النواة الأصلية كنذير لعناصر الحياة

منذ مليارات السنين ، ظهر كل الكربون الموجود على الأرض داخل النجوم التي تحتضر. في البداية ، ظهرت نواة كل ذرة في حالة متورمة وفي ظروف ضيقة ، مع الحد الأدنى من فرصة البقاء. من بين 2500 ناج ، تحول واحد فقط إلى شكل مستقر قادر على دعم الحياة.

قال مارتن فرير ، فيزيائي وممارس نووي من جامعة برمنجهام ، إن فهم بنية النوى الذرية سيساعد على تفسير تواتر وآليات تحويلها إلى حالات أخرى تولد العديد من العناصر الأخرى في الكون. تساعد الحسابات على تفسير وجود حالة هويل واكتشاف مدى الدقة التي يتم بها تصميم الكون لظهور الحياة. يقول فرير: "إذا لم تكن ولاية هويل موجودة ، فلن نكون نحن ، وإذا كانت طاقته مختلفة قليلاً ، فستسير الحياة بطريقة مختلفة".
تم اكتشاف هذه الحالة النووية غير المستقرة في عصور ما قبل التاريخ ، والتي تسمى "دولة هويل" ، قبل أكثر من 50 عامًا ، لكنها استغرقت ظهور أجهزة الكمبيوتر الفائقة وتطوير تقنيات رياضية جديدة لفهم كيف يتوافق مظهرها مع قوانين الفيزياء. في ورقة قدمت لأول مرة في مايو 2011 ، ثم تم تحسينها للنشر في عام 2012 في مجلة Physical Review Letters ، قامت مجموعة من علماء الفيزياء النظرية من ألمانيا والولايات المتحدة بتطبيق الفيزياء على مجموعة تم تجميعها بواسطة الكمبيوتر من الجسيمات دون الذرية لبناء بنية ذرية من نقطة الصفر في حالة Hoyle .

قال دين لي ، أستاذ الفيزياء النووية بجامعة نورث كارولينا والمؤلف المشارك في العمل: "يبدو الأمر وكأنه ذراع منحني".

يجادل الفيزيائيون بأن فهم بنية حالة هويل سيساعد على اكتشاف كيف يساهم في ظهور الكربون والأكسجين والنيتروجين وعناصر الضوء الأخرى التي تشكل الجزيئات المعقدة للكائنات الحية. يؤدي تركيب هذه العناصر إلى ظهور الحياة ، كما يدعم تطور النجوم.

قال مورتن هورث جينسين ، أستاذ الفيزياء النووية النظرية في جامعة أوسلو وجامعة ميشيغان ، "دورة الكربون والأكسجين والنيتروجين ضرورية لتشكيل باقي العناصر ، وفهم كيف تعيش النجوم وتموت". لا تشارك في المشروع. "وبالطبع ، بدون دولة هويل ، لما كنا هنا أيضًا".


فريد هويل في عام 1967 في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

البحث عن بدأت الدولة القرائن هويل في عام 1954، مع ظهور ما الكتابة عن الفيزياء الفلكية ماركوس Choun يسمى "أكثر التنبؤ صارخ" للعلم. استنتج عالم الفيزياء الفلكية النظري فريد هويل أن وجوده يثبت أن حالة غريبة غير معروفة لذرة الكربون مع 7.65 MeV من الطاقة الإضافية يجب أن تظهر داخل النجوم ، على الرغم من حقيقة أنه لم يسجل أحد الإشعاع الطيفي لمثل هذه الذرة. يقول Hort-Jensen:

" افترض Hoyle أن الحياة تتطلب 7.65 MeV من الكربون ، وبعد ذلك ، بعد 4-5 سنوات ، وجد المجربون من Kaltek حقًا حالة Hoyle في الإشعاع".

