भौतिकशास्त्रज्ञ अपेक्षेपेक्षा अधिक विचित्र बर्फरूपे शोधत आहेत

पाण्याची घन अवस्था दिसते त्यापेक्षा खूपच कमी साधी ठरत आहे

फ्रीझरच्या ट्रेमध्ये किंवा हिवाळ्यातील सरोवरावर बर्फ ओळखीचा वाटू शकतो, पण भौतिकशास्त्रज्ञ त्याकडे निसर्गातील सर्वात आश्चर्यकारक पदार्थांपैकी एक म्हणून वाढत्या प्रमाणात पाहत आहेत. Quanta Magazine च्या एका नव्या अहवालानुसार, शास्त्रज्ञांनी फक्त गेल्या एका वर्षात बर्फाचे तीन नवे प्रकार ओळखले आहेत, ज्यात आतापर्यंत पाहिलेल्या सर्वात गुंतागुंतीच्या बर्फ अवस्थांपैकी दोन समाविष्ट आहेत. या शोधांमुळे आधीच वाढत असलेल्या नोंदींत भर पडते, ज्यात स्फटिकी बर्फाच्या 20 पेक्षा अधिक ज्ञात अवस्था समाविष्ट आहेत.

कथा केवळ इतकी नाही की बर्फाचे अनेक प्रकार आहेत. महत्त्वाचे म्हणजे, पाणी वेगवेगळ्या परिस्थितींमध्ये स्वतःला असाधारण विस्तृत घन संरचनांमध्ये संघटित करू शकते. संगणकीय सिम्युलेशनने बर्फाच्या संभाव्य रूपांची दहा हजारांहून अधिक मोजणी केली आहे, असे संशोधक आता म्हणतात. याचा अर्थ ते सर्व प्रयोगशाळेत किंवा निसर्गात सापडतीलच असे नाही. पण यावरून हे सूचित होते की शास्त्रज्ञ जुनी गृहीतके मान्य करत होते त्यापेक्षा खूपच समृद्ध phase space मध्ये काम करत आहेत.

बर्फ भौतिकशास्त्रज्ञांना सतत का चकित करते

याचे कारण पाण्याची भूमिती आहे. Quanta नुसार, प्रत्येक पाण्याच्या रेणूमध्ये दोन हायड्रोजन अणूंना जोडलेला एक ऑक्सिजन अणू असतो, आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन्सच्या दोन जोड्या रेणूच्या परिणामकारक आकाराला विद्युतचुंबकीय बलांनी वेगळे ठेवलेल्या चार भुजांसारख्या रूपात विस्तारतात. ती रचना पाण्याला पुनरावृत्ती होणाऱ्या स्फटिकी मांडणीत कसे संघटित व्हायचे याबाबत विलक्षण लवचिकता देते.

सामान्य बर्फात हे रेणू प्रशस्त षट्कोनी संरचना तयार करतात. ही खुली मांडणी सामान्य बर्फाला द्रव पाण्यापेक्षा कमी घन बनवते, म्हणून बर्फ तरंगतो आणि तलाव वरून खालच्या दिशेने गोठतात. पण दाबाखाली पाणी खूप वेगळ्या पद्धतीने संकुचित होऊ शकते. तापमान बदला, दाब बदला, किंवा त्या परिस्थिती लागू होण्याचा वेग बदला, आणि रेणू नव्या स्फटिकी अवस्थांमध्ये स्थिरावू शकतात.

Lawrence Livermore National Laboratory चे Marius Millot यांनी Quanta ला सांगितले की पाणी संकुचित करण्याच्या पद्धतीतले सूक्ष्म बदलही पूर्णपणे अनपेक्षित वर्तन उघड करू शकतात. ही टिप्पणी क्षेत्राने इतक्या वेगाने का प्रगती केली आहे, हे स्पष्ट करते. संशोधक प्रायोगिक तंत्रे सुधारत आहेत आणि जुन्या गृहितकांपलीकडे जात आहेत, त्यामुळे पूर्वी तयार करणे किंवा ओळखणे कठीण असलेल्या संरचना उघड होत आहेत.

एका वर्षात तीन नवे प्रकार

अहवालानुसार, गेल्या वर्षात बर्फाचे तीन नवे प्रकार शोधले गेले आहेत. त्यापैकी दोन आतापर्यंत पाहिलेल्या सर्वात गुंतागुंतीच्या अवस्थांमध्ये मोडतात. Cambridge University चे Chris Pickard यांनी सध्याच्या काळाला उल्लेखनीय असे संबोधले आणि संशोधक अशा संरचनांपैकी बऱ्याच अधिक शोधत असल्याचे सांगितले.

हा वेग महत्त्वाचा आहे, कारण प्रत्येक नवी अवस्था सैद्धांतिक भाकितांची परीक्षा घेते आणि त्यांना अधिक अचूक करते. पाणी दीर्घकाळ साध्या पदार्थांच्या तुलनेत विचित्र वर्तनासाठी कुख्यात राहिले आहे. सत्यापित बर्फरूपांची यादी वाढत असताना, भौतिकशास्त्रज्ञांना त्यांच्या सिम्युलेशनमध्ये अतिशय परिस्थितींमध्ये रेणूंच्या संघटनाच्या खऱ्या शक्यता पकडल्या जातात का, हे तपासण्याचा अधिक चांगला मार्ग मिळतो.

