بازنویسی قوانین: اندازه گیری دمای طلای فوق داغ با لیزرهای عظیم

بازنویسی قوانین: اندازه‌گیری دمای طلای فوق‌داغ با استفاده از لیزرهای پرقدرت

در یک آزمایش نوآورانه که توانسته است مرزهای فیزیک بنیادی را جابه‌جا کند، گروهی از فیزیکدانان بین‌المللی در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC موفق به انجام کاری شدند که پیش از این غیرممکن تصور می‌شد: اندازه‌گیری مستقیم دمای طلا در شرایط بسیار شدید با یک لیزر پرقدرت پرتو ایکس (X-ray laser) مدرن. یافته‌های این پژوهش، که در نشریه Nature انتشار یافته، نه تنها درک ما را از رفتار ماده تحت گرما و فشار شدید دگرگون می‌کند، بلکه می‌تواند تحولی در فناوری همجوشی هسته‌ای، طراحی فضاپیما و اخترفیزیک به وجود آورد.

پیش‌زمینه علمی: پیش بردن مواد تا فراتر از محدودیت‌ها

دهه‌هاست که دانشمندان برای پیش‌بینی رفتار مواد در شرایط دمای بالا و فشار زیاد به مدل‌های نظری تکیه داشتند. طلا، عنصری شناخته‌شده، طبق نظریه شیمی فیزیک، آستانه‌ای برای فوق‌داغ‌شدن داشت که تقریباً سه برابر نقطه جوش آن برآورد شده بود. باور بر این بود که تجاوز از این حد منجر به فروپاشی سریع و اصطلاحاً «فاجعه آنتروپی» خواهد شد که در آن فلز به‌سرعت متلاشی می‌شود.

مواد فوق‌داغ که در حالتی ناپایدار میان حالت جامد و مایع قرار دارند، نقش مهمی در فهم محیط‌های فوق‌العاده پرانرژی در کیهان، از درون ستارگان گرفته تا سپرهای حرارتی فضاپیما و شرایط پلاسما در راکتورهای همجوشی هسته‌ای ایفا می‌کنند. با این حال، تا پیش از این، اندازه‌گیری مستقیم دمای واقعی چنین موادی خارج از دسترس بود.

آزمایش: بهره‌گیری از لیزرهای پرانرژی در SLAC

مرحله اول: ایجاد شرایط فوق‌العاده

تیم SLAC با تاباندن انرژی بسیار زیاد از طریق یک لیزر پرقدرت به نمونه‌های کوچک طلا آزمایش را آغاز کرد. این فرآیند موجب شد طلا تا چهارده برابر نقطه جوش خود (بیش از ۱۸,۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) داغ شود—دامنه‌ای که هرگز پیش از این مستقیماً اندازه‌گیری نشده بود. پژوهشگران توانستند با این روش برای چند تریلیونیوم ثانیه، گرایش طبیعی طلا به انبساط یا تصعید را به حالت تعلیق درآورده و فلز را در وضعیتی منحصربه‌فرد حفظ کنند.

مرحله دوم: اندازه‌گیری مستقیم دما

در همین مدت کوتاه، نمونه‌های طلا به کمک پالس‌های بسیار درخشان پرتو ایکس از یک لیزر الکترون آزاد برخورد داده شدند. این پرتوها هنگام عبور از طلای فوق‌داغ به شکل الگوهای پراکندگی خاصی بازتاب یافتند. دانشمندان با تجزیه‌وتحلیل دقیق تغییرات انرژی و فرکانس پرتوهای پراکنده شده که نسبت به حرکت اتمی بسیار حساس هستند، موفق شدند برای نخستین بار سرعت و دمای واقعی اتم‌های طلا را در این شرایط بی‌نظیر مستقیماً محاسبه کنند.

دکتر باب نَگلر، دانشمند ارشد SLAC تاکید کرد: «دما یکی از بنیادی‌ترین ویژگی‌های فیزیک و علم مواد است، اما معمولاً فقط اثرات آن را مانند دماسنج جیوه‌ای می‌بینیم. این روش سرانجام اجازه می‌دهد خودِ دما را در این وضعیت‌های شدید مشاهده کنیم.»

به چالش کشیدن نظریه‌های متداول: آیا حدی برای فوق‌داغ‌شدن وجود ندارد؟

حاصل آزمایش نتیجه‌ای شگفت‌آور بود: برخلاف تقریباً یک قرن نظریه پذیرفته‌شده، هیچ حد مشخصی برای فوق‌داغ‌شدن طلا در محدوده آزمایش دیده نشد. در حالی که انتظار می‌رفت نمونه در حدود سه برابر نقطه جوش خود (۱,۰۶۴ درجه سانتی‌گراد) نابود شود، تیم آزمایش شاهد دوام طلا تا دمای خیره‌کننده ۱۸,۷۲۶ درجه سانتی‌گراد بود—یعنی پنج برابر بیشتر از حد نظری—تا در نهایت ساختار آن تخریب شود.

