Fizikçiler Dev Lazerlerle Altını Patlattı, Ünlü Fizik Modelini Yanlışladı!

Bilim insanları devasa lazerlerle donatılmış olarak SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuarı’nda altını patlattılar ve onu erime derecesinin 14 kat üzerine kadar ısıttılar. Bir an için fiziği bozduklarını düşündüler ama neyse ki böyle bir şey olmadı. Bununla birlikte, başka bir şeyi bozmayı başardılar: maddelerin temel özellikleriyle ilgili on yıllardır kabul edilen bir model.

Bugün Nature‘da yayımlanan çalışmada, araştırmacılar, ilk kez, aşırı sıcaklık, basınç veya yoğunlukta olan maddelerin sıcaklıklarını doğrudan ölçmenin bir yolunu ortaya koydular. Yeni tekniği kullanarak, bilim insanları, altını erime noktasının çok ötesindeki bir sıcaklığa çıkarmayı—süper ısıtma adı verilen bir işlemle—başardılar. Bu noktada, yaygın bir metal olan altın, katı ile sıvı arasında garip bir kristalimsi durumda kaldı. Sonuçlar gösteriyor ki, altın doğru koşullar altında süper ısınma sınırına sahip olmayabilir. Eğer bu doğruysa, bu durum uzay yolculuğu, astrofizik veya nükleer kimya gibi birçok alanda geniş bir uygulama yelpazesine yol açabilir.

Çalışma, iki aşamalı bir deney üzerine kurulu. İlk olarak, bilim insanları bir altın örneğini lazerle süper ısıtarak metalin doğal olarak genişleme eğilimini bastırdılar. Ardından, ultra parlak X-ışınları kullanarak altın örneklerine enerji verdiler ki bunlar altının yüzeyinden sekti. Bu X-ışınlarının altın parçacıklarıyla çarpıştıktan sonra frekanslarındaki bozulmaları hesaplayarak, ekip atomların hızını ve sıcaklığını belirledi.

Denenin sonucu, fizikte yerleşmiş olan bir teoriyi görünüşte çürütüyor; bu teori, altın gibi yapılarının erime noktasının üç katından fazla ısıtılamayacağını öne sürer, yani 1,948 derece Fahrenheit (1,064 derece Celsius). Bu sıcaklığın ötesinde, süper ısınmış altının “entropi felaketi”ne ulaşması beklenirdi—yani daha basit bir deyişle, ısınan altının patlayacağı düşünülürdü.

Araştırmacılar bu sınırı aşmayı beklemiyorlardı. Yeni bulgu, bu geleneksel teoriyi çürütmekle kalmayıp, teorik önseziyi büyük ölçüde aşarak altını 33,740 derece F (18,726 derece C) gibi nefes kesici bir sıcaklığa kadar ısıtılabileceğini gösteriyor.

“Verilere baktık ve biri dedi ki, ‘Bir dakika. Bu eksen doğru mu? Bu..gerçekten sıcak, değil mi?’” Thomas White, çalışmanın baş yazarı ve Nevada Üniversitesi’nde fizikçi, bir video görüşmesinde Gizmodo’ya hatırlattı.

Sevgiliye, bu süper ısınmış durum sadece birkaç trilyonda bir saniye sürdü. Ayrıca patladı. Ama White’a göre bu yine de “ilginç olmak için yeterli” bir süreydi, ekleyerek “eğer onu genişlemesini önleyebilirseniz [teorik olarak] onu sonsuza kadar ısıtabilirsiniz.” Ve ayrıca: “Kocaman lazerlerle şeyleri patlatmak sayesinde keşifler yapabiliyor olmaktan çok memnunum. İşim bu, biliyorsunuz.”

Bu varsayım, hem altın hem de diğer materyallerle yapılacak devam niteliğindeki deneylerle sınanmalı, White belirtti. Ancak pratik açısından, süper ısınmış altın kendini yeterince uzun bir süre bir arada tuttu ki ekip sıcaklığını doğrudan bu yeni teknikle ölçebildi, çalışmanın baş yazarı ve SLAC’de personel bilimci Bob Nagler, bir video görüşmesinde Gizmodo’ya açıkladı. 

“Aslında komik bir şey; sıcaklık, insanların en uzun süredir tanıdığı fiziksel büyüklüklerden biri—ancak sıcaklığın kendisini ölçmüyoruz,” Nagler dedi. “Sıcaklık tarafından etkileneni ölçüyoruz. Örneğin, bir cıva termometresi, sıcaklığın bir cıva küresinin hacmini nasıl değiştirdiğini ölçer.”

Bu, bir yıldızın merkezinde, bir uzay gemisi burnunda veya birleşik bir reaktörün içindeki bazı aşırı durumlarda sıcak, yoğun maddeyi incelemekte sorun yaratabilir. Bu tür durumlarda, maddenin sıcaklığını yani temel bir fiziksel özelliklerini bilmek, araştırmalarımızı nasıl yönlendireceğimizi veya ikinci iki durumda onları nasıl manipüle edeceğimizi önemli ölçüde bilgilendirebilir.

Göklere gelince, bu sistemler genellikle sıcaklığa bağlı değişkenler üzerinde çalışır ve ölçmesi zor olanlar, Nagler dedi. Teknik olarak, bunları laboratuarlarda yeniden üretebilirsiniz, ancak “çok hızlı bir şekilde patlarlar,” diye ekledi—ki yine de çoğaltılacak sistemin gerçek sıcaklığını bilmeniz gerektiğini göz önünde bulundurarak deneylerin geçerli olduğundan emin olmalısınız.

“Yani bir tavuk ve yumurta sorunuyla karşılaşıyorsunuz,” dedi. Bu yüzden bilim insanları, yeni tekniklerinin bu konuda nasıl yardımcı olabileceğini incelemek için hevesliler. 

“Bu çalışmadaki en heyecan verici şey, bunca çılgın deneyi yaparken artık bir termometreye sahip olmamız,” White dedi. Örneğin, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Ateşleme Tesisi, nükleer füzyon deneylerinde bir altın silindir kullanıyor. Wbunu laboratuvarda anlattı. Beyan edilen “lazerlerin cilindirini ateşlemesi üzerine X-ışınları yayar ki bu da ardından füzyon reaktörünü harekete geçirir,” diye açıkladı.

“Ama artık doğrudan füzyonla ilgili deneyler yapmayı düşünüyoruz.” dedi White. “Füzyon koşullarını veya füzyon reaktörlerini oluşturan malzemeleri yeniden yaratmak ve sıcaklıklarını ölçmek ki, gerçekten, bu fizik te uzun zamandır sorulan bir soru olmuştur.”

Takım şimdiden, gümüş ve demir gibi diğer malzemelere bu tekniği uyguluyor ki, memnuniyetle belirtiyorlar, bazı umut verici veriler ürettiler. Önümüzdeki birkaç ay süresince, bilim adamları bu metallerin bize ne anlattığını analiz etmekle meşgul olacaklar. Proje kesinlikle tam bir gazla ilerliyor.

Düzeltme: Bu makalenin önceki sürümünde yanlış bir şekilde Ulusal Ateşleme Tesisinin nükleer füzyon deneylerinin altın silindire (hohlraum olarak bilinir) doğrudan X-ışınları ateşlediği belirtilmişti. Aslında, deney, silindire lazerler ateşler ve bu da ardından füzyon reaktörünü harekete geçiren X-ışınları yaymasına neden olur. Ayrıca, altının erime noktası, 1,948 derece Fahrenheit, kaynama noktası olarak yanlış tanımlanmıştı. İlgili düzeltmeler yapılmıştır.