This diagram illustrates the reflection of ultra cold rubidium atoms from a double potential barrier in one dimension. The vertical axis represents position, and the horizontal axis represents time. The two potential barriers are located where the interference fringes appear.

این احتمال اندک وجود دارد که ذرات از میان موانع نفوذ ناپذیر «تونل» بزنند یا یک جهش کوانتومی انجام بدهند.

این یکی از حیرت آورترین پیشگویی های تئوری کوانتوم است. در سطح اتمی این پیش بینی چیزی از یکموفقیت فوق العــاده، کم نداشته است. «تونل زنی» یا جهش های کوانتومی از زوی موانع، از تمامی امتحانات تجربی صورت گرفته سر بلند بیرون آمده است. در واقع حال دیگر، دنیای بدون تونل زنی قابل تصور نیست.

Quantum chromodynamics theory (QCD) describes the interactions between quarks in high energy physics. QCD was constructed on analogy to quantum electrodynamics (QED), the quantum theory of the electromagnetic force. In QED, the electromagnetic interactions of charged particles are described through the emission and subsequent absorption of massless photons. by analogy with QED, quantum chromodynamics has been built upon the concept that quarks interact via the strong force because they carry a form of "strong charge," which has been given the name of color; other particles, such as the electron, which do not carry the color charge, do not interact in this way.

بازدید کننده ی گـرامی: برای مشـاهده متن کامل مقاله فوق می توانید بر روی ادامه مطالب کلیک کنید .... با تشکر از شمــا

Whilst science fiction toys effortlessly with anti-matter, in reality it can be very hard to produce, so researchers around the world are celebrating a new break through in this area. For the first time, scientists using the BaBar experiment at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) have observed the transition of one type of particle, the neutral D-meson, into its antimatter particle - a process known as 'mixing'. The new observation will be used as a test of the Standard Model, the current theory that best describes the entire universe's luminous matter and its associated forces.

UK BaBar spokesman, Fergus Wilson of the Rutherford Appleton Lab said 'D-meson mixing was first predicted over three decades ago but it is such an elusive phenomenon that it has taken until today to see it. The observation of D-meson mixing is yet another outstanding achievement for the BaBar experiment. The BaBar collaboration continues to make ground-breaking measurements that challenge our understanding of how elementary particles behave.'

'Achieving the large number of collisions needed to observe D-meson mixing is a testament to the tremendous capabilities of the laboratory's accelerator team,' said SLAC Director Jonathan Dorfan. 'The discovery of this long-sought-after process is yet another step along the way to a better understanding of the Standard Model and the physics beyond.'

The PEP-II accelerator complex at SLAC, also known as the B Factory, allows the BaBar collaboration to study not only B-mesons but also several other types of particles including the D-meson. Mesons, of which there are about 140 types, are made up of fundamental particles called quarks, which can be produced when particles collide at high energy. A flurry of particles in a variety of combinations is produced when electrons and positrons smash together at high energy in the PEP-II collider facility. One of the most elusive results of this flurry is the transformation of one particle into its anti-particle in a process physicists call 'mixing'. Neutral K-mesons, observed more than 50 years ago, were the first elementary particles to demonstrate this phenomenon. About 20 years ago, scientists observed mixing with the B-meson. Now, for the first time, the BaBar experimenters have seen the D-meson transform into its anti-particle, and vice versa.

Silicon Vertex Tracker.

The SVT is the heart of the BABAR experiment at SLAC-in the photo,

physicists are putting the finishing touches on improvements to the detector.

'This is a very exciting moment for us, having found the missing puzzle piece for particle-antiparticle mixing,' said BaBar Spokesman Hassan Jawahery, a physics professor at the University of Maryland.

D-meson mixing is remarkably rare. Of the BaBar experiment's several billion recorded collisions, this study focuses on about a million events containing a D-meson decay that are candidates for this effect. The experimenters found about 500 events in which a D-meson had changed into an anti-D-meson before decaying.

