کتابخانه وبلاگ؛ دانلود جزوات و کتب تخصصی... (پست ثابت)

این پست علاوه بر اینکه اختصاص به تعدادی از کتب تخصصی فیزیک در گرایش ها و زمینه های مختلف دارد؛ تعدادی از جزوات درسی دوره های مختلف رشته فیزیک را نیز دربر می گیرد. امید است که مورد استفاده علاقه مندان و دانشجویان عزیز قرار گیرد.

 پ.ن ۱: این پست به عنوان پست ثابت در ابتدای مطالب وبلاگ نمایش داده میشود. بدیهی است سایر پستها در انتهای این پست قرار می گیرند.

پ.ن ۲: دوستان و بازدیدکنندگان، در صورتیکه کتاب خاصی مد نظر دارند، میتوانند در قسمت نظرات همین پست مطرح نمایند.

پ.ن ۳: برای مشاهده و دانلود جزوات درسی اینجـا را کلیک کنید.

پ.ن ۴: برای مشاهده و دانلود کتب تخصصی اینجـا را کلیک کنید.


جزوات جدید:



کتب جدید:

1 Nov 2012:

Classical Electrodynamics_Jackson

Classical Mechanics__Greiner

An Introduction to the Standard Model of Particle Physics__Cottingham

Gauge Theories in Particle Physics__Aitchison

Symmetry & the Standard Model, Mathematics & Particle Physics__Robinson

Lectures on General Relativity__Carroll

علت چروکیدگی انگشتان بعد از حمام!

حتما بعد از حمام دیده‌اید که دست‌هایتان مانند آلوی خشک چروکیده شده است. دانشمندان بر خلاف باور عامه این پدیده را ناشی از فشار آب بر پوست نمی‌دانند؛ بلکه دریافته‌اند که این امر ناشی از تکامل سیستم عصبی انسان است تا چسبندگی دست به اشیاء در حالت مرطوب تقویت شود.

چرا پوست انگشتان انسان پس از خیس خوردن در حمام مانند آلوی خشک چروک می‌خورد؟ دانشمندان فکر می‌کنند به این سوال پاسخ داده‌اند. آزمایش‌ها این نظریه را تایید نموده‌اند که انگشتان چروکیده، چسبندگی دست ما را با اشیاء خیس بهتر می‌کنند؛ مانند آبی که روی عاج لاستیک‌های ماشین جاری باشد. اغلب افراد چروکیدگی و تورم پوست را نتیجه‌ فشار آب بر لایه بیرونی پوست می‌دانند. اما پژوهشگران از دهه ۱۹۳۰ می‌دانند وقتی آسیب عصبی در انگشتان وجود داشته باشد، این اثر رخ نمی‌دهد، که نشانگر تغییر در اثر واکنش غیرارادی توسط سیستم عصبی خودمختار بدن است – سیستمی که تنفس، ضربان قلب و تعریق را کنترل می‌کند. در واقع، چروکیدگی دیگری وجود دارد که ناشی از انقباض رگ‌های خونی زیر پوست است.

در ۲۰۱۱، مارک چنگیزی (Mark Changizi) یک عصب-زیست‌شناس تکاملی در آزمایشگاه‌های 2AI بویزی، آیداهو در ایالات متحده و همکارانش پیشنهاد کردند که چروکیدگی – که فرایندی فعال است – باید عملکردی تکاملی داشته باشد. همچنین نشان دادند که الگوی چروکیدگی برای تهیه شبکه زهکشی و افزایش چسبندگی بهینه به‌نظر می‌رسد. اما تاکنون هیچ اثباتی وجود نداشت که نشان دهد انگشتان چروکیده در واقع یک مزیت هستند. در آخرین مطالعه، شرکت‌کنندگان اشیاء تر یا خشکی مانند تیله را با اندازه‌های مختلف با دست معمولی یا انگشتان متورم بعد از غوطه‌ورسازی در آب داغ به مدت ۳۰ دقیقه، می‌گرفتند. افراد در گرفتن تیله‌های تر (نسبت به تیله‌های خشک) با دستان چروکیده موفق‌تر بودند اما چروک‌ها تفاوتی در حمل اشیای خشک ایجاد نمی‌کردند؛ نتایج در مجله بایولوژی لترز چاپ شده‌اند.

تام اسمولدرز (Tom Smulders)، زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه نیوکاسل انگلستان و نویسنده همکار در این مقاله می‌گوید: «ما نشان داده‌ایم که انگشتان چروکیده در شرایط مرطوب چسبدگی بهتری دارند. در واقع همانند عاج چرخ‌های خودروی شما عمل می‌کنند که باعث تماس بیشتر لاستیک با جاده می‌شوند.» اسمولدرز می‌افزاید: «شاید انگشتان چروکیده به اجداد ما کمک کرده‌اند تا غذا را از پوشش‌های گیاهی یا جریان های مرطوب بگیرند.» اثر مشابهی در انگشتان پا کمک می‌کند تا در باران راحت‌تر گام برداریم.

چنگیزی می‌گوید این نتایج مدرکی رفتاری از این هستند که «انگشتان شبیه آلوی خشک، مانند عاج لاستیک در برابر باران عمل می‌کنند» که با یافته‌های ریخت‌شناسی گروه او سازگار است. او می‌افزاید باید بررسی کنیم که آیا چروکیدگی‌ مشابه با همین مزیت در دیگر حیوانات رخ می‌دهد یا خیر. «هنوز نمی‌دانیم که چه گونه‌هایی جز انسان و بوزینه این ویژگی را دارند.» چروک‌ها در رابطه با اشیاء تر مزیتی را به ما اعطا می‌کنند، اما به‌ظاهر با اشیاء خشک مشکلی ندارند. اسمولدز می‌گوید مشخص نیست که چرا انگشتان ما به شکل دائمی چروکیده نیستند؛ اما او ایده‌هایی دارد: «برداشت اولیه ما می‌گوید شاید این موضوع حساسیت سرانگشت‌های ما را از بین ببرد یا خطر آسیب از طریق گرفتن اجسام را افزایش دهد.»

