پژوهشگران ناسا به لطف یافتههای بوز – اینشتین، در حالت ساخت حالت پنجم ماده در فضا هستند. آیا این پژوهش به نتایج شگفت انگیز ختم میشود؟
بسیاری از ما ایستگاه فضایی بین المللی را تنها به عنوان محلی برای اقامت فضانوردان میشناسیم، اما در حقیقت این ایستگاه یک آزمایشگاه پژوهشی عظیم و پیشرفته است. دانشمندان در این محیط منحصربهفرد، شاخههای گوناگون علم، از زیست شناسی تا فیزیک را در شرایط بیوزنی و فضای خارج از زمین بررسی میکنند. چنین بستری امکان انجام آزمایشهایی را فراهم کرده است که روی زمین یا بسیار دشوارند یا اساسا امکان پذیر نیستند. یکی از این پژوهشها منجر به تولید پنجمین حالت ماده در فضا شده است.
ساخت حالت پنجم ماده در فضا توسط ناسا
ناسا به تازگی از ارسال چهارمین نسخه ارتقایافته «آزمایشگاه اتم سرد» به ایستگاه فضایی بین المللی خبر داده است. این آزمایشگاه که نمونهای بینظیر در نوع خود به شمار میرود، با هدف مطالعه اصول بنیادی مکانیک کوانتومی و بررسی کاربردهای عملی آن ساخته شده است.
آزمایشگاه اتم سرد از نظر ابعاد تقریبا به اندازه یک یخچال کوچک است، اما در دماهایی نزدیک به صفر مطلق و پایینتر از منفی 459 درجه فارنهایت (منفی 273 درجه سلسیوس) کار میکند. قرار گرفتن این سامانه در محیط ریزگرانش ایستگاه فضایی، شرایطی فراهم میآورد که دستیابی به آن روی زمین بسیار دشوار است. چنین محیطی امکان مطالعه دقیق «چگالش بوز – اینشتین» را فراهم میکند. از این پدیده کوانتومی به عنوان پنجمین حالت ماده، در کنار چهار حالت شناخته شده جامد، مایع، گاز و پلاسما، یاد میشود.
ایتن الیوت، دانشمند پروژه آزمایشگاه اتم سرد در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، با اشاره به تأثیر شگرف فناوریهای کوانتومی بر زندگی بشر گفت که انقلاب کوانتومی قرن گذشته زمینهساز ظهور فناوریهایی مثل لیزر، تلفن همراه و دستگاههای تصویربرداری تشدید مغناطیسی شد که این فناوریها امروزه بخش جدایی ناپذیر زندگی و پزشکی مدرن هستند.
او سپس توضیح داد که اکنون وارد مرحله تازهای شدهایم که از آن با عنوان کوانتوم 2.0 یاد میکنیم. در این مرحله میتوان حالتهای کوانتومی بزرگ و پیچیده را به طور مستقیم کنترل و دستکاری کرد. انتظار داریم پیشبرد این پژوهشها در محیط منحصربهفرد مدار زمین، زمینهساز نسل جدیدی از پیشرفتهای بزرگ در فناوریهای کوانتومی شود.
- دانشمندان یک دنیای کوانتومی پنهان را در داخل کبالت کشف کردند
- دانشمندان میگویند شاید بتوان با فیزیک کوانتوم پیامهایی به گذشته فرستاد
پیش بینی مهم بوز و تلفیق آن با نظریه اینشتین
در سال 1924، آلبرت اینشتین بر پایه نظریههای کوانتومی ارائه شده توسط فیزیکدان برجسته هندی، ساتیندرا نات بوز، پیش بینی مهمی مطرح کرد. او معتقد بود که اگر دمای مجموعهای از اتمها تا نزدیکی صفر مطلق کاهش یابد، رفتار مستقل آنها از بین میرود و همه اتمها در یک حالت کوانتومی مشترک قرار میگیرند.
در چنین شرایطی، این مجموعه دیگر مثل تعدادی اتم جداگانه عمل نمیکند، بلکه به صورت یک سامانه کوانتومی واحد رفتار میکند که ویژگیهای آن با «تابع موج» توصیف میشود. این پیش بینی که حاصل تلفیق ایدههای بوز و اینشتین بود، بعدها «چگالش بوز – اینشتین» نام گرفت و امروزه به عنوان پنجمین حالت ماده شناخته میشود.
با وجود پیش بینی نظری این پدیده، دستیابی به چگالش بوز – اینشتین در عمل تا دههها امکان پذیر نبود. ایجاد این حالت و پایدار نگه داشتن آن به دماهایی فوق العاده پایین و شرایطی بسیار دقیق نیاز داشت و به همین دلیل دانشمندان تا سال 1995 نتوانستند برای نخستین بار آن را با موفقیت تولید کنند. اهمیت این دستاورد به اندازهای بود که پژوهشگران این پروژه به طور مشترک جایزه نوبل فیزیک سال 2001 را دریافت کردند.
