ساعدنیوز: أعاد العلماء محاکاه نسخ خاضعه للسیطره من ظواهر شدیده الخطوره، بینها تفشیات الجدری والبلازما الشمسیه والمستعرات العظمى والغبار النووی، إضافه إلى أفق حدث شبیه بالثقب الأسود ومجالات مغناطیسیه وزلازل ودرجات حراره تتجاوز حراره الشمس.
وفقا لساعدنیوز: صوره العالم المجنون الذی یخلط المواد فی المختبر ثم یتسبب فی انفجارها تنتمی فی الغالب إلى الرسوم المتحرکه والقصص المصوره. أما العلماء الحقیقیون فیعملون وفق قواعد صارمه للسلامه، لکن المختبرات تتیح لهم محاکاه نسخ مصغره أو مضبوطه من ظواهر قد تکون مدمره. وهذه عشر حالات أعاد فیها الباحثون اختبار قوى مخیفه من الطبیعه والکون.
ظل الجدری یحصد الأرواح فی أنحاء العالم لقرون، إلى أن أعلنت منظمه الصحه العالمیه القضاء علیه رسمیا عام 1980. لکن الفیروس لم یختف تماما، إذ ما زالت عینات مصرح بها محفوظه داخل مختبرات شدیده الحمایه فی روسیا والولایات المتحده، ما یثیر مخاوف من احتمال خروجه والتسبب فی تفش جدید، سواء عن طریق الخطأ أو بشکل متعمد.
ولا یبدو أن السلطات تعتبر الخطر منتهیا منذ عام 1980. ففی 2018 وافقت الحکومه الأمریکیه على دواء لعلاج الجدری. وفی العام التالی، أجرى باحثون أسترالیون نموذجا ریاضیا لدراسه الطریقه التی یمکن أن ینتشر بها المرض فی الوقت الحالی إذا استُخدم کسلاح بیولوجی.
وحاکى تمرین «ماتیکا» سیناریو شدید السوء یبدأ فی فیجی. وتُشخّص الحالات الأولى بشکل خاطئ لأن الأطباء غیر معتادین على الجدری ولا یتوقعون رؤیته. وأظهر النموذج أن اکتشاف المرض قد یستغرق قرابه أسبوعین، وفی ذلک الوقت یکون نحو 200 شخص قد أصیبوا بالفعل. ثم یتجاوز التفشی 2,000 حاله بینما یصبح النظام الصحی فی فیجی عاجزا عن التعامل معه، مع افتراض معدل وفیات یبلغ نحو 40 بالمئه.
ومع بدء وصول اللقاحات، یظهر تفش أکبر فی دوله آسیویه أخرى أکثر اکتظاظا بالسکان. ویتحول السیناریو إلى جائحه کارثیه تضرب قوه العمل بشده وتترک شبکه الکهرباء والاتصالات وإنتاج الغذاء والنقل والبنیه التحتیه الحیویه الأخرى فی وضع شدید الهشاشه. ووفقا لأسوأ الافتراضات، قد یستغرق احتواء الجائحه عشر سنوات ویتطلب أکثر من ملیار جرعه لقاح.
یمکن للطقس الشمسی أن یدمر الأقمار الصناعیه ویعطل الإنترنت ویؤثر فی شبکات الکهرباء، إلى جانب أضرار تقنیه أخرى. لذلک فإن فهم نشاط الشمس وسبل حمایه الأجهزه الإلکترونیه أصبح أمرا مهما لحضاره تعتمد بصوره کبیره على التکنولوجیا. ورغم أن العلماء یراقبون الشمس بالتلسکوبات والأقمار الصناعیه والمرکبات الفضائیه، فإن إعاده إنتاج ظروفها والتحکم فیها داخل المختبر لیست مهمه سهله.
وفی عام 2023، صنع باحثون فی جامعه کالیفورنیا بلوس أنجلوس نموذجا مصغرا للبلازما الشمسیه داخل کره زجاجیه یبلغ عرضها بوصه واحده (3 سنتیمترات). ووصلت بلازما الکبریت المسخنه بالموجات المیکرویه إلى نحو 5,000 درجه فهرنهایت (2,760 درجه مئویه). کما استخدمت موجات صوتیه لمحاکاه مجال جاذبیه مرکزی أقوى بنحو ألف مره من جاذبیه الأرض، ما سمح بدراسه الحمل الکروی للبلازما المشابه لما یحدث داخل الشمس.
