اقتصاد دانش بنیان

وقتـی فیـزیک کلاسیک نیوتنـی به حاشیه می رود

حدود چهارصد سال پيش يک سيب از روي شاخه ها کنده شد و به سمت زمين سقوط کرد؛ پديدهاي کاملا عادي که قبل از آن طي هزاران سال رخ داده بود. سقوط سيب از درخت، اين بار اما يک تفاوت بسيار بزرگتر با گذشته داشت. زير درخت ايزاک نيوتن يکي از بزرگترين دانشمندان دنيا نشسته بود و احتمالا غرق تفکر در باب مسائل فيزيک بود. همين سقوط ساده سيب سبب شد تا نيوتن حرکت و مسائل مربوط به آن را با فرمولهايي توصيف کند که هنوز قسمتي از درس فيزيک در سراسر دنياست. معادلات نيوتني به ما ميگويد يک جسم داراي حرکت روي يک مسير مستقيم به حرکت خود در همان جهت ادامه ميدهد مگر اينکه نيرويي سمت و سوي حرکت را تغيير دهد. قوانين نيوتني هميشه و همواره همراه ما هستند؛ از چتربازي که از هواپيماي در حال حرکت به سمت زمين ميپرد، نيرويي که در لحظه پرواز هواپيما براي کنده شدن آن از زمين احتياج است تا حرکت انواع ماهواره مخابراتي و نظامي در اطراف اتمسفر زمين.

چالشي براي نيوتن

دنياي کوانتومي مفهوم حرکت اشيا در فيزيک کلاسيک نيوتني را به صورت عجيبي به چالش ميکشد و گاهي کلا دچار تغيير و تحول بنيادين ميکند. تصور کنيد يک گوي در حال سقوط به جاي حرکت مداوم به سمت زمين (هسته زمين)، داراي حرکتي نوساني به سمت بالا و پايين باشد. اين نوع حرکت به نظر عجيب ميآيد، چون تمام چارچوب ذهني ما را درباره سقوط به هم ميريزد. به هر حال اين چيزي است که فيزيکداني تجربي از شهر اينسبروک با همکاري فيزيکدانان تئوري از مونيخ، پاريس و کمبريج براي يک ذره کوانتومي کشف کردهاند. در قلب اين رفتار شگفتانگيز چيزي وجود دارد که متخصصان فيزيک به آن تداخل کوانتومي ميگويند؛ مکانيک کوانتومي به ذرات اجازه ميدهد مانند موج رفتار کنند، با هم جمع شوند يا يکديگر را خنثي کنند.

نزديک شدن به صفر مطلق

تيم مطالعاتي براي مشاهده نوسان آونگي ذره کوانتومي به سمت جلو و عقب مجبور بودند گاز سديم را قدري بالاتر از صفر مطلق سرد کنند تا بتوانند آن را به صورت آرايشي از لوله هايي بسيار نازک محدود کنند. اين کار به وسيله ليزرهاي بسيار قدرتمند رهاسازي ميشد.

محققان به کمک يک تکنيک ويژه، اتمها را در حالت برهمکنش بسيار شديد با يکديگر قرار دادند. در اين شرايط اتمها يک سيال کوانتومي شکل ميدهند که حرکتش به جهت لوله ها محدود شده است. فيزيکدانان سپس يک اتم ناخالص (اتمي با جهت چرخش متفاوت) را به درون گاز سرعت ميبخشند. همزمان با حرکت اين ذره کوانتومي، مشاهده شد که ذرات گاز به اطراف پخش ميشود و به سمت عقب نوسان دارد و همين امر سبب يک حرکت نوساني آون گمانند خلاف حرکت يک گوي در حال سقوط در آب يا هوا ميشود. اين پژوهش نشان داد که قوانين نيوتني در ابعاد کوانتومي قابليت کاربرد ندارند.

سيالات کوانتومي گاهي مانند کريستالها عمل ميکنند

اين حقيقت که امواج کوانتومي ممکن است به برخي جهتها منعکس شوند از روزهاي ابتدايي ارائه تئوري مکانيک کوانتوم شناخته شده بود. به عنوان مثال الکترونها با الگوي منظم کريستالهاي جامد مانند يک تکه فلز منعکس ميشوند. اين اثر را پخش شدن کريستالي مينامند. نکته تعجبآور در پژوهش انجام شده در اينسبرک اين بود که چنين کريستالي براي انعکاس ذره کوانتومي ناخالص موجود نبود. به جاي آن، گاز اتمها خود نوعي نظم مخفي را در چيدمان ايجاد ميکرد، ويژگياي که همبستگي لقب گرفته است. مطالعه صورت گرفته نشان ميدهد که چگونه اين همبستگيها در تلفيق با طبيعت موجي ماده حرکت ذرات را در دنياي کوانتومي تعيين ميکند و به پديده هايي هيجانانگيز و نوين ميانجامد که با تجربيات روزانه ما متفاوت است. شناخت عجايب مکانيک کوانتوم براي درک طيف وسيعتري از فيزيک و روشن شدن چگونگي بهينه سازي فرايندهاي پايه اي در اجزاي علم الکترونيک يا حتي نقل و انتقالات مواد در سيستمهاي زيستي پيچيده مفيد ارزيابي ميشود.

منبع: مجله دانش بنیان