นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก้ได้ร่วมกันสร้าง สถานะใหม่ของสสาร ด้วยอุปกรณ์เพียงแค่ลูกแก้วกับภาชนะที่บรรจุทรายอยู่ จากการทดลองพวกเขาพบว่าการปล่อยลูกแก้วจากที่สูงให้ตกกระทบกับพื้นทรายในภาชนะก่อให้เกิดการพวยพุ่งเป็น jet ของเม็ดทราย ที่ในชั่วขณะหนึ่ง มีการประพฤติตัวเหมือนของไหลชนิดใหม่ ที่มีความเข้มข้นสูง

“พวกเราได้ค้นพบ สถานะของของไหลชนิดใหม่ ที่ดูเหมือนว่าจะ มีอยู่ในส่วนผสมของก๊าซ (ซึ่งในที่นี้คือ อากาศ) กับอนุภาคที่มีการจัดเรียงตัวกันอยู่อย่างหนาแน่น” กล่าวโดย Heinrich Jaeger ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ ที่ดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการของศูนย์วิจัยวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโก้ เขากล่าวอีกว่า “มันเป็นปรากฏการณ์ที่น่าประหลาดใจอย่างมาก”

โดยทั่วไปแล้ว นักวิทยาศาสตร์จะสามารถสร้างสถานะใหม่ของสสารได้ ด้วยการทำให้อุณหภูมิต่ำมากๆ จนเข้าใกล้ศูนย์สมบูรณ์ (-273 องศาเซลเซียส) ดังตัวอย่าง Bose-Einstein Condensate ที่เป็นสถานะใหม่ของสสารที่ถูกค้นพบโดย Eric Cornell และ Carl Wieman ด้วยการทำให้อะตอมของธาตุรูบิเดียมมีอุณภูมิต่ำกว่า 0.00000002 องศาเคลวิน และทำให้เขาทั้งสองได้ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2544

แต่ว่า สิ่งที่เกิดขึ้นกับการทดลองนี้ มันเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้อง Jaeger กล่าวว่า “เม็ดทรายที่พวยพุ่งออกมาประพฤติตัวเหมือนกับ ก๊าซที่มีความเข้มข้นยิ่งยวดและมีอุณหภูมิต่ำยิ่งยวด ซึ่งอุณหภูมิในที่นี้ ไม่ได้หมายถึงอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม แต่หมายถึงอุณหภูมิที่เราได้นิยามจากการเคลื่อนที่อย่างสุ่มของอนุภาคของเม็ดทราย
เราพบว่า ภายในเม็ดทรายที่พวยพุ่งอยู่นั้น มันมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มน้อยมากๆ”

ปรากฏการณ์การพวยพุ่งแบบนี้ได้ถูกรายงานเป็นครั้งแรกเมื่อปี พ.ศ. 2544 โดย Sigurdur Thoroddsen และ Amy She ขณะทำงานวิจัยอยู่ที่ University of Illinois, Urbana Champaign การศึกษาลักษณะการเปลี่ยนแปลงจากสถานะของแข็งไปเป็นของไหลของวัสดุที่เป็นเม็ดละเอียด ได้เป็นงานวิจัยหลักงานหนึ่งของศูนย์วิจัยวัสดุศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก มานานแล้ว

และในขณะเดียวกัน กลุ่มนักวิจัยนำทีมโดย Detlef Lohse แห่ง University of Twente ที่ประเทศเนเธอร์แลนด์ ได้ใช้การจับภาพวีดีโอความเร็วสูง และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อดูลักษณะการพวยพุ่งของเม็ดทรายขณะที่มันตกลงสู่พื้นอันด้วยมาจากแรงโน้มถ่วงของโลก เพื่อเติมเต็มช่องว่างที่เกิดจากการตกกระทบของลูกแก้ว

