دانشمندان «طلا» را به اندازه «خورشید» حرارت دادند؛ چرا طلا ذوب نشد؟
یک تکه نازک طلا با حرارت‌دهی سریع به دمای ۳۳٬۷۴۰ درجه فارنهایت رسید که بیش از ۱۴ برابر نقطه ذوب آن است و در کمال شگفتی، ذوب نشد.
فرادید| پژهشگران به تازگی نمونه جامدی از طلا را تا دمای ۳۳٬۷۴۰ درجه فارنهایت (بیش از ۱۸ هزار درجه سانتیگراد و دمایی بالاتر از سطح خورشید) حرارت دادند، آن هم بدون اینکه ذوب شود. این پدیده که «فوق‌داغ شدن» (superheating) نام دارد، به‌خودی‌خود بسیار شگفت‌انگیز است، اما این پژوهش دو دستاورد مهم دیگر هم داشته: نخست، برای نخستین بار دانشمندان توانستند چنین دمای سوزانی را مستقیم اندازه‌گیری کنند و دوم، آن‌ها پیش‌بینی قدیمی درباره مرز داغ شدن مواد جامد را رد کردند.
به گزارش فرادید، اندازه‌گیری دمای اجسام بسیار داغ از جمله «ماده متراکم و داغ» مانند پلاسمای خورشید، هسته سیارات و راکتورهای همجوشی ساخت انسان، بسیار دشوار است. تاکنون این دماها با خطاهای بزرگ تخمین زده می‌شدند، اما حالا دیگر نه.
مفهوم کلیدی: فوق‌داغ شدن چیست؟
«فوق‌داغ شدن» زمانی رخ می‌دهد که یک جامد از نقطه ذوب خود فراتر رفته اما همچنان جامد باقی می‌ماند یا وقتی مایعی از نقطه جوش عبور می‌کند بدون اینکه بخار شود.
برپایه پژوهشی که به تازگی در نشریه Nature منتشر شده، تیمی بین‌المللی از دانشمندان، با استفاده از لیزر، لایه بسیار نازکی از طلا (تنها ۵۰ نانومتر ضخامت) را فوق‌داغ کردند. سپس، با پالس پرقدرتی از پرتو ایکس به این نمونه شلیک کردند. این پرتوها از اتم‌های لرزان و داغ طلا بازتاب یافتند و با اندازه‌گیری تغییر فرکانس پرتوهای ایکس بازتاب‌یافته، پژوهشگران توانستند سرعت و دمای اتم‌های طلا را اندازه‌گیری کردند.
توماس وایت، فیزیک‌دان دانشگاه نِوادا و نویسنده اصلی مقاله، گفته: «دمای طلا به‌راستی ما را شگفت‌زده کرد. وقتی دیدیم دمای آن چقدر بالا رفته، شوکه شدیم.»
دلیل این شگفتی به نظریه‌ای وابسته است که از دهه ۱۹۸۰ رایج بوده: بر پایه آن، دمای فوق‌داغ برای جامدها نمی‌تواند بیش از سه برابر نقطه ذوبشان باشد. این مرز که به آن «فاجعه آنتروپی» می‌گویند، نقطه‌ای است که ماده خودبه‌خود باید ذوب شود.
گرچه برخی پژوهش‌های پیشین نشان داده بودند که می‌توان با حرارت‌دهی بسیار سریع از این محدودیت عبور کرد، اما همچنان «فاجعه آنتروپی» مرزی نهایی درنظر گرفته میشد. به گفته وایت: «باور عمومی این بود که این مرز، پایان ماجراست.»
اما در این آزمایش، نمونه طلا با رسیدن به ۱۹٬۰۰۰ کلوین، بیش از ۱۴ برابر نقطه ذوب خود (۱۳۰۰ کلوین) داغ شد و همچنان جامد ماند. دانشمندان باور دارند سرعت بالای گرمایش اجازه نداده طلا منبسط شود یا ساختارش را از دست بدهد. این حرارت بسیار بالا تنها در ۴۵ فمتوثانیه (۴۵ میلیونیم یک میلیاردیم ثانیه) اعمال شد.
سَم وینکو، فیزیک‌دان دانشگاه آکسفورد گفته: «پرسش جالب اینست: آیا ممکن است بتوان تمام قوانین ترمودینامیک را شکست داد، تنها با این روش که آن‌قدر سریع عمل کنیم که ترمودینامیک فرصت اثرگذاری نداشته باشد؟»
با این حال، پژوهشگران تأکید دارند که قانون دوم ترمودینامیک که می‌گوید بی‌نظمی (آنتروپی) در گذر زمان افزایش می‌یابد، همچنان برقرار است. وایت توضیح می‌دهد: «اتم‌های طلا پیش از آنکه فرصتی برای بی‌نظم شدن داشته باشند، به دمای نهایی رسیدند.»
اما حالا دانشمندان با پرسشی مواجه شده‌اند که گمان می‌کردند دهه‌ها پیش پاسخ آن را یافته‌اند: به راستی یک ماده چقدر می‌تواند داغ شود پیش از آنکه ذوب شود؟ شاید اگر فرآیند حرارت‌دهی به قدر کافی سریع باشد، هیچ حد روشنی وجود نداشته باشد.
بدون روش نوآورانه این تیم، پاسخ چنین پرسشی بسیار دشوارتر بود. باب ناگلر، می‌گوید: «بزرگ‌ترین دستاورد این پژوهش شاید اینست که ما حالا روشی بسیار دقیق برای اندازه‌گیری چنین دماهایی در اختیار داریم.»
پژوهش نالگر و همکارانش می‌تواند راه پروهش‌های بیشتر درباره ماده‌های متراکم و داغ را باز کند، مانند شبیه‌سازی ساختار درونی سیارات و راکتورهای همجوشی.
مترجم: زهرا ذوالقدر
