هل تعرف عن حالة البلازما وحالة تكاثف بوز اينشتين وحالة السائل الفائق وحالة الصلب الفائق وحالة السائل فوق الحرجة وحالة بلازما الكوارك والجلون. نعم هذه حالات اخرى للمادة نعرفها في هذا المقال.
في اثناء دراستنا في المدرسة وحتى في الجامعة تعلمنا الكثير من الاساسيات العلمية لطبيعة العالم حولنا مثل الجاذبية والمناخ وعملية البناء الضوئي وبالطبع حالات المادة. وكلنا يعلم ان حالات المادة ثلاثة هي الصلبة والسائلة والغازية.
عندما ننظر إلى العالم من حولنا نجد ان هذه الحالات الثلاثة للمادة تعرف تقريبا كل شيء نراه، من رائحة الغاز المنبعثة من القهوة التي نشربها إلى الجبال التي نشاهدها. على اي حال في هذا المقال سوف نتعرف على حالات اخرى للمادة لم نكن قد تعرفنا عليها من قبل بشكل مفصل على الاقل.
الحالتين الاخرتين الاكثر شيوعا للمادة
في حين ان هناك ثلاثة حالات مسيطرة ومعروفة للمادة الا ان هناك حالتين اقل شيوعا. لنأخذ الماء على سبيل المثال حيث انه يتواجد في صورة صلبة والمعروفة بالثلج وفي صورة سائلة وهي الماء وفي صورة غازية وهي بخار الماء.
الحالة المتذبذبة بين اي اثنتين من الحالات الثلاثة تعتمد على درجة الحرارة والضغط. عندما نقوم بزيادة درجة حرارة الماء فانه يتبخر ويتحول إلى بخار ماء. وعندما نقلل من درجة الحرارة او نزيد الضغط على بخار الماء فانه يتكثف ويتحول إلى ماء مرة اخرى. عندما نقوم بزيادة درجة حرارة الثلج فانه يصبح ماء. نعلم جديدا هذه الامور لكن السؤال المطروح هنا ماذا يحدث في اقصى هذه الحالات؟
تحدث حالات المادة الثلاثة في مدى طبيعي من الضغط ودرجة الحرارة ولكن عندما نقوم بتسخين الغاز لدرجات حرارة عالية جدا مثل تلك التي توجد في الشمس او حول شرارات البرق، هنا تحدث حالة جديدة للمادة تعرف باسم البلازما plasma. عندما تقوم بتسخين غاز إلى درجة حرارة محددة فان الكترونات الغاز تثار وتنفصل عن انوية الذرات وتبدأ بالتفاعل مع اي نواة اخرى في الجوار. ربما تكون النار احد الامثلة للبلازما.
من ناحية اخرى عند درجات حرارة منخفضة جدا بالقرب من الصفر المطلق يحدث ان تنتقل بوزونات المادة (وهي الجسيمات الأولية المكونة للمادة) إلى حالة كمية واحدة أي ان كل البوزونات يصبح لها نفس حالة الكم المحددة بأعداد الكم لهذا فهي تتحول الى موجة مفردة او جسيم. وتعرف هذه الحالة بتكاثف بوز اينشتين Bose-Einstein condensate.
حتى الان اصبح لدينا خمسة حالات للمادة. تحدث البلازما بشكل طبيعي في العالم حولنا بينما حالة تكاثف بوز اينشتين تتطلب تحكم دقيق في شروط المختبر لكن هذا لا يعني انه يمكن ان نهمل هذه الحالة.
حالات المادة الغريبة
في القرن الماضي كشفت علوم الفيزياء الذرية ومعجلات الجسيمات ونظرية الكم والتقنيات الحديثة عن حالات طاقة منخفضة. لقد وجدنا حالة المائع الفائق superfluids والمواد الصلبة الفائقة supersolids وهي عبارة عن سوائل فائقة التجمد ومواد صلبة قادرة على ان تتدفق او تتحرك بدون احتكاك في درجات حرارة منخفضة جدا. كما ان العلماء عرفوا المادة المتحللة والتي وجدت في نجوم محددة حيث تكون البروتونات والالكترونات مرتبطة في بروتون مركزي او ان تتشارك الالكترونات بين ذرات مختلفة.
عند ضغط عالي جدا تفقد بعض المواد الفروقات بين الحالة السائلة والحالة الغازية وتكتسب اسم السوائل فوق الحرجة supercritical liquid. في معدن مكتشف حديثا يعرف باسم Jahn-Teller عبارة عن مادة صلبة لها كل خواص المادة العازلة لكن تتصرف كموصل بسبب شكله البلوري الفريد.
عندما نتحدث عن حالات المادة في مستويات طاقة عالية فاننا نتحدث عن بلازما الكوارك والجلون Quark-gluon plasma والتي تعرف بالاختصار (QGP) والتي تعتبر حالة للمادة قد وجدت مباشرة بعد الانفجار العظيم Big Bang، عندما تكونت القوى الاساسية الاربعة للكون كانت في الاساس قوة واحدة قبل ان ينخفض الضغط لدرجة سمح لهم بالانفصال. افترض ان بلازما الكوارك والجلون كان لها سلوك الغاز لكن في تجارب حديثة باستخدام معجل الجسيمات تم انتاج شيء مشابه جدا لبلازما الكوارك والجلون يتصرف تماما مثل السائل المثالي مما يعني ان المادة تحركت في نسق محدد مثل سرب من الطيور.
تمكن الباحثون في يناير من العام الحالي ٢٠١٦ من توفير الشروط اللازمة للتحقق من النظرية التي وضعت منذ قرن مضى. انها نظرية متعلقة باكبر اجسام النظام الشمسي كالشمس والمشتري حيث تفترض النظرية انه مركزهما يحتوي على شكل فريد من الهيدروجين يتواجد في ظروف معينة من الضغط. انه الشكل المعدني للهيدروجين والذي تم اكتشافه على الارض بصعوبة لانه يتطلب توفير ضغط يعادل ٣ مليون مرة الضغط الجوي.
لقد تمكن العلماء من الوصول إلى ضغط العالي المطلوب بواسطة ضغط جزيئات الهيدروجين بين الالماس. لقد كان اكتشاف رائع بتحويل غاز الهيدروجين لهيدروجين معدني حيث تفككت جزيئات الهيدروجين وتحولت إلى ذرات والكترونات وبدأت تتصرف كما لو انها معدن.
هذه الانواع من الاكتشافات والتجارب لن تتوقف لان التقنيات والمهارات اللازمة للتحكم بالنواحي الفيزيائية لفهم الكون اصبحت اكثر واكثر من انتاجها على الارض.
في النهاية اود ان اكون قدمت شرحا سريعا حول حالات المادة المختلفة وسوف نخصص مقال يشرح كل حالة بشكل منفرد. ونستنتج هنا انه يوجد اربعة حالات للمادة تحدث بشكل طبيعي وحالات اخرى كثيرة تتطلب ظروف استثنائية لكي نكتشفها، وهذا سوف يجعلنا اكثر قربا من فهم الحياة والكون وكل شيء.
