قرود البحر، وكوكب المشتري، ولغز الاضطراب الإعصاري

احصل على آخر الأخبار مباشرة في بريدك الإلكتروني.

منشور مستقل تحريرياً بدعم من مؤسسة سيمونز (Simons Foundation).

اكتب كلمة (أو كلمات) البحث واضغط إدخال

• حفظ المقال | قراءة لاحقاً | قراءة لاحقاً

في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي، كانت الإعلانات الملونة في المجلات المصورة الصادرة عن شركة «ترانس ساينس» في مدينة نيويورك تَعِد كل من يرسل نقوداً أو شيكاً بريدياً بـ «وعاء ممتلئ بالسعادة» — والذي لم يكن في الواقع سوى مظروف ورقي صغير يحتوي على بيوض مجففة بالتجميد. وعند إسقاط هذه البيوض في ماء مالح، تفقس لتخرج منها قشريات روبيان الملح، المعروفة أيضاً باسم «قرود البحر» (Sea Monkeys).

يبلغ طول روبيان الملح حوالي سنتيمتر واحد، ويسبح مقلوباً على ظهره، محركاً أرجله بجنون ومسدلاً بطنه المستطيل خلفه مثل الذيل. وكما اكتشف العلماء مؤخراً، فإن هذه الكائنات السابحة الدقيقة قادرة على فعل ما هو أكثر بكثير من مجرد تحريك أجسادها.

لطالما اعتقد الباحثون أنه في النظام المضطرب كتيار الماء مثلاً، تتدفق الطاقة في اتجاه واحد فقط: إما من المقاييس الأكبر إلى الأصغر، أو العكس، اعتماداً على أبعاد النظام. لكن أثناء مراقبة روبيان الملح المتواضع، أدرك علماء في جامعة بيتسبرغ أنه من خلال إحداث تعديل طفيف للغاية، يمكن عكس اتجاه تدفق الطاقة بالكامل.

واكتشف العلماء أن بإمكانهم توجيه التدرج الشلالي للطاقة في نظام ثنائي الأبعاد عبر إرباك تدفق النظام بعائق صغير، شريطة ضبط زاويته بدقة. وقال لي فانغ، مهندس الميكانيكا في جامعة بيتسبرغ وقائد الدراسة الجديدة: «إن الهندسة المكانية هي الفاصل هنا».

وقال غريغوري فالكوفيتش، الفيزيائي في معهد وايزمان للعلوم وأحد رواد دراسة الأنظمة المضطربة ثنائية الأبعاد، إن هذا الاكتشاف استفاد من وصف رياضي أساسي، وإن كان مغفلاً في كثير من الأحيان، لكيفية تفاعل القوى لدفع الطاقة عبر النظام. وأضاف: «هذا عمل تجريبي بديع ومتقن للغاية».

قد تمتد هذه النتائج لتشمل أنظمة أوسع وأكثر عشوائية، بما في ذلك الأنظمة ثلاثية الأبعاد. وينطوي هذا العمل على أبعاد مهمة لفهمنا لديناميكا الموائع، وقد تكون له تطبيقات في مجالات مثل مكافحة التلوث وتصميم الأدوية.

من الصعب ألا نلاحظ الاضطراب (التدفق المضطرب) في حياتنا؛ فهو الذي يُثير الرغوة الهادرة عند أسفل الشلال ويُشكّل قمة الموجة المتكسرة، وهو المسؤول عن المطبات الهوائية أثناء الرحلات الجوية، ودوامات الحليب في كوب القهوة، واضطراب البلازما على سطح الشمس. تقول فرانشيسكا دي سيريو، المهندسة المدنية والخبيرة في الهيدروديناميكا بجامعة البوليتكنيك في باري بإيطاليا: «نحن نرصد الاضطراب عموماً في كل مكان في حياتنا، عند ذهابنا إلى الشاطئ أو حين نغسل أيدينا».

يُعد النظام المضطرب معقداً وتتسم طبيعته بقوى متداخلة واضطرابات داخلية، غير أنه قد ينشأ ببساطة شديدة. فعلى سبيل المثال، يظهر الاضطراب عندما يواجه مائع متدفق عائقاً يغير سرعة جزء من التدفق. ففي النهر، تتباطأ المياه بالقرب من الضفة بفعل الاحتكاك، ويمكن لاختلافات السرعة هذه أن تُولّد دوامات. وعندما ينقسم مجرى النهر ليلتف حول صخرة، تتغير السرعات وتتشكل فجوات؛ حيث تتلاطم المياه فوق بعضها وقد تبدأ بالدوران. والهواء مائع أيضاً، وينشأ اضطرابه بفعل التيارات المتنافسة وتغير درجات الحرارة.