By observing the rare process of D-meson mixing, BaBar collaborators can test the intricacies of the Standard Model. To switch from matter to antimatter, the D-meson must interact with 'virtual particles,' which through quantum fluctuations pop into existence for a brief moment before disappearing again. Their momentary existence is enough to spark the D-meson's transformation into an anti-D-meson. Although the BaBar detector cannot directly see these virtual particles, researchers can identify their effect by measuring the frequency of the D-meson to anti-D-meson transformation. Knowing that quantity will help determine whether the Standard Model is sufficient or whether it must be expanded to incorporate new physics processes.

'It's too soon to know if the Standard Model is capable of fully accounting for this effect, or if new physics is required to explain the observation,' said Jawahery. 'But in the coming weeks and months we are likely to see an abundance of new theoretical work to interpret what we've observed.'

Some 600 scientists and engineers from 77 institutions in Canada, France, Germany, Italy, the Netherlands, Norway, Russia, Spain, the United Kingdom and the United States work on BaBar. SLAC is funded by the US Department of Energy's Office of Science. UK involvement is funded by PPARC.

جان ویلر و همکارانش نظریه " کف کوانتومی " را ارائه کردند. ویلر و دیگران چنین تصور کردند که فضا – زمـان در کوچکترین مقیاس ، به چیزی تجزیه میشود که برای داشتن تصویری بهتر ، میتوان آنرا به کفی پر از حباب تشبیه کرد. در واقع این مقیاس ؛ کوچکترین بخش زمـان و باریکترین قطعه قابل تصور فضاست. اگر بتوانید یک ثانیه را دو نیم کرده یکی را نگه داشته و دیگری را دور بیندازید و این فرآیند را 150 بار تکرار کنید، به کوچکترین لخظه زمان که فیزیکدانان درباره ی آن صحبت می کنند می رسید. این لحظه زمانی را کرونن می نامند. به علاوه ، اگر همین عمل را با یک سانتی متر انجام دهید و عمل تقسیک کردن را تا 110 بار تکرا کنید به کوچکترین قطعه فضا که مورد نظر فیزیکدانان است ، دست خواهید یافت. برخی فیزیکدانان معتقدند ، در چنین مقیاس کوچکی ، فیزیک کوانتومی و نظریه نسیبت عام اینشتین که گرانش را هم در بر دارد ، با هم آمیخته شده حفره های سیاه کوانتومی را تشکیل می دهند. این حفره های ، حباب پیوسته ای را در فضا- زمان تشکیل می دهند که خود به خود شکل می گیرد. در چنین مقیاس کوچکی ، اصل عدم قطعیت که از جایگزیدگی ماده ، جلوگیری می کند با میدانهای بسیار قوی گرانشی موجود در این فواصل به مقابله می پردازد. نتیجه این تقابل چیست ؟ تشکیل همـان کف کوانتومی و حتی شاید تمـامی جهان.

برگرفته از کتاب : متا فیزیک از نگاه فیزیک

نویسنده : فرد آلن ولف – باب توبن

In almost every science fiction movie ever made, you are bound to hear about antimatter –– matter-antimatter propulsion drives, whole galaxies made of antimatter, and so on. Antimatter has been used in science fiction so much that some of us are not even sure if it is real or just imaginary. Here's a hint: antimatter is real and it was discovered a long time ago.

It all started with Paul Dirac, a British physicist, who in 1930 devised the first relativistic theory of the electron. Quantum mechanics had been worked out a couple of years earlier (by Dirac and by Heisenberg, independently), but Dirac’s 1930 theory contained math that exactly modeled electron behavior, both from the quantum mechanical and from the relativistic point of view (electrons moving at close to light speeds). His theory also predicted the existence of an anti-electron; a particle just like an electron, with the same mass but opposite charge (i.e. positive) and opposite magnetic momentum. If you fire such a particle into a magnetic field which is perpendicular to the particle’s trajectory, its path would curve opposite to that of an electron.

