الفيزيائيون يكتشفون أشكالًا أغرب من الجليد مما كان متوقعًا

الحالة الصلبة للماء تتبين أنها أعقد بكثير مما تبدو عليه

قد يبدو الجليد مألوفًا في درج الفريزر أو على بحيرة شتوية، لكن الفيزيائيين يتعاملون معه بشكل متزايد بوصفه واحدًا من أكثر مواد الطبيعة إثارة للدهشة. ووفقًا لتقرير جديد في Quanta Magazine، حدّد العلماء ثلاثة أنواع جديدة من الجليد خلال العام الماضي وحده، بما في ذلك اثنان من أكثر أطوار الجليد تعقيدًا التي تمت ملاحظتها حتى الآن. وتضيف الاكتشافات إلى فهرس متنامٍ يضم بالفعل أكثر من 20 طورًا معروفًا من الجليد البلوري.

القصة ليست فقط أن للجليد أنواعًا كثيرة. بل إن الماء يبدو قادرًا على تنظيم نفسه في طيف غير عادي من البنى الصلبة تحت ظروف مختلفة. ويقول الباحثون الآن إن المحاكاة الحاسوبية تنبأت بعشرات الآلاف من الأشكال المحتملة للجليد. وهذا لا يعني أن جميعها ستُعثر عليها في المختبر أو في الطبيعة، لكنه يشير إلى أن العلماء كانوا يعملون في مساحة أطوار أغنى بكثير مما سمحت به الافتراضات القديمة.

لماذا يظل الجليد يدهش الفيزيائيين

يكمن السبب في هندسة جزيء الماء نفسه. يصف Quanta كل جزيء ماء بأنه ذرة أكسجين مرتبطة بذرتي هيدروجين، مع وجود زوجين من الإلكترونات الحرة يوسّعان الشكل الفعلي للجزيء إلى ما يشبه أربعة أذرع تفصل بينها القوى الكهرومغناطيسية. وتمنح هذه البنية الماء مرونة غير معتادة في كيفية تنظيمه ضمن ترتيبات بلورية متكررة.

في الجليد العادي، تشكّل هذه الجزيئات بنية سداسية واسعة. وهذا الترتيب المفتوح يجعل الجليد الشائع أقل كثافة من الماء السائل، ولهذا يطفو الجليد ولماذا تتجمد البحيرات من الأعلى إلى الأسفل. لكن تحت الضغط، يمكن للماء أن ينضغط إلى أنماط مختلفة تمامًا. ومع تغيير الحرارة أو الضغط أو سرعة تطبيق هذه الظروف، يمكن للجزيئات أن تستقر في حالات بلورية جديدة.

قال ماريُس ميلو من مختبر لورنس ليفرمور الوطني لـ Quanta إن حتى التغيرات الطفيفة في طريقة ضغط الماء يمكن أن تكشف سلوكًا غير متوقع تمامًا. وتساعد هذه الملاحظة في تفسير سبب تسارع هذا المجال. فمع تحسن التقنيات التجريبية وتخلي الباحثين عن الافتراضات القديمة، يكشفون بنى كانت مخفية سابقًا بسبب صعوبة صنعها أو رصدها.

ثلاثة أشكال جديدة خلال عام

يقول التقرير إن ثلاثة أنواع جديدة من الجليد اكتُشفت خلال العام الماضي. ويصنَّف اثنان منها ضمن أكثر الأطوار تعقيدًا التي شوهدت حتى الآن. ووصف كريس بيكارد من جامعة كامبريدج الفترة الحالية بأنها لافتة، وقال إن الباحثين يعثرون على مزيد من هذه البنى.

وتكتسب هذه الوتيرة أهمية لأن كل طور جديد يختبر التنبؤات النظرية ويصقلها. وقد اشتهر الماء طويلًا بسلوكه الغريب مقارنة بالمواد الأبسط. ومع نمو قائمة أشكال الجليد المؤكدة، يحصل الفيزيائيون على وسيلة أفضل للتحقق مما إذا كانت محاكياتهم تلتقط الإمكانات الحقيقية لتنظيم الجزيئات تحت الظروف القاسية.

