4 Minuten
Taisyklių perrašymas: aukso temperatūros matavimas naudojant galingus lazerius
Tarptautinių fizikų komanda SLAC Nacionalinėje Akceleratorių Laboratorijoje atliko išskirtinį eksperimentą, kuris gali kardinaliai pakeisti pagrindines fizikos sąvokas. Pirmą kartą pasaulyje tiesiogiai išmatuota aukso temperatūra esant itin ekstremalioms sąlygoms, pasitelkus moderniausią rentgeno lazerį. Šis atradimas, aprašytas žurnale „Nature“, ne tik praplečia mūsų supratimą apie medžiagos elgesį didelėje kaitroje ir slėgyje, bet ir žada inovacinius pritaikymus branduolinės sintezės technologijose, kosminių laivų projektavime bei astrofizikoje.
Mokslinis pagrindas: medžiagų stūmimas už ribų
Ilgą laiką mokslininkai buvo priversti naudotis teoriniais modeliais, prognozuojančiais, kaip metalai, įskaitant auksą, elgiasi superkaitintose bei didelio slėgio būsenose. Auksas, visame pasaulyje žinomas ir vertinamas elementas, buvo laikomas turinčiu superkaitimo ribą – maždaug tris kartus viršijančią jo virimo tašką pagal įprastus fizikinės chemijos dėsnius. Buvo manoma, kad šią ribą peržengus, auksas neišvengiamai sugrius dėl vadinamosios entropinės katastrofos.
Superkaitintos medžiagos, būdingos būsenos tarp kieto ir skysto, yra esminės tiriant ekstremaliausias Visatos sąlygas – nuo žvaigždžių gelmių iki šiluminių skydo dangų kosminiuose laivuose ar plazmos branduolinės sintezės reaktoriuose. Tačiau iki šiol mokslininkams nepavyko tiesiogiai išmatuoti tokių medžiagų tikrosios temperatūros.
Eksperimentas: lazerių galia SLAC laboratorijoje
1 žingsnis: ekstremalių sąlygų sukūrimas
SLAC tyrėjai mažas aukso plokšteles apšvitino itin galingu lazeriu, sukeldami net keturiolika kartų didesnę nei aukso virimo temperatūra (daugiau kaip 18 700°C). Šio proceso metu pavyko trumpam sustabdyti natūralią aukso tendenciją plėstis ar išgaruoti – metalas atsidūrė ypatingoje, nestabilioje būsenoje vos kelioms trilijoninėms sekundės dalims.
2 žingsnis: tiesioginis temperatūros matavimas
Šioje unikalioje būsenoje auksas buvo apšvitintas ultraryškiais rentgeno impulsais iš laisvųjų elektronų lazerio. Rentgeno spinduliai, sąveikaudami su superkaitintu auksu, išsisklaidė būdingais raštais. Kruopščiai išanalizavę išsklaidyto rentgeno energijos ir dažnio pokyčius – itin jautrius atomų judėjimui – mokslininkai pirmą sykį galėjo tiesiogiai apskaičiuoti realų aukso atomų greitį ir temperatūrą itin ekstremaliomis sąlygomis.
„Temperatūra yra pamatinė fizikos ir medžiagų mokslų savybė, tačiau iki šiol ją matavome tik netiesiogiai, kaip, pavyzdžiui, gyvsidabrio termometru“, – aiškina pagrindinis autorius Dr. Bobas Nagleris, SLAC darbuotojas. „Pagaliau galime pačią temperatūrą stebėti tokiomis ekstremaliomis sąlygomis.“
Iššūkis nusistovėjusiai teorijai: ar nėra superkaitimo ribos?
Eksperimento rezultatai sukėlė tikrą sensaciją: priešingai nei beveik šimtmetį priimta teorija, šiose sąlygose auksui nebuvo nustatyta aiški superkaitimo riba. Nors buvo laukta, kad pavyzdys subyrės jau pasiekęs tris kartus didesnę nei virimo tašką (1 064°C), auksas atlaikė net iki 18 726°C – tai penkis kartus viršijo teorinį maksimumą, kol struktūra galiausiai suiro.
