Οι ερευνητές που έκαναν την πρώτη άμεση μέτρηση της θερμοκρασίας των ατόμων σε εξαιρετικά καυτά υλικά, κατά λάθος διέψευσαν μια θεωρία δεκαετιών και ανέτρεψαν την κατανόησή μας για την υπερθέρμανση.
Είναι ως γνωστόν δύσκολο να μετρήσει κανείς τη θερμοκρασία των πραγματικά καυτών πραγμάτων. Είτε πρόκειται για το φουρτουνιασμένο πλάσμα στον ήλιο μας, είτε για τις ακραίες συνθήκες στον πυρήνα των πλανητών είτε για τις συντριπτικές δυνάμεις που παίζουν στο εσωτερικό ενός αντιδραστήρα σύντηξης, αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν «θερμή πυκνή ύλη» μπορεί να φτάσει σε εκατοντάδες χιλιάδες βαθμούς Κέλβιν.
Το να γνωρίζουν ακριβώς πόσο θερμά είναι αυτά τα υλικά είναι ζωτικής σημασίας για τους ερευνητές ώστε να κατανοήσουν πλήρως τέτοια πολύπλοκα συστήματα, αλλά η λήψη αυτών των μετρήσεων ήταν, μέχρι τώρα, πρακτικά αδύνατη.
«Έχουμε καλές τεχνικές για τη μέτρηση της πυκνότητας και της πίεσης αυτών των συστημάτων, αλλά όχι της θερμοκρασίας», δήλωσε ο Bob Nagler, επιτελικός επιστήμονας στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC του Υπουργείου Ενέργειας. «Σε αυτές τις μελέτες, οι θερμοκρασίες είναι πάντα εκτιμήσεις με τεράστιες μπάρες σφάλματος, γεγονός που πραγματικά εμποδίζει τα θεωρητικά μας μοντέλα. Πρόκειται για ένα πρόβλημα δεκαετιών».
Η νέα καινοτόμος μέθοδος
Τώρα, για πρώτη φορά, μια ομάδα ερευνητών αναφέρει στο περιοδικό Nature ότι έχει μετρήσει άμεσα τη θερμοκρασία των ατόμων σε θερμή πυκνή ύλη.
Ενώ άλλες μέθοδοι βασίζονται σε πολύπλοκα και δύσκολα επαληθεύσιμα μοντέλα, η νέα αυτή μέθοδος μετρά απευθείας την ταχύτητα των ατόμων και, επομένως, τη θερμοκρασία του συστήματος. Ήδη, η καινοτόμος μέθοδός τους αλλάζει την κατανόησή μας για τον κόσμο: Σε ένα πειραματικό ντεμπούτο, η ομάδα υπερθέρμανε στερεό χρυσό πολύ πέρα από το θεωρητικό όριο, ανατρέποντας απροσδόκητα τέσσερις δεκαετίες καθιερωμένης θεωρίας.
Ο Nagler και οι ερευνητές του οργάνου Matter in Extreme Conditions (MEC) του SLAC συνδιευθύνουν αυτή τη μελέτη με τον Tom White, αναπληρωτή καθηγητή φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Νεβάδα, Reno. Η ομάδα περιλαμβάνει ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Queen’s του Μπέλφαστ, το Ευρωπαϊκό XFEL (X-ray Free-Electron Laser), το Πανεπιστήμιο Κολούμπια, το Πανεπιστήμιο Πρίνστον, το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Merced, και το Πανεπιστήμιο του Warwick, Coventry.
Μετρώντας τη θερμοκρασία
Για σχεδόν μια δεκαετία, η ομάδα αυτή εργάστηκε για την ανάπτυξη μιας μεθόδου που παρακάμπτει τις συνήθεις προκλήσεις της μέτρησης ακραίων θερμοκρασιών – συγκεκριμένα, τη σύντομη διάρκεια των συνθηκών που δημιουργούν αυτές τις θερμοκρασίες στο εργαστήριο και τη δυσκολία βαθμονόμησης του τρόπου με τον οποίο αυτά τα πολύπλοκα συστήματα επηρεάζουν άλλα υλικά.
“Τελικά, κάναμε μια άμεση και αδιαμφισβήτητη μέτρηση, επιδεικνύοντας μια μέθοδο που μπορεί να εφαρμοστεί σε όλο το πεδίο”, δήλωσε ο White.