In 1932, Carl Anderson, a US physicist, while examining tracks of particles produced by cosmic rays, noticed one track whose curvature was identical to that of an electron but was flipped. Instead of curving to the right, it curved to the left. He named this positively charged electron a positron, the first antimatter particle discovered. Many anti-particles have been discovered since. The anti-proton was discovered in 1955 by E. Segre and his coworkers at the Lawrence Berkeley Laboratory using a high-energy particle accelerator. Most other anti-particles have been discovered at particle accelerators under carefully designed conditions. Many experimental groups have also reported constructing bigger entities than just anti-particles. In fact, whole anti-nuclei have been constructed, for example anti-hydrogen nuclei and an isotope of anti-helium.

Every time you switch on a light bulb, 10 to the power of 15 (a million times a billion) visible photons, the elementary particles of light, are illuminating the room in every second. If that is too many for you, light a candle. If that is still too many, and say, you just want one and not more than one photon every time you press the button, you will have to work a little harder. A team of physicists in the group of Professor Gerhard Rempe at the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching near Munich, Germany, have now built a single-photon server based on a single trapped neutral atom. The high quality of the single photons and their ready availability are important for future quantum information processing experiments with single photons. In the relatively new field of quantum information processing the goal is to make use of quantum mechanics to compute certain tasks much more efficiently than with a classical computer. (Nature Physics online, March 11th, 2007)
 

A single atom trapped in a cavity generates a

single photon after being triggered by a laser pulse.

After the source is characterised, the subsequent

photons can be distributed to a user

A single atom, by its nature, can only emit one photon at a time. A single photon can be generated at will by applying a laser pulse to a trapped atom. By putting a single atom between two highly reflective mirrors, a so called cavity, all of these photons are sent in the same direction. Compared with other methods of single-photon generation the photons are of a very high quality, i.e. their energy varies very little, and the properties of the photons can be controlled. They can for instance be made indistinguishable, a property necessary for quantum computation. On the other hand, up to now, it was not possible to trap a neutral atom in a cavity and at the same time generate single photons for a sufficiently long time to make practical usage of the photons.

In 2005 the team around Prof. Rempe was able to increase the trapping times of single atoms in a cavity significantly by using three dimensional cavity cooling. In the present article they report on results where they have been able to combine this cavity cooling with the generation of single photons in a way that a single atom can generate up to 300,000 photons. In their current system the time the atom is available is much longer than the time needed to cool and trap the atom. Because the system can therefore run with a large duty cycle, distribution of the photons to a user has become possible: The system operates as a single-photon server.

The experiment uses a magneto-optical trap to prepare ultracold Rubidium atoms inside a vacuum chamber. These atoms are then trapped inside the cavity in the dipole potential of a focused laser beam. By applying a sequence of laser pulses from the side, a stream of single photons is emitted from the cavity. Between each emission of a single photon the atom is cooled, preventing it from leaving the trap. To show that not more than one photon was produced per pulse, the photon stream was directed onto a beam splitter, which directed 50% of the photons to a detector, and the other 50% to a second detector. A single photon will be detected either by detector 1 or by detector 2. If detections of both detectors coincide, more than one photon must have been present in the pulse. It is thus the absence of these coincidences that proves that one and not more than one photon is produced at the same time, which is demonstrated convincingly in the work presented.

With the progress reported now, quantum information processing with photons has come one step closer. With the single-photon server operating, Gerhard Rempe and his team are now ready to take on the next challenges such as deterministic atom-photon and atom-atom entanglement experiments.

An electron in an atom could jump up from one fixed orbit to an orbit of higher energy, but only if it absorbed energy precisely equal to the difference of energy between the orbits. Likewise, an electron could jump down to an open lower-energy orbit by giving off energy precisely equal to the energy drop. These two events are the origins of the so-called absorption and emission spectra of the elements--their characteristic colors.

