Θεωρητικό μοντέλο περιγράφει μια ύλη που δεν λιώνει σε μια έρευνα που ακουμπά πολλά επιστημονικά πεδία.
Η κρατούσα επιστημονική θεώρηση είναι πώς όσο περισσότερο θερμαίνεται η ύλη, οποιαδήποτε γνωστή μορφή ύλης, τόσο περισσότερο διαταράσσεται η δομή και η συμπεριφορά των ατόμων που την αποτελούν. Έτσι τελικά η ύλη λιώνει ή εξατμίζεται. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι τα παγόβουνα, αν βρεθούν σε συνθήκες θερμοκρασίας πάνω από τους μηδέν βαθμούς Κελσίου θα λιώσουν ή θα εξατμιστούν όσο μεγάλα και αν είναι.
Τα τελευταία 50 έτη οι επιστήμονες προσπαθούν να αναπτύξουν θεωρητικά μοντέλα τα οποία να περιγράφουν υλικά που μπορούν να θερμαίνονται χωρίς να μεταβάλλεται η δομή και συμπεριφορά των ατόμων που τις αποτελούν. Όμως όλες αυτές οι προσπάθειες ή καλύτερα όλες οι εξισώσεις των επιστημόνων κατέληξαν στο ίδιο αποτέλεσμα, ότι δηλαδή η ύλη όταν έρθει σε επαφή με αυξημένη θερμοκρασία θα λιώσει ή θα εξατμιστεί.
Ερευνητική ομάδα αποτελούμενη από επιστήμονες των Πανεπιστημίων του Κεντάκι στις ΗΠΑ και Hebrew στην Ιερουσαλήμ με δημοσίευση της στην επιθεώρηση «Physical Review Letters» παρουσιάζει ένα νέο μοντέλο που ανέπτυξαν το οποίο επιτρέπει τη δημιουργία ύλης που δεν λιώνει. Μια πρώτη εφαρμογή αυτής της ύλης θα μπορούσε να είναι στην κατασκευή υπεραγώγιμων υλικών που θα βοηθούσαν στη παραγωγή ενέργειας φιλικής στο περιβάλλον.
«Τα όσα αναφέρονται στη μελέτη είναι εντυπωσιακά αφού δείχνουν ότι μπορεί να υπάρξει ύλη που να σπάει τη συμμετρία ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες» δηλώνει ο Άμος Γιάρομ, καθηγητής του τμήματος Φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Technion του Ισραήλ ο οποίος δεν ήταν μέλος της ερευνητικής ομάδας.
Η μέθοδος
Οι ερευνητές ανέπτυξαν το μοντέλο τους αξιοποιώντας την αποκαλούμενη κβαντική θεωρία πεδίου, μια σύγχρονη θεωρία της φυσικής επιστήμης που συνδυάζει την κβαντική θεωρία με την θεωρία της ειδικής σχετικότητας. Η κβαντική θεωρία πεδίου έχει ευρεία χρήση στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων και στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν αυτή την θεωρία για να δημιουργήσουν μοντέλα ουσιών δηλαδή να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά, τη συμπεριφορά και τις αλληλεπιδράσεις τους.
«Η δημιουργία ενός μοντέλου ύλης σημαίνει να καταγράψουμε μια ουσία σε μαθηματική γλώσσα, να γράψουμε τους θεμελιώδους νόμους που ελέγχουν τη συμπεριφορά των σωματιδίων που αποτελούν αυτή την ύλη και πώς τα σωματίδια δημιουργούν αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Η ανακάλυψη τέτοιων μοντέλων είναι η μεγαλύτερη πρόκληση στον τομέα της Φυσικής» αναφέρουν τα μέλη της ερευνητικής ομάδας. Τις τελευταίες δεκαετίες οι φυσικοί έχουν Tαναπτύξει δεκάδες τέτοια μοντέλα. Τα περισσότερα περιγράφουν μορφές ύλης που γνωρίζουμε αλλά και ορισμένες εντελώς υποθετικές μορφές ύλης. «Η Φυσική βασίζεται σε εργαστηριακά πειράματα στα οποία αναπαράγονται οι νόμοι της φύσης. Όμως στη θεωρητική φυσική τα πειράματα βρίσκονται μόνο μέσα στο μυαλό μας, κάνουμε μαθηματικά παιχνίδια με παραδείγματα που δεν μπορούν απαραίτητα να γίνουν μετρήσιμα σε κάποιο εργαστήριο και αυτό γίνεται ώστε να ανακαλύψουμε κάποια νέα όρια του πιθανού μέσα στο πλαίσιο των νόμων της φύσης» εξηγούν οι ερευνητές. Με αυτού του είδους τα πειράματα οι επιστήμονες μπορούν να κάνουν εκτιμήσεις για τις πιθανότητες ύπαρξης διαφόρων άγνωστων μορφών ύλης και στη συνέχεια να προσπαθούν να τις δημιουργήσουν μέσα στα εργαστήρια.
