مقابلة كينيث ليبرخت: نظرية كبيرة موحدة حول رقاقات الثلج

بواسطة جوشوا هوجيجو

يمكنك قراءة مقال الأرشيف المميز هذا مجانًا كجزء من عالم جديد تقويم المجيء لعام 2022. للاستمتاع بهذه الجواهر الاحتفالية وغيرها ، قم بالتسجيل لتصبح قارئًا مسجلاً مجانًا.

إن تساقط الثلوج في باسادينا ، كاليفورنيا ، نادر جدًا ، ولم يسمع به أحد تقريبًا. باستثناء ذلك ، في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، حيث يمكن لكينيث ليبرخت أن يستحضرها باستخدام أكثر معدات صنع ندفة الثلج تطوراً في العالم.

بصفته فيزيائيًا ، عالج ليبرخت بعض الأسئلة الملحمية إلى حد ما ، مثل طبيعة موجات الجاذبية والآليات الداخلية للشمس. لكن لديه أيضًا هامشًا مبهجًا في علم رقاقات الثلج ، وهو أكثر تعقيدًا وغموضًا مما قد تعتقد. أحد أكبر الأسئلة التي لم تتم الإجابة عنها هو لماذا يبدو أنها تأتي في نوعين مختلفين.

ذهب ليبرخت في رحلة استمرت 20 عامًا لحل هذا اللغز. نشر مؤخرًا ثمار تلك الرحلة في شكل دراسة تتكون من أكثر من 500 صفحة. يحتوي على نوع من النظرية الموحدة الكبرى لرقائق الثلج ، تشرح لأول مرة كيف ولماذا تنمو في الأشكال الدقيقة التي تقوم بها.

جوشوا هاوجيجو: ما الذي جعلك مهتمًا برقائق الثلج؟

كينيث ليبرخت: ذات يوم كنت أمضغ الدهون مع أحد طلابي وتحدثنا عن كيفية نمو البلورات وتأخذ أشكالها. بدأنا في التفكير فيما يمكننا دراسته في هذا المجال وفكرت: حسنًا ، الماء سيكون رخيصًا وسهلاً. ثم فكرت: في الواقع ، ستكون هذه هي فيزياء رقاقات الثلج ، أتساءل كيف يعمل ذلك؟ مئزر من لا شيء – كنت أشعر بالفضول فقط – بدأت في قراءة بحث عن رقاقات الثلج ووجدته رائعًا حقًا.

“يمكنني تشغيل المقابض للتحكم في الظروف بالضبط ، حتى أتمكن من الحصول على رقاقات الثلج المصممة”

ما هو السؤال الكبير حول رقاقات الثلج؟

رقاقات الثلج القياسية التي تراها في زينة العطلة – سداسية الرؤوس ، رفيعة ومسطحة – حسنًا ، هذه ليست الطريقة التي تتشكل بها دائمًا. بالإضافة إلى الألواح الرفيعة السداسية ، يمكن أن تنمو لتصبح أعمدة طويلة سداسية ، مثل شكل قلم رصاص في المنمنمات. تم اكتشاف في اليابان في ثلاثينيات القرن الماضي أن هذين الشكلين من ندفة الثلج سوف يتشكلان في درجات حرارة مختلفة. تتشكل الألواح عند حوالي -2 درجة مئوية ، وتتكون الأعمدة عند حوالي -5 درجة مئوية ، ثم تتشكل الألواح مرة أخرى عند حوالي -15 درجة مئوية. إنه نمط مجنون لدرجة أنه يتخبط ذهابًا وإيابًا من هذا القبيل. أردت حقًا معرفة سبب حدوث ذلك ، لكن اتضح أنه لم يكن هناك إجابة – لقد كان لغزًا كاملاً.

كيف قمت بالتحقيق في هذا اللغز؟

قررت أن طريقة الإجابة على هذا السؤال هي زراعة الكثير من رقاقات الثلج بشكل منهجي في ظروف مختلفة وقياس نموها. كان هذا قبل 20 عامًا ، ولعدة سنوات ظللت أعاني من المشاكل ولم أحرز أي تقدم. اكتشفت في النهاية أنه يجب وضع التجربة بأكملها في صندوق. أنت تضيف بخار الماء ، لكن الظروف ، مثل درجة الحرارة والضغط ، يجب التحكم فيها بدقة. لدي كل هذه القضبان الصغيرة في الصندوق الذي أستخدمه لدفع الأشياء وتشغيلها وإيقافها. بعد ذلك يمكنني أن أزرع بلورات – غالبًا ما قمت بزراعة بلورات أصغر من عرض شعرة الإنسان ثم درستها تحت المجهر. إذا أصبحت كبيرة جدًا ، فإن شكلها معقد جدًا بحيث لا يمكن دراستها بسهولة.

لقد قمت مؤخرًا بنشر ما يسمى بالنظرية الكبرى الموحدة حول رقاقات الثلج.

لطالما اعتقد الناس أنه إذا كان لديك سطح مستوٍ في بلورة ، فإنه ينمو دائمًا بنفس الطريقة في ظل ظروف معينة. ما وجدته هو أن حجم السطح مهم جدًا في رقاقات الثلج. إذا تخيلت ندفة ثلجية سداسية الشكل تشبه الصفيحة ، فلها سطحان عريضان ومن ثم ستة أسطح أرق بكثير حول الحافة. اتضح أن تلك الأسطح الرقيقة تنمو أسرع بكثير من الأسطح العريضة ، وهذا يخلق تأثيرًا سريعًا حيث تحصل على ألواح أرق وأرق. الشيء الممتع هو أن هذا الاتجاه ينعكس – في درجات حرارة معينة ، فإن الأسطح العريضة هي التي تنمو بشكل أسرع ، وبالتالي تحصل على بلورات تشبه العمود.