وفی بعض الأحیان تتشابک المجالات المغناطیسیه للشمس فی عقد قبل أن تنفصل فجأه. وقد یؤدی ذلک إلى انبعاثات من الإشعاع تعرف باسم التوهجات الشمسیه. وفی حالات أخرى، تُقذف حلقات ضخمه من الماده الشمسیه إلى الفضاء، وهی الظاهره المعروفه باسم القذف الکتلی الإکلیلی، أو CME. وعندما تصل هذه القذف إلى الأرض، یمکن أن تسبب عواصف مغناطیسیه أرضیه تعطل التکنولوجیا أو حتى تلحق أضرارا بالبنیه التحتیه الحیویه.
ولا یزال الکثیر مجهولا بشأن کیفیه تشکل هذه العواصف وموعد حدوثها. صحیح أن کره البلازما الصغیره لم تحاک التوهجات الشمسیه أو القذف الکتلی الإکلیلی، لکن دراسه تدفقات البلازما فیها قد تساعد العلماء مستقبلا على فهم سلوک الشمس بشکل أفضل.
حیّرت ظاهره کره البرق شهودها والعلماء لقرون. وتظهر هذه الکرات المضیئه الغامضه عاده بحجم صغیر، وتحوم لمسافه قصیره فوق الأرض قبل أن تختفی، أحیانا بصمت وأحیانا مصحوبه بانفجار. کما تتحدث تقاریر عن صدور صوت هسهسه منها، ورائحه قویه تشبه الأوزون، وظهورها بألوان متعدده. وترتبط الظاهره أیضا بالبرق العادی والعواصف الرعدیه.
ولا تزال العلوم عاجزه عن تفسیر جمیع هذه الصفات، لکن تجربه أجریت عام 2006 فی جامعه تل أبیب قدمت دلیلا محتملا على کیفیه تشکل کره البرق. واستخدم الباحثون مثقابا میکرویا بقدره 600 واط، طُوّر اعتمادا على تقنیه المغنطرون، لتوجیه حزمه قویه من الموجات المیکرویه نحو جسم مصنوع من السیلیکون والزجاج ومواد أخرى.
وعندما ابتعد المثقاب، سحبت الحزمه ماده منصهره من الجسم، مکونه خطا متوهجا تحول إلى کره ناریه عائمه. وکان قطر البقعه أکبر بقلیل من بوصه واحده، واستمرت نحو عشره أجزاء من الألف من الثانیه، لکنها بدت شبیهه بالأوصاف المسجله لکره البرق الطبیعیه.
وقدمت التجربه دعما جزئیا لنظریه تفترض أن البرق العادی قد یضرب الأرض ویبخر السیلیکا الموجوده فی التربه، مکونا سحابه من جزیئات السیلیکون النانویه. ویمکن لهذه الجزیئات أن تتوهج أثناء تفاعلها مع الأکسجین فی الهواء، فتنتج الضوء الساطع المرتبط بظاهره کره البرق. ومع ذلک، کان لا یزال یتعین على الباحثین التحقق من ترکیب الکره الناریه، کما أن التجربه لم تقدم تفسیرا نهائیا لجمیع الحالات التی أبلغ عنها.
تعد المستعرات العظمى من أقوى الانفجارات النجمیه المعروفه للعلماء. ویحدث أحد أنواعها الرئیسیه عندما ینهار نجم ضخم ثم ینفجر، مخلفا بقایا قد تأخذ أشکالا تشبه الشبکات السحابیه. وتتمیز بقایا المستعر المعروف باسم کاسیوبیا A بخصائص غیر عادیه، منها أشکال ملتویه ومجالات مغناطیسیه أقوى بنحو مئه مره من تلک الموجوده فی الوسط بین النجوم المحیط.
واشتبه الباحثون فی أن النجم الذی نتجت عنه کاسیوبیا A قذف سحبا من الماده قبل انفجاره. ثم اندفعت بقایا الانفجار عبر تلک السحب، وهو ما قد یفسر الشکل غیر المنتظم للبقایا. ولاختبار هذه الفکره، صنع علماء الفیزیاء الفلکیه نموذجا مخبریا مصغرا للتفاعل بین مواد المستعر المقذوفه والماده المحیطه غیر المتجانسه.
