15دسامبر2017

24 خرداد 1396 نوشته شده توسط 

مشاهده حرکت‌های نوسانی ذرات کوانتومی

در باب شکستن قانون اول نیوتن
مریم ایرانی

P50-quantumphysics
همه ما داستان معروف نیوتن را می‌دانیم. داستان سقوط یک سیب روی سر دانشمندی که علم را متحول کرد. نیوتن بعد از سقوط سیب روی سرش توانست قوانین مشخصی را برای حرکت اجسام مدون کند. معادلات حرکت نیوتن، می‌گویند که یک جسم به حرکت خود در یک مسیر مستقیم ادامه می‌دهد تا زمانی که یک نیروی خارجی مسیر آن را تغییر دهد. اثرات قوانین حرکتی نیوتن را ما هر روز در زندگی روزمره می‌بینیم. از حرکت هواپیماها گرفته تا حرکت وضعی زمین به دور خورشید.
در دنیای کوانتوم، تصور ما از حرکت اجسام دربیشتر اوقات غلط از آب در می‌آید. آیا می‌توانید تصور کنید که یک قطعه سنگ مرمر وقتی در آب می‌افتد به جای اینکه مستقیم پایین برود به سمت بالا و پایین نوسان کند؟ به نظر عجیب می‌رسد ولی این نتیجه جدید تحقیقات دانشمندانی از کشورهای مختلف اروپایی درباره حرکت ذرات کوانتومی است. در واقع این نتایج عجیب نشان می‌دهند که ذرات کوانتومی حرکات موجی شکلی دارند.
دست یافتن به دمای صفر مطلق
برای مشاهده حرکات‌های جلو و عقب رفتن ذرات کوانتومی، تیم تحقیقاتی فیزیک بنیادی مستقر درInnsbruck (شهری در اتریش)، گاز سزیم را تا دمای نزدیک صفر مطلق سرد کردند و بعد آن را وارد لوله‌های نازکی کردند که تحت تابش لیزرهای با توان بالا قرار داشتند.
فیزیکدان‌ها بعد از این مرحله، یک اتم را دارای ویژگی خاص فیزیکی کرده (به اصطلاح دارای ناخالصی کردند) و باعث شدند تا این اتم دارای حرکات نوسانی و جلو عقب رفتن بشود. این آزمایش نشان می‌دهد که قوانین مکانیک نیوتنی در فضای کوانتومی کاملا شکسته می‌شوند.
این واقعیت که یک موج کوانتومی ممکن است به جهات خاصی منعکس شود، از روزهای نخستین توسعه نظریه مکانیک کوانتومی شناخته شده است. به عنوان مثال، الکترون در یک الگوی منظم از کریستال جامد منعکس می‌شود. این اثر، اثر پراکندگی براگ نامیده می‌شود. با این حال، و در کمال تعجب در آزمایشی که تیم تحقیقاتی فیزیک بنیادی انجام دادند، چنین کریستالی برای اتمی که به صورت ناخالصی در سیستم وارد شده بود مشاهده نشد.بلکه این اتمهایناخالص الگوی جدیدی از حرکت و انعکاس را نشان دادند که تا به حال مشاهده نشده بود.
در واقع کارجدید محققان نشان داده است که چگونه سرشت موجی ذرات کوانتومی تعیین کننده حرکت ذرات در جهان کوانتومی می‌شوند و منجر به ایجاد پدیده‌های جدید و هیجان انگیزی می‌شود که درتقابل با تجربیات زندگی روزانه ما است.
درک پدیده‌های عجیب و غریب مکانیک کوانتومی می‌تواند در سطوح گسترده‌تری از علم کمک کننده باشد. برای مثال، درک و بهینه سازی فرآیندهای اساسی در قطعات الکترونیکی، و یا حتی فرآیندهای انتقال در سیستم‌های بیولوژیکی پیچیده .
منبع:
Bloch oscillations in the absence of a lattice. Science, 2017