Heavy atoms set to collide at the LHC

THE world's most powerful particle smasher is moving on to heavy ions in its bid to explore the universe's first microseconds.

The Large Hadron Collider at CERN, near Geneva, has already met its 2010 target for the number of proton collisions. It is set to start colliding lead ions in November.

"It's one of the largest steps that any collider has made over its predecessor, possibly the largest in history," says John Jowett, lead physicist for heavy ion collisions at the LHC. As the ions smash into each other they will create a fireball of the quarks and gluons that make up protons and neutrons. The collision energies should far outstrip those achieved by the current record holder, the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory in New York.

Contrary to early expectations, the RHIC collisions showed that particles in the soup of quarks and gluons behave as if they are in a liquid. It will be interesting to see whether this behaviour holds at the LHC's higher temperatures, says Peter Steinberg of Brookhaven.

دوستان عزیز؛ ترجمه این پست را میتوانند در وبلاگ زیر بخوانند.

حسام الدین

آشنایی با فلسفه فیزیک

در ميان شاخه‌هاي فلسفه، فلسفه‌ي فيزيك philosophy of physic پرسش‌هاي فلسفي بنيادي را كه در بنيان فيزيك جديد قرار دارند مطالعه مي‌كند و به پژوهش درباره‌ي ماده و انرژي و اين كه چگونه با هم اندركنش انجام مي‌دهند، مي‌پردازد. فلسفه‌ي فيزيك با تأمل درباره‌ي عليت، تعين (جبر) و ماهيت قانون فيزيكي آغاز مي‌شود. سپس به سراغ مباحثي مي‌رود كه با موضوعات مهم در فيزيك معاصر مطرح شده‌اند: كيهان‌شناسي فيزيكي (فضا، زمان، مبدأ و سرنوشت نهايي عالم)، مباني ترموديناميك و مكانيك آماري (انرژي، كار، كاتورگي، اطلاعات) و مكانيك كوانتومي (تفسيرهاي رقيب از آن، نتايج ضدشهودي آن).
قرن‌ها قبل، مطالعه‌ي عليت و ماهيت بنيادي فضا، زمان، ماده، و عالم بخشي از متافيزيك بود. امروزه، فلسفه‌ي فيزيك اساساً بخشي از فلسفه‌ي علم است.

فلسفه‌ي فضا و زمان

زمان:
در بسياري از فلسفه‌ها زمان را به مثابه‌ي تغيير تلقي مي‌كنند.
زمان كميتي است بنيادي (يعني، كميتي كه نمي‌توان بر اساس كميتي ديگر تعريف كرد، زيرا در حال حاضر ما چيزي را بنيادي‌تر از زمان نمي‌شناسيم). بنابراين زمان از طريق اندازه‌گيري تعريف مي‌شود- با فاصله‌ي زماني استانده‌ي آن. در حال حاضر، مدت 9.192.631.770 نوسان گذار فوق ظريف اتم سزيم 133 به مثابه‌ي فاصله‌ي زماني استانده (موسوم به «ثانيه‌ي قراردادي» يا فقط «ثانيه») تعريف مي‌شود (ايزو 1-31). اين كه زمان دقيقاً «چيست» و چگونه عمل مي‌كند از تعريف فوق حاصل مي‌شود. در كنار تعريف فعلي از فضا (بر اساس طول) اين تعريف از زمان موجب مي‌شود كه نسبيت خاص دقيقاً درست باشد. فيزيكدانان از نظريه براي پيش‌بيني طرز اندازه‌گيري زمان استفاده مي‌كنند. سپس مي‌توان زمان را به طور رياضي با كميت‌هاي بنيادي فضا و جرم تركيب كرد تا مفاهيمي مانند سرعت، گشتاور، انرژي و ميدان را به دست آورد.
هم نيوتن و هم گاليله مانند اغلب افراد تا قرن بيستم تصور مي‌كردند كه زمان براي همه در همه جا يكسان است. برداشت جديد ما از زمان بر نظريه‌ي نسبيت اينشتاين و جا-گاه هرمان مينكووسكي استوار است كه در آن آهنگ زمان در مكان‌هاي مختلف متفاوت است و فضا و زمان در جا-گاه در هم مي‌آميزند. زمان ممكن است كوانتيده باشد و كوچك‌ترين زمان نظري ممكن، زمان پلانك است. نظريه‌ي نسبيت عام اينشتاين و جابجايي قرمز نور كهكشان‌‌هاي دوردستي كه در حال دور شدن از ما هستند، نشان مي‌دهد كه كل عالم و احتمالاً خود جا-گاه در حدود 13.7 ميليارد سال قبل در مهبانگ آغاز شده است. آيا عالم به پايان مي‌رسد و چگونه؟، پرسش‌هايي است كه هنوز به آن‌ها جواب قطعي داده نشده است.

