دستاوردی بزرگ تر از كشف بوزون هیگز و امواج گرانشی: كشف شواهد وجود بعد چهارم (4D)
ثبت آسان دستاوردی بزرگ تر از كشف بوزون هیگز و امواج گرانشی: كشف شواهد وجود بعد چهارم (4D)
به گزارش ثبت آسان به نقل از خبر آنلاین، از زمانی كه «آلبرت اینشتین» نظریه نسبیت خاص خویش را در سال ۱۹۰۵ (۱۲۸۴) عرضه كرد، مردم و دانشمندان «زمان» را بعنوان بعد چهارم در نظر می گرفته اند؛ اما اكنون دو گروه پژوهشی در ایالات متحده و اروپا توانسته اند به شواهدی از وجود چهارمین بعد فضایی دست یابند. میكائیل رشتسمن (Mikael Rechtsman)، فیزیك 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 كه ادراك می كنیم) به فیزیك ۴ بعدی هال كوانتومی (quantum Hall effect) دسترسی پیدا كنیم؛ زیرا ابعاد بالاتر به نحوی در این ساختار پیچیده رمزگذاری شده اند. » رشتسمن ادامه می دهد: «شاید بتوانیم با ادامه این تحقیقات به فیزیك ابعاد بالاتر دست یابیم و بر مبنای آن، ابزارهایی را طراحی نماییم كه در ابعاد پایین تر از فیزیك ابعاد بالاتر بهره ببرند». برای آن كه به شهود بهتری از آزمایش پژوهشگران دست پیدا كنید، به این نكته توجه كنید: اجسام ۳ بعدی سایه های ۲ بعدی تولید می كنند؛ ازاین رو می توان انتظار داشت كه اجرام ۴ بعدی سایه های ۳ بعدی تولید كنند. به این روش حتی اگر جسم ۴ بعدی ادراك ناپذیر باشد، می توان از روی سایه اش به وجود آن پی برد. اثر هال كوانتومی چیست؟ پژوهشگران برای یافتن بعد چهارم، آزمایش های دوبعدی حیرت انگیزی بر مبنای پدیده هال كوانتومی ترتیب دادند. پدیده هال كوانتومی حركت الكترون ها را محدود می كند و به پژوهشگران امكان می دهد تا این ذرات را بسنجند و بررسی كنند. تابحال سه جایزه نوبل فیزیك برای پژوهش های نظری و عملی در مورد پدیده هال كوانتومی اهدا شده است كه آخرین آن ها، جایزه نوبل فیزیك سال ۲۰۱۶ (۱۳۹۵) بود. برندگان نوبل فیزیك سال قبل با استفاده از مدلهای توپولوژیك توانستند خصوصیت های این پدیده را به خوبی توصیف كنند. اثر هال كوانتومی معمولا در مرز بین دو ماده اتفاق می افتد، جایی كه الكترون ها می توانند فقط در ۲بعد حركت كنند. وقتی میدان مغناطیسی در زاویه ۹۰ درجه نسبت به صفحه ۲ بعدی حركت الكترون ها اعمال می شود، رفتار الكترون ها و شارش آن ها را تغییر می دهد. با كاهش دما و تغییر ولتاژ در آن محیط می توان تغییرات بیشتری در رفتار الكترون ها تولید كرد. نكته مهم آنجاست كه هرچه ولتاژ و شدت میدان مغناطیسی بیشتر شود، نقش مكانیك كوانتومی در تعیین رفتار الكترون ها اهمیت بیشتری پیدا می كند. میدان مغناطیسی، نیرویی عمود بر جهت حركت الكترون ها بوجود می آورد -نیروی لورنتز- كه جداسازی الكترون ها را به همراه دارد؛ اما در شرایط دمایی نزدیك به صفر كلوین (حدود ۲۷۳ درجه سانتی گراد زیر صفر) و تحت میدان های مغناطیسی فوق العاده شدید، اثراتی كوانتومی پدیدار می شوند كه سبب می شوند ولتاژ نه به صورت پیوسته كه با الگویی گسسته و پله پله (كوانتومی) افزایش پیدا كند. پژوهشگران چه كرده اند؟ پژوهشگران اروپایی در آزمایش خود، اتم ها را تا نزدیكی صفر مطلق (۲۷۳- درجه سانتی گراد) سرد كردند و سپس، آن ها را درون شبكه ای ۲ بعدی قرار دادند كه با استفاده از لیزر بوجود آمده بود. با استفاده از پرتو لیزر سوم، پژوهشگران اتم ها را برانگیختند و آن ها را مجبور به حركت كردند. پژوهشگران آمریكایی اما از روش دیگری استفاده كردند. آن ها پرتو لیزر را درون قطعه ای شیشه ای تاباندند تا اثر مشابه تأثیر میدان الكتریكی بر ذرات آبستن را شبیه سازی كنند. مایكل لوهسه (Michael Lohse) فیزیك دان دانشگاه لودویگ-ماكسیمیلیان در آلمان و یكی از اعضای تیم اروپایی می گوید: «فكر می كنم كه این دو آزمایش به شكل زیبایی یكدیگر را تكمیل كرده اند». مكانیك كوانتومی و توپولوژی اثر هال كوانتمی را می توان به شكل پدیده ای توپولوژیك توصیف كرد. توپولوژی، شاخه ای نسبتا نوین از ریاضیات است و به توصیف رویه سطحی اجسام و خصوصیت هایی می پردازد كه وقتی آن ها را تحت كشش قرار می دهیم، می پیچانیم یا شكلشان را عوض می نماییم، تغییر نمی كنند. اجسام توپولوژیك می توانند یك حفره داشته باشند، یا دو حفره، یا سه حفره یا... ، اما تعداد حفره ها همیشه عددی صحیح (غیر كسری) است. توضیح عكس: بطری كلاین، رویه داخلی و خارجی ندارد و با تركیب n نمونه از آن ها می توان بطریی جدیدی با n حفره تولید كرد. بطری كلاین یكی از زیباترین موجودات توپولوژیك به حساب می آید. قوانین توپولوژیك در اثر هال كوانتومی هم حاكمند و سبب می شوند الكترون ها فقط بتوانند در مسیرهایی حركت كنند كه از نظر توپولوژیك خوش تعریف باشند. نزدیك به ۲۰ سال پیش، گروهی از پژوهشگران به شكل نظری نشان دادند كه اثرات توپولوژیك قابل مقایسه ای می بایست در ابعاد فضایی چهارتایی هم اتفاق بیفتد. «اودد زیلبربرگ» (Oded Zilberberg)، استاد انستیتو فیزیك 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. » كاربردهای عملی این دستاورد به آن مفهوم است كه فیزیك دانان می توانند به شكل عملی، پدیده هایی را كه در بعد چهارم یا ابعاد بالاتر اتفاق می افتند، به شكل عملی در دنیای ۳ بعدی خودمان بررسی كنند. شبه بلورهای موجود در آلیاژهای فلزی، نمونه ای از این پژوهش هاست كه در فضای ۳ بعدی، الگوهای منظمی را به نمایش می گذارند. زیلبربرگ اما توجه ما را به این نكته جلب می كند: «نباید فراموش كرد كه راهی طولانی در پیش است تا بتوانیم از این آزمایش های اولیه به كاربردهای مفید برسیم. » منبع: اكسپرس ۵۴۵۴
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد مطلب ثبت آسان