افزایش همدوسی کوانتومی در باکتری‌ توسط پروتئین‌ها

پژوهش‌گران با بررسی گونه‌ای باکتری دریافتند که ارتعاشات مولکولی نه‌تنها همدوسی کوانتومی را از بین نمی‌برد، بلکه به آن تداوم بخشیده و حتی آن را بازسازی می‌نماید. نظریه‌ی جدیدی از چگونگی فوتوسنتز گیاهی شامل همدوسی کوانتومی، توسط فیزیکدانانی در انگلستان، آلمان و اسپانیا نشان داده شده است. این پژوهش بر مبنای مطالعه‌ی موجوداتی است که در اعماق دریا زندگی می‌کنند و قادرند نور خورشید را به انرژی تبدیل کنند. بر طبق این مطالعه ارتعاشات مولکولی، همدوسی را از بین نمی‌برد – همان‌طور که قبلاً تصور می‌شد- بلکه به آن تداوم بخشیده و حتی آن را بازسازی می‌نماید. این کشف درک بهتری را از این موضوع فراهم می‌کند که چطور 99٪ انرژی خورشید توسط سلول‌های فوتوسنتز جذب شده و سپس با موفقیت به مکان‌هایی در این سلول‌ها که انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند، انتقال می‌یابد. این کار این امکان را فراهم می‌کند که در طراحی دستگاه‌های کوانتومی از طبیعت الهام گرفته شود.

 

تا این اواخر تصور می‌شد که سیستم‌های زنده بسیار گرمتر و مرطوب‌تر از آنی هستند که به ویژگی‌های ظریف کوانتومی مانند درهم‌تنیدگی (entanglement) و همدوسی بستگی داشته باشند. مشکل اینجاست که این ویژگی‌ها به سرعت از طریق برهم‌کنش‌های تصادفی با عوامل دنیای بیرونی، مانند مولکول‌های مرتعش از بین می‌روند. با این وجود در طی چندین دهه‌ی گذشته، فیزیکدانان در ویژگی‌های کوانتومی که نقش مهمی در فرآیندهای بیوشیمیایی ایفا می‌کنند از جمله فوتوسنتز شروع به شک کردند. این پژوهش توسط الکس چین و همکارانش از مؤسسه‌ی فیزیک نظری در Ulm آلمان و دانشگاه فنی کارتاگنا (Technical University of Cartagena) انجام شده است. این تیم موجودات زنده‌ای به نام باکتری‌های گوگود سبز که 2000 متر زیر سطح اقیانوس زندگی می‌کنند را مورد بررسی قرار داد. نور خورشید در آن جا بسیار کم است به گونه‌ای که این باکتری‌ها نمی‌توانند یک فوتون آزاد کنند و بنابراین همه‌ی نور خورسیدی که توسط آن‌ها جذب می‌شود، به غذا تبدیل می‌گردد.

 حالت‌های برانگیخته

هنگامی که نور خورشید به سطح گیاه برخورد می‌کند، انرژی از طریق زنجیره‌ای از رنگدانه‌ها به مرکز واکنش منتقل می‌شود که در آن‌جا به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود. این رنگدانه‌ها در محل توسط پروتئین‌ها نگه داشته می‌شوند و با یکدیگر ترکیبات پروتئین-رنگدانه (PPCs) را ایجاد می‌کنند. PPCs به طور مؤثری به عنوان راهرو عمل می‌کند و انرژی، خود به شکل حالت‌های برانگیخته مولکولی یا برانگیزان (exciton) عبور می‌کند. این برانگیزان‌ها قادرند در امتداد PPC با پرش از مولکولی به مولکول مجاور حرکت کنند.  در سال 2007 گراهام فلمینگ و همکارانش نشان دادند که این برانگیزان‌ها همدوسی کوانتومی را به نمایش می‌گذارند که بدان معنی است که آن‌ها ممکن است به طور هم‌زمان در برهم‌نهی چندین حالت کوانتومی با احتمالات متفاوت وجود داشته باشند. همدوسی هم‌چنین به برانگیزان اجازه می‌دهد تا مسیرهای مختلفی را در یک زمان به سمت مرکز واکنش بپیماید. سرانجام با انتخاب سریعترین راه، کارآمدترین مسیر مشخص می‌شود. همان‌طور که در سلول‌های خورشیدی ساخت بشر (که به برانگیزان‌ها بستگی دارند) نشان داده شده است که هرچه مسیر طولانی‌تر باشد، احتمال آنکه انرژی قبل از رسیدن به مقصد پراکنده شود، بیشتر می‌شود.

