ديوتيريوم

داخل فولاذ مفاعل الاندماج المستقبلي تتشكل فقاعات هيليوم متناهية الصغر، وعلى جدرانها تدور دراما كيميائية. ذرات الكروم والتنتالوم، كحرّاس، تحتل مواقع عند حدود التجويف وتغيّر قواعد اللعبة بالنسبة للهيدروجين.

في أعماق الكواكب شبه النبتونية، وهي الكواكب الأكثر وفرة في المجرة ولكن لا يمكن الوقوف عليها، تمتزج الصهارة السيليكاتية والهيدروجين في كوكتيل واحد فوق حرج. كان يُعتقد سابقًا أنه تحت الغلاف الجوي الهيدروجيني الكثيف توجد حدود واضحة مع السيليكات المنصهرة، مثل الزيت فوق الماء. الآن أظهرت الحسابات أنه عند ضغوط ودرجات حرارة الأعماق، تذوب هاتان الطبقتان تمامًا في بعضهما البعض.

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

في الفيزياء النووية، ظلّ لغزٌ يحير العلماء طويلاً: لماذا من بين العناصر الأخف من البزموت، لا يملك سوى التكنيشيوم (رقم 43) والبروميثيوم (رقم 61) أي نظير مستقر — وهو نوع من الذرة يحتوي على نفس عدد البروتونات ولكن عدد مختلف من النيوترونات؟ جميع جيرانهما في الجدول الدوري يمكن أن يفتخروا بنوع واحد على الأقل طويل العمر، بينما يبدو هذان العنصران وكأنهما يخرجان عن القاعدة العامة.

بعد ثلاث دقائق من الانفجار العظيم، عزف الكون سمفونيته الأولى. كان ذلك الانفجار العظيم والتخليق النووي — تكوّن الأنوية الخفيفة، حيث كان كل عنصر يعزف نغمته الخاصة، وكان الإيقاع تحدده سرعة توسع الفضاء. الإيقاع القياسي الذي تنبأت به معادلات فريدمان كان يُبعد البروتونات والنيوترونات عن بعضها، ويمنعها من التكتل بسرعة كبيرة.

الماء في الكوب يبدو متصلًا، لكنه يتكون من جزيئات. وبالمثل، وصف الفيزيائيون لفترة طويلة المادة داخل النجم النيوتروني — كحساء متجانس من البروتونات والنيوترونات. لكن النجوم النيوترونية الحقيقية ليست حساءً. إنها حشد متلاصق من الجسيمات، حيث يشعر كل نيوترون بجاره. مؤلفو الدراسة الجديدة تخلوا عن الصورة المتجانسة. اعتمدوا على أداة غير عادية — الهولوغرافيا.

الماء ليس نوعًا واحدًا. فليس فقط عذبًا أو مالحًا، بل قد يكون «ثقيلًا» أيضًا — إذا احتوى جزيئه على الديوتيريوم، وهو نظير الهيدروجين الأثقل، بدلًا من الهيدروجين العادي. يُطلق على هذا الماء اسم HDO، وهو بمثابة جواز سفر كوني حقيقي: فمن خلال كمية الديوتيريوم في الماء، يمكننا معرفة أين ومتى وُلد هذا الماء.

في غرفة هادئة، يمكنك سماع أضعف همسة. وكذلك في ذرة الهيدروجين — الأخف بين جميع الذرات — يسهل ملاحظة ضيف غير مدعو. قد يكون هذا الضيف هو بوزون Z'، وهو جسيم وسيط لقوة جديدة تتنبأ به العديد من نظريات التوحيد. النموذج القياسي يحتوي بالفعل على وسيطه الخاص — بوزون Z.

في مركز كل ذرة توجد نواة — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. هذه الجسيمات لا تتزاحم عشوائيًا، بل تملأ مستويات طاقة صارمة تشبه طوابق ناطحة سحاب. عندما يمتلئ طابق معين بالكامل، تصبح النواة مستقرة بشكل خاص — يسمي الفيزيائيون هذا العدد السحري. أثقل هذه الأعداد في النوى المستقرة هو 126 نيوترونًا.

