ما هي الطوبولوجيا؟
أُطلقت مزحة عن المجال العلمي المغمور الذي تُوّج بجائزة نوبل للفيزياء يوم الثلاثاء تقول أن عالم الطوبولوجيا هو شخص لا يمكنه ملاحظة الفرق بين فنجان من القهوة والكعكة!
تصف المزحة الطوبولوجيا بشكل جيد، فالطوبولوجيا تشرح كيفية تغير شكل المواد إلى شكل جديد تمامًا دون أن تفقد خصائصها الأساسية.
تفترض الاستعارة أن فنجان القهوة والكعكة شيء واحد ومن المادة نفسها. إذا كانا مصنوعين من المطاط، يمكن لفّ ومط واحدًا محاكيًا شكل الآخر دون تغير في جوهره.
يعتبر الاثنان نظيران طوبولوجيان لأن كل منهما به ثقب (أُذُن الفنجان ومركز الكعكة).
شرح (مانويل أزوري – Manuel Asorey) من قسم الفيزياء النظرية لجامعة سرقسطة في إسبانيا قائلاً: «يمكن إدخال إصبع من خلال الثقب الموجود في أذن الفنجان، لكن لا يمكن إدخاله من خلال حبة بطاطس، لذا فإنهما فئتان مختلفتان من الأشياء الطوبولوجية».
في الرياضيات فقط يوجد عالمٌ غريب من أشكال أساسية منذ عهد بعيد، وقد تم إدخال المجال في عالم الفيزياء منذ بضعة عقود مضت فقط.
في الواقع، قد قال عالم الفيزياء النظرية (جورج جامو – George Gamo) أن الطوبولوجيا واحدة من مفهومين رياضيين إلى جانب نظرية الأعداد، لن يمكن تطبيقهما على الفيزياء.
جامو كان مُخطئًا:
اليوم، قد ازدهرت الطوبولوجيا على مدى واسع في حقول الفيزياء الفرعية مُبشرة بمجموعة من التطبيقات العملية تمتد من الحوسبة الفائقة إلى الموصلات الفائقة.
يأمل العلماء يومًا ما في نقل الطاقة أو المعلومات بشكل أبعد وأسرع مما عليه اليوم من خلال تشكيل المواد في «حالات طوبولوجية».
صرح أزوري لوكالة فرانس برس قائلاً: «ألمح الروّاد بأن الطوبولوجيا ذات أهمية للفيزياء». وأضاف: «لكن أصبحت التطبيقات العملية الحقيقية واضحة بفضل هؤلاء العلماء الثلاث الأفاضل الذين أدركوا أن الطوبولوجيا لم تكن ظاهرة، أما الآن فتُعمم هذه الأفكار على العديد من مجالات الفيزياء الأخرى». (وذلك في إشارة إلى الحائزين على نوبل:
ديفيد ثوليس – David Thouless ودانكن هالداين – Duncan Haldane ومايكل كوسترليتز – Michael Kosterlitz).
المتانة هي الأساس:
أحيانًا يُشار إلى الطوبولوجيا بـ«الهندسة المطاطية»، وتظل الطوبولوجيا حتى الآن في المجال النظري والتجريبي من الفيزياء.
لكن من المتوقع على نحو واسع أن تجد مبادئها تطبيقًا عمليًا وتجاريًا في غضون عقد أو عقدين، خاصة في المجال الكمومي للإلكترونيات والحوسبة.
ومن المرجو، على سيبل المثال، أن هذه المواد الجديدة الناشئة من هذا البحث ستسهلك أقل كمية كهرباء.
قال عالم الفيزياء (ديفيد كاربنتر – David Carpentier) في المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي عن الميزة الأساسية للمواد الطوبولوجية هي أنها «تظل متينة بغض النظر عن قوى التشويه المُطبقة عليها، وهذه المتانة في الطوبولوجيا هي بالضبط ما تتم دراسته كأساس لبناء الحواسيب الكمومية المستقبلية».
لا تزال الحواسيب الكمومية على لوح الرسم، تعد بسرعات معالجة فائقة باستخدام خصائص الجسيمات دون الذرية الموجودة في أكثر من وضع في وقت واحد.
لكنها تشكل درجة عالية من الخطورة بسبب ارتفاع درجة حرارتها، وهنا يأتي الدور المفيد للعوازل الطوبولوجية ذات الاستقرار المتأصل.
قال أزوري: «قد قلت منذ سنتين مضت أن الأمر سيستغرق على الأقل عقدين لرؤية شيء ما على رفوف المتاجر ناتجٍ عن أبحاث الطوبولوجيا، أما الآن فأقول أن هذا سيستغرق عقدًا واحدًا وربما أقل».
أما عن وجهة نظر (ناثان جولدمان – Nathan Goldman) من جامعة بروكسل الحرة: «لا زلنا بعيدين عن عمل التطبيقات التكنولوجية أو إحداث ثورة في مجال الحوسبة، وستكون الخطوة التالية هي إنشاء هذه الأشياء في المختبر ومحاولة معالجتها، وأداء عمليات بسيطة للغاية».
ترجمة: نهى سليمان
تدقيق: سارة عمّار