بهینه‌سازی عملکرد

وجود اثرات کوانتومی در فوتوسنتز هم فیزیکدانان و هم زیست‌شناسان را غافلگیر کرده است. آنان در حیرت‌اند که چطور یک حالت کوانتومی شکننده (fragile) می‌تواند در یک موجود زنده باقی بماند. به طور خاص‌تر، آن‌ها فهمیدند که حالت‌های همدوسی 100 مرتبه طولانی‌تر از زمان همدوسی حالت‌های انرژی یک برانگیزان است. باید پدیده‌ای به حفظ طولانی‌ مدت این حالت‌های موجی به منظور عبور بی‌خطر تقریباً همه‌ی انرژی فوتون‌هایی که جذب موجود زنده می‌شود، کمک ‌کند. این پژوهش نشان می‌دهد که پاسخ در پروتئین‌های موجود در PPCs نهفته است که از مولکول‌های رنگدانه حمایت ساختاری می‌کنند. محاسبات جدید نشان می‌دهد که این مولکول‌ها در سیستم انتقال سریع‌تر از آنچه که پیشتر تصور می‌شد، عمل می‌کنند. بسامدهای ارتعاش طبیعی پروتئین‌ها با امواج برانگیزان تشدید می‌شوند و مانند پدر یا مادری که فرزندش را تاب می‌دهد، ساختارهای پروتئینی برانگیزان‌ها را بدون میرا کردن در نوسان نگه می‌دارند.

بدون هیچ نوفه‌ای

محاسبات این تیم از تحلیل‌های دقیق ارتعاشات پروتئینی ناشی می‌شود که داده‌های آن مربوط به مارکوس وندلینگ و همکارانش در هلند است که در سال 2000 ساختارهای PPC باکتری‌های گوگرد سبز را بررسی کردند. در تلاش‌های قبلی به منظور مطالعه‌ی ارتعاشات پروتئینی از تقریب‌های ناهموارتری استفاده شده بود و معمولاً نتیجه گرفته می‌شد که ارتعاشات در واقع نوفه بوده‌اند. شناخت این ساختارهای پروتئینی می‌تواند به طراحی دستگاه‌های کوانتومی کمک کند. در صورت استفاده از ساختاری مشابه شاید بتوان بازده‌ی سلول‌های خورشیدی ساخت بشر را افزایش داد.

یک فرضیه‌ی خوب

گرگ شولز از دانشگاه تورنتو در کانادا می‌گوید: «آزمایشات دقیقی لازم است تا این نتایج را تایید کند. این پژوهش کمک مهمی به ما کرده است. چرا که اکنون یک فرضیه داریم و می‌توانیم درستی آن‌را آزمایش کنیم.»

این پژوهش در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است.

لینک مقاله در وبلاگ

داغ‌ترین دمایی که تاکنون اندازه‌گیری شده است، منفی‌ست

فیزیک‌دانان ذراتِ موجود در یک نمونه‌ی گازی را وادار کرده‌اند که بر خلافِ داشتنِ مقادیرِ بسیار زیادی از انرژی، هم‌چنان مقید باقی بمانند. به این ترتیب شمارِ ذراتِ موجود در ترازهای بالاترِ انرژی بیش از شمارِ آن‌ها در ترازهای پایین‌تر است و این به این معناست که دمای این نمونه‌ی گازی در مقیاسِ کلوین، زیرِ صفرِ مطلق است.

گرچه متناقض به نظر می‌آید، اما پژوهش‌گران با سردکردنِ یک نمونه‌ی گازی و رساندنِ دمای آن به مقادیرِ منفی در مقیاسِ کلوین، توانسته‌اند بالاترین دمایی را که تابه‌حال اندازه‌گیری شده است، ثبت کنند. این پژوهش که چهارم ژانویه در مجله‌ی Science به چاپ رسیده به فیزیک‌دانان کمک می‌کند که در موردِ پدیده‌های کوانتومی و یا حتی شکلِ ناشناخته‌ای از انرژی که بر کیهان حکم‌فرمایی می‌کند (انرژیِ تاریک)، بیش‌تر بیاموزند. منفی‌بودنِ دمای یک سامانه در مقیاسِ کلوین نشان‌دهنده‌ی حالتی‌ست که در آن، شمارِ ذراتِ موجود در حالت‌هایی با انرژیِ بالاتر، بیش‌تر از ذراتی‌ست که در حالت‌هایی با انرژیِ پایین‌تر هستند.

همان‌گونه که آخیم رُش (Achim Rosch)، فیزیک‌دانی از دانش‌گاهِ کُلنِ آلمان که در این کارِ پژوهشی هم‌کاری نداشته توضیح می‌دهد: "ما همواره به دماهایی با اندازه‌ی مثبت عادت داریم، درحالی‌که هیچ مانعی برای منفی‌بودنِ دما وجود ندارد. انجامِ کارهای نامعمول همواره جذاب است". معمولا دما را به عنوانِ سنجه‌ای برای اندازه‌گیریِ میانگینِ انرژیِ ذراتِ موجود در یک نمونه تعریف می‌کنیم. به عنوانِ مثال، انرژیِ مولکول‌های آب که در دیگی جوشان قرار دارند به طورِ میانگین، بیش‌تر از انرژیِ مولکول‌های آبی راکد است که در یک مکعبِ یخی قرار دارد. اما برای دانش‌مندانی که مواد را در مقیاس‌های کوانتومی بررسی می‌کنند، دما به عنوانِ سنجه‌ای برای چگونگیِ توزیعِ انرژی میانِ ذراتِ موجود در یک نمونه تعریف می‌شود. درست در دمایی کمی بالاتر از صفرِ مطلق (صفرِ کلوین یا 273- درجه‌ی سلسیوس) تقریبا همه‌ی ذرات موجود در یک نمونه، انرژی‌شان بسیار نزدیک به صفر است و ذرات تنها دارای جنبش‌های بسیار اندکی هستند. اما با افزایشِ دما، تفاوتِ میانِ انرژیِ ذراتِ موجود در نمونه نیز افزایش می‌یابد، برخی از ذرات هم‌چنان انرژیِ بسیار اندکی دارند اما ذراتِ دیگرِ نمونه در حالت‌هایی با انرژیِ بیش‌تر قرار می‌گیرند.