เพื่อสาธิตถึงสาเหตุของการก่อให้เกิดการพวยพุ่งของเม็ดทราย ทีมวิจัยที่ชิคาโกต้องการอุปกรณ์ที่สามารถติดตามลักษณะภายในของเม็ดทรายได้ โดยไม่เข้าไปทำลายโครงสร้างภายในของมัน ในการทดลองของพวกเขา ได้ใช้ การถ่ายภาพความเร็วสูงด้วยรังสีเอ็กซ์ ซึ่งสามารถจับภาพได้ 5000 ภาพต่อวินาที และจากการทดลองพบว่า ที่สภาวะความดันปกติและสภาวะความดันใกล้สุญญากาศ อากาศที่ถูกบีบอัดอยู่ระหว่างเม็ดทรายได้เป็นตัวก่อให้เกิดพลังงานที่ไปขับดันให้เกิดการพวยพุ่งของเม็ดทราย

และจากการทำให้ความดันลดต่ำลง ทีมของ Jaeger ได้สังเกตพบว่า การประพฤติตัวของเม็ดทรายที่พวยพุ่งออกมานั้น มีอยู่สองขั้น ขั้นแรกคือ การพวยพุ่งออกมาของเม็ดทรายที่มีอิทธิพลจากแรงดันอากาศเพียงเล็กน้อยก่อให้เกิดกระแสของอนุภาคบางๆ ที่แตกตัวและกระจายเป็นเม็ดๆ ตกลงมา และแบบที่สองคือ การก่อตัวเป็นรูปร่างท่อหนาๆของอนุภาคลักษณะเป็นคลื่นกระเพื่อมบนพื้นผิว อันเนื่องมาจากอิทธิพลของความดันอากาศเป็นตัวการสำคัญ

“ปัญหาอันหนึ่งที่สำคัญมากที่เรายังหาคำตอบไม่ได้คือว่า ทำไมการพวยพุ่งของเม็ดทรายนี้ถึงมียอดที่แหลมคมนัก ทำไมถึงมันถึงมีขอบเขตที่สวยงาม และทำไมพวกเม็ดทรายที่มีรูปร่างลักษณะพิเศษเหล่านี้ ไม่แตกกระจายออกจากกันไป” Jaeger กล่าว

“คุณสามารถทำการทดลองแบบเดียวกันนี้ได้ที่บ้านเลย” Jaeger กล่าวเพิ่มเติม เพียงแค่นำถ้วยใส่น้ำตาลเม็ดละเอียดไว้ และเทน้ำตาลลงไปในอีกภาชนะหนึ่ง เพื่อให้แน่ใจว่า เม็ดน้ำตาลเหล่านี้มีการกระจายตัวกันอย่างหลวมๆ จากนั้น ก็ทำการทดลองโดย ปล่อยลูกแก้วให้ตกลงในภาชนะนั้น “เมื่อคุณปล่อยลูกแก้วลงไปแล้ว คุณจะสังเกตเห็นว่า เม็ดละเอียดของน้ำตาลจะพวยพุ่งออกมา แต่อย่าลืมว่า คุณจะสังเกตเห็นปรากฏการณ์อย่างนี้ได้ก็ต่อเมื่อ คุณมองอย่างรวดเร็วเท่านั้น”

ภาพข้างบน ภาพจาก A ถึง C แสดงภาพถ่ายจากวีดีโอความเร็วสูงของการพวยพุ่งของเม็ดทรายที่เกิดจากการตกกระทบของวัสดุกลมตันและหนัก ภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศ ส่วนภาพจาก D ถึง F แสดงภาพถ่ายจากวีดีโอความเร็วสูงของการพวยพุ่งของเม็ดทรายที่ความดันต่ำ นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโกอ้างว่า อากาศที่ถูกบีบอัดระหว่างเม็ดทรายต่างๆ ก่อให้เกิดพลังงานที่เป็นตัวขับที่ก่อให้เกิดลักษณะการพวยพุ่งของเม็ดทราย (Images courtesy of Heinrich Jaeger, University of Chicago)

ข้อมูลจาก
- http://www-news.uchicago.edu/releases/05/051205.newfluid.shtml