في مثل هذا النظام، تنتقل الطاقة بين مقاييس الحجم المختلفة. وقد اكتشف عالم الرياضيات والفيزياء الإنجليزي لويس فراي ريتشاردسون، مؤسس التنبؤات الجوية الحديثة، هذا الأمر عندما درس أنظمة الموائع المكونة من غازات الغلاف الجوي. ووجد أن الطاقة الحركية لدوامة كبيرة تغذي دوامات أصغر فأصغر، حتى تصل إلى مقياس تتولى فيه اللزوجة — المقاومة للحركة — زمام الأمور، لتتبدد الطاقة في النهاية على شكل حرارة. وفي عام 1922، صاغ ريتشاردسون هذا المفهوم في أبيات شعرية شهيرة:

«الدوامات الكبرى تحوي دوامات صغرى تتغذى على سرعتها،

والدوامات الصغرى تحوي دوامات أدنى منها،

وهكذا دواليك حتى نصل إلى اللزوجة».

وابتداءً من أوائل أربعينيات القرن العشرين، وضع عالم الرياضيات السوفيتي أندريه كولموغوروف أساساً رياضياً دقيقاً وواضحاً لدراسة الاضطراب. غير أن عمله، كعمل ريتشاردسون، ركز بشكل أساسي على الأنظمة ثلاثية الأبعاد التي تتدفق فيها الطاقة من السمات الكبيرة إلى السمات الصغيرة.

وفي أواخر الستينيات، وسّع الفيزيائيان روبرت كرايتشنان وجورج باتشيلور نطاق البحث ليشمل الأنظمة ثنائية الأبعاد. وتشمل الأنظمة المضطربة ثنائية الأبعاد ظواهر مثل «البقعة الحمراء العظيمة» على كوكب المشتري، والتي تدور بعنف شديد لدرجة أنها تطغى على أي حركة في الطبقات السفلية من الغلاف الجوي. ينقل هذا النوع من الأنظمة ثنائية الأبعاد الطاقة من مقياس إلى آخر تماماً كالنظام ثلاثي الأبعاد، ولكن مع اختلاف جوهري: تنحدر طاقة النظام المضطرب ثنائي الأبعاد في الاتجاه المعاكس، إذ تنتقل من الدوامات الصغيرة صعوداً إلى الدوامات الكبيرة. ففي البقعة الحمراء العظيمة للمشتري، تغذي الدوامات الأصغر حجماً بالقرب من المحيط تلك الدوامة الهائلة في المركز.

في العقود التي تلت تلك الدراسات الرائدة التي كشفت عن التدفق العكسي في الأنظمة ثنائية الأبعاد، لم يتعمق الفيزيائيون في التساؤل عما إذا كانت هذه التدفقات ثابتة ولا تتغير. وبالتأكيد لم تكن آليات الطاقة الكامنة في الأنظمة ثنائية الأبعاد تشغل بال شينيو سي في عام 2021 تقريباً، عندما بدأ في دراسة روبيان الملح كطالب في مختبر فانغ.

السباحة داخل تيار الطاقة

يركز مختبر فانغ على «المادة النشطة»، وهو مصطلح فيزيائي يصف الأشياء التي تتحرك ذاتياً وتضخ طاقة في بيئاتها المحيطة. وهو توصيف واسع بما يكفي ليشمل شبكات الكائنات الحية كالبكتيريا، والكيانات غير الحية كالروبوتات المتناهية الصغر.

في هذا المشروع، كان سي وفانغ مهتمين بدراسة كيفية قيام السابحات البيولوجية بمزج المواد في الموائع التي يظهر فيها الاضطراب. وافترض الباحثون أن الاضطراب الناتج عن الكائنات الدقيقة يلعب دوراً لم يُقدَّر حق قدره في خلط السوائل داخل الأنظمة الطبيعية الكبرى؛ إذ إن مليارات المخلوقات المجهرية تُحدث اضطراباً مستمراً في الممرات المائية حول العالم.

ولدراسة ذلك عن كثب في نموذج مبسط، صبّ سي طبقة رقيقة من الماء المالح فوق سطح زجاجي داخل حوض، ووضع مغناطيسات تحته. وعندما مرر تياراً كهربائياً عبر المائع الموصِل، تفاعل التيار مع المغناطيسات وأحدث حركة في الماء، الذي تدفق في اتجاه معين على طول أحد جانبي القناة وفي الاتجاه المعاكس على طول الجانب الآخر. أدّى ذلك إلى خلق تدرج في السرعات عبر المركز، وهو الموضع الذي أضاف إليه سي روبيان الملح.