وفی التجربه، سخنت ثلاثه أشعه لیزر قضیب کربون رقیقا داخل حجره مملوءه بالغاز حتى انفجر. وشارکت 12 مؤسسه فی تنفیذ المشروع، فیما کانت أشعه اللیزر أقوى بنحو 60 تریلیون مره من مؤشر لیزر عادی، ورفعت حراره القضیب إلى ملایین الدرجات.
ثم مرت الغازات الناتجه عبر شبکه تمثل الماده التی قذفها النجم قبل انفجاره. وأعاد التفاعل إنتاج سلوک للسوائل والبلازما یشبه الاضطراب غیر المنتظم فی کاسیوبیا A. کما کان المجال المغناطیسی أقوى فی الاختبارات التی استخدمت الشبکه مقارنه بالاختبارات التی لم تستخدمها، ما یشیر إلى أن التصادم العنیف بین مجموعتی الماده ربما ساهم فی تکوین المجالات المغناطیسیه القویه بصوره غیر عادیه فی بقایا المستعر.
بعد وقوع حادث نووی أو هجوم نووی، یمکن للماده المشعه المعروفه باسم الغبار النووی أن تدخل الغلاف الجوی ثم تعود إلى الأرض. وبسبب خطورته، أصبح فهم کیفیه تشکل هذا الغبار وانتشاره من أولویات الباحثین. وفی عام 2026، حاکى مختبر لورانس لیفرمور الوطنی جزءا من العملیه دون تفجیر جهاز نووی تقلیدی أو إحداث تفاعل نووی.
واستخدم العلماء مفاعلا لتدفق البلازما لمحاکاه مرحله تتبخر خلالها مواد معینه ثم تتکثف أثناء تبریدها بعد تعرضها للحراره الشدیده لکره ناریه نوویه. ویمکن أن تفید هذه المعلومات فی التخطیط لحالات الطوارئ والتحقیقات النوویه، من خلال تحسین قدره الباحثین على توقع طریقه تشکل جزیئات الغبار النووی وانتشارها.
ورکزت التجربه على ثلاثه عناصر هی السیزیوم والیورانیوم والسیریوم. واستُخدم السیریوم کبدیل کیمیائی أکثر أمانا للبلوتونیوم. وسُخنت العناصر الثلاثه إلى نحو 8,540 درجه فهرنهایت (4,727 درجه مئویه)، لمحاکاه مرحله التبخر عند درجات الحراره العالیه المرتبطه بالانفجار النووی.
واختبر الباحثون مسارین حراریین مختلفین: تبریدا مستمرا وتبریدا سریعا مؤجلا. وفی الحالتین تکثفت جزیئات الیورانیوم والسیریوم بسرعه. لکن السیزیوم تصرف بطریقه مختلفه، إذ تکثف فی وقت لاحق وامتزج بسهوله أکبر مع العناصر الأخرى عندما بقی فی درجات حراره مرتفعه لفتره أطول.
وأضافت النتائج إلى معرفه العلماء بکیمیاء الغبار النووی وسلوکه، کما وفرت معلومات قد تساعدهم فی فحص أحداث نوویه سابقه وتتبع أنماط انتشار حطامها وصولا إلى الظروف التی أدت إلى تکوّنه.
لا یزال الکثیر مجهولا عن الثقوب السوداء، لکن إحدى خصائصها المخیفه واضحه نسبیا. فالثقب الأسود یمتلک حدا یسمى أفق الحدث، وبمجرد عبور جسم ما هذا الحد، سواء کان مرکبه فضائیه أو ضوء، یصبح الخروج مستحیلا، ولا یعود بإمکانه التواصل مع الکون الخارجی.
وفی عام 2022، صنع علماء الفیزیاء نظیرا کمومیا أحادی الأبعاد لهذا الحد القاتل. ولم یکن الهدف مراقبه سرعه ابتلاع الأشیاء، بل دراسه إشعاع هوکینغ، وهو شکل نظری من الإشعاع الحراری یُفترض أنه یمکن أن یخرج من الثقوب السوداء. وبما أن الظاهره ترتبط بأفق الحدث، رأى الباحثون أن إنشاء نظیر آمن یمکن أن یکشف عما إذا کان تأثیر مشابه سیظهر.