Κάτω από ακραίες συνθήκες -όπως αυτές στις καρδιές των πλανητών ή στα εκρηγνυόμενα αστέρια- τα υλικά μπορούν να εισέλθουν σε άλλες εξωτικές φάσεις με μοναδικά χαρακτηριστικά. Στο SLAC, οι ερευνητές μελετούν μερικές από τις πιο ακραίες και εξωτικές μορφές ύλης που δημιουργήθηκαν ποτέ, με λεπτομέρειες που δεν ήταν ποτέ πριν δυνατές.
Στο όργανο MEC του SLAC, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα λέιζερ για να υπερθερμάνει ένα δείγμα χρυσού. Καθώς η θερμότητα διαπερνούσε το λεπτό δείγμα των νανομέτρων, τα άτομά του άρχισαν να δονούνται με ταχύτητα που σχετίζεται άμεσα με την αύξηση της θερμοκρασίας τους. Στη συνέχεια, η ομάδα έστειλε έναν παλμό υπέρλαμπρων ακτίνων Χ από την πηγή συνεκτικού φωτός Linac (LCLS) μέσω του υπέρθερμου δείγματος. Καθώς σκεδάζονταν από τα δονούμενα άτομα, η συχνότητα των ακτίνων-Χ μετατοπίστηκε ελαφρώς, αποκαλύπτοντας την ταχύτητα των ατόμων και συνεπώς τη θερμοκρασία τους.
«Η νέα τεχνική μέτρησης της θερμοκρασίας που αναπτύχθηκε σε αυτή τη μελέτη αποδεικνύει ότι η LCLS βρίσκεται στα όρια της έρευνας για τη θερμαινόμενη με λέιζερ ύλη», δήλωσε ο Siegfried Glenzer, διευθυντής του τμήματος Επιστήμης Υψηλής Ενεργειακής Πυκνότητας στο SLAC και συν-συγγραφέας της δημοσίευσης. «Το LCLS, σε συνδυασμό με αυτές τις καινοτόμες τεχνικές, παίζουν σημαντικό ρόλο στην προώθηση της επιστήμης της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και των μετασχηματιστικών εφαρμογών όπως η αδρανειακή σύντηξη».
Η ομάδα ήταν ενθουσιασμένη που επέδειξε με επιτυχία αυτή την τεχνική – και καθώς έριξε μια βαθύτερη ματιά στα δεδομένα, ανακάλυψε κάτι ακόμη πιο συναρπαστικό.
«Μας εξέπληξε το γεγονός ότι βρήκαμε μια πολύ υψηλότερη θερμοκρασία σε αυτά τα υπέρθερμα στερεά από ό,τι αρχικά περιμέναμε, γεγονός που διαψεύδει μια μακροχρόνια θεωρία από τη δεκαετία του 1980», δήλωσε ο White. «Δεν ήταν αυτός ο αρχικός μας στόχος, αλλά αυτό είναι το νόημα της επιστήμης – να ανακαλύπτεις νέα πράγματα που δεν ήξερες ότι υπήρχαν».
Επιβιώνοντας από την καταστροφή της εντροπίας
Κάθε υλικό έχει συγκεκριμένα σημεία τήξης και βρασμού, που σηματοδοτούν τη μετάβαση από το στερεό στο υγρό και από το υγρό στο αέριο, αντίστοιχα. Ωστόσο, υπάρχουν εξαιρέσεις. Για παράδειγμα, όταν το νερό θερμαίνεται γρήγορα σε πολύ λεία δοχεία -όπως ένα ποτήρι νερό σε ένα φούρνο μικροκυμάτων- μπορεί να “υπερθερμανθεί”, φτάνοντας σε θερμοκρασίες άνω των 212 βαθμών Φαρενάιτ (100 βαθμών Κελσίου) χωρίς να βράσει πραγματικά. Αυτό συμβαίνει επειδή δεν υπάρχουν τραχιές επιφάνειες ή ακαθαρσίες που να προκαλούν το σχηματισμό φυσαλίδων.