وعندما حسب سي وفانغ كيف أربكت أجساد الروبيان المتخبطة حركة الماء المتدفق، شهدا «أمراً غريباً للغاية»، بحسب تعبير فانغ: لم يكن الروبيان يساهم في فوضى النظام فحسب، بل بدا أيضاً أنه يغير الاتجاه الذي تتدفق فيه الطاقة.

يمكن وصف النظام المضطرب من حيث مقدار ما يُحدثه من تمدد وضغط للموائع بداخله، نتيجة لتفاعل الموائع المتدفقة بسرعات متفاوتة. وتظهر هذه الديناميكيات بوضوح عندما تُلقي مثلاً بقصاصات ورقية ملونة في نهر وتراقبها وهي تنتظم في خطوط ممتدة بينما تتسابق مع التيارات المتباينة مع مجرى النهر.

كرر سي وفانغ تجربة روبيان الملح مراراً. ووجدا أنه عندما يسبح الروبيان بمفرده بزاوية تقل عن 45 درجة بالنسبة لاتجاه أقصى تمدد، تتدفق الطاقة من المقاييس الأصغر إلى الأكبر، مغذيةً التدفق نفسه، تماماً كما توقعا لنظام ثنائي الأبعاد. أما إذا سبح الروبيان بزاوية تزيد عن 45 درجة بالنسبة لاتجاه أقصى تمدد، فإن مسار الطاقة ينعكس بالكامل، حيث تسحب الطاقة من النطاق الأوسع للتدفق لتنشيط الاضطرابات الأصغر.

وبدا الأمر بمثابة تحول كامل وجذري. وقد قادت كل تجربة إلى النتيجة ذاتها: اتجاه جسد روبيان الملح كفيل بتغيير مسار تدفق الطاقة في النظام المضطرب.

وجد العلماء طريقة لتفسير ما يشاهدونه عبر فرع من الرياضيات يُعرف باسم «هندسة الموترات» (Tensor Geometry)، والتي لطالما كانت أداة أساسية للفيزيائيين في دراسة الاضطراب. والموتّر هو أداة رياضية تساعد في قياس كميات تتغير بطرق متعددة في آن واحد. فعلى سبيل المثال، عندما تضغط على إسفنجة، تنتفخ جوانبها إلى الخارج؛ يستطيع الموتّر أن يصف كيف يؤثر الإجهاد — وزن يدك — على الانفعال — وهو تشوه الإسفنجة. وتمنح الموترات باحثي ديناميكا الموائع وسيلة قوية لنمذجة الظواهر الفيزيائية التي تتغير اتجاهاً أو شدة.

وجد فانغ وسي أن تجربة روبيان الملح تصبح منطقية تماماً إذا نُظر إليها بوصفها تفاعلاً بين موترين في بُعدين: مثّل الموتر الأول كيفية تأثير القص — الحركة واسعة النطاق للماء — على تدفق الطاقة، بينما مثّل الموتر الثاني كيفية تشكيل تدفق الطاقة بفعل الحركات الدقيقة للسابحات.

حدد اتجاه السابح كيفية محاذاة الموترين، وحازت هذه المحاذاة بدورها سلطة تحديد مسار تدفق الطاقة. وكما أفاد فانغ وسي في عام 2024، فإن الزاوية بين جسد روبيان الملح وقوى المائع يمكن أن تقلب اتجاه تدفق الطاقة رأساً على عقب.

كان سي يطلق روبيان الملح في الحوض موجهاً الكاميرا نحوه، منتظراً بصبر حتى يسبح أحدها عبر منطقة الاختبار بالزاوية المطلوبة تماماً. وفي المرحلة التالية من التجربة، استبدل سي وفانغ روبيان الملح بمصفوفة من القضبان بطول سنتيمتر واحد، والتي كان قياسها أيسر عملياً. ووجدا أنه من خلال تعديل زاوية تلك القضبان بالنسبة للتدفق، تمكنا من التحكم فيما إذا كانت الطاقة ستنتقل نحو المقاييس الأعلى أم الأدنى.

وظلت النتائج متماسكة حتى عندما عرض سي وفانغ أبحاثهما للتدقيق على يد عالمين آخرين: فيليبو دي ليلو وغيدو بوفيتا من جامعة تورينو بإيطاليا، واللذين التقاهما فانغ في أحد المؤتمرات. وفي المحاكاة العددية التي أجراها الخبيران المستقلان، ظهر التأثير نفسه بوضوح. وقال فانغ: «جعلني ذلك أشعر بارتياح كبير، لأن التحكم في تدفق الطاقة يُعد أمراً غير مألوف على الإطلاق».

