بیگ بنگ: در پایینترین دماهای ممکن در جهان، قوانین فیزیک رفتاری شگفتانگیز و غیرمنتظره پیدا میکنند. وقتی اتمها تا دمایی تنها اندکی بالاتر از صفر مطلق (منفی ۲۷۳٫۱۵ درجه سانتیگراد) سرد شوند، ویژگیهایی از خود نشان میدهند که در دنیای معمولی غیرممکن به نظر میرسند؛ آنها میتوانند بدون هیچ مقاومتی جریان الکتریکی را هدایت کنند، به اَبَرذرههایی واحد تبدیل شوند یا بدون اصطکاک جریان پیدا کرده و حتی از دیواره ظرف خود بالا بروند.
به گزارش بیگ بنگ، در این مقیاسهای فوقالعاده کوچک و سرد، رفتار ماده دیگر با قوانین کلاسیک توصیف نمیشود، بلکه آمار کوانتومی تعیین میکند ذرات چگونه رفتار کنند. این قوانین بر دو خانواده اصلی از ذرات بنیادی حاکم هستند: بوزونها و فرمیونها؛ دو گروهی که تصور میشود تمام ماده و نیروهای موجود در جهان از آنها تشکیل شدهاند.
بوزونها ذرات حامل نیرو هستند؛ مانند فوتون (ذره نور) یا بوزون هیگز. ویژگی عجیب بوزونها این است که تعداد نامحدودی از آنها میتوانند دقیقاً در یک حالت کوانتومی قرار بگیرند؛ به بیان ساده، میتوانند روی هم «همپوشانی» داشته باشند و مانند یک موج ِ واحد، رفتار کنند.
اما فرمیونها ــ مانند الکترونها و کوارکهایی که پروتونها و نوترونها را میسازند ــ کاملاً متفاوتاند. طبق اصل طرد پائولی، هر حالت کوانتومی فقط میتواند توسط یک فرمیون اشغال شود. همین اصل توضیح میدهد چرا بقایای بسیار چگال ستارگان، مانند ستارههای نوترونی و کوتولههای سفید، تحت فشار گرانش به طور کامل فرو نمیریزند و به سیاهچاله تبدیل نمیشوند.
اکنون گروهی از فیزیکدانان، با استفاده از همین قوانین، بهصورت تجربی و نظری موفق شدهاند مرحلهای کاملاً جدید و عجیب از ماده کوانتومی را توصیف کنند؛ حالتی که آن را به دریایی از ذرات خودسازمانیافته تشبیه میکنند.
“آلویس باستیانلو” فیزیکدان نظری از مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه و دانشگاه پاریس دوفین گفت: «فرمیونها معمولاً به شکلی منظم در حالتهای انرژی موجود کنار هم قرار میگیرند و چیزی را تشکیل میدهند که به آن “دریای فرمی” میگوییم.»
اما او پرسش مهمی مطرح میکند: «اگر اتمهای برهمکنشکننده را وادار کنیم بهطور مداوم میان دو وضعیت کاملاً افراطی جابهجا شوند؛ یعنی از حالتی که بهشدت یکدیگر را دفع میکنند، به حالتی که بهشدت همدیگر را جذب میکنند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟»
برای یافتن پاسخ، پژوهشگران ابتدا یک گاز بوزونی تولید کردند. این گاز از حدود ۷۰ هزار اتم سزیم تشکیل شده بود که تا دمایی تنها چند نانوکلوین بالاتر از صفر مطلق سرد شده بودند. نانوکلوین یعنی تنها چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق؛ دمایی که تصور آن تقریباً غیرممکن است. در چنین شرایطی، اتمها دیگر مانند ذرات مستقل رفتار نمیکنند و هویت جداگانه خود را از دست میدهند و به صورت یک سامانه کوانتومی واحد عمل میکنند.
در مرحله بعد، پژوهشگران این ماده عجیب را داخل لولههایی یکبعدی قرار دادند. این لولهها توسط شبکهای نوری (Optical Lattice) ساخته شدند؛ ساختاری متشکل از پرتوهای لیزر که اتمها را در جای خود نگه میدارد تا بتوان رفتارشان را با دقت بررسی کرد. سپس دانشمندان بارها برهمکنش میان اتمها را تغییر دادند. در هر چرخه، اتمها ابتدا بهشدت یکدیگر را دفع میکردند و سپس بهشدت همدیگر را جذب میکردند.
