گرمایش بی‌سابقه طلا با لیزر: کشفی که مدل‌های قدیمی فیزیک را به چالش کشید

گرمایش طلا تا دمای بی‌سابقه

در این پژوهش، نمونه‌ای از طلا تا دمای ۱۸۷۲۶ درجه سانتی‌گراد گرم شد که تقریباً ۱۴ برابر نقطه جوش آن (۱۰۶۴ درجه سانتی‌گراد) است. این دما بسیار فراتر از پیش‌بینی‌های نظریه قدیمی «فاجعه آنتروپی» بود که معتقد بود طلا نباید بیش از سه برابر نقطه جوش خود گرم شود و پس از آن باید کاملاً متلاشی شود. این نتایج شگفت‌انگیز، پژوهشگران را به این فکر انداخت که شاید قوانین فیزیک را نقض کرده‌اند، اما در نهایت مشخص شد که تنها یک نظریه قدیمی در شیمی فیزیک را رد کرده‌اند.

این آزمایش نشان داد که در شرایط خاص، طلا ممکن است هیچ محدودیتی برای گرمایش نداشته باشد. این کشف می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای در حوزه‌هایی مانند فضا، اخترفیزیک و شیمی هسته‌ای داشته باشد.

روش اندازه‌گیری دما

برای دستیابی به این نتایج، پژوهشگران از یک روش دو مرحله‌ای استفاده کردند:

• مرحله اول: ابتدا با استفاده از لیزر، طلا را تا حدی گرم کردند که ویژگی طبیعی آن برای انبساط مهار شد.
• مرحله دوم: سپس با پرتوهای پرقدرت ایکس، نمونه را مورد هدف قرار دادند. با تحلیل تغییرات ایجاد شده در بسامد این پرتوها پس از برخورد به اتم‌های طلا، دمای دقیق ماده محاسبه شد.

ابزار اصلی این آزمایش، دستگاهی به نام «شرایط ماده در وضعیت‌های شدید» بود که در آزمایشگاه ملی SLAC برای بررسی ماده در دماها و چگالی‌های بسیار بالا، مشابه مرکز ستارگان و سیارات غول‌پیکر، طراحی شده است.

توماس وایت، نویسنده اصلی مقاله و فیزیک‌دان دانشگاه نوادا، در گفت‌وگویی اظهار داشت: «وقتی به داده‌ها نگاه کردیم، یکی از اعضای تیم گفت: صبر کنید، این محور درست هست؟ این واقعاً دماش این‌قدر زیاد شده؟»

این وضعیت فوق‌داغ تنها چند تریلیونیم ثانیه دوام آورد و پس از آن طلا منفجر شد، اما همین مدت زمان کوتاه برای انجام اندازه‌گیری کافی بود. وایت افزود: «اگر بتوانیم جلوی انبساط را بگیریم، از نظر تئوری می‌شود این ماده را تا همیشه گرم نگه داشت.»

اهمیت اندازه‌گیری مستقیم دما

باب ناگلر، پژوهشگر ارشد پروژه، توضیح داد که گرچه دمای ماده از مفاهیم قدیمی در فیزیک است، اما اندازه‌گیری مستقیم آن همیشه دشوار بوده است. در شرایط شدید مانند درون ستاره‌ها، نوک فضاپیما یا راکتورهای همجوشی، تعیین دقیق دما بسیار پیچیده می‌شود.

ناگلر می‌گوید: «برای بازسازی این شرایط در آزمایشگاه باید دمای واقعی سیستم مورد نظر را بدانیم، وگرنه آزمایش‌ها اعتباری نخواهند داشت. او این وضعیت را شبیه معضل مرغ و تخم‌مرغ توصیف می‌کند.»

توماس وایت هیجان‌انگیزترین بخش این پژوهش را داشتن یک «دماسنج واقعی» برای آزمایش‌های آینده دانست. او به کاربرد این روش در مرکز احتراق ملی در آزمایشگاه لارنس لیورمور اشاره کرد که از سیلندرهای طلایی برای انجام آزمایش‌های همجوشی استفاده می‌شود. توانایی اندازه‌گیری دمای مواد در شرایط همجوشی، سوالی بی‌پاسخ در فیزیک برای سال‌ها بوده است.

آینده پژوهش

این تیم هم‌اکنون در حال بررسی همین روش روی فلزاتی مانند نقره و آهن است و نتایج اولیه نشان‌دهنده داده‌های امیدبخش هستند. به نظر می‌رسد این پروژه وارد مرحله‌ای جدی و داغ در پیشبرد علم فیزیک شده است.