اُلریش اِشنایدِر (Ulrich Schneider) یکی از فیزیک‌دانانِ دانش‌گاهِ لودویک ماکسی‌میلیان واقع در مونیخ است که برای انجامِ کاری شگرف، طرحی در دست دارد. او با فریب‌دادنِ ذراتِ موجود در یک نمونه، آن‌ها را وادار کرده که با وجودِ داشتنِ مقادیرِ بسیار زیادی از انرژی، هم‌چنان در حالت‌های مقید باقی بمانند. به بیانِ دیگر، این پژوهش‌گر به جای آن‌که با افزایشِ انرژی، ذراتی که دارای کمینه مقدارِ انرژی هستند (حالتی با دمای صفرِ مطلق) را به حالت‌هایی با انرژیِ بیش‌تر بفرستد، ذراتی با بیشینه مقدارِ انرژی را به میانِ حالت‌هایی با انرژیِ کم‌تر می‌کشاند. بنا به تعریف، چنین نمونه‌ای در مقیاسِ کلوین دارای دمای منفی خواهد بود.

اعضای این گروهِ پژوهشی برای رسیدن به این هدف، ابتدا اتم‌های پتاسیم را تا دمای چند میلیاردیومِ درجه بالای صفرِ کلوین، سرد می‌کنند. سپس با به‌کارگیریِ چند لیزر و آهن‌ربا، اتم‌ها را وادار می‌کنند که به ترازی با انرژیِ بیش‌تر بروند. به این ترتیب Schneider و هم‌کارانش با ایجادِ انبوهی از ذرات که در ترازهایی با انرژیِ بالا نگه‌داشته شده‌اند، این نمونه‌ی گازی را به دمایی در حدودِ چند میلیاردیومِ درجه زیرِ صفر کلوین می‌رسانند. این دما در واقع دمایی زیرِ صفرِ کلوین نیست چراکه بر خلافِ مقیاسِ فارنهایت و سلسیوس (که منفی‌بودنِ دما در آن‌ها به معنیِ سردتر بودنِ سامانه است)، دمایی که در مقیاسِ کلوین منفی‌ست اطلاعاتی درباره‌ی ترازهای انرژیِ ذراتِ موجود در یک سامانه به دست می‌دهد. در واقع نمونه‌ی گازی که توسطِ این گروهِ پژوهشی آماده‌سازی شده، بسیار داغ است چراکه بیش‌ترِ ذراتِ این سامانه در ترازهایی با انرژیِ بالا قرار گرفته‌اند. همان‌گونه که Schneider توضیح می‌دهد: "گرما هم‌واره از جسمِ گرم‌تر به سوی جسمِ سردتر شارش می‌یابد. در این آزمایش نیز شارشِ گرما هم‌واره از نمونه‌ی گازی به سوی محیطِ اطراف است. در حقیقت این نمونه‌ی گازی از هرچه در اطرافِ آن می‌شناسیم، گرم‌تر است".

بر خلافِ آن‌چه تاکنون گفته شد، این آزمایش به‌خودیِ‌خود یک ترفندِ جالبِ فیزیکی نیست. چیزی که توجهِ دانش‌مندان را به بررسیِ مواد در دمای منفی جلب می‌کند، ویژگی‌های شگرفِ دیگری‌ست که این مواد از خود نشان می‌دهند. مولکول‌های موجود در یک نمونه‌ی گازیِ معمولی، هم‌واره در حالِ پخش شدن هستند و به دیواره‌های ظرفی که در آن قرار گرفته‌اند، نیرو وارد می‌کنند. اما یک نمونه‌ی گازی با دمای منفی، دارای فشارِ منفی نیز هست که به این معناست که مولکول‌های چنین گازی به جای آن‌که منبسط شوند، بیش‌تر تمایل دارند روی یک‌دیگر فروبریزند. یافتنِ یک نمونه‌ی گازی با فشارِ منفی ممکن است نقشِ مهمی را در حوزه‌ای دیگر از فیزیکِ کیهانِ پیرامون ما ایفا کند: کیهان‌شناسان بر این باورند که انرژیِ تاریک، پدیده‌ای اسرارآمیز که انبساطِ شتاب‌دارِ کیهان را سبب می‌شود، نیز دارای فشارِ منفی‌ست. Schneider می‌افزاید: "با انجامِ آزمایش‌های هرچه بیش‌تر درباره‌ی دمایِ منفی، که پدیده‌ای کوانتومی‌ست، می‌توان سرشتِ انرژیِ تاریکِ موجود در کیهان را هرچه بهتر شناسایی کرد".

لینک مقاله در وبلاگ

Pulsed lasers could make proton therapy more accessible

A table-top proton accelerator for medical therapy could be one step closer thanks to work done by physicists in Germany. The team's system is based on a compact Ti:sapphire laser, which fires ultrashort light pulses at a diamond-like foil to produce bunches of protons with energies of around 5 MeV. The team has shown that its device delivers radiation doses to biological cells that are similar to doses created by much larger conventional proton-therapy systems. The researchers say that the technique could also be used to study ultrafast processes in biology and chemistry.

