فيزيك دان ايراني و شگفت آفريني تازه سياه چاله ها

فيزيك دان ايراني و شگفت آفريني تازه سياه چاله ها

يك فيزيك دان ايراني مقيم دانشگاه ميسوري در كلمبيا هنگام بررسي نتايج نظريه نسبيت اينشتين روي ذراتي زير اتمي كه با سرعت زياد در حركتند موفق به كشف اثر تازه و شناخته نشده اي از سياه چاله ها شده است.

سياه چاله ها كه در زمره ي عجيب ترين اجرام كيهاني به شمار مي آيد باز هم شگفتي آفريده اند و اخترشناسان را حيرت زده كرده اند. به نوشته ي هفته نامه ي علمي نيوساينتيست بهرام مشحون و همكارش كارمن چيكانك در دانشگاه ميسوري در بررسي هاي علمي خود به اين نكته پي برده اند كه سياه چاله ها مي توانند نيروهاي جزر و مدي عجيبي توليد كنند كه بر ذرات با سرعت زياد تاثيري متفاوت از ذرات با سرعت كم باقي مي گذارد. اين اثر پيشبيني نشده به اين معناست كه سياه چاله اي كه در مركز كهكشان خود ما قرار دارد مي تواند منبع پرتوهاي كيهاني بسيار پرقدرت و نادري باشد كه اخترشناسان تاثير مخرب آنها را در جو زمين مشاهده كرده اند اما تاكنون نتوانسته اند توضيحي براي منشا شان پيدا كنند.

نيروهاي جزر و مدي بر اساس نظريه ي نيوتوني هنگامي ظاهر مي شوند كه تاثير نيروي جاذبه به واسطه ازدياد فاصله كم مي شود به عنوان مثال 2 ذره كه در فواصل متفاوتي نسبت به يك سياه چاله قرار دارند تحت تاثير 2 نيروي مختلف قرار مي گيرند و يكي از آنها كه نزديك تر است شتاب بيشتري پيدا مي كند. اما توضيحي كه از طريق فيزيك نيوتوني به دست مي آيد براي شرايطي كه در نزديك سياه چاله ها برقرار است كفايت نمي كند. اخترشناسان از مدت ها قبل به اين نكته پي برده بودند كه در پلاسما(ماده در دما و فشار زياد) كه اطراف سياه چاله ها در گردش است ذرات بنيادي و زير اتمي با سرعت بسيار زياد فراوانند.

مشحون و همكارش در تلاش محاسبه اين امر بودند كه اين ذرات در ميدان جاذبه قدرتمند سياه چاله ها چگونه رفتار مي كنند. اين 2 فيزيكدان دريافتند كه تاثير ميدان جاذبه سياه چاله ها روي ذراتي كه با سرعت كم در اين ميدان حركت مي كنند دقيقا به همان نحو است كه فيزيك نيوتن پيشبيني مي كند اما در مورد ذراتي كه با سرعت نزديك به سرعت نور حركت مي كنند نتايج به دست آمده كاملا خلاف انتظار بود. ذراتي كه با سرعتي بيش از 70درصد سرعت نور300هزار كيلومتر در ثانيه حركت مي كنند رفتارشان تابع جهت حركتشان است.

ذرات پرسرعتي كه در امتداد محور چرخش سياه چاله ها حركت مي كنند از شتاب حركتشان نسبت به ذرات كند كاسته مي شود اما ذرات تند سرعتي كه در جهت عمود بر اين محور سير مي كنند شتابي بسيار زياد و انرژي حيرت انگيز و عظيم كسب مي كنند.