The quantum behavior of electrons in atoms contradicted not only the "classical" mechanics of Sir Isaac Newton, but also the classical electromagnetic theory, which was developed in the nineteenth century and was spectacularly successful for describing light and radio waves. Even worse, while an electron orbited in a quantum energy state, it did not radiate away its energy as the electromagnetic theory required. Instead, as Bohr postulated but could not explain, each quantum orbit could be considered a "stationary state," with energy losses or gains occurring only when the electrons jumped between the stationary states.

In 1916, Sommerfeld enhanced the Bohr theory of the atom by introducing non-circular orbits, by allowing quantized orientations of the orbits in space, and by taking into account the relativistic variation in the mass of the electron as it orbited the nucleus at high speed.

The Bohr-Sommerfeld quantum theory of the atom proved remarkably successful for the simplest case, a hydrogen atom (one electron orbiting a nucleus). Difficulties began to arise, however, for more complicated atoms in the early 1920s.

اصل عدم قطعيت هايزنبرگ ديدگاه ما را نسبت به رويدادهاي آينده و نحوه پيش گويي رويدادها از طريق قوانين علمي به كلي دگر گون ساخت. اين مطلب در دهه بيست، هايزنبرگ‏، اروين شرودينگر و پل ديراك را بر آن داشت تا مكانيك را بازسازي نمايند. آنها براساس اصل عدم قطعيت، نظريه جديدي بنام مکانيک کوانتومي تدوين نمودند.

در اين نظريه، ذرات داراي وضعيت و سرعت مجزا و در عين حال مشاهده ناپذير نيستند. بلکه آنها داراي حالت کوانتومي اند که ترکيبي از وضعيت و سرعت مي باشد.
به طور کلي مکانيک کوانتومي، براي يک مشاهده، نتيجه اي واحد را پيش بيني نمي کند. بلکه مجموعه اي از احتمالات را مطرح مي سازد و درجه احتمال هريک را مشخص مي کند. اين بدين معني است که اگر سيستمهاي مشابه بسياري را در شرايط مساوي اندازه گيري کنيم، در مي يابيم که تعداد معيني سيستم در حالت A و تعدادي ديگر در حالت B و... قرار دارند. اما براي يک سيستم منفرد هيچگاه نمي توان گفت که اين سيستم پس از اندازه گيري در کدام حالت قرار خواهد گرفت. مکانيک کوانتومي به اين ترتيب عنصر پيش بيني ناپذيري يا تصادف و احتمال را وارد علم مي کند. انشتين برغم نقش مهمي که در تدوين مکانيک کوانتومي داشت قويا به اين امر اعتراض داشت. او به خاطر آزمايش فوتوالکتريک که يکي از پايه هاي شکل گيري مکانيک کوانتومي به حساب مي آيد، جايزه نوبل دريافت کرد اما با اين همه هرگز نپذيرفت که جهان بر حسب تصادف اداره مي شود. اين جمله معروف او احساساتش را به خوبي بيان مي کند: « خداوند در اداره جهان تاس نمي ريزد.»
 در اينجا به يکي از پارادوکسهاي مطرح شده توسط شرودينگر اشاره مي کنيم.
 فرض کنيد گربه اي در جعبه اي در بسته زنداني است. در اين جعبه يک شيشه گاز سيانور، يک چکش، يک سنسور راديو اکتيو و يک منبع راديو اکتيو نيز وجود دارد. همانطور که مي دانيد ذرات راديو اکتيو بصورت نامنظم تابش مي کنند و به همين دليل براي آنها نيمه عمر در نظر مي گيرند. حال فرض کنيد سنسور و چکش طوري تنظيم شده باشند که در صورت تابش موج راديو اکتيو بين ساعت 12 و 12:01، چکش شيشه حاوي گاز را شکسته و گربه بميرد. اگر شما در ساعت 12:30 درب جعبه را باز کنيد چه خواهيد ديد؟ اگر از طريق فرمول نيمه عمر منبع، احتمال تابش بين ساعت 12 و 12:01 را 90% پيش بيني کنيد. گربه داخل جعبه در هنگام برداشن درب جعبه 90% مرده است و 10% زنده است. اما وقتي درب جعبه را بر مي داريد خواهيد ديد که گربه يا مرده و يا زنده است. نمي توان گفت 90% سلولهاي بدن گربه مرده اند و 10% آنها زنده اند. در فاصله يک لحظه، احتمال به يقين تبديل خواهد شد. اين امر کاملا متضاد با مکانيک کوانتومي مي باشد. همانطور که گفتيم هيچگاه نمي توان موقعيت يک سيستم را به دقت اندازه گيري نمود. اما در اين مثال کاملا اين امر ممکن شده است.
 اين گونه پارادوکسها در مکانيک کوانتومي بسيار زياد است. اما با اين همه مکانيک کوانتومي در پيش بيني نتايج بسياري از آزمايشها به طور درخشاني موفق بوده است و زمينه تقريبا تمامي علم و فن نوين است. بر رفتار ترانزيستورها و مدارهاي مجتمع که جزء اساسي وسائلي نظير تلوزيون و کامپيوترند، فرمان مي راند و نيز بنياد شيمي و زيست شناسي نوين مي باشد.
 تنها مسائل فيزيکي که مکانيک کوانتومي هنوز موفق به يکپارچگي و وحدت آنها نشده است، عبارنتد از: گرانش و ساختمان کلان جهان.

