نقطة انصهار الألماس كانت خاطئة بأكثر من 1000 درجة، وفقاً لتجربة ليزر جديدة

قياس جديد يهزّ فيزياء الألماس

يُعرف الألماس بأنه أصلب مادة طبيعية على الأرض، لكنه في ظروف قاسية معينة يمكن أن ينصهر. وقد قدّمت دراسة جديدة نُشرت في 13 أغسطس في مجلة Nature Physics أدقّ قياس حتى الآن لنقطة انصهار الألماس، وتشير النتائج إلى أن التجارب السابقة كانت مخطئة بأكثر من 1300 درجة فهرنهايت (700 درجة مئوية). استخدم فريق البحث ليزراً فوق بنفسجي قوي لتسليط الضوء على صفائح صغيرة من الألماس الصناعي، مما أنشأ موجات صدمية انتشرت عبر العينات.

ووفقاً للباحثين، قد تساعد الأرقام الجديدة الأكثر دقة في تحسين تجارب الاندماج النووي ودراسات الكواكب العملاقة. وقد يحلّ هذا العمل أيضاً لغزاً طويل الأمد في فيزياء الألماس استمر لعقدين من الزمن.

لماذا تهمّ نقطة انصهار الألماس

الاندماج النووي هو العملية التي تغذّي النجوم، وهو أيضاً مصدر طاقة محتمل للمستقبل. لتطوير الاندماج، يحتاج الباحثون إلى فهم كيفية تصرف المواد تحت الظروف القاسية التي تنتجها الليزرات القوية. والألماس إحدى هذه المواد. وفهم كيفية استجابة الألماس للموجات الصدمية الناتجة عن الليزرات جزء مهم من تطوير الاندماج النووي.

وقد بذل الباحثون جهداً كبيراً في تطوير نماذج تصف وتتنبأ بكيفية تصرف الألماس. وفي معظم الأحيان، تتطابق البيانات التجريبية والنماذج النظرية بشكل جيد. لكن الألماس غريب. فقد ظهرت بعض التناقضات الغريبة التي لم يتمكن العلماء من تفسيرها. وأكبرها فرق قدره 2240 درجة فهرنهايت (1244 درجة مئوية) — نحو 20% — بين البيانات التجريبية السابقة ودرجات حرارة الانصهار المتوقعة من النماذج للألماس.

كما كان هناك جدل حول ما إذا كان الألماس يعيد ترتيب ذراته إلى نوع مختلف من الكربون الصلب قبل أن يتحول إلى سائل في نهاية عملية الانصهار. وقد كان من الصعب حل هذه التناقضات لأن الظروف التي ينصهر فيها الألماس شديدة للغاية لدرجة أن قياسها في المختبرات على الأرض أمر بالغ الصعوبة.

تحدي قياس نقطة انصهار الألماس

ليس من السهل تحديد نقطة انصهار الألماس بدقة. فدرجات الحرارة والضغوط المطلوبة تتجاوز بكثير الخبرة اليومية، ولا يمكن سوى لليزرات القوية إنشاء الموجات الصدمية اللازمة. وعلى مدى عقدين، سعى العلماء إلى قياس أكثر دقة. وقد تقدّم التجارب الجديدة الحل أخيراً.

في الدراسة، سلّط العلماء ليزراً فوق بنفسجي على صفائح صغيرة من الألماس الصناعي. أنشأ الليزر موجات صدمية قوية لدرجة أنه أثناء مرورها عبر العينات، دُفع الألماس إلى ظروف قاسية. وتمكن الفريق من إذابة الألماس وأخذ بعض من أدقّ القياسات لنقطة انصهار هذا المعدن المراوغة.

وكانت النتيجة مذهلة: كانت التجارب السابقة مخطئة بأكثر من 1300 درجة فهرنهايت (700 درجة مئوية). وهذا تصحيح كبير، وقد يغيّر طريقة نمذجة الباحثين لسلوك الألماس في تجارب الاندماج وفي أعماق الكواكب العملاقة.

كيف عملت تجربة الليزر

اعتمدت التجربة على صفائح ألماس صناعي، سُلّط عليها ليزر فوق بنفسجي. أنتجت نبضات الليزر موجات صدمية انتقلت عبر الألماس. وأثناء مرور الموجات الصدمية عبر العينات، خلقت درجات الحرارة والضغوط القاسية اللازمة لإذابة الألماس. ومن خلال مراقبة عملية الانصهار، حصل العلماء على أدقّ قياس لنقطة انصهار الألماس حتى الآن.

تشير البيانات الجديدة إلى أن القيم التجريبية السابقة كانت بعيدة جداً عن نقطة الانصهار الحقيقية. وقد يساعد هذا الاكتشاف في تفسير سبب اختلاف التجارب السابقة مع النماذج النظرية. وإذا كان القياس الجديد صحيحاً، فقد يقرّب التجارب والنماذج إلى توافق أفضل بكثير.

الآثار على الاندماج وعلوم الكواكب

الاندماج النووي هو العملية التي تغذّي النجوم وهو مصدر طاقة محتمل للمستقبل. وقد بذل الباحثون جهداً كبيراً في تطوير نماذج تصف وتتنبأ بكيفية تصرف الألماس تحت الظروف القاسية التي تنتجها الليزرات. وقد تساعد أرقام أكثر دقة لنقطة انصهار الألماس في تحسين تجارب الاندماج.

يُستخدم الألماس في التجارب التي تُنشئ فيها الليزرات موجات صدمية، وفهم استجابته مهم لتطوير الاندماج. وقد يساعد القياس الجديد أيضاً في دراسات الكواكب العملاقة. يدرس علماء الكواكب أعماق الكواكب العملاقة، حيث قد تؤدي الضغوط ودرجات الحرارة القاسية إلى انصهار مواد مثل الألماس أو تغيّر أطوارها. وقد تؤدي بيانات أفضل عن سلوك انصهار الألماس إلى تحسين تلك النماذج.

وقد تقدّم الدراسة، التي نُشرت في 13 أغسطس في Nature Physics، الحل أخيراً الذي سعى إليه العلماء لعقدين. وقد توافق التجارب الجديدة بين التناقض الطويل الأمد بين البيانات التجريبية والتنبؤات النظرية.

ماذا يعني القياس الجديد

تختلف نقطة الانصهار المصححة بأكثر من 1300 درجة فهرنهايت (700 درجة مئوية) عن القيم التجريبية السابقة. وهذا هامش ضخم، خاصة لمادة مدروسة بعمق مثل الألماس. ويُبرز الاكتشاف كيف يمكن للظروف القاسية أن تكشف فجوات في الفهم العلمي. فحتى أصلب مادة طبيعية على الأرض يمكن أن تفاجئ الباحثين عندما تُدفع إلى حدودها.

وقد يكون للقياس الجديد أيضاً آثار عملية. في أبحاث الاندماج، يُستخدم الألماس في التجارب المدفوعة بالليزر. وإذا كانت نماذج سلوك الألماس مبنية على بيانات انصهار غير صحيحة، فقد تكون التنبؤات لتجارب الاندماج خاطئة. وقد تؤدي البيانات الجديدة إلى نماذج أفضل وتجارب أكثر موثوقية.

وبالنسبة لعلوم الكواكب، قد تساعد نقطة الانصهار المعدلة الباحثين في تفسير أرصاد الكواكب العملاقة. وقد تحتوي أعماق هذه الكواكب على الكربون بأشكال مختلفة، ومعرفة متى ينصهر الألماس مهمة لفهم بنيتها وتطورها.

النقاط الرئيسية

• استخدم العلماء ليزراً فوق بنفسجي لإنشاء موجات صدمية في صفائح ألماس صناعي، مما أنتج أدقّ قياس حتى الآن لنقطة انصهار الألماس.
• يُظهر القياس الجديد أن التجارب السابقة كانت مخطئة بأكثر من 1300 درجة فهرنهايت (700 درجة مئوية).
• قد تحل النتائج تناقضاً طويل الأمد قدره 2240 درجة فهرنهايت (1244 درجة مئوية) بين البيانات التجريبية والنماذج النظرية.
• قد تؤدي بيانات أكثر دقة إلى تحسين تجارب الاندماج النووي ودراسات الكواكب العملاقة.
• نُشرت الدراسة في 13 أغسطس في مجلة Nature Physics.

الخاتمة

قدّمت تجربة الليزر الجديدة تصحيحاً طال انتظاره لنقطة انصهار الألماس. وبعد عقدين من عدم اليقين، قد يكون لدى الباحثين الآن صورة أوضح لكيفية تصرف الألماس تحت ظروف قاسية. وقد يساعد الاكتشاف في دفع أبحاث طاقة الاندماج وتعزيز فهمنا للكواكب العملاقة. وكما تُظهر الدراسة، حتى أكثر المواد ألفة يمكن أن تحمل مفاجآت عند فحصها في أقسى الظروف.

يعتمد هذا المقال على تقرير من Live Science. اقرأ المقال الأصلي.