نتايج بدست آمده به وسيله مشحون و همكارش شماري از رصد ها و مشاهدات توضيح ناپذيري را كه اخترشناسان در گذشته انجام داده بودند قابل فهم ساخته است. از جمله اين امور افشانه هاي بسيار پر قدرت از جنس ذرات زير اتمي است كه از قطب هاي اجرام كيهاني موسوم به((مايكروكازارها)) به بيرون پرتاب مي شوند. تلقي خترشناسان آن است كه مايكروكازارها سياه چاله ها را درون خود پنهان ساخته اند. آنچه كه موجب حيرت اخنرشناسان بود آن است كه اين ذرات پر انرژي داراي شتاب كاهش يابنده هستند. علاوه بر اين از تحقيقات مشحون و همكارش چنين بر مي آيد كه رويداد هاي حيرت انگيز ديگري نيز در جهات ديگر و هنگام حركت ذرات پر شتاب رخ مي دهد كه هنوز مشاهده نشده است. به اعتقاد مشحون نيروهاي جزر و مدي كند كننده تنها در زاويه55 درجه از محور يك سياه چاله ظهور مي يابد و تنها در اين زاويه است كه ذرات زير اتمي شتاب منفي پيدا مي كنند و از سرعتشان كاسته مي شود. در همه جهت و زواياي ديگر حول اين محور اين نوع ذرات شتاب مثبت بدست مي آورند و براساس نظريه اينشتين سرعت اين ذرات مي تواند تا سرعت نور بالا برود. اگر نظريه مشحون و همكارش درست باشد سياه چاله هايي كه در كهكشان ما قرار دارند دائما ذرات پر شتاب و پر سرعتي عمدتا از جنس پروتون را به بيرون پرتاب مي كنند كه انرژي شان هنگامي كه به زمين مي رسند بيش از1020الكترون ولت است. به گفته مشحون مي توان نظريه پيشنهادي او و همكارش را با مقايسه رابطه ميان جهت ورود پرتوهاي كيهاني مافوق پرقدرت به جو زمين و موقعيت مايكروكازار ها در كهكشان راه شيري را مورد آزمايش قرار داد.

چگاله هاي گرما

براي ساختن چگاله ي بوز-آينشتاين فيزيكدانان معمولا گاز هاي اتمي را در چند ميلياردم يك درجه ي كلوين سرد مي كنند. به تازگي گزينه ي جديدي مطرح شده كه مي توان اين سيستم هاي كوانتمي درشت مقياس را در دما هاي نسبتا بالا با استفاده از پولاريتون ها كاويد.

بر اساس مكانيك كوانتمي، طبيعت موجي يك شئ به آن اجازه مي دهد تا از ميان مانعي بگذرد كه از نظر فيزيك كلاسيك مطلقا غير قابل نفوذ است.

پس چرا نمي توانيم تونل زني و ديگر پديده هاي كوانتمي را در زندگي روزمره مان ببينيم؟

دليل اينست كه اين پديده ها تنها در مقياس طول موج اتم هايي اتفاق مي افتد كه اشيا ريز- مقياس را شكل مي دهند، و اين طول موج ها بسيار كوچكتر از آنند كه اثرشان ديده شود. برابر فرمول      (در اين فرمول p اندازه ي حركت است و برابر است با حاصل جرم در سرعت)، طول موج دوبروي يك اتم نوعي در دماي اتاق در حدود   است.

 

براي مشاهده ي رفتار موجي يك ذره ما بايد اندازه حركت آن را كاهش دهيم. اگر اندازه حركت گروهي از ذرات آنقدر پايين باشد كه طول موج ذرات با فاصله بينشان برابر شود، تابع موج منحصر به فرد ذرات شروع به انطباق سازنده مي كنند يا به عبارتي افزايش مي يابند. وضعيت بسيار منظمي كه حاصل مي شود به نام چگالش بوز- آينشتاين شناخته مي شود كه در آن تمام ذرات همچون يك موج واحد رفتار مي كنند. اين پديده تنها در ميان ذراتي به نام بوزون ها كه داراي اندازه حركت زاويه اي و اسپين صحيح هستند شكل مي گيرد.