Η ύλη που δεν λιώνει
Στη νέα μελέτη οι ερευνητές προσπάθησαν να διερευνήσουν την πιθανότητα να είναι εφικτό με τους γνωστούς νόμους της Φυσικής να υπάρξει μια ουσία που δεν θα λιώνει. Αν είναι δηλαδή πιθανό η κρυσταλλική κατάσταση μιας ύλης να μην εξαφανιστεί ακόμη και σε ακραία υψηλές θερμοκρασίες. Τα αμέτρητα παραδείγματα της σχέσης αύξησης της θερμοκρασίας και κατάρρευσης της ύλης έδειχναν ότι αυτή η συνθήκη είναι ένας απαράβατος νόμος της φύσης.
Όμως ο Ρώσοισραηλινός φυσικός Λεβ Λαντάου που βραβεύθηκε με Νόμπελ Φυσικής το 1962 ανακάλυψε την εξαίρεση στον κανόνα. Διαπίστωσε ότι ο εστέρας Rochelle (άλας καλίου νατρίου) είναι ένας κρύσταλλος η δομή του οποίου ενισχύεται όταν θερμαίνεται. Όμως αυτό το μοναδικό φαινόμενο συμβαίνει μόνο εντός μια συγκεκριμένης ακτίνας θερμοκρασιών. Αν η θερμοκρασία υπερβεί τα όρια αυτής της ακτίνας ο κρύσταλλος αυτός ακολουθεί την πορεία όλων των άλλων υλικών και λιώνει.
Οι ερευνητές αφού έλαβαν υπόψη τους και αυτόν τον παράγοντα κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι θεωρητικώς τουλάχιστον υπάρχει η πιθανότητα της ύπαρξης ενός υλικού το οποίο η θερμότητα σε οποιαδήποτε διαβάθμιση της δεν προκαλεί το λιώσιμο του. Η λογική που ακολούθησαν ήταν πρώτα να σκεφτούν το τι υλικό θέλουν να βρουν και στη συνέχεια να ψάξουν μέσω των εξισώσεων τον τρόπο να το φτιάξουν. Αναφέρουν ότι αν και χρησιμοποίησαν σε κάποιες φάσεις υπολογιστές αποφάσισαν να κάνουν όλους τους υπολογισμούς και τις εξισώσεις με «μολύβι και χαρτί».
Όπως υποστηρίζουν με αυτή την μέθοδο κατάφεραν να δημιουργήσουν εξισώσεις οι οποίες περιγράφουν ένα είδος ύλης που δεν λιώνει. Η ύλη αυτή μοιάζει πολύ με αυτές που ανήκουν στην οικογένεια των αποκαλούμενων σούπερ υλικών όπως τα σούπερ υγρά τα οποία ρέουν χωρίς τριβή και οι υπεραγωγοί οι οποίοι κάνουν την εμφάνιση τους μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο πειραματίζονται με αυτά τα σούπερ υλικά έτσι ώστε να καταφέρουν να τα κάνουν να δουλεύουν σε θερμοκρασίες δωματίου. Ένα τέτοιο επίτευγμα θα επέτρεπε να υπάρξουν πολύ μεγάλα κέρδη στον τομέα της ενέργειας αφού θα μπορεί θεωρητικά να μεταφέρεται ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς να χάνεται ενέργεια κατά την μεταφορά του.
Οι ερευνητές σπεύδουν να τονίσουν ότι η προσπάθεια τους δεν έχεις στόχο την επίλυση των παγκόσμιων ενεργειακών προβλημάτων αλλά για να κατανοήσει η επιστήμη καλύτερα τους νόμους της φύσης. Επιπλέον εκτός από τη σχέση δομής της ύλης με τη θερμοκρασία η έρευνα αυτή μπορεί να βοηθήσει στην εξεύρεση του ιερού δισκοπότηρου της φυσικής των σωματιδίων. Της ενοποιημένης θεωρίας πεδίου που είναι μια προσπάθεια να περιγραφούν όλες οι θεμελιώδεις δυνάμεις και οι σχέσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων σε ένα θεωρητικό πλαίσιο.