أكثر من ملياري درجة!
مقال مالكوم هاينز
نُشر في 24 فبراير 2006 في مجلة Physical Review Letters
تم التحديث في 16 يوليو 2006 (بيانات في أسفل الرسم البياني عن ارتفاع التيار في جهاز Z)
تحديث في 18 مارس 2008. استنادًا إلى مقال نُشر في مجلة Science et Avenir
لغير العلماء:
يسأل القُرّاء إن كانت درجات الحرارة النووية التي تتجاوز ملياري درجة قد تم قياسها فعلاً. والإجابة هي نعم. لكن ظاهرة مربكة لُوحظت منذ عام 1998 في تجارب ضغط البلازما باستخدام جهاز Z. وقد تناولت هذه التجارب تكوينات مختلفة. فمثلاً، عند انفجار "قفص السرّي" (cage à serin)، أُرسل "دفع غاز" (gas puff) مباشرة إلى المركز، حيث تم ضغطه. وسمح إصدار الأشعة السينية بقياس درجة حرارة الإلكترونات. فالبلازما هي خليط من نوعين: الأيونات (الثقيلة) والإلكترونات (الخفيفة). في "بلازما الحديد"، أي الحديد المُشَحَّن، تكون نوى الحديد (56 نوكلونًا، 26 بروتونًا) أثقل بـ 100,000 مرة من الإلكترونات (فإن النوى تتكون من "نوكلونات" ذات كتل قريبة جدًا: البروتونات والإلكترونات. والإلكترون أخف بـ 1850 مرة من البروتون).
كما يحتوي أنبوب النيون أيضًا على "هذين النوعين": الإلكترونات والأيونات النيونية (حتى لو لم تُنزع عن هذه الأيونات بالكامل "غلافها الإلكتروني"). عند تشغيل الأنبوب، يحتوي على خليط "بدرجة حرارة مزدوجة"، حيث يظل الغاز المكوّن من الذرات والأيونات النيونية باردًا (يمكنك لمس الأنبوب بيدك)، لكن "غاز الإلكترونات" يكون أكثر سخونة بكثير، ويصل إلى 10,000 درجة. فلماذا لا تشعر بهذا السخونة بيدك؟ لأن الإلكترونات، الفقيرة، لا تملك ما يكفي من الكتلة لنقل الطاقة أو الحرارة إليك. لكنها تمتلك طاقة كافية لتمييع (إثارة) الطبقة الفلورية التي تغطي جدار الأنبوب من الداخل من خلال التصادمات. وهذا هو السبب في تسميتها بأنابيب فلورية. فالفلورسنس هي القدرة على امتصاص الإشعاع وإعادة إصداره بتردد مختلف. فمثلاً، تُمتص أشعة الشمس من قبل الفلوريسين وتُعاد إصدارها باللون الأخضر. يمكن للقمصان المصنوعة من النايلون أن تمتص الأشعة فوق البنفسجية وتعيد إصدارها في الطيف المرئي (وهذا ما يُعرف بـ "الضوء الأسود" في الحانات الراقية)، وهكذا. هذه الطبقة البيضاء داخل أنبوب النيون تُعرض لقصف من الإلكترونات التي تمتلك طاقة تقع ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية، ولكن عند اصطدامها بالمواد المكونة للطبقة، تُحدث إعادة إصدارًا في الطيف المرئي. وتم تصميم هذه الطبقة بحيث تكون إضاءتها أقرب ما يمكن إلى الضوء المرئي. لكنها ليست مثالية تمامًا. وهذا هو السبب في أن ضوء النيون يبدو لك "غريبًا" جدًا.
الشيء المهم الذي يجب تذكّره هو أن هناك إمكانية لوجود وسائط "بدرجة حرارة مزدوجة". وسبب هذا الوضع هو أن المجال الكهربائي السائد داخل الأنبوب، المرتبط بوضع جهد على الأقطاب، يُرسل الطاقة بشكل أولوي إلى الإلكترونات، التي تُعيد توزيعها على الأيونات من خلال التصادمات. لكن بما أن نقل الطاقة بين غاز الإلكترونات وغاز الأيونات غير فعّال، يمكن أن تنشأ فجوة كبيرة في درجات الحرارة. وهذا يعود بشكل خاص إلى أن الوسط مُخفّف. إذا تسرب الأنبوب وازداد الضغط، فإن هذه "الحالة غير المتوازنة" تختفي فورًا. فعندما يصبح غاز الإلكترونات مرتبطًا بشكل قوي بالأيونات، يبرد بسرعة كبيرة. ثم تهدأ الإلكترونات (لأن درجة الحرارة المطلقة في الغاز تتوافق مع حركة الاهتزاز الحراري)، وتعود بهدوء إلى الذرات، التي تعود لتكون متعادلة.