Accurate delivery

Protons – and other heavier ions such as carbon – show great promise for radiation therapy because when fired into living tissue, they deposit most of their energy at a very specific depth that depends on their initial energy. This is unlike X-rays and electrons, which tend to deposit energy over much larger regions of tissue. As a result, protons can be used to destroy tumours while leaving surrounding healthy tissue unharmed. The downside of proton therapy is that it requires the use of a large and expensive accelerator and can only be done at about 30 facilities worldwide. With the aim of offering proton therapy to more people, medical physicists are looking at how compact lasers could be used to create smaller and less costly proton sources. The basic idea is to fire short, intense laser pulses at a thin target, which liberates protons or other ions and accelerates them over distances as small as a few microns. Researchers have already shown that table-top femtosecond lasers with pulse energies of several joules can create proton beams with energies of up to 40 MeV.

Biological effectiveness

But before laser-driven ion beams can be used on patients, it is necessary to study how the proton pulses interact with living cells. In, particular scientists must compare the effectiveness of ultrashort-pulsed ion beams with that of continuous beams from conventional accelerators. With this aim, Jan Wilkens from the Technical University of Munich and colleagues have used a high-power table-top laser to generate nanosecond proton bunches that deliver single-shot doses of up to seven gray to living cells. This is equivalent to a peak dose rate of 79 Gy/s over a 1 ns interval, and such doses are sufficient for radiation therapy.

System set-up

The researchers used the ATLAS laser – a table-top Ti:sapphire laser that delivers 30 fs pulses – at the Max Planck Institute of Quantum Optics near Munich. Laser pulses with 0.4 J energy were focused to a 3 μm spot, yielding a peak intensity of 8 × 1019 W/cm2. This beam was used to irradiate diamond-like carbon (DLC) foils with thicknesses of 20 and 40 nm.

"The nanometre foils enabled a hundred-fold higher [proton] luminosity as compared to [standard] micron-thick targets," explains Jörg Schreiber, from Ludwig Maximilian University of Munich, who was one of the team. "We have pioneered the application of nanometre DLC foils and it has paid off." The beamline included a miniature quadrupole doublet magnetic lens inserted behind the DLC foil to focus the protons at a distance of 1.2 m. A circular aperture is placed 810 mm from the target, in front of a dipole magnet that deflects the protons downwards. This avoids irradiation of the cells by X-rays created when the laser pulse slams into the target. The beamline is evacuated and to irradiate living cells, the proton bunch leaves the vacuum through a Kapton window and enters a customized cell holder.

Irradiating cancer cells

The researchers exposed single layers of human cervical cancer cells to protons generated in a single shot. The resulting dose distribution was measured using radiochromic film behind the cells. A microstructured grid on the cell holder enabled registration of the dose distribution with a spatial uncertainty of 21 μm. The team confirmed that cells were damaged by the protons using a chemical assay that detects the presence of broken strands of DNA.

Using these data, the team calculated the relative biological effectiveness (RBE) of the dose and found it to be similar to that of conventional proton beams at comparable energies. The researchers say that this work demonstrates the potential of small, high-repetition-rate lasers for creating intense pulse protons that are almost monoenergetic and contain relatively small amounts of background radiation.

Ultrafast studies

Beyond proton therapy, the researchers say that the proton source could be used for basic science: "The laser-driven beam could have impact as a tool in fast biological or chemical processes. Of special interest is the availability of other temporally synchronized laser-driven sources to perform pump probe experiments," they note. The team is now aiming to create beams with higher ion energies. "This requires more powerful lasers, which are currently under construction in our lab and elsewhere," Wilkens and Schreiber explain.

لینک مرجع

Hottest temperature ever measured is a negative one

Coaxing a gas to a negative temperature on the kelvin scale has produced, paradoxically, the hottest temperature ever measured. The study, published in the Jan. 4 Science, will help physicists learn about quantum phenomena and perhaps even the strange form of energy that dominates the universe. A negative kelvin temperature indicates that particles at high energies outnumber those at low energies.

“We are used to positive temperatures,” says Achim Rosch, a physicist at the University of Cologne in Germany who was not involved in the research. “But there’s nothing forbidden about negative temperatures. It’s always fascinating to do something unusual.” Temperature is commonly interpreted as a measure of the average energy of the particles in a sample. Each of the molecules buzzing around in a pot of boiling water, for example, has more energy on average than a sluggish water molecule within an ice cube.

But for scientists who study matter at quantum scales, temperature is better defined as the energy distribution of the particles in a sample. Just above absolute zero (0 kelvin, or -273° Celsius), almost all of the particles within a sample have energies very close to zero, with little variation. But as temperatures rise, the variation in energies widens — some particles still have very small energies, but others have more.

Physicist Ulrich Schneider at the Ludwig Maximilians University of Munich set out to do something unusual: He wanted to cajole the particles within a substance to be confined to a very high amount of energy. In other words, instead of having the particles start at a minimum energy (corresponding to absolute zero) and spreading out toward higher energies, he wanted to start at a maximum energy and spread toward lower energies. By definition, such a substance would have a negative kelvin temperature.

His team achieved that with potassium atoms chilled to a few billionths kelvin above absolute zero. Through the use of lasers and magnets, the team managed to get the atoms to jump to a high-energy state. By creating a cluster of particles exclusively at high energies, Schneider and his colleagues had a gas at a few billionths negative kelvin.  This temperature is technically not below absolute zero, because negative on the kelvin scale(unlike that on the Fahrenheit or Celsius scale) is a construct that simply indicates something about the energy state of the particles involved. In fact, the new creation is extremely hot because of the high energies of the particles. Heat travels from hot to cold, Schneider says, and heat will always flow away from this gas. “It’s actually hotter than everything we know,” he says.

