تاریخ دریافت خبر: نظر بینندگان بازدید: 189
18-1-8-223828science-usa-europe-901542.jpg

دانشمندان آمریکایی و اروپایی موفق شده اند در دستاوردی غیرمنتظره، از بعد فضایی چهارم عکس برداری کنند. این مهم بر پایه مدل های توپولوژیک مواد ابررسانا به دست آمده است که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۶ (۱۳۹۵) را از آن خود کرد.

به گزارش خبرآنلاین، از زمانی که «آلبرت اینشتین» نظریه نسبیت خاص خود را در سال ۱۹۰۵ (۱۲۸۴) ارائه کرد، مردم و دانشمندان «زمان» را به عنوان بعد چهارم در نظر می گرفته اند؛ اما اکنون دو گروه پژوهشی در ایالات متحده و اروپا توانسته اند به شواهدی از وجود چهارمین بعد فضایی دست یابند.

میکائیل رشتسمن (Mikael Rechtsman)، فیزیک دان دانشگاه ایالتی پن در ایالات متحده می گوید: «ما هنوز سیستم ۴ بعدی فضایی نداریم، اما می توانیم با استفاده از سیستم سه بعدی فعلی (دنیایی که ادراک می کنیم) به فیزیک ۴ بعدی هال کوانتومی (quantum Hall effect) دسترسی پیدا کنیم؛ زیرا ابعاد بالاتر به نحوی در این ساختار پیچیده رمزگذاری شده اند.»

رشتسمن ادامه می دهد: «شاید بتوانیم با ادامه این تحقیقات به فیزیک ابعاد بالاتر دست یابیم و بر اساس آن، ابزارهایی را طراحی کنیم که در ابعاد پایین تر از فیزیک ابعاد بالاتر بهره ببرند».

برای آن که به شهود بهتری از آزمایش پژوهشگران دست پیدا کنید، به این نکته توجه کنید: اجسام ۳ بعدی سایه های ۲ بعدی ایجاد می کنند؛ بنابراین می توان انتظار داشت که اجرام ۴ بعدی سایه های ۳ بعدی ایجاد کنند. به این روش حتی اگر جسم ۴ بعدی ادراک ناپذیر باشد، می توان از روی سایه اش به وجود آن پی برد.

اثر هال کوانتومی چیست؟

پژوهشگران برای یافتن بعد چهارم، آزمایش های دوبعدی حیرت انگیزی بر اساس پدیده هال کوانتومی ترتیب دادند. پدیده هال کوانتومی حرکت الکترون ها را محدود می کند و به پژوهشگران امکان می دهد تا این ذرات را بسنجند و بررسی کنند.

تاکنون سه جایزه نوبل فیزیک برای پژوهش های نظری و عملی در مورد پدیده هال کوانتومی اهدا شده است که آخرین آن ها، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۶ (۱۳۹۵) بود. برندگان نوبل فیزیک سال گذشته با استفاده از مدل های توپولوژیک توانستند ویژگی های این پدیده را به خوبی توصیف کنند.

اثر هال کوانتومی معمولا در مرز بین دو ماده اتفاق می افتد، جایی که الکترون ها می توانند فقط در ۲بعد حرکت کنند. وقتی میدان مغناطیسی در زاویه ۹۰ درجه نسبت به صفحه ۲ بعدی حرکت الکترون ها اعمال می شود، رفتار الکترون ها و شارش آن ها را تغییر می دهد. با کاهش دما و تغییر ولتاژ در آن محیط می توان تغییرات بیشتری در رفتار الکترون ها ایجاد کرد.

نکته مهم آنجاست که هرچه ولتاژ و شدت میدان مغناطیسی بیشتر شود، نقش مکانیک کوانتومی در تعیین رفتار الکترون ها اهمیت بیشتری پیدا می کند. میدان مغناطیسی، نیرویی عمود بر جهت حرکت الکترون ها ایجاد می کند -نیروی لورنتز- که جداسازی الکترون ها را به همراه دارد؛ اما در شرایط دمایی نزدیک به صفر کلوین (حدود ۲۷۳ درجه سانتی گراد زیر صفر) و تحت میدان های مغناطیسی فوق العاده شدید، اثراتی کوانتومی پدیدار می شوند که سبب می شوند ولتاژ نه به طور پیوسته که با الگویی گسسته و پله پله (کوانتومی) افزایش پیدا کند.

