج في تطوير نماذج علمية توحد ميكانيكا الكم (التي تصف ثلاثة من التفاعلات الأساسية الأربعة المعروفة) مع الجاذبية . وهذا ما يجعل نظرية SVT مرشحة لتكون نظرية الجاذبية الكمومية وامتدادًا للنموذج القياسي .

من المأمول أن يؤدي تطوير مثل هذه النظرية إلى توحيدها في نموذج واحد متسق لجميع التفاعلات الأساسية، ووصف جميع التفاعلات المعروفة والجسيمات الأولية على أنها مظاهر مختلفة لنفس الكيان، وهو الفراغ فائق الميوعة.

على المستوى الكلي، تم اقتراح حدوث ظاهرة مماثلة أكبر في أسراب طيور الزرزور . تحاكي سرعة التغير في أنماط الطيران تغير الطور الذي يؤدي إلى حالة الميوعة الفائقة في بعض الحالات السائلة. ^{[ 22 ]}

• بوجوم (السيولة الفائقة)
• فيزياء المادة المكثفة
• ديناميكا الموائع
• الظواهر الكمومية العيانية
• الديناميكا المائية الكمومية
• ضوء بطيء
• مادة فائقة الصلابة
• نموذج السائلين

• خالاتنيكوف، إسحاق م. (2018). مقدمة في نظرية الميوعة الفائقة . بولدر: مطبعة سي آر سي . رقم ISBN 978-0-42-997144-0.
• أنيت، جيمس ف. (2005). الموصلية الفائقة، والموائع الفائقة، والمكثفات (طبعة مُعاد طباعتها  ). أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 978-0-19-850756-7.
• شميت، أندرياس (2015). مقدمة في الميوعة الفائقة: منهج نظري حقلي وتطبيقات . تشام: سبرينغر . ISBN 978-3-319-07947-9.
• غينو، توني (2003). الموائع الفائقة الأساسية . لندن: تايلور وفرانسيس . ISBN 978-0-7484-0891-7.
• سفيستونوف، بوريس ف . باباييف، إيجور س . بروكوفييف، نيكولاي (2015). حالات المادة فائقة السيولة . هوبوكين: الصحافة اتفاقية حقوق الطفل . رقم ISBN 978-1-4398-0276-2.
• فولوفيك، غريغوري إي. (2003). الكون في قطرة هيليوم (طبعة مُعاد طباعتها  ). أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 978-0-19-850782-6.

• اقتباسات متعلقة بالميوعة الفائقة على موقع ويكي الاقتباس
• الوسائط المتعلقة بالميوعة الفائقة على ويكيميديا ​​كومنز
• فيديو: عرض توضيحي للهيليوم فائق الميوعة (ألفريد لايتنر، 1963، 38 دقيقة).
• تم رصد خاصية الميوعة الفائقة في غاز فيرمي ثنائي الأبعاد، وهي ملاحظة حديثة أجريت عام 2021 ذات صلة بالموصلات الفائقة النحاسية.