كما هو متوقع ، فإن جميع العناصر الأساسية للحياة تقريبًا تأتي من هذا الشكل العابر للكربون. عندما يبدأ الهيدروجين في النفاد في النجوم متوسطة الحجم ، مثل الشمس ، التي يتم تصنيع الهيليوم منها ، تتوسع طبقاتها الخارجية وتحمر ، وتتقلص النوى. أثناء الضغط ، يتم ضغط نواة الهليوم (جسيمات ألفا) ، التي تحتوي كل منها على بروتونين ونيوترونين ، معًا لدرجة أنها تتحول إلى نواة ذرية مكونة من أربعة بروتونات وأربعة نيوترونات ، تسمى البريليوم -8. جزء من ألف تريليون من الثانية قبل أن يتحلل البريليوم إلى جزيئين ألفا ، يخترق جسيم ألفا الثالث أحيانًا ويندمج ليكوّن كربونًا متحمسًا متضخمًا -12: حالة هويل. بالإضافة إلى البروتونات الستة وستة نيوترونات مشتركة للكربون ، تحتوي هذه الحالة أيضًا على الطاقة الزائدة.

غالبًا ما تتحلل النواة في حالة هويل إلى البريليوم وجسيم ألفا. ولكن بمجرد أن يصبح 2500 منتفخًا ، ينتقل هذا الكربون المنتفخ إلى حالة مستقرة ، مما يعطي طاقة زائدة في شكل أشعة غاما. تنتشر نوى الكربون -12 التي تم إنشاؤها وفقًا للجدول الدوري: يبقى بعضها في هذا الشكل ، والبعض الآخر يندمج مع جسيم ألفا آخر ويشكل الأكسجين. يفقد جزء من نوى الأكسجين البروتون ويتحول إلى نيتروجين. يندمج الآخرون مع جسيم ألفا آخر ويتحولون إلى نيون ، وهكذا. إذا انتهى النجم بانفجار مستعر أعظم ، فإنه يبدد كل العناصر التي تم إنشاؤها حديثًا في الفضاء ، وتصبح طوبًا للأنظمة الشمسية المستقبلية.

عرف هويل ، الذي غادرنا في عام 2001 ، أنه بدون حالة هويل في اللحظة الأولى ، لن تظهر هذه العناصر. حالة Hoyle هي صدى الكربون الذي تشكله ذرة البريليوم وجسيم ألفا ، بمعنى أنه يحتوي على طاقة تقريبًا مثل كتلتها الإجمالية. في الكربون المستقر 12 ، تكون الطاقة أقل ، لذلك لا تظهر من خلال توليف جسيمات ألفا والبريليوم ، تمامًا مثل اثنين زائد اثنين لا تعطي ثلاثة. يقول هجورت جنسن: "إن وجود كل هذه الدول المستقرة يشير إلى الحاجة إلى الرنين".

لكن هويل تنبأ فقط طاقة حالة رنين الكربون. لم يستطع أن يقول أي شيء عن القوى والتفاعلات التي أدت إلى ظهوره ، أو عن خصائصه الجسدية. بما أن الكربون يحتوي على ستة بروتونات وستة نيوترونات ، لكل منها ثلاثة كواركات ، فإن حالة هويل مهمة صعبة للغاية بالنسبة لـ 36 جسمًا. بعد عقود من العمل من قبل علماء الفيزياء النووية ، وحتى بمساعدة أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، لا يزال الحساب الدقيق لهذه الحالة غير متاح.

نهج جديد ، مراوانسمحت النظرية الفعالة (CET) ، التي طورها الحائز على جائزة نوبل ستيفن واينبرغ ، لي وزملائه بإنشاء تقريب جيد لهيكل حالة هويل. تستخدم الحيلة حقيقة أن البروتونات والنيوترونات في النواة يتم فصلها عن بعضها البعض ، لذلك "يرون" بعضهما البعض ليس كهيكل لثلاث كواركات ، ولكن كجسيمات صلبة ، وإن كانت معقدة.

إذا نسينا الكواركات ، فإن مشكلة 36 جسمًا تتحول إلى مشكلة 12 جسمًا ، ولكن مع تفاعل قوي وكهرومغناطيسية وقوى مراوان عالية الترتيب تتحكم في تفاعلات جميع الجسيمات. وحتى هذه المهمة لم تحصل بعد على حل دقيق. يقول لي: "من الصعب للغاية معرفة مكان وجود البروتونات والنيوترونات الاثني عشر".

