پیشگامان علم فیزیک و انقلاب در اندازهگیری دما
هنر فیزیک تجربی با آزمایش شگفتانگیز اخیر در آزمایشگاه ملی SLAC در ایالات متحده یک گام بلند دیگر برداشت. در این مطالعه، پژوهشگران موفق شدند برای نخستین بار دمای ذرات طلای فوقداغ را با بهرهگیری از لیزرهای ایکس عظیم به شکلی مستقیم اندازهگیری کنند—دستآوردی که میتواند تحول چشمگیری در حوزههایی چون مهندسی سفینههای فضایی، فیزیک ستارهای و فناوری رآکتورهای همجوشی هستهای ایجاد کند.
زمینه علمی و چالشهای اساسی
طلای خالص با دمای جوش ۱٬۰۶۴ درجه سلسیوس (۱٬۹۴۸ درجه فارنهایت) شناخته میشود، اما دانشمندان در این پژوهش مرزهای علم را جابهجا کردند. با هدایت لیزرهای قدرتمند و باریکههای بسیار قوی اشعه ایکس، آنها نمونه طلا را تا ۱۴ برابر بالاتر از نقطه جوش معمولش (یعنی حدود ۱۸٬۷۲۶ درجه سلسیوس) گرم کردند. این رفتار، پدیده «فوقگرمایش» نامیده میشود که ماده را به حالتی عجیب بین جامد و مایع میبرد. به گفته محققان، یافتهها حاکی است که طلا در شرایط خاص ممکن است حتی هیچ مرز مشخصی برای فوقگرمایش نداشته باشد—ادعایی که میتواند تأثیرات شگرفی بر صنایع پیشرفته و پژوهشهای فضایی و هستهای داشته باشد.
شکستن قاعدهای دیرپا در فیزیک
برای دههها، نظریههای پذیرفتهشده فیزیک بر آن بودند که مواد، از جمله طلا، نمیتوانند به بیش از سه برابر نقطه جوش خود گرما داده شوند؛ فراتر از این مقدار، آنتروپی (بینظمی) چنان بالا میرود که اصطلاحاً «انفجار آنتروپیک» روی میدهد و ماده متلاشی میشود. اما نتیجه این آزمایش، این مدل را نقض کرد و نشان داد که با فنون صحیح، میتوان طلا را به دماهایی بسیار بالاتر از پیشبینیها رساند.
شرح آزمایش و فناوریهای مورد استفاده
پژوهشگران پروژه با اتخاذ رویکردی دو مرحلهای، نخست نمونهای از طلا را با لیزر فوققدرتمند حرارت دادند و با مهار تمایل طبیعی طلا برای انبساط، آن را در حالت پایدار نگه داشتند. سپس، با اعمال پرتوی اشعه ایکس فوقدرخشان به سطح طلا و بررسی پراکندگی و تغییرات فرکانسی این پرتو پس از برخورد با اتمهای طلا، موفق به تعیین دقیق سرعت و دمای ذرات شدند.
به قول توماس وایت، نویسنده اصلی مقاله و فیزیکدان دانشگاه نوادا: «ما به دادهها نگاه کردیم و ناگهان کسی گفت، ‘صبر کنید. این محور درست است؟ این دما واقعاً بالاست، نیست؟’»
حالت فوقگرمشده طلا تنها چند تریلیونیوم ثانیه باقی ماند و به سرعت انفجار رخ داد، اما همین مدت کوتاه برای انجام اندازهگیریهای علمی کافی بود. همچنین، تیم اثبات کرد که اگر بتوان از گسترش ماده جلوگیری کرد، شاید بتوان آن را پایدارتر نگه داشت و حتی به دماهای بالاتر رساند.
انقلاب در ابزارهای سنجش دما
باب ناگلر، فیزیکدان و همکار ارشد پروژه در SLAC توضیح میدهد: «جالب اینجا است که دما یکی از قدیمیترین کمیتهای فیزیکی و شناختهشده برای انسانهاست، اما ما هیچگاه دمای ذاتی را مستقیماً اندازهگیری نمیکنیم؛ بلکه همیشه اثری را که دما بر یک ویژگی دیگر میگذارد (مانند انبساط جیوه در دماسنج) میسنجیم.» این روش نوین میتواند راهگشایی برای اندازهگیری مستقیم دمای موادی باشد که در شرایط غیراستاندارد و فوقگرم مانند مرکز ستاره، نوک فضاپیماها یا رآکتورهای همجوشی قرار دارند.
پیامدها برای علم و فناوریهای پیشرفته
دقت در اندازهگیری مستقیم دما اهمیت زیادی برای پیشبرد دانش بشری دارد، زیرا بسیاری از فرآیندهای علمی و مهندسی پیشرفته مستقیماً تابع دمای ماده هستند، به ویژه مواردی که در فشارها و چگالیهای بسیار بالا رخ میدهد و سنجش غیرمستقیم در آنها با خطا همراه است.
پژوهشگران بر این باورند که تکنیک ابداعی آنها میتواند نهتنها برای طلا بلکه برای مواد دیگری مانند نقره و آهن نیز مورد استفاده قرار گیرد و فهم ما را از رفتار ماده در شرایط شدید افزایش دهد—موضوعی که به ویژه برای طراحی نسل جدید رآکتورها و مأموریتهای فضایی بسیار حیاتی خواهد بود.
نمونه کاربردی: آزمایش همجوشی هستهای و اندازهگیری دما
ناگلر تصریح میکند: «در مراکز پیشرفتهای چون مرکز ملی احتراق ایالات متحده، سیلندر طلایی به عنوان محفظهای برای انجام آزمایشهای همجوشی هستهای استفاده میشود؛ اشعههای ایکس به سیلندر طلا تابانده شده و فرآیند همجوشی را آغاز میکنند. با روش جدید، قادر خواهیم بود به طور دقیق دمای واقعی ماده در این مراحل بحرانی را سنجش کنیم—سؤالی که دیرزمانی است فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است.»
دورنما و ادامه تحقیقات
تیم پژوهشی با شوق فراوان اعلام کرد که اعمال این روش روی نقره و آهن نیز نتایج امیدوارکنندهای به همراه داشته و در ماههای آینده تحقیقات روی این مواد ادامه خواهد یافت. تحلیل دادههای جدید ممکن است فهم بشر از رفتار مواد تحت شرایط پرفشار و دمای فوقالعاده را عمیقتر سازد و راهبردهای جدیدی برای مهندسی مواد مقاوم یا طراحی سپرهای فضایی فراهم آورد.
توماس وایت جمعبندی کرد: «هیجانانگیزترین نکته این است که حالا برای تمام این آزمایشهای عجیب و غریبمان، یک دماسنج واقعی داریم!»
نتیجهگیری
آزمایش اخیر فیزیکدانان در SLAC، با بهرهگیری از لیزرهای غولآسا و فناوری روز پرتوی ایکس، نه تنها یکی از مدلهای قدیمی رفتار مواد در دماهای شدید را به چالش کشید بلکه ابزار جدید و دقیقی برای سنجش دما در شرایط غیرعادی در اختیار دانشمندان قرار داد. این دستاورد میتواند انقلابی در علوم مواد، فناوری فضایی و تحقیقات همجوشی هستهای رقم بزند و زمینهساز نوآوریهای بیشتر در مهندسی مواد پیشرفته و اکتشافات علمی شود.