Svarbiausias tyrėjas, dr. Thomasas White iš Nevados universiteto Reno sakė: „Žiūrėjome į savo rezultatus ir net kelis kartus tikrinome ašes – jie buvo taip už mūsų lūkesčių ribų, kad manėme, jog tai klaida. Tačiau duomenys buvo aiškūs – auksas ištveria šias ribas, bent jau akimirksniu.“
Nors pavyzdys egzistavo vos trilijonines sekundės dalis prieš suirtį, to pakako, kad būtų užfiksuoti precedento neturintys duomenys, galintys radikaliai pakeisti medžiagų mokslo modelius.
Praktinė svarba: nuo kosmoso iki branduolinės sintezės
Temperatūros matavimas ekstremaliomis sąlygomis
Pagrindinis šio tyrimo pasiekimas – tiesioginė jo nauda realioms situacijoms. Šiuolaikiniai branduolinės sintezės reaktoriai, tokie kaip Nacionalinėje uždegimo laboratorijoje, naudoja aukso cilindrus („hohlraumus“) rentgeno spinduliams fokusuoti ir sukurti reikalingas sintezei sąlygas – tokią pačią energiją, kaip žvaigždėse. Anksčiau reali komponentų temperatūra buvo labai netiksliai žinoma.
„Sukūrėme tikrą termometrą šioms ekstremalioms sąlygoms“, – pažymi dr. White. „Tai gali iš esmės pagerinti branduolinės sintezės reaktorių projektavimą, optimizuoti kosminių laivų šiluminius skydus bei leisti tiksliau tirti žvaigždžių sandarą.“
Senų problemų sprendimas
Tikslūs temperatūros matavimai sintezės kamerose ar atmosferos įskridimo metu iki šiol buvo didelis iššūkis – paprastiems prietaisams tokiose sąlygose išlikti neįmanoma. SLAC sukurta aukštos energijos rentgeno sklaidos metodika gali tapti nauju standartu matuojant temperatūrą ekstremaliuose žemiškuose ir kosminiuose eksperimentuose.
Ekspertų komentarai: pažinimo džiaugsmas ir netikėtumai
Mokslininkų bendruomenėje kyla susižavėjimas. „Esu dėkingas, kad mano darbas – sprogdinimai milžiniškais lazeriais vardan mokslo“, – šypsosi dr. White.
Dr. Nagler dalijasi platesne perspektyva: „Matavimai tokio tikslumo lygmenyje leidžia iš naujo permąstyti galimybes, kaip elgiasi materija žvaigždėse, sintezės reaktoriuose ir net planetų branduoliuose.“
Ateities kryptys: ekstremalių medžiagų tyrimų plėtra
Tyrėjų komanda jau pritaiko savo metodiką kitiems metalams – sidabrui, geležiui – ir ankstyvieji rezultatai nuteikia viltingai. Artimiausiais mėnesiais planuojama detaliai tirti, kaip skirtingi metalai elgiasi peržengus jų teorines ribas, o tai gali iš pagrindų keisti kondensuotų medžiagų fizikos ir inžinerijos žinias.
Taip pat ruošiamasi atlikti specializuotus, branduolinei sintezei skirtus bandymus, leidžiančius pažinti sintezės medžiagas tiesiogiai kaip niekada anksčiau. Kiekvienas toks eksperimentas artina prie naujos kartos patikimesnių sintezės reaktorių, saugesnių kosminių laivų ir gilesnio supratimo apie ekstremaliąsias Visatos aplinkas.
Išvados
Neeilinis eksperimentas SLAC nacionalinėje laboratorijoje įrodo – net seniausi fizikos dėsniai gali būti perrašyti, kai pasitelkiamos inovatyvios technologijos ir drąsūs tyrimai. Tiesiogiai išmatavę aukso temperatūrą, viršijančią superkaitimo teorines ribas, mokslininkai ne tik paneigė seną modelį, bet ir atvėrė duris naujiems kosmoso tyrimų, branduolinės sintezės bei Visatos pažinimo laimėjimams. Prasideda naujas žinių atradimų etapas – ribos dar toli gražu nesibaigia.
Quelle: gizmodo
Kommentare