سفر زماني:
برخي از نظريه ها، و شايان ذكرتر از همه نسبيت خاص و عام، مي‌گويند كه هندسه‌هاي مناسب جا-گاه يا انواع معيني از حركت در فضا، ممكن است سفر زماني به گذشته و آينده را ممكن سازند. مفاهيمي كه چنين برداشتي را تقويت مي‌كنند شامل منحني زمان‌وار بسته مي‌شوند.
نظريه‌ي نسبيت خاص (و، با تعميم معني، نسبيت عامِ) اينشتاين، انبساط زماني‌اي را پيش‌بيني مي‌كند كه مي‌توان آن را سفر زماني تلقي كرد. نظريه مي‌گويد كه نسبت به ناظر ثابت، زمان ظاهراً كندتر حركت مي‌كند؛ با نزديك شدن ساعت به سرعت نور، به نظر مي‌رسد كه حركت عقربه‌هاي آن تقريباً متوقف مي‌شود. اثرات اين نوع انبساط زماني در پارادكس مشهور دوقلوها بيشتر مورد بحث قرار گرفته است.
نوع دوم و مشابه سفر زماني را نسبيت عام ممكن مي‌سازد. در اين نوع، ناظر دور مي‌بيند كه زمان ساعتي كه در انتهاي چاه گرانشي عميقي قرار گرفته كندتر مي‌گذرد و ساعتي كه در چاه زميني عميقي فرو برده و بالا آورده مي‌شود نشان مي‌دهد كه در مقايسه با ساعت ثابتي كه همراه ناظر دور بوده، زمان كم‌تري گذشته است.
اين اثرات تا حدي شبيه خواب زمستاني موجودات زنده است (كه سرعت فرآيندهاي شيميايي را در موجود پايين مي‌آورد) كه تقريباً به طرزي نامعين حيات خود را به حال تعليق در مي‌آورند و به اين ترتيب به «سفر زماني» به آينده مي‌روند اما هرگز به سفري به گذشته نمي‌روند. آن‌ها عليت را نقض نمي‌كنند. اين از نوع سفر زماني كه در داستان‌هاي علمي بيان مي‌شود نيست (كه در آن عليت به طور ارادي نقض مي‌شود)، و در مورد وجود آن هم چندان ترديدي نيست. از اين پس در اين مقاله مراد از «سفر زماني» سفري است به گذشته يا آينده‌ در زمان واقعي، با درجه‌اي از آزادي.
بسياري در جامعه‌ي علمي معتقدند كه سفر زماني به شدت نامحتمل است زيرا عليت، منطق زنجيره‌ي علت-معلول، را نقض مي‌كند. اگر تلاش كنيد به گذشته برويد و خود (يا پدربزرگ‌تان) را بكشيد چه روي مي‌دهد (كه در مورد قتل پدربزرگ به پارادكس پدربزرگ منتهي مي‌شود)؟ شواهد تجربي در مورد سفر زماني هم وجود ندارد. زماني استفن هاوكينگ گفت عدم حضور «جهانگرداني» از آينده برهاني است قوي بر عليه امكان سفر زماني- كه روايتي از پاراداكس فرمي (Fermi Paradox) است كه در آن مسافران زمان جاي مسافران سيارات بيگانه را گرفته‌اند.

