الفيزيائيون يتمكنون أخيراً من حل أحجية الإلكترون المتطرفة

سيساعد الفهم الأفضل لكيفية عمل الإلكترون في الظروف المتطرفة العلماء في دراسة النجوم و الليزر والكواكب.

تتصرف الإلكترونات بشكل جيد في الظروف العادية على الأرض. لكن في ظل الظروف القاسية – كما يحدث نجم من النوع القزم الأبيض، مثلًا، أو في غرفة الانصهار لمفاعل نووي – تحدث حالة من التفسخ أو الإنحطاط، بينما يختلف سلوكها تمامًا.








لقد تم خلق نموذج للإلكترونات في واحدة من هذه الحالات المتدهورة – سميت بـ «المادة الكثيفة الدافئة» – فتحت أمام الفيزيائيين الطريق إلى فهم أفضل لبعض الزوايا المتطرفة للكون.

يقول ماثيو فولكس Matthew Foulkes من كلية إمبريال كوليدج لندن، الذي طور النموذج مع زملائه في جامعة كيل في ألمانيا ومختبرات لوس ألاموس ولورانس ليفرمور الوطنية في الولايات المتحدة: «هذه هي بداية حقل جديد للعلوم الحاسوبية».








الإلكترونات، الجسيمات الدقيقة المشحونة التي تتدفق من خلال الأسلاك لإنتاج تيار كهربائي، مفهومة تمامًا في ظل الظروف اليومية. يمكن للفيزيائيين التنبؤ بسلوكها على مستويات صغيرة جدًا (مثلًا، في مدار حول نواة الذرة) وكبيرة جدًا (التيارات الكهربائية المذكورة آنفًا).

ومع ذلك، في درجات حرارة عالية جدًا (عشرات الآلاف من الدرجات) وتحت ضغط هائل، يصبح سلوكها غامض وتحكمها قوانين غامضة من ميكانيكا الكم.





المعادلات التي تصف سلوكها في هذه الحالة معقدة للغاية وحتى الآن لم نجد لها حلًا دقيقًا.

يقول فولكس أن الأمر استغرق خمس سنوات لتطوير التقنيات الجديدة اللازمة لوصف المادة الكثيفة الدافئة بدقة.

وتعتبر النتيجة وصف كامل للخصائص الحرارية – العلاقات بين الطاقة ودرجة الحرارة والضغط والاستقطاب – للإلكترونات في حالة المادة-الكثيفة-الدافئة.

إن النموذج الجديد، المكتوب في ورقة في رسائل الاستعراض الفيزيائي ونُشر على الإنترنت كمدونة حاسوبية متاحة مجانًا، سيمكن العلماء الآخرين من تحسين فهمهم في مجموعة من الحالات المتطرفة مثل في قلب النجوم والكواكب وفي مختبرات الليزر وفي بحث التفاعلات التي يحتويها الانصهار النووي.