وتکون «أفق الحدث» الاصطناعی من سلسله ذرات. وعدّل الباحثون سهوله انتقال الإلکترونات من ذره إلى أخرى، فأنشأوا حدا یحمل خصائص مشابهه لأفق الحدث. وظهر ارتفاع فی درجه الحراره فقط عندما امتد جزء من سلسله الذرات إلى ما وراء الحد المحاکى، بما یتوافق مع التنبؤات النظریه لإشعاع هوکینغ فی ظروف معینه.
ولم تثبت التجربه أن الثقوب السوداء الحقیقیه تطلق إشعاع هوکینغ، لکنها أظهرت تأثیرا حراریا یشبه الظاهره المتوقعه. واقترح الباحثون أن هذه الحراره قد تنتج عن التشابک بین الجسیمات الموجوده على جانبی أفق الحدث المحاکى.
عاده ما تهدف التجارب المختبریه إلى حمایه الباحثین والأجهزه، لکن بعض التجارب تکون مصممه لتدمیر المعدات عمدا. وهذا ما حدث عام 2018 فی جامعه طوکیو، عندما حاول العلماء إنتاج أقوى مجال مغناطیسی داخلی یمکن التحکم فیه على الإطلاق.
لم یُصب أحد بأذى، وحقق العلماء هدفهم. وکان من المتوقع أن یولد الجهاز مجالا تبلغ قوته نحو 700 تسلا، بینما ینتج مغناطیس الثلاجه المعتاد نحو 0.01 تسلا. لکن ضغط التدفق الکهرومغناطیسی أدى بدلا من ذلک إلى تولید مجال هائل بلغ 1,200 تسلا، أی ما یقرب من 50 ملیون مره أقوى من المجال المغناطیسی للأرض.
ثم دمر المولد نفسه بانفجار داخل حاویه معززه خصیصا، ما دفع الأبواب الثقیله للحجره إلى الانفتاح. ولم یکن هذا التدمیر مفاجئا تماما، لأن التقنیه تعتمد عمدا على سحق الجهاز لضغط المجال المغناطیسی داخل مساحه صغیره، مع التضحیه بالمولد للوصول إلى هذه القوه القیاسیه.
وقد تفتح المجالات التی تتجاوز 1,000 تسلا المجال أمام اکتشاف حالات إلکترونیه غیر مألوفه ودراسه خصائص المواد تحت ظروف شدیده القسوه. کما یمکن أن تسهم فی أبحاث حصر البلازما من أجل طاقه الاندماج، رغم أن الوصول إلى طاقه اندماج عملیه یظل تحدیا أکبر بکثیر.
افترض العلماء أن الکون قد یکون حالیا فی حاله شبه مستقره تعرف باسم «الفراغ الکاذب». ومن الناحیه النظریه، قد توجد حاله ذات طاقه أقل تسمى «الفراغ الحقیقی». وإذا انتقلت منطقه من الکون إلى هذه الحاله، فقد تتمدد فقاعه بسرعه تقترب من سرعه الضوء، وتغیر الثوابت الأساسیه وخصائص الجسیمات، ما یجعل الکون الذی نعرفه مستحیلا.
ولبحث السلوک الریاضی لهذه الفکره دون التسبب فی کارثه، صنع علماء الفیزیاء فی جامعه تسینغهوا محاکاه فیزیائیه باستخدام ذرات ریدبرغ. وهذه ذرات کبیره بصوره غیر معتاده، جرى إنتاجها عبر إثاره الذرات العادیه باللیزر. ثم رتبت الذرات فی حلقه غیر مستقره تمثل الفراغ الکاذب.
وأحدثت أشعه اللیزر کسرا فی تماثل الحلقه، ما سمح للذرات بالانتقال نحو ترتیب مفضل ذی طاقه أقل. وتطابق هذا السلوک مع التنبؤات النظریه حول الطریقه التی یمکن أن یحدث بها اضمحلال الفراغ الکاذب. لکن العلماء صنعوا نظیرا کمومیا فقط، ولیس فراغا خطیرا أو کونا مصغرا محکوما علیه بالدمار. کما أن التجربه لم تثبت وجود الفراغ الحقیقی أو إمکانیه حدوث هذا الانتقال الکارثی فی الکون الفعلی.