Despite the semantics involved, this experiment isn’t merely a fun physics trick. Scientists are fascinated by negative-temperature substances because they have other strange properties. The molecules in a typical gas spread out and exert a force on the walls of their container. But a negative-temperature gas also has negative pressure, meaning the particles tend to cave in rather than expand. “It wants to collapse into a single point,” Schneider says. Negative pressure may be important in another part of the physics universe: Cosmologists believe that dark energy, the mysterious entity that is causing the universe to expand at an accelerating rate, also has negative pressure. Schneider suggests that experimenting with the quantum phenomenon of negative temperature could reveal the nature of dark energy throughout the cosmos.

لینک منبع

نگاهی به درون حفره‌های کهکشانی

هم‌گرایی گرانشی پدیده‌ای است که به علت خم شدن نور در عبور از نواحی پر جرم اتفاق می‌افتد. داده‌های اخیر نشان دادند که نواحی با جرم بسیار کم (مانند حفره‌های درون کهکشانی) هم می‌توانند سهم مهمی در هم‌گرایی نور داشته باشند.

جرم درون خوشه‌ی کهکشان‌ها باعث پیچش فضا-زمان اطراف خود می‌شود. این پدیده سبب می‌شود تا کهکشان‌های زمینه، روشن‌تر به نظر برسند و یا دچار اعوجاج شوند. گونه مشابه‌ای از  هم‌گرایی گرانشی (gravitational lensing) زمانی اتفاق می‌افتد که نور از درون حفره‌ای با چگالی کمتر از میانگین عبور می‌کند. یافته استاندارد پیش‌بینی می‌کند که این نواحی کم جرم٬ تاثیر کوچکی بر نور کهکشان‌ها دارند٬ اما محاسبات جدید در Physical Review Letters نشان داده که حفره کیهانی تاثیرات زیادی بر نور کهکشان‌ها می‌گذارد (آن‌ها را روشن‌تر می‌کند)٬ به طوری که سیگنال مربوط به هم‌گرایی استاندارد را تحت تاثیر قرار می‌دهد. این نتایج می‌تواند بر توصیف بررسی‌های نجومی بزرگ مقیاس تاثیر بگذارد.

 

منجم‌ها با اندازه‌گیری هم‌گرایی گرانشی٬ می‌توانند جرم جسم گرانشی را به‌دست ‌آورند و یا چگالی جرم را در یک مسیر مشخص تخمین بزنند. بیشترین علت این هم‌گرایی مربوط به نواحی با تمرکز بالای جرم بوده است٬ اما نور می‌تواند با عبور از حفره‌های کهکشان که تمرکز جرم در آن بسیار کم است نیز٬ تحت تاثیر قرار بگیرد. اندازه حفره‌ها‌ی بین کهکشانی بین ده تا صد سال نوری است٬ که جمعاً بیش از نیمی از حجم کیهان را اشغال می‌کنند. مدل‌های پیشین هم‌گرایی گرانشی٬ تنها جنبه‌ی خمیده شدن نور را تحت تاثیر حفره در نظر می‌گرفتند. که این پدیده باعث می‌شود تا جسم زمینه٬ کوچکتر (و تا حد کمی کم نورتر ) از مقدار واقعی به نظر آید.

زیستزو بولیکو (Krzysztof Bolejko) و هم‌کارانش از دانشگاه سیدنی در استرالیا  محاسبات دقیقی بر روی هم‌گرایی از حفره انجام دادند. در تجزیه تحلیل کامل نسبیتی٬ آن‌ها تاثیر افزایش طول موج را درنظر گرفتند. این پدیده به این علت اتفاق می‌افتد که حفره‌ها در کل سریع تر از جهان منبسط می‌شوند. انتقال به سرخ اضافی که در داده‌ها در نظر گرفته شده٬ منجر به تخمین فاصله‌ی اجسامی شده است که نزدیک به نواحی دور حفره قرار دارند. بنابراین آن‌ها روشن‌تر از حد انتظار به نظر می‌رسند. نویسندگان این مقاله فکر می‌کنند که تأثیرات حفره باعث می‌شود تا بتوان برخی از ناهمسانی‌های آماری را در یافته‌های مربوط ابرنواختر توضیح داد.

لینک منبع

لینک مرجع مقاله

Proteins boost quantum coherence in bacteria

A new theory of how plant photosynthesis involves quantum coherence has been suggested by physicists in the UK, Germany and Spain. This latest research is based on the study of organisms that live deep under the sea yet are able to convert sunlight into energy. The study suggests that molecular vibrations do not destroy the coherence – as previously thought – but rather perpetuate and even regenerate coherence. The discovery provides a better understanding of how as much as 99% of the energy of light absorbed by photosynthesis cells is successfully transferred to locations in the cells where electric energy is converted to chemical energy. The work opens up the possibility of using nature-inspired designs in quantum devices.

Until recently, living systems were thought to be "too wet and warm" to rely on delicate quantum properties such as entanglement and coherence. The problem is that these properties decay rapidly via random interactions with things in the outside world, such as vibrating molecules. However, over the past decade physicists have begun to suspect that quantum properties play important roles in biochemical processes – including photosynthesis. This latest work was done by Alex Chin (now at Cambridge University) and colleagues at the Institute of Theoretical Physics in Ulm and the Technical University of Cartagena. The team looked at organisms called green sulphur bacteria that live 2000 m below the ocean surface. There is so little sunlight down there that the bacteria cannot afford to lose a single photon – indeed, almost 100% of the light they absorb is turned into food.