وبثقة متجددة، نشر الباحثون نتائجهم في عام 2025. وعلقت دي سيريو قائلة: «كان الأمر مثيراً للاهتمام لأنهم أثبتوا أنه عبر تدخلات صغيرة ومحددة في التدفق يمكننا... إظهار انتقال للطاقة بين المقاييس المختلفة». وأثبت الباحثون أنه بأدنى قدر من التوجيه، يمكن حث تدفق الطاقة في نظام ثنائي الأبعاد ليتصرف بشكل أقرب إلى التدفق في نظام ثلاثي الأبعاد (وإن لم يكن مطابقاً له تماماً)، مما يشير إلى إمكانية استعانة الفيزيائيين برؤى مستقاة من أحد الأبعاد وتطبيقها على الآخر.

ولا تزال هناك عقبات معقدة يتعين تجاوزها؛ إذ استخدم سي وفانغ في تجاربهما حوضاً ضحلاً من المائع جعل احتكاكه من الصعب إطلاق الاضطراب فيه. وتوجد فروق جوهرية بين نظام ثنائي الأبعاد ضعيف الاضطراب كالذي في مختبرهما، والأنظمة ثلاثية الأبعاد شديدة الاضطراب التي نراها عادة في الطبيعة.

ومع ذلك، من الناحية الرياضية، لا يوجد سبب يمنع امتداد ملاحظات العلماء إلى هذه السيناريوهات الأكبر. ويعكف سي وفانغ حالياً على دراسة هذا الاحتمال، واختبار أفكارهما على نماذج مصغرة لأعاصير تُجرى على طاولات المختبر.

كما يبحثان في كيفية التأثير على «حاجز النقل»، وهو الحد الفاصل بين مائعين أثناء اختلاطهما. ووفقاً لنظرية فانغ، فإن كسر هذا الحاجز — وهو ما قد يفيد في التحكم في التلوث أو خلط السوائل لتطوير الأدوية — لن يستهلك سوى أقل من 1% من الطاقة اللازمة للحفاظ على بقاء الحاجز متماسكاً.

وبدأ علماء آخرون أيضاً تجاربهم الخاصة للتحكم في تدفق الطاقة. وتعمل دي سيريو، في جامعة البوليتكنيك في باري، على إطلاق نفاثات قوية داخل أحواض ضخمة من موائع دوارة ومضطربة ذات لزوجة عالية. وتقول: «جذبتني فكرة إمكانية تطبيق هذه [المعالجات] في سياق واقعي». وفي مارس 2026، أعلنت عن نتائج تجارب أُجريت على دوامة دوارة كبيرة خضعت لتأثير نفاثات أفقية صغيرة أُطلقت نحو مركزها؛ حيث رصدت بؤراً من تدفق الطاقة العكسي بدأت كنوبات متقطعة لكنها استقرت مع زيادة سرعة الدوران. وتقول إن هذه النتائج قد تشير إلى استراتيجيات عملية للتحكم في مسارات الطاقة في البيئات الواقعية.

من جانبه، صرح سي، الذي يشغل الآن منصب باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة روتشستر، بأن هذا العمل يطرح فرضية جديدة قابلة للاختبار في أي بيئة يلعب فيها الاضطراب دوراً، بدءاً من «وعاء ممتلئ بالسعادة» صغير جداً وصولاً إلى المدى الهائل للغلاف الجوي للأرض. فرغم صعوبة فهم الأنظمة المضطربة تاريخياً، إلا أن العامل الحاسم في تحديد تدفق طاقتها قد يكون مسألة هندسية بحتة.

احصل على أبرز الأخبار الحصرية مباشرة في بريدك الإلكتروني

تبدو الجاذبية مجسمة هولوغرافياً.. فماذا يعني ذلك للواقع؟

قد لا يكون علم الأحياء كمومياً، لكن رياضياتها ذات طابع كمومي

أين ينتهي العالم الكمومي وأين يبدأ عالمنا؟

تتولى مجلة كوانتا الإشراف على التعليقات لتوفير حوار معرفي ورصين ومتحضر. سيتم استبعاد أي تعليقات مسيئة أو نابية أو ترويجية أو مضللة أو غير مترابطة أو خارجة عن الموضوع. يعمل المشرفون خلال ساعات العمل الرسمية (بتوقيت نيويورك) ويقبلون التعليقات المكتوبة باللغة الإنجليزية فقط.

سنرسل لك تعليمات إعادة تعيين كلمة المرور عبر البريد الإلكتروني