از زمان ساخته شدن اولين چگاله ي بوز- آينشتاين (BEC) از اتم هاي گاز روبيديم، 12 پيش، فيزيكدانان علاقمند بوده اند كه به اين اندازه حركت بسيار كوچك از طريق سرد كردن ذرات (كم كردن سرعتشان) برسند. اما دماي مورد نياز فوق العاده پايين است، در مجموع تنها چند ميلياردم درجه، كه نيازمند تكنيك هاي بسيار پيشرفته سرمايش از جمله سرمايش ليزري مي باشد. گزينه ي ديگر كه هماكنون توسط لابراتوار هاي بسياري در سرتاسر دنيا دنبال مي شود، ساختن نوع خاصي از ذرات بسيار سبك به نام پولاريتون است. پولاريتون ها كه بوزون هايي هستند متشكل از يك جفت حفره- الكترون و يك فوتون، ميليارد ها بار سبك تر از اتم هاي روبيديم هستند، بنابراين بايد قادر باشند BEC را در دما هاي بسيار بالاتر تشكيل دهند.

اولين نشانه ي چگاله ي پولاريتون سال گذشته زماني كه Jacek Kasprazk از دانشگاه ژوزف فوريه در فرانسه به همراه همكاراني در سويس و انگلستان، از ليزر براي افزايش پيوسته چگالي پولاريتون ها در يك ريز حفره ي نيمه رسانا كه در دماي نسبتا گرم 19K قرار دارد استفاده كردند، بدست آمد. آنها دريافتند كه بالاي چگالي بحراني پولاريتون ها شروع مي كنند به نشان دادن رفتار همدوس يك BEC.

 

ديگر محققان اين زمينه شك داشتند كه پولاريتون ها BEC واقعي بوده باشند، چراكه اين رفتار تنها در منطقه اي كه با ليزر برانگيخته شده است ديده شده، كه اين منطقه به خودي خود همدوس است. براي حل اين مشكل ديويد اسنوك و همكارانش از دانشگاه پيتزبورگ و آزمايشگاه هاي بل در ايالات متحده سيستم مشابه اي ساخته اند كه در آن پولاريتون ها توسط ليزري توليد مي شوند كه متعاقباً از برانگيختگي ليزري دوري مي كند. آنها اين كار را با استفاده از يك ميخ تيز به عرض 50 μm انجام دادند كه با ايجاد يك پريشاني ناهمگن در ريز حفره تله اي مي سازد كه پولاريتون ها مي توانند در آن انباشته شوند. آنها دريافتند كه در اين سيستم هنوز BEC در دماي 4.2K شكل مي گيرد.

با اينكه اين نتيجه به گرمي BEC 19 كلويني اي كه تيم Kasprazk گزارش كرده نيست، دكتر اسنوك به فيزيك وب گفت كه از زمان انتشار نتيجه تا كنون آنها دماي چگاله را تا 32K افزايش داده اند: “به دلايل متعدد مي توان انتظار داشت كه مي توانيم به دماهاي بالاتر هم برسيم… من رسيدن به دماي اتاق را پيش بيني نمي كنم اما بيش از 100K دور از دسترس نيست.”

به علاوه ريز حفره ي تيم آمريكايي از نيمه رسانا هاي در دسترس گاليم آرسنيد كه در سيستم هاي محصور سازي -مانند آنچه كه براي گاز هاي اتمي استفاده مي شوند- ساخته شده است كه باعث مي شود اين زمينه براي گروه هاي تحقيقاتي بيشتري قابل دسترسي باشد.

با اين وجود هنوز ترديد هايي وجود دارند كه آيا سيستم اسنوك يك BED با شرايط متعارف است؟ چرا كه پولاريتون ها چنان عمر كوتاهي دارند كه سيستم تنها مي تواند به شبه- تعادل برسد. اسنوك مي گويد:” برخي مي خواهند استفاده از عبارت BEC را به سيستم هاي در تعادل حقيقي محدود كنند. از طرف ديگر عده اي مي خواهند اين عبارت را كلي تر كنند تا تمامي انواع سيستم ها ازجمله ليزر را در بر گيرد. به نظر من اين مسئله بيشتر مربوط مي شود به اصطلاحات و نامگذاري فني.”