لفهم هذا تمامًا ، تحتاج إلى البحث في التفاصيل حول التركيب الجزيئي لسطح بلورة الجليد وكيف يتغير مع درجة الحرارة على الأسطح المختلفة. حتى الآن ، يبدو أن نموذجي يناسب جميع البيانات ، لذا فمن المشجع أنه تم حل بعض اللغز على الأقل.

هل يخبرنا عملك بأي شيء عن شكل الثلج على عوالم أخرى ، مثل قمر زحل الجليدي إنسيلادوس؟

يؤثر انتشار جزيئات الماء عبر الهواء على نمو رقاقات الثلج بطريقة تعزز التأثيرات الجزيئية لإنشاء الحواف الرقيقة التي تظهر في بلورات تشبه الصفائح والأعمدة المجوفة. عندما أزرع بلورات في الفراغ ، لا يحدث أي من هذا. لذا ، نعم ، ستكون هناك اختلافات في الثلج على الكواكب الأخرى. إذا لم يكن هناك غلاف جوي ، فستحصل على بلورات متكتلة ، ولكن عند الضغط العالي ستحصل على بلورات رقيقة بشكل لا يصدق. بالطبع ، يمكن أن تغير كيمياء الغلاف الجوي هذا أيضًا بطرق يصعب التنبؤ بها.

لقد نمت أيضًا رقاقات ثلجية متطابقة. اعتقدت أن ذلك كان من المفترض أن يكون مستحيلاً.

بدأ هذا عندما أدركت ، في وقت مبكر من عملي في ندفة الثلج ، أنه لا توجد مقاطع فيديو جيدة لزراعة رقاقات الثلج. أردت أن أجعل واحدة تظهر بلورة رائعة المظهر. في النهاية ، توصلت إلى كيفية زراعة البلورات على دعامة ثابتة وتصويرها. لقد بدوا أفضل بكثير من البلورات التي تتساقط من السماء. كانت أكثر هشاشة ، وأكثر حدة. لقد عانت رقاقات الثلج الحقيقية نوعًا من حياة صعبة ، حيث تسقط في الغلاف الجوي وتتصادم في رقائق أخرى. لقد بدأوا أيضًا في التبخر ، لذا فإن الحواف دائمًا ما تكون مدورة قليلاً.

في المختبر ، على الرغم من ذلك ، يمكنني تشغيل المقابض للتحكم في الظروف تمامًا – يمكنني حتى تغيير الأشياء قليلاً لجعل فرع البلورات المتزايد – وبالتالي يمكنني الحصول على رقاقات الثلج المصممة. ثم أدركت أنه إذا قمت بزراعة رقاقات ثلجية بجانب بعضها البعض في الصندوق وقمت بزراعتها في نفس الوقت ، وتحت نفس الظروف ، فإنها تخرج بشكل متشابه جدًا. يبدو أن الجميع قد سمعوا هذا القول المأثور الذي يقول إنه لا توجد رقاقات ثلجية متشابهة ، ولكن بعد ذلك يقوم هذا الشخص المجنون بصنع رقاقات ثلجية متشابهة.

ما أنواع الأسئلة التي لا تزال بدون إجابة عندما يتعلق الأمر برقائق الثلج؟

نموذجي معقد للغاية. لكنها تقدم الكثير من التنبؤات وأريد اختبارها ، ومعرفة ما سيحدث ، وآمل أن يتم تحسين النموذج. أحد التنبؤات هو أن أشياء مثيرة للاهتمام قد تحدث للثلج بالقرب من نقطة انصهارها. قد ترى ما يسمى بالذوبان المسبق ، حيث تكون معظم ندفة الثلج عبارة عن بلورات صلبة ، ولكن على السطح تتعطل الجزيئات. كنت أحاول استكشاف ذلك. أحاول أيضًا صنع بلورات أكبر ؛ أود صنع أكبر ندفة ثلجية في العالم. بدون سبب محدد … هناك دائمًا شيء جديد لتجربته.

عندما تخرج في الثلج هذه الأيام ، هل تراه في ضوء جديد؟

لقد نشأت في نورث داكوتا ، حيث يكون الجو شديد البرودة ولدينا الكثير من الثلوج. اعتدت أن أرى رقائق نجمة سداسية الرؤوس ، كبيرة الحجم ، لكنني لم أكن أعرف أيًا من هذه الأشياء. الآن أعرف ما الذي أبحث عنه أفضل بكثير. سأخرج وأحصل على مكبر وأبحث عن أنواع مختلفة من الرقائق – مثل الأعمدة المغطاة ، على سبيل المثال ، والتي تشبه مزيجًا خاصًا من أنواع الألواح والأعمدة. أسميها مشاهدة ندفة الثلج. الشيء المضحك هو أن زوجتي عالمة نبات ، وعندما نخرج معًا ، فإنها دائمًا ما تنظر إلى النباتات المختلفة – لكنها تبدو جميعًا مثل الأعشاب الضارة بالنسبة لي.