بیگ بنگ: تحقیقات جدید «دیوید کولاس» از دانشگاه کوئینزلند، مطالعات اخیر در مورد «جرم منفی» را شفاف‌سازی کرده است. وی پدیدۀ عجیب «خود تداخلی» را بررسی نموده است.

به گزارش بیگ بنگ، وقتی حرف از جرم به میان می آید، معمولا جرم ِ لختی را تجسم می کنیم: یعنی مقاومت یک جسم در برابر شتاب به دلیل یک نیروی اِعمال شده. جرم جسم در حال حرکت برابر است با رابطه میان نیروی گشتاور وارد شده به آن و سرعتی که برای حرکت نیاز دارد. با این حال، در برخی راه حل‌ها، این رابطه به این سادگی متناسب نیست و می تواند به ضربه وارد شده به جسم هم بستگی داشته باشد. به همین منظور، فیزیکدانان بحث جرم موثر را به میان می کِشند که می تواند منفی هم باشد. در چنین موردی، وقتی نیرویی به جسم وارد شود، به شیوه‌ای کاملا مغایر با عقل سلیم حرکت می کند.

دکتر «دیوید کولاس» محقق و نویسنده ارشد مقاله از دانشگاه کوئینزلند خاطر نشان کرد: «توپ فوتبالی را تصور کنید. ضربه‌ای اولیه به آن وارد می کنید تا به گل نزدیک شود؛ سپس ضربه دیگری می زنید تا وارد دروازه شود. اما به جای شتابگیری، توپ با کاهش سرعت مواجه می شود. احتمالا قدری گیج شده‌اید؛ پس تصمیم می گیرید با شدت بیشتری به توپ ضربه بزنید. توپ به سمت پایتان حرکت می کند، از آن دور نمی شود.»

جرم منفی را میتوان بصورت آزمایشی در سطح ذره در سامانه‌های مختلفی بدست آورد. برای مثال، با استفاده از روزنه‌های درون نیمه رساناها و جفتگیری نور با ماده در روزنه‌های ریز یا در گازهای اتمی ابَرسرد در قالب چگالش بوز-اینشتین. ماحصل این کار، تولید اکسیتون-پولاریتون است. چگالش بوز اینشتین حالتی از ماده است که در آن، یک گاز رقیق بوزون را تا دمای بسیار پایین و در منفی 273 درجه سانتی گراد سرد می کنند. در اثر دمای بسیار پایین در این گذار فازی، بخش بسیار بزرگی از بوزون‌ها، کمترین حالت کوانتومی را اشغال می کنند. بوزون‌های سرد در هم فرو می روند و ابَرذره‌هایی که رفتاری بیشتر شبیه به یک ریزموج دارد تا ذره‌های معمولی، شکل می گیرد. ماده چگالش بوز- اینشتین شکننده و سرعت عبور نور در آن خیلی کم است.

تحقیقات نظری دانشگاه کوئینزلند بر پایه مطالعات قبلی که در دانشگاه ایالتی واشنگتن انجام شده بود، قرار داشت. در آن مطالعه، تاثیر جرم منفی در انبساط چگالش اتمی بررسی شده و خاصیت فرار و تنظیم پذیری این پلتفرم به زیبایی نشان داده شد. محققان دانشگاه کوئینزلند به شفاف‌سازی اثرات مرتبط با انواع مختلفی از جرم‌های منفی پرداخته و اثر خود تداخلی را در چگالش اتمی شناسایی کرده‌اند. این مورد برای اکسیتون-پولاریتون پیش‌بینی شده بود. با این کار، تصویری جامع از اثر خود تداخلی بدست می آید که در آزمایش دانشگاه ایالتی واشنگتن مشاهده گردید، اما برهمکنش‌ها نیز می توانند موثر واقع شده و مکانیزم موجود را تقویت کنند. آزمایشِ سالِ 1801 «توماس یانگ» که تداخل موج ماده را نشان می داد، یکی از نخستین مشاهدات اثر کوانتومی بود.

آزمایش یانگ مربوط به نوری است که از دو شکاف باریک می گذرد و نوارهای تاریک و روشن را به وجود می آورد. قبول این مطلب که چگونه جمع دو نور تاریکی را به وجود می آورد، به سادگی ممکن نبود. لذا نتیجه آزمایش یانگ صحت فرضیه موجی بودن نور و پدیده تداخل امواج نور را تایید کرد. یانگ با اندازه‌گیری فاصله نوارهای تاریک و روشن و نیز فاصله شکاف‌هایی که نور از آن می گذشت، طول موج نورهای مرئی را اندازه گرفت.

دیوید کولاس در ادامه بیان کرد: «برای اینکه قیاس توپ را که در بالا ذکر شد، دنبال کنیم، فرض کنید اگر با شدت بسیار زیادی به توپ ضربه بزنید، قدری آن را بر علیه پایتان فشار خواهید داد. یعنی وقتی توپ از پایتان جدا می شود، انبساط دوباره پیدا می کند و بخش جلویی توپ کندتر از بخش زیرین آن حرکت می کند. در این صورت، توپ با خودش دچار تداخل می شود.»

بر اساس تحقیقات دانشگاه ایالتی واشنگتن، اثر جرم منفی می تواند مانعی برای انبساط آزاد چگالش بوز- اینشتین باشد و باریکه‌هایی را در چگالی پدید آورد. اما بر طبق تحقیقات دانشگاه کوئینزلند، پدیدۀ فوق در اثر خود تداخلی بستۀ موج به وجود می آید. یعنی زمانی که پارامترهای معین جرم در سیستم، منفی می شوند. اثرات جرم منفی می تواند به صورت‌های مختلفی نمایان گردد که یکی از آنها «خود تداخلی» نام دارد. اما یکی از قابل توجه‌ترینِ آنها، انتشارِ رو به عقب در ضربه‌ای مثبت است: همان توپ فوتبال فرضی که به سمت پای شما شتاب برمیدارد، از آن دور نمی شود. محققان دانشگاه کوئینزلند نشان دادند که این رویه شگفت‌انگیز در چگالش بوز- اینشتین قابل حصول‌تر است. لذا مسیرهای تحقیقاتی جدیدی با این کار باز می شود. شفاف‌سازی‌های بیشتر در این زمینه می تواند به سوء تفاهم های مربوط به جرم منفی، پایان دهد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review Letters منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: phys.org