كما أن تزايد القائمة يغيّر نبرة المجال. فبدلًا من التعامل مع أطوار الجليد غير العادية بوصفها غرائب نادرة، يتعامل معها العلماء بشكل متزايد كجزء من مشهد أوسع لم يُرسم منه إلا جزء. وإذا كانت المحاكيات التي تشير إلى أعداد هائلة من الأشكال المحتملة صحيحة ولو من حيث الاتجاه، فقد تكون الاكتشافات الحالية مرحلة مبكرة لا خاتمة.

خارج الأرض، قد يكون الجليد الغريب شائعًا

أحد أسباب أهمية هذه النتائج هو أن الجليد غير المألوف على الأرض قد لا يكون غير مألوف في أماكن أخرى. ويشير Quanta إلى أن الجليد الغريب قد يوجد في بيئات تتراوح من ذيول المذنبات الباردة غير المتبلورة إلى الأعماق الحارقة الساحقة للكواكب الجليدية. وبعبارة أخرى، فإن دراسة أطوار الماء القصوى في المختبر هي أيضًا طريقة للتفكير في باطن الكواكب والظروف خارج الأرض.

وهذا يوسّع أهمية ما قد يبدو للوهلة الأولى قصة متخصصة في علم المواد. فالماء من أكثر المواد ألفة في الحياة اليومية، لكن سلوكه تحت ظروف غريبة قد يساعد الباحثين على فهم أماكن يتعذر الوصول إليها ماديًا. وكلما أصبحت خريطة أطوار الجليد المحتملة أكثر اكتمالًا، صار العلماء أقدر على تفسير ما يحدث داخل عوالم بعيدة حيث يتفاعل الضغط والحرارة بطرق غير مألوفة.

وتلتقط عبارة “space oddity” في تقرير Quanta هذا التقاطع على نحو جيد. فالجليد ليس مجرد مادة منزلية أو حتى جيولوجية. إنه بشكل متزايد مادة كوكبية قد تكون أشكاله الغريبة جزءًا من بنية النظام الشمسي.

مجال فتحته طرق أفضل

تؤكد القصة أيضًا إلى أي مدى يعتمد الاكتشاف على المنهج. وينسب التقرير التقدم الأخير إلى تحسين التقنيات التجريبية والرغبة في تجاوز الافتراضات القديمة. كان للماء دائمًا التركيب الجزيئي نفسه. ما تغير هو قدرة العلماء على دفعه إلى نظم جديدة والتعرف على ما يتشكل هناك.

وهكذا تتقدم عادةً المجالات العلمية الناضجة. فالمادة التي يظن الجميع أنهم يعرفونها تصبح غريبة من جديد حين تتحسن الأدوات. وفي هذه الحالة، يكتشف الباحثون أن الماء تحت الضغط لا يختلف فقط في الدرجة، بل يمكن أن ينظم نفسه باختلاف في النوع أيضًا.

لذلك تمثل الاكتشافات أكثر من مجرد إضافات إلى فهرس. إنها تشير إلى تحول في مدى انفتاح فيزياء الجليد الآن. والصورة القديمة للجليد كمادة واحدة أو مستقرة إلى حد كبير تفسح المجال أمام عائلة واسعة من الاحتمالات البلورية.

المعنى الأكبر لمادة بسيطة

هناك شيء مفيد علميًا ولافت فلسفيًا في فكرة أن واحدة من أشهر جزيئات الأرض ما تزال تكشف مفاجآت أساسية. يبقى الماء في صميم الكيمياء والمناخ والأحياء وعلوم الكواكب. ومع ذلك، ما تزال أشكاله الصلبة تُكتشف بوتيرة تثير إعجاب الخبراء أنفسهم.

ولهذا تهم أحدث الاكتشافات إلى ما يتجاوز تفاصيلها التقنية المباشرة. فهي تُظهر أن البنية يمكن أن تختبئ على مرأى من العين حتى تكشفها الظروف والأدوات المناسبة، حتى في المواد المألوفة. ومع الإبلاغ عن ثلاثة أنواع جديدة من الجليد خلال العام الماضي، ومع الإشارات المحاكاة إلى احتمال وجود المزيد، فإن الفيزيائيين لا يواصلون تنقيح علم الجليد فحسب، بل يعيدون فتحه.

هذه المقالة مبنية على تقرير Quanta Magazine. اقرأ المقال الأصلي.