پژوهشگران چه کرده اند؟

پژوهشگران اروپایی در آزمایش خود، اتم ها را تا نزدیکی صفر مطلق (۲۷۳- درجه سانتی گراد) سرد کردند و سپس، آن ها را درون شبکه ای ۲ بعدی قرار دادند که با استفاده از لیزر ایجاد شده بود. با استفاده از پرتو لیزر سوم، پژوهشگران اتم ها را برانگیختند و آن ها را مجبور به حرکت کردند.

پژوهشگران آمریکایی اما از روش دیگری استفاده کردند. آن ها پرتو لیزر را درون قطعه ای شیشه ای تاباندند تا اثر مشابه تأثیر میدان الکتریکی بر ذرات باردار را شبیه سازی کنند.

مایکل لوهسه (Michael Lohse) فیزیک دان دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان در آلمان و یکی از اعضای تیم اروپایی می گوید: «فکر می کنم که این دو آزمایش به شکل زیبایی یکدیگر را تکمیل کرده اند».

مکانیک کوانتومی و توپولوژی

اثر هال کوانتمی را می توان به شکل پدیده ای توپولوژیک توصیف کرد. توپولوژی، شاخه ای نسبتا نوین از ریاضیات است و به توصیف رویه سطحی اجسام و ویژگی هایی می پردازد که وقتی آن ها را تحت کشش قرار می دهیم، می پیچانیم یا شکلشان را عوض می کنیم، تغییر نمی کنند. اجسام توپولوژیک می توانند یک حفره داشته باشند، یا دو حفره، یا سه حفره یا ...، اما تعداد حفره ها همیشه عددی صحیح (غیر کسری) است.

دستاوردی بزرگ تر از کشف بوزون هیگز و امواج گرانشی: عکس برداری از بعد چهارم (4D)

توضیح عکس: بطری کلاین، رویه داخلی و خارجی ندارد و با ترکیب n نمونه از آن ها می توان بطریی جدیدی با n حفره ایجاد کرد. بطری کلاین یکی از زیباترین موجودات توپولوژیک به شمار می رود.

قوانین توپولوژیک در اثر هال کوانتومی نیز حاکمند و سبب می شوند الکترون ها فقط بتوانند در مسیرهایی حرکت کنند که از نظر توپولوژیک خوش تعریف باشند. نزدیک به ۲۰ سال پیش، گروهی از پژوهشگران به شکل نظری نشان دادند که اثرات توپولوژیک قابل مقایسه ای می بایست در ابعاد فضایی چهارتایی نیز اتفاق بیفتد.

«اودد زیلبربرگ» (Oded Zilberberg)، استاد انستیتو فیزیک نظری می گوید: «در آن زمان، این پیشنهاد را ایده ای علمی تخیلی می پنداشتند؛ اما امروز در آزمایش هایمان توانسته ایم آن را ببینیم.»

کاربردهای عملی

این دستاورد به آن معنی است که فیزیک دانان می توانند به شکل عملی، پدیده هایی را که در بعد چهارم یا ابعاد بالاتر اتفاق می افتند، به شکل عملی در دنیای ۳ بعدی خودمان بررسی کنند. شبه بلورهای موجود در آلیاژهای فلزی، نمونه ای از این پژوهش هاست که در فضای ۳ بعدی، الگوهای منظمی را به نمایش می گذارند.

زیلبربرگ اما توجه ما را به این نکته جلب می کند: «نباید فراموش کرد که راهی طولانی در پیش است تا بتوانیم از این آزمایش های اولیه به کاربردهای مفید برسیم.»

منبع: اکسپرس

۵۴۵۴

   #پژوهش #ریاضیات #آلمان