تهيه و گرد آوري مقاله : امير مولايي

در اوايل قرن نوزدهم ، موفقيت نظريه هاي علمي ، مارکي دو لاپلاس را متقاعد ساخته بود که جهان به طور دربست از جبر علمي پيروي مي کند. وي معتقد بود اگر وضعيت جهان در لحضه اي معين از زمان کاملا معلوم باشد ، مي توان وضعيت آن را در زمانهاي بعدي نيز به راحتي با قوانين علمي پيش بيني نمود.  به طور مثال اگر وضعيت خورشيد و ساير سيارات منظومه شمسي را در زماني معين داشته باشيم مي توانيم وضعيت منظومه شمسي را در هر زمان دلخواه توسط قوانين گرانش نيوتون پيش بيني کنيم. اين مسئله در مکانيک کلاسيک کاملا بديهي به نظر مي رسد و مي توان آن را به راحتي اثبات نمود.  اما لاپلاس از اين هم فراتر رفت و گفت اين مسئله براي تمامي پديده ها از جمله رفتار بشر صادق است و قوانين مشابهي وجود دارد که تمام پديده هاي جهان را پيش بيني مي کند.

  با اينکه اين مطلب با مخالفت بسياري از افراد که مي پنداشتند اين ديدگاه به آزادي خداوند در دخالت در امور جهان خدشه وارد مي کند ، اما تا اوايل قرن حاظر اين فرض ، تنها فرض مورد قبول اهل علم باقي ماند.  يکي از نخستين نشانه هاي سست بودن اين باور کارهاي دانشمندان انگليسي ، لرد ريلي و سر جيمز جينز بود. آنها با ارائه قانون مشهور خود (قانون ريلي جينز)، نشان دادند که يک جسم داغ مثل يک ستاره بايد به طور نا متناهي انرژي تابش کند.  براي نمونه يک جسم داغ بايد همان مقدار انرژي در قالب امواج با بسامدهاي يک و دو مليون مليون موج در ثانيه تابش کند که در قالب امواج با بسامدهاي دو و سه مليون مليون موج در ثانيه تشعشع مي کند. از آنجا که تعداد امواج تابش شده در ثانيه نامحدود است، ميزان انرژي تابشي نيز نا متناهي خواهد بود.
  براي اجتناب از اين نتيجه مضحک ، دانشمند آلماني ماکس پلانک در سال 1900 اظهار داشت که امواج الکترو مغناطيسي مي توانند به ميزان دلخواهي گسيل شوند اما اين گسيل در بسته هاي معيني بنام کوانتوم انجام مي پذيرد. به علاوه هر کوانتوم مقدار معيني انرژي داراست که رابطه مستقيمي با بسامد موج دارد ( E=hn). بنابراين در فرکانسها بالا گسيل يک کوانتوم منفرد انرژي بيشتري نياز دارد. از اين رو تابش در بسامدهاي بالا کاهش مي يابد و ميزان انرژي اي که جسم از دست مي دهد، مقداري معين و متناهي مي شود.