صحبت كردن نقاط كوانتومي با همديگر

دانشمنداني كه اميدوارند از نقاط كوانتومي به عنوان واحدهاي ساختماني نسل جديد رايانه‌ها استفاده كنند، روشي براي ايجاد ارتباط بين آنها پيدا كرده‌اند0020

امينه الاحمدي، دانشجوي دكتري دانشگاه ?اوهايو? كه به همراه پرفسور Sergio Ulloa

، يافته‌هاي مربوط به اين تحقيق را در مجله Applied Physics Letters به چاپ رسانده است، مي‌گويد: اساساً نقاط كوانتومي با همديگر صحبت مي‌كنند.

اين نقاط بلورهاي كروي مهندسي شده‌اي با قطر حدود 5 نانومتر مي‌باشند. اگر بخواهيم مقايسه‌اي انجام دهيم، مي‌توانيم بگوييم كه قطر متوسط يك سلول حدود 1000 نانومتر مي‌باشد.

محققان بر اين باورند كه نقاط كوانتومي مي‌توانند در توسعه فن‌آوري نانو بسيار سودمند باشند، زيرا اين نقاط تطبيق‌پذير و يك شكل مي‌باشند و اين امر باعث مي‌شود تا تغييرات و معايب احتمالي مواد حذف شوند.

محققان در تحقيق اخير براي اولين بار از يك مدل تئوري استفاده كرده و نشان دادند تابش انرژي نوري بر روي نقاط كوانتومي باعث مي‌شود آنها بلافاصله به صورت منسجم انرژي را منتقل كنند.

آنها دريافتند اگر نقاط كوانتومي را در يك فاصله مشخص نسبت به همديگر (بزرگ‌تر از شعاع نقاط) قرار دهيم، امواج نور ميان اين نانوبلورها با يك الگوي ثابت حركت مي‌كنند.

در تحقيق قبلي هنگام انتقال امواج ميان اين ذرات، طول موج آنها تغيير كرده و يا مبادله انرژي به صورت نامنظم صورت مي‌گرفت و اين امر موجب ايجاد اختلال در ارتباط ميان نقاط كوانتومي مي‌شد.

نتايج اين تحقيق نشان مي‌دهد كه مي‌توان راهي براي انتقال داده‌ها از طريق امواج نوري پيدا كرد كه اين امر زمينه را براي توليد رايانه كوانتومي نوري فراهم مي‌كند.

در رايانه‌هاي معمولي موجود، انتقال اطلاعات توسط بار الكتريكي صورت مي‌گيرد، ولي در رايانه‌هاي كوانتومي نوري اين كار با استفاده از نور انجام خواهد شد.

الاحمدي مي‌گويد: ?ايده اصلي اين است كه فرايند پردازش را سريع‌تر و كوچك‌تر كنيم?.

اين فن‌آوري جديد مبتني بر نقاط كوانتومي مي‌تواند در تصويربرداري پزشكي نيز مورد استفاده قرار گيرد. نقاط كوانتومي را مي‌توان به بيمار تزريق كرد و سپس از ابزاري كه داراي نقاط كوانتومي بيشتري است، براي تشخيص موقعيت آنها در زير پوست بهره برد. بنا بر اظهار Ulloaدر تحقيقات زيستي كه بر روي موش‌ها صورت گرفته است، موفقيت زيادي با اين روش تصويربرداري حاصل شده است.

به گزارش ايسنا از ستاد ويژه توسعه فن‌آوري نانو، اين نقاط كوانتومي، نسبت به مواد شيميايي موجود كه براي افزايش وضوح تصويربرداري استفاده مي‌شوند، اثرات جانبي كمتري داشته و در نهايت مي‌توانند جايگزين اين مواد شوند.

الاحمدي مي‌افزايد كه استفاده از انرژي نوري به جاي الكتريسيته مي‌تواند به خنك نگه‌داشتن رايانه‌ها نيز كمك كند، چرا كه انرژي نوري به اندازه الكتريسيته گرما توليد نمي‌كند .