میراث عجیب ترینیتی؛ کشف بلورهای غیرممکن در خاکستر نخستین انفجار اتمی تاریخ
در تاریخ علم، لحظاتی وجود دارند که مسیر جهان را برای همیشه تغییر میدهند. یکی از این لحظات ساعت ۵:۲۹ صبح روز ۱۶ ژوئیه ۱۹۴۵ رخ داد؛ زمانی که ارتش ایالات متحده نخستین آزمایش بمب هستهای جهان را در صحرای نیومکزیکو انجام داد. این آزمایش که با نام «ترینیتی» شناخته میشود، آغاز رسمی عصر اتمی بود؛ انفجاری که نهتنها تاریخ سیاسی و نظامی جهان را دگرگون کرد، بلکه اثرات آن هنوز هم در مواد باقیمانده از آن واقعه دیده میشود.
اکنون، بیش از ۸۰ سال پس از آن انفجار، گروهی از پژوهشگران در بقایای بهجامانده از آزمایش ترینیتی نوعی کریستال بسیار عجیب کشف کردهاند که در شرایط عادی تقریباً امکان شکلگیری روی زمین را ندارد. دانشمندان میگویند این ماده در اثر شرایط فوقالعاده شدیدی به وجود آمده که تنها در چند ثانیه نخست انفجار هستهای ایجاد شده بود.
پژوهش به سرپرستی لوکا بیندی، زمینشناس دانشگاه فلورانس ایتالیا انجام شده است. او و همکارانش در مقالهای توضیح دادهاند که انفجارهای هستهای میتوانند شرایطی بسیار کوتاهمدت اما فوقالعاده شدید ایجاد کنند؛ شرایطی که قادر است ساختارهای معدنی و بلوری بسازد که با روشهای معمول آزمایشگاهی قابل تولید نیستند.
دانشمندان در پژوهش موفق شدند نوعی «کلاترات» معدنی شناسایی کنند؛ ساختاری بلوری که تاکنون هرگز در بقایای انفجار هستهای مشاهده نشده بود. کلاتراتها نوعی ساختار قفسمانند دارند؛ یعنی اتمها به شکلی کنار هم قرار میگیرند که حفرههایی شبیه قفس ایجاد میشود و اتمهای دیگر میتوانند درون آنها گیر بیفتند. این ساختارها در طبیعت بسیار کمیاباند، زیرا فقط در شرایط دما و فشار بسیار خاص شکل میگیرند.
برای درک اهمیت این کشف، باید به خود انفجار ترینیتی بازگشت. در آن آزمایش، بمبی پلوتونیومی موسوم به گجت منفجر شد که نخستین بمب هستهای آزمایششده در تاریخ بشر محسوب میشد. انرژی آزادشده از این انفجار معادل حدود ۲۱ کیلوتن TNT بود. شدت انفجار بهقدری زیاد بود که برج فلزی ۳۰ متری محل آزمایش، کابلهای مسی، ابزارهای اندازهگیری و حتی بخشی از سطح بیابان را بخار کرد.
حرارت حاصل از انفجار از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد فراتر رفت و فشار محیط به چندین گیگاپاسکال رسید. در همان لحظه، شنهای بیابان، آسفالت و فلزات اطراف درون گوی آتشین انفجار ذوب و سپس بهسرعت سرد شدند. نتیجه این فرایند مادهای شیشهای و سبزرنگ بود که بعدها «ترینیتیت» نام گرفت.
دانشمندان در بقایای نخستین آزمایش هستهای جهان نوعی کریستال به نام کلاترات یافتند که در شرایط عادی زمین امکان شکلگیری آن وجود ندارد
ترینیتیت در واقع نوعی شیشه مصنوعی است که تنها در محل انفجار ترینیتی تشکیل شد. بیشتر نمونههای آن سبزرنگ هستند، اما نوع نادرتر و جالبتر آن «ترینیتیت قرمز» است؛ مادهای که حاوی فلزات تبخیرشده برج، کابلها و تجهیزات مسی محل انفجار است. دانشمندان سالهاست این ماده را مطالعه میکنند، زیرا مانند کپسول زمان عمل میکند و اطلاعاتی از شرایط لحظه انفجار را در خود حفظ کرده است.
- ذرات رادیواکتیو اولین انفجار هستهای جهان در سرتاسر آمریکای شمالی پراکنده شد04 مرداد 02مطالعه '4
- میراث آزمایشهای هستهای جنگ سرد هنوز بر فراز صحرای بزرگ آفریقا میوزد22 بهمن 03مطالعه '3
- سمیپالاتینسک: مکانی که بیشترین بمباران هستهای دنیا را تجربه کرده است14 اردیبهشت 04مطالعه '3
پژوهشگران در مطالعه جدید با استفاده از روش «پراش پرتو ایکس» نمونهای از ترینیتیت قرمز را بررسی کردند. این روش به دانشمندان امکان میدهد آرایش اتمها درون مواد را مشاهده کنند. در جریان این بررسی، آنها قطرهای کوچک و غنی از مس را درون نمونه پیدا کردند که ساختار اتمی بسیار غیرمعمولی داشت.
