شادی ماده متراکم – شماره 97: معجزه


ایبه نظر می رسد کسی در مورد مشکلات فیزیک صحبت می کند: کتاب پیتر ویت حتی اشتباه هم نیست، توسط لی اسمولین مشکل فیزیک، و سابین هوزنفلدر در ریاضیات گم شده اید به ذهنشان پرید و آنها گفتگوی گسترده تری را آغاز کردند. اما آیا تمام فیزیک واقعاً دچار مشکل است یا فقط بخشی از آن است؟ اگر واقعاً این کتاب ها را بخوانید ، می بینید که این کتاب در مورد فیزیک به اصطلاح “بنیادی” است. بعضی از قسمتهای دیگر فیزیک به خوبی انجام می شود و من می خواهم یکی از آنها را برای شما بازگو کنم. این “فیزیک ماده متراکم” نام دارد و مطالعه جامدات و مایعات است. ما در عصر طلایی فیزیک ماده چگال زندگی می کنیم.

اما اول اینکه ، فیزیک “بنیادی” چیست؟ این یک اصطلاح پیچیده است. ممکن است فکر کنید که هر پیشرفت انقلابی در فیزیک اساسی محسوب می شود. اما در حقیقت ، فیزیکدانان این اصطلاح را به روشی دقیق تر و دقیق تر تعریف می کنند. یکی از اهداف فیزیک ، تدوین قوانینی است که حداقل در اصل می توانیم از آنها برای پیش بینی همه چیزهایی که می توان در مورد جهان فیزیکی پیش بینی کرد ، استفاده کنیم. جستجوی این قوانین فیزیک اساسی است.

فیزیک جدید بسیار گیج کننده ای هنوز ساخته شده است.

فونت خوب بسیار مهم است. اول: “در اصل”. در اصل ، ما می توانیم از فیزیک بنیادی که می دانیم برای محاسبه نقطه جوش آب با دقت زیادی استفاده کنیم – اما هنوز کسی این کار را انجام نداده است ، زیرا محاسبه دشوار است. دوم: “هر آنچه قابل پیش بینی است.” تا آنجا که می توانیم بگوییم ، مکانیک کوانتوم می گوید که یک اتفاق ذاتی در امور وجود دارد ، که برخی پیش بینی ها را انجام می دهد. غیرممکن، نه فقط عملی با اطمینان انجام می شود. و این همزمانی کوانتومی ذاتی گاهی با گذشت زمان توسط پدیده ای به نام هرج و مرج تقویت می شود. به همین دلیل ، حتی اگر اکنون همه چیز را در مورد جهان می دانستیم ، دقیقاً نمی توانستیم هوا را در یک سال پیش بینی کنیم. بنابراین ، حتی اگر فیزیک بنیادی کاملاً موفق شده باشد ، پاسخ دادن به همه س questionsالات ما در مورد دنیای فیزیک بسیار دور است. اما با این وجود این مهم است ، زیرا چارچوب اساسی را در اختیار ما قرار می دهد که می توانیم در آن پاسخ دهیم.

آدر حال حاضر ، تحقیقات در فیزیک بنیادی مدل استاندارد (که سعی در توصیف ماده و همه نیروها دارد) را به ما ارائه داده است بجز گرانش) و یک نظریه عمومی نسبیت (که گرانش را توصیف می کند). این نظریه ها فوق العاده موفق هستند ، اما می دانیم که حرف آخر نیستند. س bigالات بزرگ بی پاسخ می مانند – مانند ماهیت ماده تاریک یا هر چیز دیگری که باعث می شود فکر کنیم ماده تاریکی وجود دارد. متأسفانه ، پیشرفت در این موضوعات از دهه 1990 بسیار کند بوده است. خوشبختانه ، فیزیک بنیادی همه فیزیک نیست و امروزه دیگر هیجان انگیزترین قسمت فیزیک نیست. فیزیک جدید بسیار گیج کننده ای هنوز ساخته شده است. و بسیاری از آنها – گرچه به هیچ وجه همه نیستند – فیزیک ماده متراکم هستند.