فضا:
جا-گاه، بر اساس نسبيت عام، به وسيله‌ي جرم خميده مي‌شود كه موجب انبساط زمان مي‌گردد.
فضا يكي از چند كميت‌ بنيادي در فيزيك است يعني آن را نمي‌توان از طريق كميت‌هاي ديگر تعريف كرد زيرا در حال حاضر چيزي كه بنيادي‌تر از آن باشد شناخته نشده است. به اين ترتيب، مشابه كميت‌هاي بنيادي ديگر (نظير زمان و جرم) فضا نيز از طريق اندازه‌گيري تعريف مي‌شود. در حال حاضر، فاصله‌اي كه نور طي فاصله‌ي زماني 299792458/1 ثانيه (دقيقاً) در خلاٌ طي مي‌كند به عنوان فاصله‌ي استانده‌ي فضايي موسوم به متر استانده يا فقط متر تعريف مي‌شود. اين تعريف همراه با تعريف فعلي از زمان (بالا را ببينيد) جا-گاه ما را به فضاي مينكووسكي (Minkowski) تغيير مي‌دهد و موجب مي‌گردد كه نظريه‌ي نسبيت خاص طبق تعريف مطلقاً درست باشد.
در فيزيك كلاسيك، فضا، فضاي اقليدسي سه‌ بعدي است كه در آن هر وضعيتي را مي‌توان با استفاده از سه مختصه توصيف كرد. نظريه‌هاي نسبيت خاص و عام به جاي فضا از جا-گاه استفاده مي‌كنند؛ جا-گاه چونان فضايي چهار بعدي مدل‌سازي مي‌شود (كه در آن محور زمان در نسبيت خاص موهومي و در نسبيت عام حقيقي است؛ در حال حاضر نظريه‌هاي بسياري وجود دارد كه از فضاهاي بيش از چهار بعدي، اعم از حقيقي و مختلط، استفاده مي‌كنند).
قبل از كار اينشتاين روي فيزيك نسبيتي، زمان و فضا را ابعاد مستقلي مي‌دانستند. كار اينشتاين نشان داده است كه به دليل نسبيت حركت، فضا و زمان را مي‌توان به طور رياضي در جا-گاه متقارني تركيب كرد كه در آن محور زمان (ضرب در ic) از محورهاي فضا قابل تشخيص است. فواصل در فضا يا در زمان به طور جدا از هم در برابر تبديل مختصات لورنتز ناوردا (invariant) نيستند، اما فواصل در جا-گاه مينكووسكي ناوردا هستند.(امري كه نام جا-گاه را توجيه مي‌كند).

فلسفه‌ي مكانيك كوانتومي
مكانيك كوانتومي موجب بحث‌هاي زيادي در تفسيرهاي فيزيكي شده است. با توسعه‌ي مكانيك كوانتومي، نظريه‌هاي آن به تدريج در تناقض با بسياري از فلسفه‌هاي پذيرفته شده قرار گرفتند. اما، تمام پيش‌بيني‌هاي رياضي آن با مشاهدات انطباق دارد.
در اغلب موارد، فلسفه‌هاي پذيرفته شده بر تجربه‌ي روزمره‌ي انسان معمولي مبتني هستند- كه بسيار محدود است، زيرا شامل مشاهده‌ي سيستم‌هاي بسيار كوچك يا حركت در سرعت‌هاي بسيار زياد، يا آزمايش با انرژي‌هاي بالا، گرانش قوي و مانند آن‌ها نمي‌شود. هنگامي كه نوبت به توصيف يا تبيين رفتار بسياري از سيستم‌ها و اشياء در طبيعت مي‌رسد نمي‌توان بر «نظريه»هاي مبتني بر عقل سليم، «شهودها» يا «احساس‌ها» متكي بود.