वाढत चाललेली ही नोंद क्षेत्राच्या स्वरूपातही बदल घडवत आहे. असामान्य बर्फ अवस्थांना दुर्मीळ कुतूहल मानण्याऐवजी, शास्त्रज्ञ आता त्यांना अजूनही फक्त अंशतः नकाशित झालेल्या विस्तृत परिदृश्याचा भाग मानू लागले आहेत. संभाव्य रूपांची प्रचंड संख्या दाखवणारी सिम्युलेशन दिशा म्हणूनही बरोबर असतील, तर सध्याचे शोध अंतिम निष्कर्ष नसून प्रारंभिक टप्पा दर्शवत असावेत.

पृथ्वीपलीकडे, विचित्र बर्फ सामान्य असू शकतो

या शोधांचे महत्त्व असे की पृथ्वीवर दुर्मीळ असलेला बर्फ इतरत्र दुर्मीळ नसेल. Quanta नुसार, थंड, अमोर्फस धूमकेतूंच्या शेपट्यांपासून ते बर्फाळ ग्रहांच्या गरम, दाबाने चिरडलेल्या अंतर्भागांपर्यंतच्या वातावरणात विचित्र बर्फ अस्तित्वात असू शकतो. दुसऱ्या शब्दांत, पाण्याच्या अतिशय अवस्थांचा प्रयोगशाळेतील अभ्यास हा ग्रहांच्या अंतर्भागांबद्दल आणि पृथ्वीबाह्य परिस्थितींबद्दल विचार करण्याचा मार्गही आहे.

यामुळे अन्यथा एका मर्यादित साहित्य-विज्ञान कथेसारखी वाटणाऱ्या गोष्टीचे महत्त्व वाढते. पाणी हे दैनंदिन जीवनातील सर्वात परिचित पदार्थांपैकी एक आहे, पण परक्या परिस्थितींमध्ये त्याचे वर्तन भौतिकदृष्ट्या अप्राप्य ठिकाणे समजून घेण्यास मदत करू शकते. शक्य असलेल्या बर्फ अवस्थांचा नकाशा जितका पूर्ण होईल, तितक्या चांगल्या प्रकारे शास्त्रज्ञ दूरच्या जगांमध्ये काय घडते, हे समजू शकतील, जिथे दाब आणि तापमान विचित्र रीतीने एकत्र येतात.

Quanta अहवालातील “space oddity” हा शब्दप्रयोग हे छान पकडतो. बर्फ हा केवळ घरगुती पदार्थ नाही, किंवा केवळ भूभौतिकीय पदार्थही नाही. तो अधिकाधिक ग्रहांशी संबंधित पदार्थ बनत चालला आहे, ज्याच्या विचित्र रूपांचा सौरमालेच्या रचनेत सहभाग असू शकतो.

उत्तम पद्धतींनी उघडलेले क्षेत्र

ही कथा हेही दाखवते की शोध किती प्रमाणात पद्धतीवर अवलंबून असतो. अहवाल अलीकडील प्रगतीचे श्रेय सुधारलेल्या प्रायोगिक तंत्रांना आणि कालबाह्य गृहितकांपलीकडे जाण्याच्या तयारीला देतो. पाण्याची रेणू-रचना नेहमी तीच होती. बदलले ते म्हणजे संशोधकांची त्याला नव्या अवस्थांमध्ये ढकलण्याची आणि तिथे काय निर्माण होते ते ओळखण्याची क्षमता.

प्रगल्भ वैज्ञानिक क्षेत्रे बहुतेक वेळा याच प्रकारे पुढे जातात. सर्वांना माहीत आहे असे वाटणारे द्रव्य, साधने सुधारल्यावर पुन्हा अपरिचित वाटू लागते. या प्रकरणात संशोधकांना असे आढळत आहे की दाबाखाली पाणी केवळ प्रमाणात नव्हे, तर प्रकारातही वेगळ्या पद्धतीने संघटित होऊ शकते.

म्हणून हे शोध केवळ नोंदीत भर घालणारे नाहीत. ते बर्फाच्या भौतिकशास्त्राबद्दल आता किती खुली शक्यता दिसत आहे, यातील बदल दर्शवतात. बर्फ एका एकमेव किंवा बर्‍यापैकी निश्चित पदार्थापासून विस्तीर्ण स्फटिकी शक्यतांच्या कुटुंबाकडे वळताना दिसत आहे.

साध्या पदार्थाचा मोठा अर्थ

पृथ्वीवरील सर्वात परिचित रेणूंमधला एक अजूनही मूलभूत आश्चर्ये देत आहे, या कल्पनेत वैज्ञानिक उपयुक्तताही आहे आणि तत्त्वज्ञानात्मकदृष्ट्याही काहीतरी ठळक आहे. पाणी रसायनशास्त्र, हवामान, जीवशास्त्र आणि ग्रहविज्ञानासाठी मध्यवर्ती आहे. तरीही त्याची घन रूपे अजूनही तज्ज्ञांनाही उल्लेखनीय वाटतील अशा गतीने उलगडत आहेत.

म्हणूनच ताज्या शोधांचे महत्त्व त्यांच्या तात्कालिक तांत्रिक तपशीलांपलीकडे जाते. परिचित पदार्थांमध्येही रचना योग्य परिस्थिती आणि साधने येईपर्यंत डोळ्यांसमोर लपलेली राहू शकते, हे ते दाखवतात. गेल्या वर्षात बर्फाचे तीन नवे प्रकार नोंदवले गेले असून, सिम्युलेशन अधिक अनेक शक्यता सूचित करत असल्याने, भौतिकशास्त्रज्ञ केवळ बर्फाचे विज्ञान सुधारत नाहीत. ते ते पुन्हा उघडत आहेत.

हा लेख Quanta Magazine च्या वार्तांकनावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.