الماء ليس مجرد مادة مبللة. على مقياس البيكو ثانية، يشبه حلبة رقص حيث تمزق الجزيئات الروابط وتنشئها باستمرار. عادةً ما يُوصف هذا الرقص بحركة رئيسية واحدة — الاسترخاء الجماعي، كما لو أن الحشد كله يتباطأ في الوقت نفسه بعد إيقاف الموسيقى. لكن عند الترددات العالية جدًا، حوالي تيراهرتز واحد (أي تريليون اهتزازة في الثانية)، يظهر إيقاع ثانٍ أسرع.

في الفيزياء النووية، ساد إعتقاد طويل بأن نيوترونين لا يمكن أن يشكلا حالة مرتبطة - فجاذبيتهما أضعف من أن تبقيهما معاً، فينفرطان فوراً. لكن على أسطح الأنوية الغنية بالنيوترونات، حيث تنخفض كثافة المادة إلى أجزاء من الألف من الكثافة النووية العادية، يتغير المشهد جذرياً. هنا يؤدي النيوترونان رقصة كوانتية لم تُرَ من قبل، ليشكلا ثنائياً متراصاً هو الداي نيوترون.

اصطدام نجمين نيوترونيين هو مختبر كوني تنضغط فيه المادة إلى كثافات لا يمكن تصورها. في اللحظات الأولى بعد الاندماج تنشأ سحابة ساخنة تبرد بإصدار النيوترينوات. هذه الجسيمات الخفية تحمل الطاقة وتقرر كمية المادة التي ستُقذف إلى الفضاء والعناصر الثقيلة التي ستُخلَّق. حتى الآن، كانت النيوترينوات توصف في المحاكاة الحاسوبية بشكل تقريبي: كان يتم حساب متوسط طاقتها وتبسيط التفاعلات المعقدة.

في أعماق المحيط، حيث لا يصل الضوء، تولد خطة لاصطياد جسيمات لا تتفاعل تقريبًا مع أي شيء. الجيوتريونات (geoneutrinos) — رسل صغيرة من الوشاح الملتهب — تنطلق عند تحلل اليورانيوم والثوريوم. تدفقها يحمل معلومات عن كمية الحرارة المخبأة تحت أقدامنا. تعاني الكاشفات الأرضية من خلفية قوية: إشارة القشرة تطغى على صوت الوشاح الخافت.

كوكب بحجم نبتون، لكنه شديد الحرارة لدرجة التوهج الأبيض. تحت الغيوم، يوجد محيط من الصهارة قادر على امتصاص غلاف جوي كامل من الهيدروجين. ولأول مرة، يتتبع نموذج SEAMIST كيف يغير هذا الإذابة مصير الكوكب من ولادته حتى شيخوخته. المفاجأة الكبرى هي آلية الغليان الكارثي.

أنوية الذرات مغطاة بأغلفة رقيقة من الإلكترونات — في مثل هذه الأغلفة لا يمكن التحامها. لكن استبدل الغلاف الخفيف بآخر ثقيل: الميون، وهو جسيم من النموذج المعياري، يضغط السحابة الإلكترونية بحوالي 200 مرة.

سياج غير مرئي يعترض المضيق. لا يمكن التسلق فوقه أو الغوص تحته، فهو ليس مصنوعًا من الفولاذ بل من تيار من الجسيمات التي تخترق عمود الماء. هكذا يمكن وصف فكرة كشف الغواصات النووية عبر إشعاع مضادات النيوترينو. يعمل المفاعل النووي كمصباح لا ينطفئ، باعثًا مليارات من هذه الجسيمات كل ثانية. وهي بالكاد تتفاعل مع المادة، فتخترق هيكل الغواصة وكيلومترات من الماء بحرية.