من أجل إجراء الحسابات ، تستخدم KET حيلة رياضية ، تستخدم أحيانًا في المدرسة الثانوية. تمامًا كما يمكن حساب الوظيفة الرياضية التي يمثلها منحنى على رسم بياني تقريبًا عن طريق حساب الأعضاء القلائل الأوائل من سلسلة تايلور - كمية لا حصر لها من الأعضاء المتناقصين - حول نقطة على المنحنى ، يقارب الباحثون القوى التي تخلق حالة هويل من خلال النظر فقط في الأعضاء القلائل الأوائل في سلسلة تايلور لهذه القوات.

"أحب أن أقارن هذا بضرب حفرة من المستوى 3 في الجولف [حفرة يجب أن يضربها لاعب غولف محترف يجب ألا يستغرق أكثر من ثلاث ضربات - تقريبًا. يقول لي] ، "يقول لي. الضربة الأولى ، مثل الأعضاء الأوائل في سلسلة تايلور ، "تقرب الكرة من الحفرة قدر الإمكان". الضربة الثانية ، مثل المصطلحات التي لا تؤثر كثيرًا على حركة الجسيمات ، تجعل الكرة أقرب. الضربة الثالثة هي قرص صغير. بعد ثلاث ضربات ، تحصل على تقريب جيد جدًا لهيكل وطاقة حالة هويل.


يحسب الفيزيائيون حالة هويل على الكمبيوتر العملاق JUGENE في مركز الكمبيوتر العملاق Julich في ألمانيا. تصل الماكينة من IBM إلى قوة 222.8 تيرافلوب.

عندما يطبق الحاسوب الفائق مثل هذه الحسابات في محاكاة لست بروتونات وست نيوترونات تقع على شبكة ثلاثية الأبعاد ، يمكن أن تصطف الجسيمات بعدد لا نهائي من الطرق. ومع ذلك ، تم العثور فقط على تكوينات طاقة أقل في الطبيعة. من بينها ، تم العثور على حالة الكربون منخفضة الطاقة. وآخر منهم هو دولة Hoyle ، مع 7.65 MeV من الطاقة الإضافية.

على جهاز كمبيوتر محمول متوسط ​​، ستستغرق الحسابات التي أجراها الكمبيوتر العملاق الألماني JUGENE أكثر من مائتي عام.

"بدءًا من المبادئ الأساسية ، لا تحتاج إلى ضبط النموذج ليلائم كائنات البحث المعقدة ؛ يقول لي ، الذي عمل مع يوجين إيبلبوم ، هيرمان كريبس ، أولف-ج: نحتاج إلى حساب الأشياء من نقطة البداية لأبسط التفاعلات بين الجسيمات. ميسنر وتيمو لاد. [Evgeny Epelbaum، Hermann Krebs، Ulf-G. ميسنر ، Timo Laehde]

حالة هويل ، مثل الذراع المنحنى ، تأخذ شكل مثلث منفرج مع جسيم ألفا في كل قمة. الطاقة الإضافية للنواة تسمح لجزيئات ألفا بالتحرك بعيدًا عن بعضها البعض مما يحدث مع الكربون 12 في الحالة الأرضية ، التي يكون مثلثها متساوي الأضلاع.

قال مارتن فرير ، فيزيائي وممارس نووي من جامعة برمنجهام ، إن فهم بنية النوى الذرية سيساعد على تفسير تواتر وآليات تحويلها إلى حالات أخرى تولد العديد من العناصر الأخرى في الكون. تساعد الحسابات على تفسير وجود حالة هويل واكتشاف مدى الدقة التي يتم بها تصميم الكون لظهور الحياة. يقول فرير: "إذا لم تكن ولاية هويل موجودة ، فلن نكون نحن ، وإذا كانت طاقته مختلفة قليلاً ، فستسير الحياة بطريقة مختلفة".

من خلال زيادة دقة الشبكة الثلاثية الأبعاد في المحاكاة ، يأمل لي وزملاؤه في توضيح فهمهم لحالة هويل وفهم أفضل للفيزياء التي تجعل الحياة ممكنة. يقول لي: "نريد دائمًا حل المشكلات المتعلقة بأنفسنا". "عندما تكون الحياة على المحك ، تصبح مثيرة للاهتمام للغاية."

Source: https://habr.com/ru/post/ar397655/