به طور سنتی ، کار فیزیک مواد تغلیظ شده پیش بینی خصوصیات جامدات و مایعات موجود در طبیعت بوده است. بعضی اوقات این ممکن است بسیار دشوار باشد: به عنوان مثال ، محاسبه نقطه جوش آب. اما اکنون ما به اندازه کافی فیزیک بنیادی برای طراحی مواد جدید عجیب و غریب – و در واقع – می دانیم انجام دادن این مواد را مورد بررسی قرار داده و خواص آنها را به طور آزمایشی کشف کرده و نظریه های ما را در مورد چگونگی عملکرد آنها آزمایش کنید. حتی بهتر ، این آزمایشات را اغلب می توان در بالای میز انجام داد. در اینجا نیازی به شتاب دهنده های ذرات عظیم نیست.

Sapolsky_TH-F1

بیایید به یک مثال نگاه کنیم. ما با “سوراخ” متوسط ​​شروع خواهیم کرد. کریستال مجموعه ای منظم از اتم ها است که هر کدام از آنها دارای الکترون هایی در مدار آن هستند. وقتی یکی از این الکترون ها به طریقی از بین می رود ، یک “سوراخ” پیدا می کنیم: اتمی با الکترون گمشده. و این سوراخ در واقع می تواند مانند یک ذره حرکت کند! وقتی یک الکترون از یک اتم همسایه حرکت می کند تا یک سوراخ را پر کند ، سوراخ به سمت اتم همسایه حرکت می کند. تعدادی از مردم را تصور کنید که همه آنها کلاه دارند ، به غیر از شخصی که سر آن برهنه است: اگر همسایه آنها به آنها کلاه بدهد ، سر برهنه به سمت همسایه حرکت می کند. اگر این اتفاق ادامه یابد ، سر برهنه در امتداد صفوف مردم حرکت می کند. کمبود چیزی می تواند مانند چیزی عمل کند!

پاول دیراک ، فیزیکدان مشهور ، در سال 1930 ایده حفره ها را مطرح کرد. او به درستی پیش بینی کرد که چون الکترونها دارای بار الکتریکی منفی هستند ، سوراخ ها باید دارای بار مثبت باشند. دیراک روی فیزیک بنیادی کار می کرد: او امیدوار بود که بتوان پروتون را به عنوان یک سوراخ توضیح داد. این غیر واقعی بود. بعداً فیزیکدانان ذره دیگری را کشف کردند که می تواند پوزیترون باشد. این درست مثل یک الکترون شارژ مجدد است. و بدین ترتیب پادماده متولد شد – دوقلوی شیطانی ماده معمولی ، با همان جرم ، اما با بار معکوس. (اما این داستان دیگری است.)

ما اکنون در عصر “ماده طراحی” زندگی می کنیم.

در سال 1931 ، ورنر هایزنبرگ ایده حفره هایی را در فیزیک ماده تغلیظ شده اعمال کرد. او دریافت که همانطور که الکترون ها هنگام حرکت ، الکتریسیته ایجاد می کنند ، حفره ها نیز چنین می شوند – اما چون بار مثبت دارند ، جریان الکتریکی آنها به جهت دیگری می رود! روشن شده است که این حفره ها در برخی از مواد موسوم به “نیمه رساناها” برق حمل می کنند: به عنوان مثال سیلیکون با کمی آلومینیوم اضافه شده. پس از پیشرفتهای بیشتر ، در سال 1948 ، ویلیام شوکلی ، فیزیکدان ، ترانزیستورهایی را ثبت کرد که از هر دو سوراخ و الکترون برای تشکیل نوعی سوئیچ استفاده می کردند. او بعداً برای این جایزه نوبل را از آن خود کرد و اکنون از آنها به طور گسترده در تراشه های رایانه ای استفاده می شود.

