يبدو الوهج الأزرق الخافت لفقاعة التألق الصوتي مثل نجم في السماء ليلا عند النظر إليه بالعين المجردة. وفي عام 1991 حدّد أحد طلبتي (في الدراسات العليا) < A .R</SPAN>. هيلر> كمية هذا الإشعاع الضوئي الواقع في المجال المرئي من الطيف، وقد وجد أن فيه الكثير من الإشعاع الذي لا تدركه العين. وبينت النتائج أن الفقاعة تُصْدِرُ ضوءا أرجوانيا أكثر من إصدارها للضوء الأحمر، وضوءا فوق بنفسجي أكثر من الضوء الأرجواني. ولم نتمكن من تتبع الطيف إلى ما وراء طاقة للفوتونات تعادل 6 إلكترون ڤلط وهي توافق ضوءا فوسجيا (فوق بنفسجي) ذا طول موجة يساوي 0.2 ميكرون، إذ إن الضوء لا ينتشر في الماء عند طاقات أعلى من ذلك، (وللسبب نفسه وجب علينا استعمال حوجلة من الكوارتز بدلا من استعمال الزجاج الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية). وتوافق قيمة الطاقة 6 إلكترون ڤلط درجة حرارة تبلغ 000 72 كلڤن، وهذا يعني أن قلب الفقاعة يتّقد بحرارة لاذعة.
يحصل الانتقال إلى حالة التألق الصوتي عندما تصل الشدة الصوتية إلى قيمة حرجة. وبشكل عام، يتزايد نصف القطر الوسطي للفقاعة مع ازدياد شدة الموجة الصوتية. وحين تبلغ هذه الشدة القيمة الحرجة يبدأ التألق الصوتي ويتناقص نصف قطر الفقاعة فجأة. وتظل الآلية الكامنة وراء هذا الانتقال غير مفهومة حتى الآن.
ويمكن تفسير الارتفاع الهائل لدرجة حرارة فقاعة الغاز المنهدمة اعتمادا على التجربة اليومية لساكني المناطق الجبلية، حيث يصبح الجو حارا عندما تهب الريح من المناطق المرتفعة إلى المناطق المنخفضة. فعندما يؤثر فرق الضغط الجوي بين المنطقتين في هواء المنطقة المرتفعة قبل أن يجد هذا الأخير الوقت الكافي لتبادل حرارته مع البحر والأجسام الأبرد الأخرى في المنطقة المنخفضة، فإن الهواء يسخن بشكل كظوم adiabatically</SPAN> ـ وهذا يعني ازدياد درجة حرارته من دون إضافة أي طاقة حرارية.
ويتناقص حجم فقاعة التألق الصوتي نحو مليون مرة عندما يتناقص نصف قطرها مئة مرة. وفي الخمسينيات من هذا القرن وجد باحثون من مختبر مولارد للبحوث الإلكترونية في إنكلترا أن الانضغاط الكظوم في داخل الفقاعة يؤدي إلى بلوغ درجة حرارة تعادل 000 10 كلڤن وضغوطات تفوق 000 10 ضغط جوي، (ربما لا يتبخر سطح الفقاعة بسبب حدوث المعدلات العالية من الانضغاط والتسخين في مركز الفقاعة تماما).
لو عاش الفيزيائي الإنكليزي اللورد رايْلي في المناطق الجبلية فلربما قادته خبرته بالطقس إلى التنبؤ بظاهرة التألق الصوتي كجزء من البحوث التي أجراها على الفقاعات عام 1917 عندما طلبت إليه البحرية الملكية مساعدتها على فهم تآكل رفّاصات (مراوح) propellers</SPAN> السفن. وقد بيّن رايلي أن الفقاعات الهوائية الصغيرة، التي تنشأ عندما يقطع (يشرّح) الرفاص سطح الماء، هي المسؤولة عن ذلك، إذ تسبب الفقاعات تآكل الرفاص عند انهدامها عليه بقوة تفوق الضغط الجوي بعشرة آلاف مرة. ولكنه عند وصفه لحركة الفقاعات افترض أن انهدام الفقاعة يتبع قانون بويْل. وبمعنى آخر، ظن رايْلي أن الحرارة في داخل الفقاعة تبقى ثابتة، فلو أدرك أن الانهدام كان سريعا جدا إلى درجة أنه كان كظوما لتنبأ حتما بالحرارة العالية التي ترافق إصدار الضوء.
أمواج الصدم في الفقاعات
في الماضي، ربط الباحثون الذين درسوا التألق الصوتي والكيمياء الصوتية بين الغمامات الانتقالية للفقاعات الكهفية وبين المواضع الساخنة المتكونة في داخل كل فقاعة. وفي هذا النموذج التقليدي تسبب الطاقة المتركزة بوساطة انهدام الفقاعات انفصام وتفكك الجزيئات التي تصدر الضوء لاحقا عند اتحادها.
ومع ذلك لا يمكن أن يفسر ما هو معروف عن التكهف الانتقالي الطيفَ فوق البنفسجي القوي الذي تصدره فقاعة وحيدة متزامنة مع الحقل الصوتي، إذ تدل قياساتنا على أن درجة الحرارة تفوق فعليا 000 10 كلڤن في داخل الفقاعة. ويمكن الوصول إلى درجة الحرارة هذه إذا كان انهدام فقاعة واحدة متزامنة متناظرا وسريعا جدا بحيث يطلق موجة كروية نحو داخلها. وأثناء تركيز موجة الصدم ذات القطر R s</SPAN> تزداد سعتها وسرعتها. وفي هذه الحال يعطى حل المعادلات الهيدروديناميكية بالعلاقة:
R s</SPAN> = At b</SPAN>
حيث A</SPAN> هو ثابت تجريبي و t</SPAN> هو الزمن المقيس ابتداء من لحظة التركيز حيث يكون Rs</SPAN> = 0 و b</SPAN> </SPAN>ثابت يساوي 0.7 في الهواء.
ويُرفق عدد ماخ Mach</SPAN> بكل موجة صدم، وهو يمثل نسبة سرعة الصدم إلى سرعة الصوت في الوسط. وتكون درجة الحرارة خلف جبهة الصدم أعلى من درجة الحرارة أمامها، وتتناسب النسبة بين هاتين الدرجتين مع مربع عدد ماخ.
ومن أجل فقاعة هوائية تنفجر نحو الداخل، يقارب عدد ماخ اللانهاية عندما تصبح جبهة الصدم قريبة من البؤرة، وهذا يعني حدوث مقدار هائل من التسخين. فضلا عن ذلك، عندما تضرِبُ الصدمة المركز وتُحدِث الانفجار نحو الخارج فإن الجزيئات التي كانت وراء الصدمة تصبح أمامها فجأة مرة أخرى، وهكذا تصدم الجزيئات الساخنة مرة ثانية وترتفع درجة حرارتها بعامل آخر يساوي مربع عدد ماخ.
وفقا لهذا النموذج الرياضياتي تكون درجة الحرارة التي يمكن الوصول إليها مرتفعة بصورة لا يمكن تصورها، لكن يحد من ارتفاعها ـ في الواقع ـ عدم استقرار جبهة الصدم. وفي نموذج موجة الصدم يتوقف التألق الصوتي على جبهة الصدم التي تبقى كروية حتى يبلغ نصف قطرها نحو 0.1 ميكرون.
وتقوم جبهات الصدم الكروية بدور مهم في تصميم الأسلحة النووية. وقد استعمل الفيزيائي الإنكليزي < I .G</SPAN>. تيلور> صورا فوتوغرافية ومعادلات متعلقة بوصف الصدمات الانفجارية للحصول على أوائل مواصفات اختبارات القنبلة الهيدروجينية. وفي المستقبل، يمكن أن يكون فهمنا لكيفية إحداث حقل صوتي ـ مثل هذه الانهدامات الكروية الجميلة أثناء عملية التألق الصوتي ـ السبب في مساعدة الباحثين العاملين في معاهد مثل مختبر لورانس ليڤرمور الوطني وجامعة روشستر على تصميم نسخ محسّنة من الاندماج النووي المتحكم فيه بوساطة الحصر العطالي. ففي عملية الاندماج هذه تحث ليزرات عالية الطاقة انفجار كريات تحوي مزيجا من نظيري الهيدروجين (الديوتريوم والتريتيوم). ويشكل الانفجار الكروي نحو الداخل مفتاح الوصول إلى حرارات وكثافات كافية لتحقيق اندماج نوى الهيدروجين كي تعطي الهليوم والنيوترونات.
ولعل هناك فرصة كبيرة في أن تكشف المقارنة بين التألق الصوتي والاندماج النووي المتحكم فيه بوساطة الحصر العطالي عن تشابه أعمق من ذلك. فإذا بقيت صدمة التألق الصوتي مستقرة حتى نصف قطر صغير جدا (لا يتجاوز 10 نانومتر) فإن درجة حرارة هذه المنطقة الضئيلة القدّ تبلغ قيما مناسبة للاندماج. ولا يصعب تصور وجود مفاعيل كثيرة تتماشى مع هذا السياق، نذكر منها عدم استقرار موجة الصدم والانتشار الحراري والتوهين (التخميد) الإشعاعي. ولكن بسبب قصور النماذج النظرية الحالية فإننا نراهن على عدم كفاية المحاكاة الحاسوبية لفهم هذه الظاهرة. وبإمكان التجارب المستقبلية فقط إعلامنا فيما إذا كانت درجة حرارة داخل الفقاعة تماثل سخونة داخل الشمس.
ولكن كيف يمكن أن تولد الحرارة المرتفعة الضوء؟ يرى الباحثون الذين درسوا التألق الصوتي والكيمياء الصوتية أن الطاقة الناتجة من الانهدام تكون قوية بقدر كاف لتحطيم الجزيئات في الغاز الموجود داخل الفقاعة، ثم تصدر الجزيئات المنفصلة أو المتفككة الضوء عند إعادة اتحادها. وقد عرضَت < V.</SPAN> گريفينگ> (من الجامعة الكاثوليكية) هذا المفعول المدعو التألق الكيميائي أول مرة عام 1952 وهو يرافق حدوث تكهف انتقالي، وقد اسُتعمِل في بدء عمليات كيميائية غير عادية مثل صنع الحديد غير البلوري الذي قام به < S .K</SPAN>. سوسليك> من جامعة إلينويْز.
ومع أن فكرة التسخين الكظوم للفقاعات المنهدمة تعطي آلية مثيرة للإعجاب لعملية تركيز الطاقة إلا أنه لا يمكنها أن تكون الجواب التام الوحيد. فلا يسع هذا التسخين بمفرده إعطاء هذا الطيف فوق البنفسجي الذي رصدناه ورأيناه. لذلك ربما كان من الممكن حدوث مرحلة أخرى من تضخيم الطاقة. وقد استنتجتُ مع باربر آلية مقبولة إلى حد ما، إذ أدركنا أن السرعات فوق الصوتية للفقاعة المنهدمة يمكن أن تطلق أمواج صدم إلى داخل الفقاعة. ومع أن حركة الفقاعة تتوقف بفعل قوى تنافر الجزيئات الغازية بعضها مع بعض فيمكن لموجة صدم الانفجار داخليا أن تكمل طريقها إلى الداخل وتركز المزيد من طاقة الانهدام.
وقد أدرك زميلانا في الجامعة < H .P</SPAN>. روبرتس> و< Ch</SPAN>-. Ch</SPAN>. وو> الأهمية الكامنة في أمواج الصدم أثناء التألق الصوتي، كما حسبا مدى تركيز هذه الأمواج، وقد اعتمدا في دراساتهما على حل طوّره أول مرة الرياضياتي الألماني < G .K</SPAN>. گودرلي> في الأربعينيات، وبيّنا أن انهدام الفقاعة يمكن أن يطلق موجة صدم إلى داخل الفقاعة التي تزداد قوتها كلما توغل الانفجار داخليا. ويتعاظم الضغط ودرجة الحرارة العاليين المرافقين لجبهة موجة الصدم عند انقلاب اتجاهها من الداخل إلى الخارج،
وتكون جبهات موجات الصدم، بوجه عام، عرضة لعدم الاستقرار الذي يجعّد سطوحها مما يحد من امتداد الانفجار نحو الداخل. وإذا بقيت جبهة الصدم المتجهة نحو الداخل، التي أطلقتها الفقاعة، سليمة حتى بلوغها نصف قطر قدره 0.1 ميكرون من مركز الفقاعة فإن درجة الحرارة في جوارها ستبلغ نحو مئة ألف كلڤن. وتعادل هذه القيمة الحرارة اللازمة لإصدار الطيف فوق البنفسجي الشديد الذي رصدناه ورأيناه، وإذا تمكنت جبهة الصدم من الوصول إلى نحو 20 نانومتر (النانومتر يساوي 9-10 متر) فيمكن أن تصل درجة الحرارة إلى مليون كلڤن، وهي درجة حرارة كافية لإصدار الأشعة السينية الضعيفة. لكننا لا نعلم إن كانت هذه الأشعة موجودة فعلا أم لا، بسبب عدم انتشار فوتوناتها في الماء. ويبدو احتمال الحصول على الأشعة السينية الضعيفة من الصوت ضئيلا، كما أنني أشك في وجود هذا الإصدار، ولكن ألم أشك من قبل في وجود ظاهرة التألق الصوتي نفسها؟
يبين طيف التألق الصوتي أن معظم الضوء الصادر يكون فوق بنفسجي. وقد أشار <P. روبرتس> و<Ch-.Ch. وو> إلى تشابه الإشارة الصادرة مع إصدار الكبح، وهذا يعني أن الضوء صادر عن وسط پلازما تبلغ درجة حرارته نحو مئة آلف كلڤن.