پس از آنکه چگالش بوز – اینشتین به واقعیت تبدیل شد، پژوهشگران دریافتند که این حالت شگفت انگیز ماده ارتباطی عمیق با دو پدیده بنیادی در فیزیک دماهای پایین دارد: ابرشارگی که در آن مایعات بدون اصطکاک جریان مییابند و ابررسانایی که در آن الکترونها بدون هیچ گونه مقاومت الکتریکی حرکت میکنند. این ارتباط، افقهای تازهای را برای درک رفتار ماده در شرایط کوانتومی و توسعه فناوریهای پیشرفته گشود.
- فیزیکدانان زمان منفی را در محیط آزمایشگاهی اندازهگیری کردند
- ادعای عجیب محققان آمریکایی: ساخت پیچیدهترین ماده فیزیک با یونولیت و اسپیکر!
محیطی فوقالعاده سرد در دل بیوزنی فضا
آزمایشگاه اتم سرد با هدف شناخت دقیقتر رفتار چگالش بوز – اینشتین و ویژگیهای منحصربهفرد آن طراحی شده است. این پژوهشها اهمیت زیادی دارند، زیرا درک بهتر پدیدههای ابرشارگی و ابررسانایی میتواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از فناوریهای کوانتومی، از رایانههای کوانتومی گرفته تا حسگرهای فوق دقیق هموار کند.
برای دستیابی به این هدف، آزمایشگاه از محیط ریزگرانش مدار پایین زمین بهره میگیرد. نبودِ تقریبا کامل نیروی گرانش باعث میشود تابعهای موج مرتبط با چگالش بوز – اینشتین گستردهتر و پایدارتر شوند. در نتیجه، پژوهشگران میتوانند امواج کوانتومی بزرگتر را برای مدت زمانی طولانیتر از آنچه در آزمایشگاههای زمینی امکانپذیر است، مشاهده و بررسی کنند. این فرصت ارزشمند، مطالعه رفتارهای ظریف کوانتومی را با دقتی بسیار بیشتر امکانپذیر میسازد و به دانشمندان کمک میکند شناخت عمیقتری از قوانین بنیادین جهان کوانتومی به دست آورند.
جیسون ویلیامز، پژوهشگر آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا و از اعضای پروژه «آزمایشگاه اتم سرد»، معتقد است که مطالعه ماده در دماهای نزدیک به صفر مطلق میتواند دریچهای تازه به سوی شناخت قوانین بنیادین طبیعت بگشاید. او میگوید که مواد فوق سرد رفتارهایی از خود نشان میدهند که با شهود و تجربه روزمره ما سازگار نیستند. همین ویژگیهای شگفت انگیز امکان انجام اندازهگیریهایی با دقتی بیسابقه از زمان، میدان گرانشی و حرکت را فراهم میکنند.
وی در ادامه تأکید میکند که آزمایشگاه اتم سرد، به ویژه پس از آخرین ارتقا، به مجموعهای از ابزارهای پیشرفته مجهز شده که به ما اجازه میدهد پدیدههای کوانتومی را با دقت بیشتری مطالعه کنیم و در نهایت، درک عمیقتری از ماهیت و ساختار جهان به دست آوریم. تمام آزمایشهای آزمایشگاه اتم سرد در سامانهای تخصصی به نام «ماژول علمی» انجام میشوند.
- طلسم ۵۰ ساله فیزیک کوانتوم شکسته شد؛ کشف انقلابی دانشمندان در «مایعات اسپینی»
- دانشمندان برای اولین بار «ماده نور» را ساختند؛ دنیا از این پس جور دیگریست
نحوه انجام آزمایش چگونه است؟
فرآیند آزمایش با گرم کردن نواری از فلز روبیدیوم یا پتاسیم تا دمای حدود 400 درجه سلسیوس (740 درجه فارنهایت) آغاز میشود. با گرم شدن فلز، اتمهای آن به شکل گاز وارد یک محفظه خلأ میشوند. سپس پرتوهای لیزر به این اتمها تابانده میشوند تا بخشی از انرژی جنبشی آنها را بگیرند و دمایشان را به شدت کاهش دهند.
در مرحله بعد، یک تله مغناطیسی اتمهای فوق سرد را در جای خود نگه میدارد و پژوهشگران با استفاده از روشهای تکمیلی، دمای آنها را حتی پایینتر میآورند. ناسا توضیح میدهد که این فرآیند، حرکت اتمها را تقریبا به صفر میرساند و به آنها اجازه میدهد برای مدت بیشتری در شرایط ریزگرانش باقی بمانند و این شرایط برای مطالعه دقیق پدیدههای کوانتومی ایدهآل است.
کمال اودریری، مدیر پروژه آزمایشگاه اتم سرد، در توصیف اهمیت این فناوری گفته است که این سامانه نزدیکترین ابزاری است که تاکنون برای کنترل مرز میان دنیای کلاسیک و جهان کوانتومی در اختیار داشتهایم. او تأکید میکند که ارتقای جدید این آزمایشگاه، توانایی پژوهشگران را برای کاوش در این مرز ناشناخته بیش از پیش افزایش داده و امکان انجام آزمایشهایی را فراهم میکند که تا چند سال پیش دست نیافتنی به نظر میرسیدند.
- دانشمندان اولین کامپیوتر کوانتومی جهان را با تراشههای سیلیکونی معمولی رونمایی کردند
- مهندسان آمریکایی، غیرممکن را ممکن کردند؛ دوربری کوانتومی از طریق اینترنت
0 نظرات