سوراخ های نیمه هادی در واقع از نظر فیزیک بنیادی ذرات نیستند. آنها فقط یک روش مناسب برای فکر کردن در مورد حرکت الکترون ها هستند. اما هر انتزاع به اندازه کافی راحت زندگی خود را دارد. معادلاتی که رفتار سوراخ ها را توصیف می کنند دقیقاً مانند معادلاتی هستند که رفتار ذرات را توصیف می کنند. بنابراین ، ما می توانیم سوراخ ها را درمان کنیم مثل اینکه آنها ذرات هستند ما قبلاً دیدیم که سوراخ دارای بار مثبت است. اما از آنجا که برای جابجایی یک حفره انرژی لازم است ، حفره نیز مانند جرم عمل می کند. و غیره: خصوصیاتی که معمولاً به ذرات نسبت می دهیم برای سوراخ ها نیز معنی دارد.

فیزیکدانان برای چیزهایی که به عنوان ذره عمل می کنند نامی دارند ، گرچه “ذرات شبه” نیستند. گونه های زیادی وجود دارد. حفره ها فقط ساده ترین سوراخ ها هستند. زیبایی شبه ذرات این است که در عمل می توانیم آنها را به ترتیب با خواص بسیار متنوع ، سفارش دهیم. همانطور که مایکل نیلسن ، فیزیکدان کوانتوم بیان کرد ، ما اکنون در دوره “ماده طراحی” زندگی می کنیم.

به عنوان مثال ، “اکسیتون” را در نظر بگیرید. از آنجایی که الکترون بار منفی دارد و سوراخ بار مثبت دارد ، آنها جذب یکدیگر می شوند. و اگر سوراخ بسیار سنگین تر از الکترون است – به یاد داشته باشید ، این سوراخ جرم دارد – یک الکترون می تواند به عنوان یک الکترون در مدار خود یک حفره به دور یک پروتون در یک اتم هیدروژن قرار گیرد. به این ترتیب آنها نوعی اتم مصنوعی به نام اکسیتون تشکیل می دهند. این یک رقص شبح مانند حضور و غیاب است!

جذب مخالفان: به این ترتیب است که یک اکسیتون ، با یک “سوراخ” دارای بار مثبت و یک الکترون به هم متصل می شود ، در داخل یک شبکه بلوری حرکت می کند.ویکیپدیا

ایده اکسیتون ها به سال 1931 برمی گردد. تاکنون می توانیم اکسیتون ها را به مقدار زیاد در برخی از نیمه هادی ها و مواد دیگر بسازیم. دوام زیادی ندارند: الکترون به سرعت درون سوراخ قرار می گیرد. این کار اغلب کمتر از یک میلیاردم ثانیه طول می کشد. اما وقت کافی برای انجام کارهای جالب است. همانطور که دو اتم هیدروژن می توانند بهم بچسبند و یک مولکول تشکیل دهند ، دو اکسیتون نیز می توانند به هم بچسبند و یک بی اکسیتون ایجاد کنند. اکسیتون می تواند به سوراخ دیگری بچسبد و “اره” تشکیل دهد. اکسیتون حتی می تواند به a فوتون“ذرات نور” و چیزی به نام “پلاریتون” را تشکیل می دهد. این ترکیبی از ماده و نور است!

آیا می توانید از اتم های مصنوعی گاز تولید کنید؟ آره! در تراکم کم و دمای بالا ، اکسیتون ها مانند اتمهای موجود در گاز بسته می شوند. آیا می توانید مایعی درست کنید؟ دوباره ، بله: در تراکم بالاتر و دمای پایین ، اکسیتون ها به اندازه کافی با یکدیگر برخورد می کنند تا به عنوان یک مایع عمل کنند. در دماهای حتی پایین تر ، اکسیتون ها حتی می توانند یک “فوق مایع” با ویسکوزیته تقریباً صفر تشکیل دهند: اگر به نوعی موفق به چرخش آن شوید ، تقریباً برای همیشه دوام خواهد داشت.

این فقط طعم کوچکی از آنچه محققان این روزها در فیزیک مواد تغلیظ شده انجام می دهند ، است. آنها علاوه بر اکسیتون ها ، چهار ذره دیگر را نیز مطالعه می کنند. “phonon” چهار ذره صوتی است که در اثر ارتعاشاتی که از طریق یک بلور حرکت می کنند ، تشکیل می شود. “مگنون” شبه ذره ای از مغناطش است: یک حرکت الکترونی در یک بلور که چرخش های آن معکوس شده است. این لیست همچنان ادامه دارد و ادامه دارد.