تعين:
قرن هجدهم شاهد پيشرفت‌هاي زيادي در عرصه‌ي علم بود. پس از نيوتن، اغلب دانشمندان با اين پيش‌فرض موافق بودند كه عالم تحت حاكميت قوانين محكم (طبيعي) قرار دارد كه مي‌توان آن‌ها را با مشاهده و تجربه‌ي علمي كشف و صورت‌بندي كرد. اين موضع را تعين (يا جبر) مي‌نامند. هر چند تعين پيش‌فرض بنيادي فيزيك پسانيوتني بود، اما سريعاً فيلسوفان را با مسئله‌اي دشوار روبرو ساخت: اگر عالم و بنابراين كل جهان تحت حاكميت قوانين محكم و جهان‌شمول قرار دارد، معناي اين امر آن است كه آدميان نيز در اعمال خود تحت حاكميت قوانين طبيعي قرار دارند. به عبارت ديگر، معناي اين امر آن است كه چيزي به نام اختيار انساني وجود ندارد (به استثناي آن چه در همسازگرايي (compatibilism) تعريف مي‌شود). برعكس، اگر پذيرفته شود كه انسان‌ها داراي اختيار ( ِ اختيارگرايانه يا ناهمسازگرايانه) هستند، بايد بپذيريم كه جهان يكسره تحت حاكميت قوانين طبيعي نيست. برخي ادعا كرده‌اند كه اگر جهان يكسره تحت حاكميت قوانين طبيعي نباشد، كار علم ناممكن مي‌شود. اما ظهور مكانيك كوانتومي بديلي ديگر براي امكان‌هاي اكيداً محدودي كه در بالا به آن‌ها اشاره شد در اختيار متفكران قرار داد. باور به عالمي ممكن شد كه قوانين جهانشمول را دنبال مي‌كرد اما هرگز آينده‌اي از پيش تعيين‌شده نداشت.

