تُظهر معادلة جديدة علاقة بسيطة بشكل مدهش بين الضغط ودرجة الحرارة اللازمة لإذابة أي مادة صلبة إلى سائل
إن التنبؤ بموعد ذوبان المواد الصلبة أصعب مما قد تعتقد
Credit:ttsz-Getty Images
قد يكون لدى الفيزيائيين أخيرًا إجابة لسؤال يبدو بسيطًا ظل دون إجابة لمدة قرن تقريبًا: متى تذوب المادة؟
وجدت كوستيا تراشينكو من جامعة كوين ماري في لندن أنه من الغامض أنه "في عصر التطور العلمي والتكنولوجي هذا"، لا يعرف الفيزيائيون دائمًا كيفية التنبؤ بدرجة الحرارة والضغط التي ستذوب بها المادة. لقد استنتج الآن معادلة يمكن استخدامها لإجراء مثل هذه التنبؤات لمجموعة واسعة من المواد. ركز على "خطوط الانصهار"، أو الصيغ التي توضح العلاقة بين درجة الحرارة والضغط عندما يبدأ الجسم للتو في الذوبان. هناك صيغ مماثلة للتبخير والتسامي (تغيير المادة من مادة صلبة إلى غاز) راسخة، لكن علماء الفيزياء البارزين عبر التاريخ شجبوا التحول من الحالة الصلبة إلى السائل باعتباره معقدًا رياضيًا للغاية بحيث لا يمكن فهمه. وذلك لأن الحالة النهائية هي الحالة السائلة حيث تتفاعل الذرات مع بعضها البعض وتتحرك بطريقة أكثر تعقيدًا مما تفعله في المواد الصلبة أو الغازات.
يقول تراشينكو إنه سبق له أن وضع قوانين بشأن كمية الطاقة والحرارة التي يمكن أن يحتويها السائل. لقد اكتشف الآن كيفية الجمع بين هذه القوانين مع معادلة عمرها 200 عام توضح كيف يمكن أن يتعايش مرحلتان، مثل الحالة الصلبة والسائلة. والنتيجة هي معادلة خط الانصهار الجديدة، والتي تكشف أن الضغط الذي تذوب عنده المادة يعتمد على مربع درجة حرارتها. تحتوي المعادلة الجديدة أيضًا على ثوابت فيزيائية أساسية مثل شحنة وكتلة الإلكترون، مما يعني أنه يمكن تطبيقها بشكل عام جدًا.
يقول تراشينكو: "قبل هذه الورقة، لم يكن من المتوقع أو يُعتقد على الإطلاق أن هذا قد يكون هو الحال".
ويقول إنه اختبر معادلته مقابل بيانات الذوبان التجريبية للعديد من المواد المختلفة، ولم يجد حتى الآن سوى توافق جيد.
"من الجميل جدًا أن يكون هذا العمل مفتوحًا للمقارنة مع البيانات المستقبلية. قد يكون من الأسهل أن تقول: "انظر، نظريتي تتفق مع التجارب السابقة"، بدلاً من أن تكون أكثر جرأة وصرامة وتقول: "هذه نظريتي، اذهب واختبرها مقابل تجارب لم يتم إجراؤها بعد". يقول جون بروكتور من جامعة سالفورد في المملكة المتحدة.
يقول سيرجي خراباك، من مركز الفضاء الألماني، إنه على الرغم من أن المعادلة الجديدة هي "نتيجة رائعة"، إلا أن اشتقاقها لا يزال يتضمن عددًا من التقديرات المستندة إلى "الحدس المادي"، لذا فإن مثل هذه المقارنات المستقبلية ستكون حاسمة لمزيد من التحقق من دقتها.
المصدر: