يمكن للنسبية الخاصة أن تشوه الروابط الكيميائية، وقد رأينا ذلك يحدث الآن

يمكن لنظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين أن تعيد تشكيل الروابط الكيميائية داخل الجزيئات، وقد شهد الباحثون للتو حدوث ذلك للمرة الأولى.

تصف نظرية النسبية الخاصة كيف أن التحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء سيؤثر على تجربة المسافرين للمكان والزمان. ولهذا السبب، فهي ترتبط عادةً بمسرعات الجسيمات والأجسام الفضائية، ولكن داخل بعض الذرات الثقيلة، تتمتع الإلكترونات بسرعات نسبية أيضًا.

تمكن لاي شينج وانج – من جامعة براون في رود آيلاند – وزملاؤه الآن من إلقاء نظرة غير مسبوقة على كيفية كسر هذا المفهوم القياسي للروابط الكيميائية داخل جزيء مشحون مصنوع من البزموت والكربون.

داخل الجزيء، تم ربط ذرة البزموت وذرة الكربون بثلاث روابط، توقع الباحثون أن تكون إحداها من نوع “سيجما” واثنتان من نوع “باي”. ينبع الفرق بين هذين النوعين من الطابع الكمي للإلكترونات، حيث يتم “تلطيخ” كل إلكترون عبر منطقة معينة من الفضاء، بدلاً من أن يكون كرة ضيقة، وما إذا كانت هذه المناطق تتداخل وجهاً لوجه أو جنبًا إلى جنب، يحدد نوع الرابطة الكيميائية التي تنشئها بين الذرات.

في تجربتهم، رسم وانغ وزملاؤه خريطة لتوزيع الإلكترونات في جميع أنحاء الجزيء، وألقوا نظرة فعالة على روابطه. ولكن بدلاً من رؤية الإلكترونات موزعة في أشكال مرتبطة بروابط سيجما وباي، لاحظ الفريق أن اثنتين من الروابط تشبه مزيجين مختلفين من أشكال سيجما وباي. يقول وانغ: “شخصياتهم مختلفة عن فهمنا الطبيعي”. “لا يمكنك أن تسميها حقًا سيجما وبي.”

تحول فريقه إلى كيرك بيترسون في جامعة ولاية واشنطن، الذي أظهرت حساباته في النهاية أن هذا الخلط كان نتيجة لشعور الإلكترونات القريبة من نواة البزموت بتفاعل كهرومغناطيسي قوي لدرجة أنها تحركت بسرعات نسبية. ويقول إن هذا التأثير لم يتم رصده من قبل في تجربة.

“أصعب ما في الأمر [studying] يقول بيترسون: “إن العناصر الثقيلة هي نقص في البيانات التجريبية الجيدة حقًا. إن الحصول على مثل هذه التجربة الجميلة لتكون قادرًا على مقارنة النظرية عالية المستوى بالبيانات هو في الواقع ترف”.

يقول وانغ إن أحد الأجزاء المهمة من التجربة الجديدة هو أنه يستطيع هو وزملاؤه جعل الجزيء باردًا جدًا قبل النظر إلى إلكتروناته. وقد خفف هذا من أي توتر وإثارة من شأنها أن تجعل الصور النهائية غير دقيقة.

يقول بيكا بييكو من جامعة هلسنكي في فنلندا: «إن الأساليب التي استخدموها، التجريبية والنظرية، هي أفضل الأساليب الممكنة».

ويقول إن إعادة التشكيل النسبية لترابط البزموت مع الكربون يمكن أن تؤثر على كيفية استخدام مركبات البزموت العضوية في التفاعلات الكيميائية. وفي الواقع، أظهرت دراسة حديثة أجراها باحثون في معهد ماكس بلانك لأبحاث الفحم في ألمانيا بالفعل أن التأثيرات النسبية تساعد في جعل هذا المعدن الثقيل محفزًا جيدًا للعمليات الكيميائية.

يقول وانغ إن الباحثين يريدون الآن تكرار تجربتهم ولكنهم يستبدلون البزموت بعناصر قريبة منه في الجدول الدوري، حتى يتمكنوا من معرفة متى تؤدي النسبية الخاصة بالضبط إلى انهيار بنية الرابطة الكيميائية التقليدية.