في بلورة من الماء وهيدروكسيد السيزيوم، تجلس ذرات الأكسجين والسيزيوم في أماكنها كخرزات في شبكة صلبة. أما ذرات الهيدروجين فسلوكها مختلف — فهي كركاب يعيدون ترتيب أنفسهم باستمرار من مكان إلى آخر. في هذه المادة الطبقية، يرتبط كل أكسجين بثلاثة جيران عبر جسور هيدروجينية، مشكلًا ما يشبه أقراص العسل.

كرة تتدحرج صعوداً نحو تلّة، لكن قوتها لا تكفي، فترتدّ إلى الخلف. هكذا تقتضي الميكانيكا الكلاسيكية. أما في العالم الكمومي، فقد تخترق جسيمات صغيرة جداً التلّة وكأنها لا ترى العائق أصلاً. هذه الحيلة — النفقيّة — أمر عادي بالنسبة لذرة الهيدروجين الخفيفة.

الاندماج النووي الحراري — اندماج بروتون مع نواة البورون-11 — يبشر بمصدر طاقة شبه مثالي: بدون تدفق النيوترونات الخطرة، فقط تدفق جسيمات مشحونة يمكن تحويله مباشرة إلى تيار كهربائي. لكن هنا تبرز المشكلة الأساسية لحاجز كولوم.

النيتروجين — وهو الغاز الذي نتنفسه — يتصرف تحت ضغط مليون ضغط جوي كمعدن متقلب. في غرفة ذات سندانين ماسيين، يُضغط إلى 78–98 غيغاباسكال ويُسخن بالليزر إلى 1800–2500 كلفن. في هذه الظروف، تعيد جزيئات N₂ ترتيب نفسها إلى بلورات يمكنها تخزين طاقة أكبر كثافة من المتفجرات.

ضوء ملتوي في اتجاه واحد يسقط على بروتون. يمكن للجسيم أن يمتص الفوتون أو يبعده — وهذا يعتمد على اتجاه سبينه، ذلك القمة الدوارة الداخلية الصغيرة. في تجربة على مسرع MAMI في ماينتس، اصطدم شعاع من الفوتونات المستقطبة بأهداف من بروتونات وديوترونات مستقطبة (أنوية الهيدروجين الثقيل).

في مصادم الهادرونات الكبير، لا تتصادم الأنوية فحسب، بل أيضًا البروتونات المنفردة. حتى في مثل هذه الأنظمة الصغيرة، تُلاحظ سلوكيات جماعية تشبه تدفق السوائل. لكن البروتون جسم كمومي، حالته توصف بالدالة الموجية، وليس بدرجة الحرارة والضغط.

إذا كانت نواة الذرة بمثابة عائلة، فإن منزل الهيليوم العادي يضم بروتونين ونيوترونين يتكاتفون بقوة. تخيل الآن أن أحد أفراد العائلة غريب الأطوار يحب التجول بعيدًا عن المنزل. هذا هو شكل هايبرتريتون بالضبط: في المركز زوج عادي (بروتون ونيوترون)، وحوله على مسافة كبيرة يتجول هايبرون — جسيم يحوي كواركًا غريبًا في داخله.

النيوترينوات هي جسيمات صغيرة تخترق سمك الكوكب كما يخترق الضوء زجاج النافذة. في كل ثانية، تمر مليارات من هذه الجسيمات عبر ظفر إصبعك الصغير، لكن التقاط حتى جسيم واحد منها ليس بالمهمة السهلة. لهذا الغرض، حُفر منجم في كندا بعمق كيلومترين ووُضع فيه كاشف SNO+. العمق ضروري للاختباء من الأشعة الكونية التي تسبب تشويشًا. يوجد في الكاشف كرة ضخمة مملوءة بسائل وميضي (scintillator).