Excited states

When sunlight hits the surface of the plant, energy is transferred via chains of pigments to a reaction centre, where it is converted into chemical energy. Those pigments are held in place by proteins, which together create pigment–protein complexes, or PPCs. The PPCs effectively act as corridors and the energy itself travels in the form of molecular excited states, or molecular excitons. These excitons are able to move along the PPC by hopping from one molecule to the next.

In 2007 Graham Fleming and colleagues in the US showed that these excitons exhibit quantum coherence, which means that the excitons may exist simultaneously in a superposition of several quantum states with varying probabilities. Coherence also allows the exciton to explore multiple pathways to the reaction centre simultaneously, ultimately choosing the fastest, most efficient option. As is demonstrated in man-made solar cells (which also rely on excitons), the longer this trip takes, the more likely it is that the energy will dissipate before it reaches its destination.

Optimizing function

The presence of quantum effects in photosynthesis surprised both physicists and biologists, and left them wondering how a fragile quantum state could survive in a living organism. More specifically, research groups found that the coherenent states exist for 100-times longer than the coherence time of the energy states of an exciton. Something was helping these wave states survive long enough to ensure the safe passage of nearly 100% of the photon energy that the organisms absorbed.

This latest research suggests that the answer lies in the proteins in the PPCs, which provide structural support for the pigment molecules. The new calculations reveal that these proteins are more active participants in the transport system than was previously thought. The natural vibration frequencies of the proteins resonate with the exciton waves, and like a parent pushing a child on a swing, the protein structures keep the excitons oscillating without dampening. In fact, the exciton may pass its vibration into the protein structures, which then return it to the exciton, thus restoring its coherence. "People have not viewed this protein structure as something that actively helps quantum phenomenon to take place in biological systems," says team member Martin Plenio. "This is really a new way of thinking about things."

Definitely not noise

The team's conclusions come from precise analysis of the protein vibrations, using data from Markus Wendling and colleagues in the Netherlands, who in 2000 examined the PPC structures from green sulphur bacteria. Previous efforts to study the protein vibrations used rougher approximations and usually concluded that the vibrations were noise.

"The main difference in terms of the paradigm for doing this simulation was to not separate the system into the exciton and the environment, but to treat them all together as one large many-body system," says Chin. "We took a completely holistic approach. This makes it very complicated in terms of variables and things that one has to keep track of, which means that computationally it is very tough."

Understanding these protein structures could assist in building similar structures in quantum devices. If similar structures are used in the conversion of electrical energy to chemical energy, it could shed light on how to mimic photosynthesis's high efficiency rates in man-made solar cells.

A good hypothesis

Greg Scholes of the University of Toronto in Canada praises the detailed analysis conducted by the team, and says the conclusions "fit with some of the pieces of the puzzle that have been emerging in more recent experiments".  While Scholes believes the analysis is "sufficient proof of the idea in principle", he says direct experiments will need to be done to confirm the conclusions. "From that perspective this work really contributes something important. Because it gives us a hypothesis, [and now] we can go and test it," he says.

طبقه‌بندی وول خوردن‌های پروتئینی

تغییر شکل پروتئین‌ها که برای پیش‌برد فرآیندهای شیمیایی ضروری است به دو شکل ارتعاشات کشسان و تغییرات صورتبندی صورت می گیرد. تشخیص این دو نوع تغییر اهمیت ویژه‌ای در درک عملکرد پروتئین‌ها در بدن موجودات زنده ایفا می‌کند. محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج آمریکا به تازگی روش جدیدی را برای تشخیص ارتعاشات کشسان و تغییرات صورتبندی از یکدیگر معرفی کرده‌اند.

پروتئین‌ها برای این که به درستی کار کنند، به تغییرات شکل‌شان متکی هستند. بنابراین دانشمندان به تغییرات کوچک در ساختار پروتئین‌ها توجهی جدی دارند، هر چند که تمام این «تکان‌ها» مانند هم نیستند. مطالعه جدیدی که آزمایش‌های پراکندگی نوترون و نور را با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تلفیق کرده است، نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با استفاده از اندازه‌گیری انعطاف‌پذیری پروتئین‌ها، تفاوت میان ارتعاشات کشسان و تغییرات صورتبندی (conformational) واقعی را تشخیص داد. نتایج این مطالعه که در فیزیکال ریویو لترز ارائه شده است، رفتارهای خاصی از پروتئین‌ها را توضیح می‌دهد، از جمله اینکه چرا انعطاف‌پذیری پروتئین‌ها گاهی به سرعت با دما افزایش می‌یابد.

 

برای پیش‌برد فرآیندهای شیمیایی، پروتئین‌ها اغلب مجبورند که به شکل فیزیکی (مثل کلید) با دیگر مولکول‌ها چفت شوند. پروتئين‌ها می‌توانند با وول خوردن و لرزیدن سر جای خودشان، دچار تغییرات صورتبندی شوند که در آن اتم‌های درون مولکول از یک سد انرژی پتانسیل به سد انرژی دیگر می‌جهند. از طرف دیگر، انعطاف‌پذیری پروتئین‌ها نیز از اتم‌هایی ناشی می‌شود که به شکل کشسان درون یک سد پتانسیل افت‌ و‌ خیز می‌کنند. تغییرات کشسان و صورتبندی باید به شکل متفاوتی به دما و آب‌پوشی مولکول وابسته باشند، اما مطالعات قبلی درباره انعطاف‌پذیری پروتئین‌ها معمولا این دو سهم را جدا نکرده‌اند.