تُجرى کثیر من عملیات إعاده خلق الظواهر الخطره على نطاق صغیر، لأن الأحداث الحقیقیه قد تدمر المختبر أو العالم. لکن جامعه نیفادا فی رینو نفذت عام 2014 تجربه مختلفه، إذ وضعت جسرا بالحجم الکامل تحت تأثیر زلازل محاکاه فی مختبر هندسه الزلازل التابع لها.
بلغ طول الجسر 70 قدما (21 مترا)، ووزنه 52 طنا (47 طنا متریا). وصممت مکوناته وصُنعت مسبقا فی جامعه واشنطن، ثم نُقلت إلى مختبر تبلغ مساحته 24,500 قدم مربع (2,276 مترا مربعا)، حیث جرى تجمیعها فوق ثلاث منصات اهتزاز ضخمه.
وحاکت هذه المنصات حرکات أرضیه مشابهه لتلک التی سُجلت أثناء الزلزال المدمر الذی بلغت قوته 6.9 درجه وضرب مدینه کوبی الیابانیه عام 1995.
وتعرض الجسر للانهیار الجزئی بطریقه مضبوطه، لکنه لم یسقط. فقد التوى بشده ووصل مقدار انحرافه إلى 12 بالمئه، بینما سمع المراقبون فولاذا مسلحا ینقطع داخل الأعمده «مثل سحاب الملابس». ومع ذلک ظل الهیکل قائما رغم الأضرار.
واعتبر عدم انهیار الجسر خلال هذه الزلازل المحاکاه الشدیده نجاحا للتصمیم. فقد تضمن الجسر دعامات متأرجحه ومشدوده مسبقا، صُممت لامتصاص الحرکه العنیفه ثم مساعده الهیکل على العوده باتجاه وضعه الأصلی. ویمکن لهذه التقنیه أن تقلل أضرار الممتلکات وتحمی أرواح الأشخاص الموجودین على الجسور أثناء الکوارث الحقیقیه.
یمتد تحت الأرض بین سویسرا وفرنسا مسار دائری یبلغ طوله 17 میلا (27 کیلومترا)، وهو مصادم الهادرونات الکبیر، أو LHC، الذی یسرّع الجسیمات ویصطدم بها لدراسه الماده والقوى الأساسیه. واشتهر المصادم باکتشاف بوزون هیغز عام 2012، لکن إنجازا آخر سبقه بعامین، عندما أنتجت منشأه CERN ماده شدیده السخونه لدرجه تجعل الشمس تبدو کالمصباح الصغیر مقارنه بها.
فی عام 2010، صدم الباحثون أیونات الرصاص بسرعات هائله، فنتجت قطرات صغیره وقصیره العمر من بلازما الکوارک والغلوون. وبلغت درجه حرارتها نحو خمسه تریلیونات کلفن، أی قرابه 9 تریلیونات درجه فهرنهایت (5 تریلیونات درجه مئویه)، لتصبح أعلى درجه حراره صناعیه مسجله ومعترف بها من موسوعه غینیس للأرقام القیاسیه.
وکانت هذه الحراره أکثر من 300 ألف مره أعلى من حراره قلب الشمس، التی تبلغ نحو 27 ملیون درجه فهرنهایت (15 ملیون درجه مئویه). ولم تعش بلازما الکوارک والغلوون سوى جزء من الثانیه، لکنها أعادت لفتره وجیزه ظروفا یعتقد أنها کانت موجوده بعد میکروثوانٍ من الانفجار العظیم.
أجریت التجربه عام 2010، لکن العلماء احتاجوا إلى عامین لتأکید النتائج من خلال عملیات معقده فی الفیزیاء والریاضیات. وفی 13 أغسطس 2012، اعترفت موسوعه غینیس للأرقام القیاسیه بهذا الإنجاز. ومن خلال إعاده خلق ظروف الکون البدائی، أراد العلماء معرفه کیفیه تصرف الکوارکات والغلوونات قبل أن تبرد وتتحد لتکوین الماده التی تحیط بنا الیوم.