في أعماق الأرض، تحت أقدامنا مباشرة، يحدث تحلل بطيء للعناصر المشعة. وينتج عن ذلك جسيمات صغيرة تُعرف بالجيولنيوترينوات. تمر هذه الجسيمات عبر القشرة الأرضية والوشاح واللب، دون أن تتفاعل تقريبًا مع أي شيء. لكن إذا تمكنا من التقاط حتى عدد قليل من هذه الجسيمات، يمكننا معرفة مما يتكون باطن الأرض بالضبط — كم يوجد فيه من البوتاسيوم أو اليورانيوم أو الثوريوم.

في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم، أعدّ الكون مزيجًا من الهيدروجين والهيليوم وقليل من الليثيوم. لكن الوصفة أصابها خلل: فبحسب حسابات جورج غاموف ورالف ألفر وفريد هويل، يجب أن يكون الليثيوم أكثر بثلاث مرات مما يراه الفلكيون.

المفاعل النووي التقليدي يشبه المرجل حيث يحترق الوقود بالتساوي في كامل حجمه. هنا الصورة مختلفة: على طول قضيب أسطواني من كربيد اليورانيوم تزحف ببطء موجة انشطار — منطقة ضيقة تنشطر فيها الذرات وتطلق حرارة. أمام الموجة، الوقود لم يمس بعد؛ خلفها، استُنفد بالفعل. هكذا ينتقل النار على فتيل الشمعة، تاركًا الشمع خلفه. الحيلة الأساسية تكمن في طيف النيوترونات.

رُصد المذنب 3I/ATLAS عند دخوله المجموعة الشمسية من الفضاء بين النجمي. قام تلسكوب جيمس ويب بتحليل ضوء سحابة الغاز المحيطة به إلى طيف - طيف - حيث ظهرت في هذا النمط خطوط لجزيئات نادرة تحوي الديوتيريوم (الهيدروجين الثقيل).

الهيدروجين بطل في الطاقة لكل كيلوغرام، لكن تخزينه متعب. في حالته الغازية يشغل حجمًا هائلًا، وإذا تم ضغطه أو تبريده إلى سائل، نحتاج إلى أسطوانات ثقيلة وطاقة كبيرة. هناك طريق ثالث: بعض المواد الصلبة تمتص الهيدروجين مثلما تمتص الإسفنجة الماء، وتحتفظ به داخلها. سخّن المادة — يخرج الهيدروجين، برّدها — يُمتص مرة أخرى.

تعيش النواة الذرية عادة وفق قوانينها الخاصة: فاضمحلالها لا يعتمد على درجة الحرارة أو الضغط أو الجيران في الجزيء. لكن نظير اليورانيوم-235m يشكل استثناءً مذهلاً. هذه النواة في حالة مثارة، مثل نابض مشدود بإحكام، وتطلق الطاقة الزائدة عاجلاً أم آجلاً. عادةً ما تسير هذه العمليات بسرعة ثابتة، لكن هنا تتدخل البيئة الكيميائية في الساعة النووية.

في كل مرة يندمج فيها الديوتيريوم والتريتيوم داخل مفاعل الاندماج النووي، ينطلق نيوترون سريع. يمكن لهذا النيوترون أن يحول بعض المواد إلى أخرى، على سبيل المثال، إنتاج نظائر ثمينة للطب. اليوم، هذه النيوترونات باهظة الثمن بشكل خيالي، لأن عدد المنشآت التجريبية قليل وهي تعمل نادرًا.

في مصادم الهادرونات الكبير، تُصطدم البروتونات بنوى الرصاص. لحظة الاصطدام تولد مئات الجسيمات الجديدة، وبعضها يخرج في حزم ضيقة — نفاثات. داخل هذه النفاثة، كما في تيار كثيف، يمكن للبروتونات والنيوترونات أن تلتصق معًا لتكوين نوى أكبر، مثل الديوترون — نواة الهيدروجين الثقيل.