 در سال 1926 دانشمند آلماني ديگري بنام ورنر هايزنبرگ، با استفاده از فرضيه پلانک، اصل معروف خود را بنام اصل عدم قطعيت تدوين نمود. براي پيش بيني وضعيت بعدي يک جسم بايد وضعيت و سرعت کنوني آن را اندازه گيري نماييم. بديهي است براي محاسبه بايد ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهيم. برخي از امواج نور توسط ذره پراکنده خواهند شد و در نتيجه وضعيت ذره مشخص مي شود. اما دقت اندازه گيري وضعيت يک ذره به ناگزير از فاصله بين تاجهاي متوالي نور کمتر است. براي تعيين دقيق وضعيت ذره بايد از نوري با طول موج کوتاه استفاده نمود اما بنا بر فرض کوانتوم پلانک نمي توانيم هرقدر که دلمان خواست مقدار نور را کم کنيم مي توانيم حد اقل از يک کوانتوم نور استفاده کنيم. اين کوانتوم ذره را متأثر خواهد ساخت و به طور پيش بيني ناپذيري سرعت آن را تغيير خواهد داد. از طرف ديگر براي آنکه بتوانيم وضعيت ذره را دقيقتر محاسبه نماييم بايد از نوري با طول موج کوتاهتر استفاده نماييم و در اين صورت انرژي هر کوانتوم نور افزايش يافته و سرعت ذره بيشتر دستخوش تغيير خواهد شد. و اين بدان معنااست که هرچه بخواهيم مکان ذره را دقيق تر اندازه بگيريم دقت اندازه گيري سرعت آن کمتر مي شود و بالعکس. هايزنبرگ نشان داد عدم قطعيت در اندازه گيري مکان ذره ضرب در عدم قطعيت در سرعت آن ضرب در جرم ذره نمي تواند از عدد معيني که به ثابت پلانک معروف است کمتر شود. همچنين اين حد به راه و رش اندازه گيري وضعيت و سرعت ذره بستگي نداشته و مستقل از جرم ذره است. اصل عدم قطعيت هايزنبرگ، خاصيت بنيادين و گريز ناپذير جهان است.
    اين اصل مهر پاياني بود بر نظريه لاپلاس. تنها در صورتي که مشاهده جهان به صورتي باشد که در آن اختلالي ايجاد نکرده و وضع فعلي آن را تغيير ندهد، مي توانيم اميدوار باشيم که اصل عدم قطعيت راه ما را براي شناختن رويدادهاي آينده سد نخواهد کرد. که البته اين امر کاملا غير ممکن است زيرا تنها ابزار شناسايي ما امواج مي باشند. اما هنوز مي توان تصور کرد که مجموعه اي از قانونها وجود دارد که براي موجودات ماوراء طبيعي اي که مي توانند بدون استفاده از امواج، جهان را مشاهده کنند، چند و چون رويدادها را به طور کامل تعيين مي کند. با اين حال مدلهاي اين چنيني از جهان، چندان دردي از ما موجودات فاني و معمولي اين دنيا دوا نمي کند.

    تهيه و گردآوري مقاله : آقای امیر �