نتیجۀ این آزمایش، پیدایش مرحلهای کاملاً تازه و غیرمنتظره از ماده بود که پژوهشگران آن را «دریای فرمی کسری» (Fractional Fermi Sea) نامیدهاند. همانطور که گفته شد، بوزونها میتوانند بدون محدودیت یک حالت کوانتومی را اشغال کنند، اما فرمیونها چنین امکانی ندارند. ویژگی عجیب این حالت جدید این است که حالتهای کوانتومی نه کاملاً اشغال میشوند و نه کاملاً خالی هستند، بلکه تنها بخشی از آنها اشغال میشود. به نظر میرسد چنین رفتاری فقط در سامانههای کمبعد، مانند آزمایشهای یکبعدی، امکانپذیر باشد.
شاید تصور کنید اعمال مداوم نیروهای جاذبه و دافعه باعث بینظمی بیشتر یا گرم شدن سامانه شود. اما نتیجه دقیقاً برعکس بود. “یی زینگ” از دانشگاه اینسبروک و نویسنده اصلی مقاله میگوید: «بهجای اینکه سامانه صرفاً گرم شود، چرخههای برهمکنش باعث شدند اتمها خود را در یک حالت کاملاً جدید و چندذرهای سازماندهی کنند.»
“هانس کریستوف ناگرل” سرپرست این پژوهش و استاد فیزیک کوانتومی تجربی در دانشگاه اینسبروک، توضیح داد: «این حالت، اگرچه انرژی بسیار بالایی دارد، اما تصادفی نیست. درون آن نوعی نظم پنهان وجود دارد که تنها از طریق همبستگیهای میان ذرات آشکار میشود.»
رفتار این ماده آنقدر پیچیده است که پژوهشگران هنوز مطمئن نیستند چگونه باید آن را نامگذاری کنند. در این سامانه، پدیدهای به نام نوسانات فریدل (Friedel Oscillations) نیز مشاهده شد؛ الگویی موجمانند که مهمترین شاهد وجود “دریای فرمی کسری محسوب میشود.
“ناگرل” با شوخی میگوید: «هنوز نمیدانیم این شبهذرات جدید را چه بنامیم. شاید “ابرفرمیونها” (Super-Fermions) اسم مناسبی باشد!» این آزمایش مسیر تازهای برای مطالعه سامانههای کوانتومی فوقسرد باز میکند و به دانشمندان اجازه میدهد بررسی کنند چگونه واقعیت بزرگمقیاس و کلاسیکی که ما تجربه میکنیم، از دل رفتارهای عجیب و غریب کوانتومی در بنیادیترین سطوح طبیعت پدید آمده است.
“ناگرل” میگوید: «کشف دریاهای فرمی کسری نشان میدهد که شبیهسازیهای کوانتومی تا چه اندازه پیشرفت کردهاند؛ ما دیگر فقط مدلهای شناختهشده را بازسازی نمیکنیم، بلکه اکنون میتوانیم حالتهایی را خلق و مطالعه کنیم که فراتر از چارچوبهای شناختهشده فیزیک هستند.»
این پژوهش تنها یک دستاورد نظری نیست. درک بهتر چنین حالتهای جدیدی از ماده میتواند به پیشرفت فناوریهای آینده کمک کند؛ از جمله:
– توسعه رایانش کوانتومی و پردازش اطلاعات با دقت بسیار بالا
– ساخت حسگرهای کوانتومی فوقحساس
– پیشرفت در علم مواد و طراحی مواد جدید
– کاربردهای پزشکی و زیستفناوری
– توسعه روشهای پیشرفته رمزنگاری و امنیت اطلاعات
به بیان دیگر، این کشف پنجرهای تازه به دنیای شگفتانگیز مکانیک کوانتومی گشوده است؛ جایی که حتی قوانین بنیادینی مانند اشغال حالتهای کوانتومی نیز میتوانند رفتاری داشته باشند که تا همین اواخر، از نظر فیزیکدانان غیرممکن به نظر میرسید.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: sciencealert.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=109758
(2 نفر , میانگین : 5,00 از 5)