Αλλά αυτό το τέχνασμα της φύσης συνοδεύεται από έναν αυξημένο κίνδυνο: Όσο περισσότερο απομακρύνεται ένα σύστημα από τα κανονικά σημεία τήξης και βρασμού του, τόσο πιο ευάλωτο είναι σε αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν καταστροφή – μια ξαφνική έναρξη τήξης ή βρασμού που προκαλείται από μια μικρή περιβαλλοντική αλλαγή. Για παράδειγμα, το νερό που έχει υπερθερμανθεί σε φούρνο μικροκυμάτων θα βράσει εκρηκτικά όταν διαταραχθεί, προκαλώντας ενδεχομένως σοβαρά εγκαύματα.
Ενώ ορισμένα πειράματα έχουν δείξει ότι είναι δυνατόν να παρακαμφθούν αυτά τα ενδιάμεσα όρια με ταχεία θέρμανση των υλικών, «η καταστροφή της εντροπίας εξακολουθούσε να θεωρείται το απόλυτο όριο», εξήγησε ο White.
Στην πρόσφατη μελέτη τους, η ομάδα ανακάλυψε ότι ο χρυσός είχε υπερθερμανθεί σε εκπληκτική θερμοκρασία 19.000 kelvin (33.740 βαθμούς Φαρενάιτ) -περισσότερο από 14 φορές το σημείο τήξης του και πολύ πέρα από το προτεινόμενο όριο της καταστροφής της εντροπίας- διατηρώντας παράλληλα τη στερεά κρυσταλλική δομή του.
«Είναι σημαντικό να διευκρινίσουμε ότι δεν παραβιάσαμε τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής», δήλωσε ο White γελώντας. «Αυτό που αποδείξαμε είναι ότι αυτές οι καταστροφές μπορούν να αποφευχθούν αν τα υλικά θερμανθούν εξαιρετικά γρήγορα -στη δική μας περίπτωση, μέσα σε τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου».
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ταχεία θέρμανση απέτρεψε τη διόγκωση του χρυσού, επιτρέποντάς του να διατηρήσει τη στερεή του κατάσταση. Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι μπορεί να μην υπάρχει ανώτατο όριο για τα υπέρθερμα υλικά, αν θερμανθούν αρκετά γρήγορα.
Σύντηξη και όχι μόνο
Το SLAC επιτρέπει την έρευνα σε υλικά για μονάδες παραγωγής ενέργειας από σύντηξη και στόχους καυσίμων σύντηξης, καθώς και παρατηρήσεις των αντιδράσεων σύντηξης σε ατομικό επίπεδο.
Ο Nagler σημείωσε ότι οι ερευνητές που μελετούν τη θερμή πυκνή ύλη πιθανότατα ξεπερνούν το όριο της καταστροφής της εντροπίας εδώ και χρόνια χωρίς να το συνειδητοποιούν, λόγω της απουσίας μιας αξιόπιστης μεθόδου για την άμεση μέτρηση της θερμοκρασίας.
“Αν το πρώτο μας πείραμα με τη χρήση αυτής της τεχνικής οδήγησε σε μια σημαντική πρόκληση για την καθιερωμένη επιστήμη, δεν μπορώ να περιμένω να δω τι άλλες ανακαλύψεις βρίσκονται μπροστά μας”, δήλωσε ο Nagler.
Ως ένα μόνο παράδειγμα, οι ομάδες του White και του Nagler χρησιμοποίησαν ξανά αυτή τη μέθοδο αυτό το καλοκαίρι για να μελετήσουν τη θερμοκρασία υλικών που έχουν συμπιεστεί με κρούσεις για να αναπαραστήσουν τις συνθήκες βαθιά στο εσωτερικό των πλανητών.
Ο Nagler είναι επίσης πρόθυμος να εφαρμόσει τη νέα τεχνική -η οποία μπορεί να εντοπίσει θερμοκρασίες ατόμων από 1.000 έως 500.000 kelvin- στην τρέχουσα έρευνα για την αδρανειακή ενέργεια σύντηξης στο SLAC.
“Όταν ένας στόχος καυσίμου σύντηξης καταρρέει σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης, οι στόχοι βρίσκονται σε θερμή πυκνή κατάσταση”, εξήγησε ο Nagler. “Για να σχεδιάσουμε χρήσιμους στόχους, πρέπει να γνωρίζουμε σε ποιες θερμοκρασίες θα υποστούν σημαντικές αλλαγές κατάστασης. Τώρα, έχουμε επιτέλους έναν τρόπο να κάνουμε αυτές τις μετρήσεις”.
