فكرة من عام 1931
في عام 1931 اقترح الفيزيائي هانز بيثه أن الجسيمات في أنظمة كمومية أحادية البعد معينة يمكن أن تتحد في حالات جماعية. وقد حملت تلك الحالات اسمه لاحقاً. وخلافاً للجزيئات، لا ترتبط أوتار بيثه بروابط كيميائية. بل تبقى الجسيمات مرتبطة بسبب طريقة تفاعلها، ولا يمكن لهذه الحالات أن توجد إلا في بعد واحد.
وظلت طوال قرن تقريباً فكرة نظرية في الأساس. وقد أنشأ فريق في جامعة إنسبروك الآن هذه الأوتار ورصدها في غاز من الذرات فائقة البرودة، بالتعاون مع مجموعات نظرية في جامعة أمستردام وجامعة ميونخ التقنية. ونُشر العمل في مجلة نيتشر كوميونيكيشنز.
ذرات باردة في أنابيب ضيقة
بدأت التجربة، بقيادة هانز-كريستوف نيغيرل، بسحابة من ذرات السيزيوم مبرّدة إلى ما يقارب بضعة أجزاء من مليار من الصفر المطلق. ثم فصل الباحثون السحابة إلى عدة آلاف من الأنابيب الضيقة جداً. وداخل كل أنبوب يمكن للذرات أن تتحرك في اتجاه واحد فقط، مما يخلق البيئة أحادية البعد التي تحتاجها الأوتار.
ويستطيع الفريق أيضاً ضبط مدى قوة تفاعل الذرات. وعندما غيّروا التفاعلات من تنافرية إلى تجاذبية، ارتبطت الذرات معاً. وبدلاً من الانهيار في مجموعة واحدة، شكّلت حالات مرتبطة بأحجام مختلفة عدة، واحتوت بعض التجمعات الأكبر على ستة جسيمات أو أكثر.
تصادمات تُبقي الأوتار سليمة
كان الجزء الصعب هو إثبات أن الجسيمات مرتبطة فعلاً. وأتاح أحد الاختبارات للأوتار أن تتمدد بينما تبقى محصورة في أنابيبها. وعندما تمددت، التقت الأوتار وتصادمت، ومع ذلك نجت البنى المرتبطة. وقالت المؤلفة الرئيسية ميلينا هورفاث: "هذه سمة ملحوظة للأوتار: يمكنها أن تتصادم دون أن تتفكك".
وأزال اختبار ثانٍ الحصر وترك الذرات تنتشر عبر الفضاء ثلاثي الأبعاد. ولأن أوتار بيثه توجد فقط في بعد واحد، تفككت الحالات المرتبطة، وتحولت الطاقة التي كانت تحفظها إلى حركة. ثم انتشرت الذرات أسرع، وأعطت تلك الطاقة الإضافية الباحثين بصمة واضحة على الأوتار.
ويقول الفريق إن النظام يوفّر منصة جديدة قابلة للتحكم لدراسة فيزياء الأجسام المتعددة الكمومية. وقد شوهدت أوتار بيثه سابقاً في مغناطيسات الحالة الصلبة، لكن الذرات الباردة تتيح للباحثين ضبط الهندسة والكثافة وقوة التفاعل بدقة عالية.