أدت تجربة جهاز Z إلى حالة غريبة جدًا. فهناك نوعان من المواد في وجود:
- غاز الإلكترونات
- غاز الأيونات (في الفولاذ المقاوم، في الغالب نوى حديد مشحونة إيجابيًا)
عندما حاول الناس، منذ عام 1998، تفسير قياساتهم، كان بإمكانهم الوصول فقط إلى درجة حرارة الإلكترونات، من خلال قياس الأشعة السينية المنبعثة. لماذا يكون غاز الإلكترونات المصدر الرئيسي لهذا الإشعاع في هذه التجارب؟ لأن هناك مجالًا مغناطيسيًا عاليًا يحيط بالبلازما. عندما تدخل الإلكترونات، التي تُطلق بسرعة 40,000 كم/ث إلى هذه المنطقة التي يسود فيها هذا المجال المغناطيسي القوي، فإنها تدور في حلقات دوّارة. فتُصدر "إشعاع تثبيط" (rayonnement de freinage)، أي "تصرخ". وتم قياس درجة حرارة هذا غاز الإلكترونات من خلال قياس الأشعة السينية المنبعثة: 35 مليون درجة في التجارب التي نُشر عنها في هذا المقال.
لكن باستخدام معادلات (معادلة بنت)، إذا حاولوا تقدير درجة حرارة أيونات الحديد الضرورية لموازنة الضغط المغناطيسي الهائل الخارجي على البلازما، اضطروا إلى الاعتراف بأن هذه الدرجة يجب أن تكون أعلى بكثير. منذ عام 1998، بغض النظر عن التجارب التي أُجريت، كان هذا الفرق في درجات الحرارة يظهر كأمر مؤكد. كانت هذه القيم العالية ضرورية لمنع البلازما من الانهيار الفوري تحت ضغط المجال المغناطيسي. ونرى من ذلك أن هذا يشير إلى حالة غير متوازنة (ففي التوازن الديناميكي الحراري، تكون درجات الحرارة لجميع الأنواع المكونة للمزيج الغازي متساوية)، وهي حالة "مقلوبة" مقارنة بحالة أنبوب النيون، حيث كانت في تلك الحالة غاز الأيونات هو الأكثر سخونة، بينما غاز الإلكترونات كان أكثر برودة.
ملاحظة بسيطة: ما الذي يُحدث هذا "التوازن الديناميكي الحراري"؟ هو تبادل الطاقة بين الجسيمات من خلال التصادمات. فمثلاً، الطاقة الحركية ½ m_i <v_i²>. لماذا الفهرس i؟ لأن البلازما مزيج من أنواع مختلفة، وv_i هي سرعة الاهتزاز الحراري، و<v_i²> هي "السرعة التربيعية المتوسطة". وبالتالي، ½ m_i <v_i²> هي الطاقة الحركية المتوسطة في النوع المُعتبر. وهذه هي التعريف نفسه لدرجة الحرارة المطلقة، التي تقيس الطاقة الحركية المتوسطة (الاهتزاز الحراري) لنوع معين، وفق العلاقة:
3/2 k T_i = ½ m_i <v_i²>
حيث k هي ثابت بولتزمان، وقيمته 1.38 × 10⁻²³.
في التصادمات، تتبادل الجسيمات الطاقة. وهذا الظاهرة تسعى نحو توزيع متساوٍ للطاقة. عندما تكون الطاقة نقية حركية، تميل الأنواع المختلفة إلى اكتساب طاقة حركية اهتزازية متساوية. وبالتالي، تصبح درجات الحرارة المطلقة متساوية:
T_i = T_j
لنفترض جسيمين كتلتهما مختلفة m_i وm_j، وليكن i هو الأخف.
تقول نظرية الغازات الحركية أن معدل نقل الطاقة الحركية في التصادم سيكون متناسبًا مع النسبة:
2 m_i / m_j
إذا كانت الكتل مختلفة جدًا، فإن العودة إلى التوازن الديناميكي الحراري ستكون ... شاقة. وهذا هو السبب في أننا نجد في أنبوب فلوري حالة غير متوازنة ملحوظة (درجة حرارة الإلكترونات: 10,000 كلفن، درجة حرارة الأيونات والذرات المحايدة: 300 كلفن، نسبة 33). المجال الكهربائي يُعيد تسريع الإلكترونات بين التصادمات (الأيونات، بسبب ثقلها، تكون أقل تأثرًا بذلك). ويُحافظ على هذه الحالة غير المتوازنة. فإذا قُطع هذا المجال، يبرد غاز الإلكترونات بسرعة فائقة، بسرعة...