دکتر توماس وایت از دانشگاه نوادا رینو، سرپرست تیم، از شگفتی و شعف تیم پژوهشی گفت: «نتایج را که دیدیم ناچار شدیم دوباره محورها را بررسی کنیم، آنقدر فراتر از انتظار بود که تصور کردیم اشتباهی رخ داده. اما داده‌ها روشن بودند—طلا می‌تواند این شرایط افراطی را، حتی به شکل لحظه‌ای، تحمل کند.»

گرچه نمونه تنها برای چند تریلیونیوم ثانیه پیش از فروپاشی دوام آورد، اما همین فرصت برای ثبت این داده‌های ارزشمند کافی بود و مدل‌های پیشین را به چالش کشید، آغازگر فصل تازه‌ای در علم مواد شد.

پیامدها برای علم، اکتشافات فضایی و انرژی همجوشی

اندازه‌گیری عملی در محیط‌های افراطی

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای این پژوهش، کاربردهای مستقیم آن در شرایط واقعی است. امروزه راکتورهای همجوشی مانند تاسیسات احتراق ملی (NIF) از استوانه‌های طلایی (هوهلراوم) برای تمرکز پرتو ایکس و ایجاد شرایط لازم برای همجوشی هسته‌ای—همان پدیده‌ای که انرژی ستارگان را تامین می‌کند—استفاده می‌کنند. با وجود این، تا کنون اندازه‌گیری دقیق دما در این اجزای حساس با ابهام‌های فراوان همراه بوده است.

دکتر وایت اظهار کرد: «با این روش نوین، برای نخستین بار دماسنج واقعی برای این آزمایش‌های افراطی در اختیار داریم. این پیشرفت می‌تواند طراحی و توسعه راکتورهای همجوشی، بهینه‌سازی سپرهای حرارتی فضاپیما و بررسی دقیق‌تر هسته ستارگان را دگرگون کند.»

نگاهی دوباره به چالش‌های دیرین

اندازه‌گیری دقیق دما درون محفظه‌های همجوشی یا هنگام ورود فضاپیما به جو، همیشه یک مانع فنی جدی بوده است. ابزارهای معمول در این محیط‌های دشوار یا از کار می‌افتند یا داده‌های واقعی ارائه نمی‌دهند. روش ایجاد شده در SLAC، مبتنی بر پراکندگی پرتو ایکس با شدت بالا، می‌تواند به زودی به استاندارد جدید در اندازه‌گیری دما در آزمایشگاه‌های پیشرفته دنیا تبدیل شود.

دیدگاه متخصصان: لذت و شگفتی کشف بنیادین

هیجان در جامعه پژوهشی کاملاً محسوس است. دکتر وایت با طنز گفت: «خوشحالم کاری دارم که می‌توانم برای پیشبرد کشف‌های علمی با لیزرهای پرقدرت به انفجار مواد بپردازم!»

دکتر نَگلر دیدگاهی فلسفی‌تر ارائه داد: «شناخت دما در این سطح دقت، به ما اجازه می‌دهد رفتار ماده را تحت شرایطی که در ستارگان، راکتورهای همجوشی و حتی هسته سیارات وجود دارد، بازتعریف کنیم و افق‌های جدیدی بیافرینیم.»

مسیر پیش رو: گسترش مطالعه مواد در شرایط افراطی

تیم پژوهشی هم‌اکنون روش‌های خود را برای بررسی مواد دیگر چون نقره و آهن در حالت فوق‌داغ توسعه می‌دهد که نتایج اولیه امیدبخشی داشته است. در ماه‌های آینده، آن‌ها به بررسی واکنش انواع فلزها در شرایطی فراتر از محدودیت‌های نظری خواهند پرداخت؛ اقدامی که می‌تواند کتب فیزیک حالت جامد و مهندسی مواد را بازنویسی کند.

همچنین برنامه‌ریزی برای انجام آزمایش‌های متمرکز بر همجوشی هسته‌ای در دست انجام است، تا رفتار مواد همجوشی را مستقیماً و بی‌سابقه مطالعه کنند. هر آزمایش، دانشمندان را یک گام به توسعه رآکتورهای مقاوم‌تر، فضاپیماهای ایمن‌تر و فهم عمیق‌تر از عملکرد جهانی‌ترین محیط‌ها نزدیک‌تر می‌کند.

جمع‌بندی

این آزمایش خارق‌العاده در مرکز SLAC نشان می‌دهد حتی اصول به ظاهر قطعی علمی را می‌توان با فناوری نوآورانه و آزمایش‌های جسورانه بازتعریف کرد. با اندازه‌گیری مستقیم دمای طلای فوق‌داغ فراتر از حد نظری، پژوهشگران علاوه بر کنار زدن مدل‌های قدیمی، مسیر نوینی برای پیشرفت در اکتشافات فضایی، انرژی همجوشی و مطالعات کیهانی گشوده‌اند. همچنان که دانشمندان به کاوش در مرزهای ماده ادامه می‌دهند، یک چیز مسلم است: افق‌های دانش همچنان باز و گسترده باقی مانده‌اند.