لقد أظهر الفيزيائيون أن التقلبات العشوائية تخضع لقانون عالمي

يصف هذا القانون، الذي تم التنبؤ به في عام 1986، نمو الأسطح العشوائية، وانتشار حرائق الغابات، وحتى تكوين المستعمرات البكتيرية. لم يكتف العلماء الروس بتفسير نتائج التجربة المثيرة لمجموعة ويدمان، بل أظهروا أيضًا أن التقلبات الكمومية في درجة حرارة الغرفة تخضع لنفس الرياضيات مثل العمليات التي تبدو بعيدة عن عالم الكم. يفتح هذا العمل الطريق أمام إنشاء أجهزة محاكاة قابلة للتطوير لديناميات عدم التوازن، تعمل دون درجات حرارة منخفضة للغاية. ولتقدير أهمية هذا الاستنتاج، من الضروري أن نفهم ما هي عالمية KPZ ولماذا لم يتم رؤيتها في بعدين لفترة طويلة. في عام 1986، اشتق الفيزيائيون النظريون مهران كاردار، وجورجيو باريزي، وتشانغ يي-تشي معادلة تصف كيف يتغير السطح البيني بين وسطين، مثل سطح البلورة، بشكل عشوائي أثناء ترسيب الذرات. وتبين أن خشونة هذه الحدود تزداد مع مرور الوقت وحجم المنطقة المرصودة. ولا ينمو بشكل عشوائي، بل وفق قوانين قوة صارمة، بحسب أبعاد النظام. علاوة على ذلك، تنبأت النظرية بأن هذه القوانين عالمية: انتشار خط حرائق الغابات، ونمو مستعمرة بكتيرية على طبق بيتري، والتدفق المضطرب للبلورة السائلة، والتقلبات في المكثفات الكمومية يجب أن تظهر نفس الديناميكيات. ومع ذلك، لفترة طويلة لم يكن من الممكن اختبار تحجيم KPZ تجريبيًا في عالم ثنائي الأبعاد – أنتجت الأسطح البلورية الكلاسيكية تشوهات، ولم تكن هناك أنظمة كمومية مناسبة ذات تقلبات محكومة. وهنا يأتي دور الإكسيتونات-البولاريتونات – وهي أشباه جسيمات فريدة تتكون من نصف ضوء ونصف مادة. يتم إنتاج البولاريتونات في تجاويف دقيقة لأشباه الموصلات، حيث ينعكس الفوتون بشكل متكرر من جدران المرآة ويقترن بقوة بالإكسيتون (زوج مرتبط من الإلكترونات والثقب). في ظل ظروف معينة، يمكن لهذه الجسيمات الهجينة أن تشكل مكثفات بوز-آينشتاين، ولكن على عكس الذرات فائقة البرودة، التي تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية في الميليكلفين، فإن مكثفات الإكسيتون-بولاريتون تعمل بثبات عند درجة حرارة الغرفة. قامت مجموعة ويدمان، التي تم تحليل أعمالها من قبل فيزيائيين روس، بإنشاء شبكة ثنائية الأبعاد مكونة من مئات الشعيرات الدموية الدقيقة (تجاويف دقيقة أسطوانية)، وباستخدام ضخ الليزر، حققت تزامنًا تلقائيًا لأطوار وترددات البولاريتونات. تشبه الحالة المتماسكة الناشئة بلورة فوتونية مثالية، ولكن بسبب الفقد المستمر للجسيمات (البولاريتونات قصيرة العمر) والتجديد المستمر من خزان خارجي، ولدت التقلبات حتمًا في هذه الصورة المنظمة – انحرافات فوضوية للطور والكثافة تنتشر في جميع أنحاء الشبكة. تم نشر العمل في مجلة العلوم. في مقالته، يحلل كافوكين بالتفصيل السبب الذي جعل هذه التقلبات بالضبط تجعل من الممكن “اللحاق” أخيرًا بـ KPZ-universal. كانت الأداة الرئيسية هي دالة ارتباط الطور، وهي كمية توضح مدى اتساق التذبذبات عند نقطتين شبكيتين مختلفتين كدالة للمسافة. ولقياس ذلك، استخدم العلماء قياس التداخل المحدد زمنيًا استنادًا إلى مقياس تداخل ميشيلسون والتحليل الطيفي للتألق الضوئي النبضي. أظهرت قياسات الأشكال الهندسية المثلثة (السداسية) والمربعة لترتيب الأعمدة: عند قوة مضخة ليزر محددة بدقة (فقط أعلى قليلاً من عتبة تكوين المكثفات – فقط 6٪ فوق العتبة، مع جزء إكسيتون من المكثفات يبلغ حوالي 7.5٪)، تخضع هذه الوظيفة تمامًا للقانون الذي تمليه معادلة KPZ. وتبين أن الاتفاق بين النظرية والتجربة كان ممتازًا: فقد أجرى الباحثون من مجموعة ويدمان الاختبار الأكثر