إضافة الغازات الخاملة
ومع أنه يصعب تفسير آلية التألق الصوتي الناتج من فقاعة وحيدة فإنه يسهل إحداث هذه الظاهرة بحد ذاتها وتعديلها، وهي حساسة جدا تجاه تغير المعاملات التجريبية المتحكم فيها مثل شدة الصوت ودرجة حرارة الماء. فمثلا يزداد مقدار الضوء الصادر في كل نبضة بعامل يبلغ 200 عندما تهبط درجة الحرارة من 35 درجة مئوية إلى الصفر. وعند درجة الصفر تعطي الفقاعة نحو عشرة ملايين فوتون في كل نبضة.
ويدعو تأثر الحساسية بدرجة الحرارة إلى إمكان فهم أعمق للتألق الصوتي بتغيير المقادير الأخرى. وقد حاولنا إيجاد تألق صوتي ناتج من فقاعة واحدة في سوائل أخرى غير الماء ولكننا لم ننجح في ذلك. وعوضا عن تغيير السائل حاولنا تغيير غاز الفقاعة. ويستدعي هذا التغيير تخلية الماء من الغاز باستعمال مفرغة هوائية، وهي عملية تنزع الهواء الذائب في الماء، ثم نذيب الغازات التي نريدها في الماء. وبالطبع يجب أن تجري هذه العملية في جهاز مُحْكَمِ الإغلاق، وكان هيلر ـ الذي صمم الجهاز ـ قد استعمله أول مرة للحصول على فقاعات من النتروجين (الآزوت) الصرف اعتقادا منه أننا نحصل على النتائج نفسها فيما لو استعمل الهواء، إذ إن النتروجين يكوِّن ثمانين في المئة من تركيب الهواء.
وكانت دهشتنا كبيرة عندما لم تصدِر فقاعات النتروجين النقي إلا قليلا من الضوء. وتوقعنا حينئذ أن يكون الأكسجين أكثر إصدارا للضوء، لكننا وجدنا أن ضوء فقاعة الأكسجين كان خافتا جدا. وكذلك كان إصدار الضوء ضعيفا من مزيج مكوّن من ثمانين في المئة من النتروجين وعشرين في المئة من الأكسجين. وهذا المزيج هو الموجود في عبوة الهواء السائل التي بحوزتنا. لقد فتشنا عن سر ذلك بلهفة إلى أن اكتشفنا خطأنا.
وفي الحقيقة كانت قياساتنا صحيحة، فالهواء العادي يحوي واحدا في المئة من غاز الأرگون argon</SPAN>، ولكن هذا الأرگون منزوع من الهواء السائل المباع تجاريا، ولذلك تزيد إضافة الأرگون إلى هذا الهواء السائل من شدة الضوء الصادر. وتقوم إضافة الهليوم والزينون xenon</SPAN> بالشيء نفسه مع أن لكل غاز خامل طيفا مميزا له، ولا نعلم حتى الآن لماذا كانت إشابة الهواء السائل بالغاز الخامل بنسبة واحد في المئة تعطي القيمة المثلى لحدوث التألق الصوتي.
ماذا نفهم من التألق الصوتي في ضوء نتائجنا التجريبية؟ في المقام الأول، نحن في صدد التعامل مع حقل صوتي «رفيع المستوى»، فهو يضع فقاعة الغاز في الموضع المناسب تماما لكي يؤثر فيها بنحو متناظر وبالقوة العظمى. ثم إن نظرية الانضغاط الكظوم الذي تتبعه موجة انفجار نحو الداخل تشكل نموذجا مغريا يساعد على توجيه بحوثنا في المستقبل.
لكن مازال هذا النموذج، مؤقتا، يحتاج إلى المزيد من التحسينات، فهو يخفق في تفسير مجاهيل كثيرة: منها قدُّ الفقاعة ودور الغازات الخاملة وآلية إصدار الضوء. والأهم من ذلك كله أن النظرية والتجربة قد أخفقتا في تعيين الحد الذي يمكن الوصول إليه في تركيز الطاقة. ومن المؤكد أن هذه الآلية هي المنظومةSاللاخطية الأكثر تعقيدا الموجودة في الطبيعة ومع ذلك يمكن التحكم فيها وتجنيبها كل مظاهر الشواش. ومصدر قوة ظاهرة التألق الصوتي هو النشاط والحساسية الكبيرين لمفعول إصدار الضوء، بحيث إنه عند تغيير أي معامل تجريبي فإننا نحصل على مفاعيل فيزيائية جديدة.
رد مع اقتباس
مواقع النشر (المفضلة)