داخل مفاعل الاندماج النووي المستقبلي، سوف يطفو مغناطيس بوزن سيارة صغيرة. إنه يمسك البلازما شديدة الحرارة كما تمسك يد خفية سحابة. في السابق، كان يُعتقد أن مثل هذا المغناطيس غير مناسب لوقود الديوتيريوم والتريتيوم: فتدفقات النيوترونات كانت تدمره بسرعة. الآن، ابتكر المهندسون طريقة لحماية المغناطيس واستبدال الجزء التالف.

يمكن لعدد كبير من الذرات أن تعمل مثل أوركسترا متناغمة: إذا أصدرت كل ذرة الضوء بتوافق مع الأخرى، فإن الوميض يكون أكثر سطوعًا بعدة مرات. هذه الظاهرة، التي تسمى الإشعاع الفائق، مدروسة جيدًا في المختبرات لكنها لم تُبحث كثيرًا في الفضاء. يشتبه علماء الفيزياء الفلكية الآن في أن مثل هذه 'النغمات' الجماعية تُسمع أيضًا في الفضاء بين النجوم.

الكوكب HIP 67522 b صغير جدًا: عمره 17 مليون سنة فقط، مقارنة بالأرض التي يبلغ عمرها 4.5 مليار سنة. وهو كوكب خارجي من نوع المشتري الحار — عملاق غازي يدور قريبًا جدًا من نجمه، لذا فإن غلافه الجوي ساخن ومنتفخ. وجّه علماء الفلك إليه التلسكوب الكبير جدًا VLT في تشيلي، وأثناء عبور الكوكب أمام قرص النجم، التقطوا الضوء الذي مر عبر غلافه الجوي.

في كل عام، في الولايات المتحدة وحدها، يجري الأطباء أكثر من 16 مليون فحص باستخدام النظير المشع التكنيشيوم-99m. فهو يُظهر القلب والعظام والرئتين في الصور، ويساعد في اكتشاف الأورام أو فحص تدفق الدم. لكن عمر النظير نفسه لا يتجاوز ست ساعات، لذا لا يمكن تخزينه للاستخدام لاحقًا — بل يحتاج إلى إمداد مستمر.

في الكيمياء عالمين: في أحدهما، المحفز جسيم صلب يحدث التفاعل على سطحه؛ وفي الآخر، جزيء مذاب تدور فيه الأحداث حول مركز معدني واحد. نادرًا ما يلتقي هذان العالمان، لكن في دراسة جديدة التقيا. أخذ الباحثون أكسيد الحديد — مسحوق أسود تُصنع منه أشرطة التسجيل المغناطيسية — ونثروا على سطحه ذرات مفردة من الروديوم، وهو معدن من عائلة البلاتين. ثم أطلقوا غاز الهيدروجين.

في الدقائق الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون يشبه موقد مطبخ شديد الحرارة. وفقًا لـ 'وصفة' النظرية القياسية، كان من المفترض أن يُطهى عليه الهيدروجين والهيليوم وقليل من الليثيوم. لكن التلسكوبات ترى ليثيومًا أقل بثلاث مرات مما هو مذكور في هذه الوصفة.

ظلّ أورانوس ونبتون يحيران علماء الكواكب لفترة طويلة: فمجالاتهما المغناطيسية تميل بشدة عن محور الدوران وتتميز ببنية متعددة الأقطاب معقدة، لا تشبه إطلاقًا ثنائي القطب البسيط نسبيًا لمجال الأرض. يكمن الحل في طور غير عادي من الماء — وهو الجليد فائق الأيونية، الذي وفقًا للنماذج يملأ أعماق هذين العملاقين الجليديين.

لكي تندمج نواتان ذريتان، لا بد من التغلب على تنافرهما الكهربائي الشديد، تماماً كمحاولة تقريب قطبين مغناطيسيين متشابهين. في الظروف العادية، لا يساعد على ذلك إلا طاقة هائلة، كما في أنوية النجوم، حيث شرح هانز بيته آلية الاندماج في ثلاثينيات القرن الماضي. لكن العلماء وجدوا حديثاً طريقة لإنشاء "حظيرة" معدنية.