صرامة، ولم يقارنوا المؤشرات الفردية فحسب، بل الشكل الكامل لوظيفة القياس. في هذا الوضع، يمكن للنظام تنفيذ العديد من أنماط الطور المختلفة، ليصبح غير قابل للتنبؤ به حقًا – وهذا ما يسميه الفيزيائيون “فئة KPZ العالمية”. الارتباطات الزمانية المكانية لمكثفات الإكسيتون-بولاريتون. ( ب ) وظائف الارتباط ثنائية الأبعاد g (Δr، Δt) لمختلف قوى المضخة النسبية (يشار إليها بالأرقام 1.061، 1.047، 1.089، 1.135 من عتبة التكثيف). أفقياً – تأخير الوقت Δt (ps)، عمودياً – الإزاحة المكانية Δr (μm). (ج) تطور دالة الارتباط للقيم الصغيرة للمعلمة (الوقت الطبيعي)، مما يدل على زيادة في التماسك الزماني المكاني. من هذه البيانات يتم استخراج مقياس KPZ / © Widmann et al., Science 2026. أوضح Alexey Kavokin، مدير المركز الدولي للفيزياء النظرية الذي يحمل اسم A. A. Abrikosov MIPT، تعليقًا على هذه النتائج: “إن ملاحظة قياس KPZ في شبكة ثنائية الأبعاد من مكثفات الإكسيتون-بولاريتون تثبت أنه يمكن وصف الأنظمة المادية والبصرية ذات الطبيعة المختلفة تمامًا باستخدام نفس النموذج الرياضي، من وجهة نظر فلسفية، يعد هذا مظهرًا من مظاهر الانسجام في الطبيعة، والذي يتم الحفاظ عليه على الرغم من تنوع مكوناته. وحتى الآن، ظل التأكيد التجريبي لنظرية كاردار-باريسي-تشانغ في البعدين بعيد المنال، باستخدام منصة قابلة للتطوير تعتمد على مادة ضوئية مكثفة، وهي بولاريتونات مثيرة. منصة لدراسة التقلبات العشوائية / © Science (10.1126/science.aeg3150) كان الاكتشاف غير المتوقع الذي توصل إليه علماء من MIPT هو الانحراف الحاد في سلوك البولاريتونات عن تنبؤات نظرية التوازن Berezinsky-Kosterlitz-Thouless (BKT)، وهي نموذج مقبول بشكل عام للتحولات الطورية ثنائية الأبعاد. عند طاقة المضخة المنخفضة، بالقرب من عتبة التكثيف، سيطرت عالمية KPZ بدلاً من ديناميكيات التوازن BKT. يفسر كافوكينز هذه النتيجة على أنها تأثير إثارة ما يسمى بأنماط نامبو-جولدستون – وهي تقلبات كمومية خاصة تختلف أنماط أطوارها عن الحالة الأرضية. عند قوى المضخة الضوئية القريبة من عتبة تكثيف بوز-آينشتاين، يكون عدد أوضاع Nambu-Goldstone مشابهًا لعدد المكثفات نفسها. في هذا النظام، يتم المساهمة الرئيسية في ديناميكيات التقلبات من خلال أنماط نامبو-جولدستون. وفقط مع زيادة قوة الليزر، عندما يتحرك النظام بعيدًا عن العتبة، يتم ملء المكثفات البوزونية في الغالب، وتتوقف الحالات المثارة عن لعب “الكمان الأول”، ويميل سلوك النظام إلى التوازن. أطلق العلماء على هذا الانتقال من الفوضى غير المتوازنة إلى نظام التوازن دليلاً رئيسياً على أن مقياس KPZ هو على وجه التحديد خاصية لنظام تبديد مفتوح، وليس قطعة أثرية للقياس. أكد أليكسي كافوكين وستيلا كافوكينا أن القدرة على تصور أنماط الطور هذه في الوقت الفعلي وفي درجة حرارة الغرفة هي ما يجعل منصة إكسيتون-بولاريتون فريدة من نوعها. إن الأهمية العملية للمنصة تتجاوز بكثير فيزياء المادة المكثفة. لقد تم استخدام نظرية KPZ نفسها منذ فترة طويلة لوصف حرائق الغابات، ونمو المستعمرات البكتيرية، واضطراب البلورات السائلة. ينظر الفيزيائيون الروس إلى أبعد من ذلك في مقالتهم: فهم يناقشون أن عالمية KPZ من الناحية النظرية يجب أن تظهر أيضًا في أنظمة ثلاثية الأبعاد. قالت ستيلا كافوكينا، نائبة مدير مركز A. A. Abrikosov الدولي للفيزياء النظرية في MIPT: “إن مجموعة ثلاثية الأبعاد من مكثفات الإكسيتون-بولاريتون، التي تم إنشاؤها على أساس بلورة فوتونية رنانة، يمكن أن توسع نطاق تطبيق نظرية تحجيم Kardar-Parisi-Zhang العالمية إلى أبعاد أعلى”.