اما در این زمینه چیزهای فراتر از شبه ذره وجود دارد. اکنون فیزیکدانان می توانند موادی را ایجاد کنند که سرعت نور در آنها بسیار کندتر از حد معمول باشد ، مثلاً 40 مایل در ساعت. آنها حتی می توانند به جای سه بعد معمول فضا و یک زمان ، موادی را ایجاد کنند که در آنها نور مانند دو بعد فضایی و دو بعد زمانی حرکت کند! ما معمولاً فکر می کنیم که زمان فقط می تواند در یک جهت جلو برود ، اما در این مواد نور بین جهات مختلف انتخاب دارد ، می تواند به موقع جلو برود. از طرف دیگر ، حرکت آن در فضا محدود به یک هواپیما است.

به طور خلاصه ، احتمالات ماده متراکم فقط توسط تخیل ما و قوانین اساسی فیزیک محدود می شود.

آدر این مرحله ، معمولاً یک فرد بدبین ظاهر می شود و تعجب می کند که آیا این موارد مفید هستند؟ در واقع ، برخی از این مواد جدید احتمالاً وجود خواهد داشت مفید. در حقیقت ، بسیاری از فیزیک های ماده چگال ، هرچند از جذابیت کمتر از آنچه که من توضیح دادم ، در حال توسعه هستند تا تراشه های پیشرفته رایانه ای – و همچنین فن آوری هایی مانند فوتونیک ، که به جای الکترون از نور استفاده می کنند ، تولید می شوند. میوه های فوتونیک در همه جا وجود دارند – این فناوری مدرن مانند تلویزیون های صفحه تخت را اشباع می کند ، اما فیزیکدانان اکنون به دنبال برنامه های رادیکال تر مانند رایانه هایی هستند که با استفاده از نور اطلاعات را پردازش می کنند.

سپس یک شکاک دیگر معمولاً ظاهر می شود و می پرسد که آیا فیزیک ماده چگال “فقط مهندسی” است؟ البته فرضیه اصلی این سوال توهین آمیز است: مهندسی هیچ مشکلی ندارد! تلاش برای ساختن چیزهای مفید نه تنها به خودی خود مهم است ، بلکه راهی عالی برای طرح سوالات عمیق جدید در مورد فیزیک است. به عنوان مثال ، کل زمینه ترمودینامیک و ایده آنتروپی تا حدی ناشی از تلاش برای ساخت موتورهای بخار بهتر بود. اما فیزیک ماده متراکم فقط مهندسی نیست. بیشتر آن مطالعه آسمان آبی درباره امکانات ماده است که در اینجا در مورد آنها صحبت کردم.

امروزه ، رشته فیزیک ماده تغلیظ شده به اندازه مطالعه ذرات بنیادی یا سیاهچاله ها پر از بینش جدید و ارزشمند است. و برخلاف فیزیک بنیادی ، پیشرفت در فیزیک ماده چگال سریع است – بخشی به این دلیل که آزمایش ها نسبتاً ارزان و آسان هستند ، و بخشی نیز به این دلیل که قلمرو جدیدتری برای مطالعه وجود دارد.

بنابراین وقتی می بینید کسی از مشکلات فیزیک بنیادی شکایت دارد ، او را جدی بگیرید – اما اجازه ندهید این مسئله شما را پایین بیاورد. فقط یک مقاله خوب در مورد فیزیک ماده تغلیظ شده پیدا کنید و این را بخوانید. بلافاصله لذت خواهید برد

جان بائز استاد ریاضیات در دانشگاه کالیفرنیا ، ریورساید ، و محقق مدعو در مرکز فناوری کوانتوم سنگاپور است. وی در مورد ریاضیات ، علوم و مسائل زیست محیطی در آزیموت وبلاگ می نویسد.

سرب: استف سیمونز ، علوم ریاضی و فیزیکی UCL / فلیکر




منبع: khabar-shoma.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*