به تازگی لیانگ هونگ (Liang Hong) از آزمایشگاه ملی اوک ریج آمریکا و همکارانش راهی موثر برای جداسازی حرکت‌های کشسان و صورتبندی از یکدیگر معرفی نموده‌اند. آن‌ها در ابتدا انعطاف پذیری را – همان‌طور که اغلب انجام می‌شود – با استفاده از پراکندگی نوترون‌های ناهمدوس اندازه‌گیری نموده و جابجایی‌های اتمی (عمدتا اتم‌های هیدروژن) درون یک پروتئين خاص را ثبت کردند. سپس با مقایسه این داده‌های جابجایی با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی گروه هونگ دریافتند که افت و خیزهای کشسان اتم‌های منفرد را می‌توان از ارتعاشات نوسانی کل مولکول که آن‌ را با آزمایش‌های پراکندگی نور اندازه‌گیری کرده بودند استنتاج نمود. این پژوهشگران با جداسازی بخش کشسان در واقع نشان دادند که انعطاف‌پذیری بالا در دمای اتاق اصولا ناشی از آهنگ بیشتر تغییرات صورتبندی آن است.

لینک منبع

Physicist homes in on universe's earliest magnetic fields

Scientists have long wondered where the observed magnetization of the interstellar medium came from, given that the fully ionized gas of the early universe contained no magnetic particles. According to new research by an astrophysicist in Germany, the answer lies in magnetic fluctuations within this plasma. Although these fluctuations initially summed to zero, he calculates, they would have left a positive excess of field once compressed by energetic phenomena such as supernovae explosions.

Permanent magnetism is a property of only a few materials, such as iron, in which the spins of individual electrons naturally line up in the same direction and create a residual magnetic field. In the early universe, before iron and other magnetic materials had been created inside stars, permanent magnetism did not exist. Nevertheless, the proto-interstellar medium, a plasma consisting of a few light nuclei along with free protons and electrons and which formed when the universe was less than a billion years old, did have a non-zero magnetic field.

Magnetic seeds

Astrophysicists believe that the explosive collapse of massive stars known as supernovae or the streams of charged particles referred to as galactic winds could have provided the energy needed to compress small and disordered, or "seed", magnetic fields so that they became unidirectional and as strong as the fields observed in the interstellar medium – that is, having an energy density roughly equal to that caused by the medium's thermal pressure. The question is: where did these seed fields come from?

To answer this question, Reinhard Schlickeiser of Ruhr University in Bochum considered the proto-interstellar plasma shortly after it came into being – an era known as "reionization" when something, probably the light from the first stars, provided the energy needed to break up the previously neutral gas that existed in the universe. The protons and electrons inside the plasma would have moved around continuously, simply by virtue of existing at a finite temperature. And, like any charged particles in random motion, they would have created random magnetic fields – which would have cancelled each other out. Nevertheless, it was the finite variance of the resulting magnetic "fluctuations", says Schlickeiser, that subsequently led to the creation of a permanent magnetism across the universe.

To work out the field-strength variance of the fluctuations, Schlickeiser used a theory he developed in 2012 with Peter Yoon of the University of Maryland. The fluctuations are "aperiodic", which means that, unlike the variations in magnetic and electric fields that give rise to electromagnetic radiation, they do not propagate as a wave. Indeed, their wavelength – the spatial distance over which the fluctuations occur – and their frequency – dictating how long these fluctuations last – are uncorrelated, in contrast to light, for which the values of wavelength and frequency are tied to one another via the wave's velocity.

Much weaker than a fridge magnet

Schlickeiser summed over all possible wavelengths and frequencies for the magnetic fluctuations in a gas at 10,000 K, which would have been roughly the temperature of the proto-interstellar medium at the time of reionization. The calculation revealed field strengths of about 10–12 G inside very early-stage galaxies and around 10–21 G in the void surrounding the galaxies. These values compare with the roughly 0.5 G of the Earth's magnetic field and the 100 G typical of a strong refrigerator magnet.

Schlickeiser points out that he is not the first person to put forward a seed mechanism for the interstellar magnetic field. Indeed, as far back as 1950 the German astronomer Ludwig Biermann proposed that the centrifugal force generated in a rotating plasma cloud will separate out heavier protons from lighter electrons, thereby creating a separation of charge that leads to tiny electric and magnetic fields. According to Schlickeiser, however, this scheme suffers from a lack of suitable rotating objects, meaning that it could only ever generate the magnetic fields in a small portion of the interstellar medium.

Observational evidence needed

Schlickeiser's next step is to find observational evidence to back up his idea. One option, he says, would be to look at the cosmic microwave background, the very faint long-wavelength radiation that fills the universe and which was emitted about 400,000 years after the Big Bang, when electrons and protons had cooled to the extent that they could combine via mutual attraction and leave photons to propagate freely through space. The idea would be to measure variations in the polarization of this radiation, which could be done using data from the European Space Agency's Planck satellite, given that magnetic fields rotate the plane of polarization of electromagnetic waves. "It is not clear at the moment whether these fluctuations would have measureable effects on the background radiation," he says. "But I think it would be worth finding out."

Massimo Stiavelli of the Space Telescope Science Institute in Maryland is positive about the latest work, arguing that "the mechanism described could indeed provide the seeds to primordial magnetic fields". And he suggests an alternative line of evidence, from before reionization – that any magnetic fluctuations would have tended to fragment the universe's second generation of stars as they formed. "Finding somewhere in the local universe a small-mass star with a magnetic field and primordial chemical composition would provide evidence that a mechanism like the one described was at play," he says.