بررسی دقیقتر نشان داد این ساختار یک «کلاترات مکعبی نوع یک» است؛ آرایشی که در آن اتمهای سیلیکون شبکهای قفسمانند میسازند و اتمهای کلسیم درون این قفسها قرار میگیرند. در این ساختار همچنین مقادیر اندکی آهن و مس نیز وجود داشت.
دانشمندان میگویند شکلگیری چنین ساختاری نیازمند شرایطی بسیار غیرمعمول است. هنگام انفجار ترینیتی، شوک شدید، دمای بسیار بالا و سپس سرد شدن فوقالعاده سریع باعث شد اتمها تنها برای چند لحظه فرصت داشته باشند در آرایشهای عجیب و غیرمعمول کنار هم قرار بگیرند. سپس با افت سریع دما، این ساختارها در همان وضعیت «قفل» شدند و باقی ماندند.
این نخستین بار نیست که بقایای آزمایش ترینیتی دانشمندان را شگفتزده میکند. همین گروه پژوهشی در سال ۲۰۲۱ نیز در نمونههای ترینیتیت قرمز موفق به کشف مادهای به نام «شبهبلور» (Quasicrystal) شده بود؛ ساختاری که زمانی بسیاری از دانشمندان تصور میکردند از نظر ریاضی و فیزیکی نمیتواند وجود داشته باشد.
سالها تصور میشد بلورها باید الگوهایی کاملاً تکرارشونده داشته باشند؛ یعنی آرایش اتمها در آنها مرتب و تکراری باشد. اما شبهبلورها ساختاری منظم اما غیرتکراری دارند. کشف این مواد در دهه ۱۹۸۰ یکی از مهمترین تحولات علم مواد بود و در نهایت جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۱۱ را برای دن شختمن به همراه آورد.
از آنجا که شرایط لازم برای تشکیل شبهبلورها و کلاتراتها تا حدی مشابه است، پژوهشگران احتمال دادند شاید این دو ساختار به هم مرتبط باشند. آنها با استفاده از مدلسازیهای ریاضی بررسی کردند که آیا ممکن است شبهبلور کشفشده قبلی از دل همین کلاترات شکل گرفته باشد یا نه.
اما نتایج نشان داد اگرچه چنین مسیری از نظر نظری امکانپذیر است، در این نمونه خاص غلظت مس بیش از حد زیاد بوده و احتمالاً هر دو ساختار بهصورت مستقل شکل گرفتهاند. این یعنی در دل همان چند ثانیه آشوب هستهای، دو نوع ماده کاملاً متفاوت اما بسیار نادر، از مواد اولیه مشابه و تحت شرایط یکسان به وجود آمدهاند.
دانشمندان معتقدند این کشف فقط کنجکاوی معدنی نیست. مطالعه موادی که در انفجارهای هستهای شکل میگیرند میتواند به پژوهشگران کمک کند آثار انفجارهای اتمی گذشته را بهتر بازسازی کنند و حتی ابزارهای جدیدی برای «جرمشناسی هستهای» فراهم آورد؛ شاخهای علمی که تلاش میکند با بررسی مواد باقیمانده از انفجارها، اطلاعاتی درباره نوع بمب، شدت انفجار و شرایط وقوع آن به دست آورد.
انفجارهای هستهای میتوانند مانند آزمایشگاههای طبیعی عمل کنند و مواد و ساختارهایی تولید کنند که در شرایط عادی زمین قابل تشکیل نیستند
پژوهشگران همچنین میگویند انفجارهای هستهای تنها پدیدههایی نیستند که میتوانند چنین مواد عجیبی تولید کنند. رویدادهای بسیار پرانرژی طبیعی مانند برخورد شهابسنگها، صاعقههای قدرتمند یا برخوردهای فوقسریع کیهانی نیز میتوانند شرایط مشابهی ایجاد کنند و ساختارهایی بسازند که در شرایط عادی زمین قابل شکلگیری نیستند.
به گفته پژوهشگران، چنین رویدادهایی درواقع مانند آزمایشگاههای طبیعی عظیمی عمل میکنند که به دانشمندان امکان میدهند رفتار ماده را در شدیدترین شرایط ممکن مطالعه کنند؛ شرایطی که بازسازی کامل آنها در آزمایشگاههای معمولی تقریباً غیرممکن است.
پژوهش در ژورنال Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.