اصل عدم قطعیت:
اصل نايقيني را معمولاً با سناريوي گربه‌ي شرودينگر بيان مي‌كنند كه در آن گربه‌اي همراه با مخزن گاز سمي [و ماده‌اي راديواكتيو] در جعبه‌اي قرار گرفته است؛ با واپاشي هر اتم راديواكتيو مخزن گاز باز مي‌شود. تا زمان باز شدن جعبه نمي‌توان حالت اتم راديواكتيو را مشاهده كرد؛ بر اساس يكي از تفسيرهاي مختلف در آن زمان گربه هم مرده است و هم زنده.
اصل نايقيني اصلي رياضي است كه از تعريف كوانتوم مكانيكي (quantum mechanical) عملگرهاي گشتاور و وضعيت (يعني عدم جابجاپذيري ميان آن‌ها) حاصل مي‌شود و رفتار عالم را در مقياس‌هاي اتمي و زيراتمي تبيين مي‌كند.
اصل نايقيني در پاسخ به اين پرسش مطرح شد: اگر الكترون موج است، موقعيت الكترون حول هسته چگونه اندازه‌گيري مي‌شود؟ هنگامي كه مكانيك كوانتومي توسعه يافت، آن را رابطه‌اي ميان توصيفات كلاسيكي و كوانتومي سيستم با استفاده از مكانيك موجي مي‌دانستند.
در مارس 1926 ورنر هايزنبرگ كه در انستيتوي نيلز بوهر كار مي‌كرد اصل نايقيني را صورت‌بندي كرد و به اين ترتيب آن چه را كه به نام تفسير كپنهاگي مكانيك كوانتومي شناخته شد، بنيان گذاشت. هايزنبرگ مقالات پل (Paul Dirac) ديراك و جردن (Jordan) را مطالعه مي‌كرد. هايزنبرگ مسئله‌اي را در اندازه‌گيري متغيرهاي بنيادي در معادلات كشف كرد. تحليل او نشان داد كه اگر كسي تلاش كند هم زمان وضعيت و گشتاور ذره‌اي را اندازه‌گيري كند هميشه نايقيني‌ها يا عدم دقت‌هايي وجود دارد. هايزنبرگ نتيجه گرفت كه اين نايقيني‌ها يا عدم دقت‌ها در اندازه‌گيري از جانب آزمايشگر نيست، بلكه خصلتي بنيادي دارد و ذاتيِ ويژگي‌هاي رياضي عملگرها در مكانيك كوانتومي است كه از تعريف اين عملگرها ناشي مي‌شود.
اغلب منتقداني كه به سرنوشت و تعين معتقد بودند و ويژگي‌هاي رايج نظريه‌هاي بوهر-هايزنبرگ را يك تهديد تلقي مي‌كردند اغلب از عبارت تفسير كپنهاگي مكانيك كوانتومي به جاي و به مثابه‌ي مترادفي براي اصل نايقيني هايزنبرگ استفاده مي‌كردند. در درون تفسير كپنهاگي مكانيك كوانتومي كه به طور وسيع اما نه عموماً پذيرفته شده (يعني اينشتاين يا فيزيكدانان ديگري مانند آلفرد لانده (Alfred Lande) آن را نپذيرفتند)، اصل نايقيني را به معناي آن مي‌گيرند كه در سطحي بنيادي، جهان فيزيكي نه به شكلي تعين‌گرايانه بلكه به صورت مجموعه‌اي از احتمالات وجود دارد؛ يا مثلاً الگوي توزيع احتمال را كه به وسيله‌ي ميليون‌ها فوتون ايجاد مي‌شود كه از ميان شكاف پراش (Diffraction slit) مي‌گذرند مي‌توان با استفاده از مكانيك كوانتومي محاسبه كرد، اما مسير دقيق هر فوتون را با هيچ روش شناخته شده‌اي نمي‌توان پيش‌بيني كرد. تفسير كپنهاگي بر آن است كه چنين مسيري را با هيچ روشي، حتي با اندازه‌گيري‌هايي كه از لحاظ نظري بي‌نهايت دقيق هستند، نمي‌توان پيش‌بيني كرد.
اگر كسي بيشتر به سوي تفسير مستقيم برود كه بر اساس آن فيزيك كلاسيكي و زبان عادي فقط تقريب‌هايي به واقعيت كاملاً كوانتومي هستند، آن گاه به اين تقريب‌ها احتمال‌هايي نسبت داده مي‌شود و ديگر بنيادي نيستند. معادلات مكانيك كوانتومي، خود، حالت كوانتومي هر سيستم منزوي را به طور يگانه مشخص مي‌سازند.

مكمليت:
انديشه‌ي مكمليت (complementarity) در مكانيك كوانتومي از اهميت اساسي برخوردار است. مكمليت حاكي از آن است كه نور مي‌تواند هم ذره‌اي و هم موجي باشد. هنگامي كه آزمايش دو شكاف انجام شد، نور در مواردي به مثابه‌ي موج و در برخي موارد مثل ذره عمل مي‌كرد. فيزيكدانان نظريه‌ي قانع‌كننده‌اي براي توضيح اين امر نداشتند تا نيلز بوهر و مكمليت از راه رسيدند. مكانيك كوانتومي اجازه مي‌دهد تا چيزهايي كه از نظر شهودي كاملاً متضاد يكديگر هستند بدون مشكل [با هم] وجود داشته باشند.

نظر اينشتاين درباره‌ي اهميت فلسفه‌ي فيزيك
اينشتاين به نتايج فلسفي كار خود بسيار علاقمند بود؛ دو نقل قول زير برخي از دلايل اين احساس وي را روشن مي‌سازند.
«من درباره‌ي اهميت و ارزش آموزشي روش‌شناسي و تاريخ و فلسفه‌ي علم كاملاً موافقم. امروزه افراد زيادي- و حتي بسياري از دانشمندان متخصص- به نظر من مانند كساني هستند كه هزاران درخت را ديده‌اند اما هرگز جنگل را نديده‌اند. آگاهي از زمينه‌ي تاريخي و فلسفي، به دانشمند آن نوع استقلال از پيشداوري‌هاي نسلي را مي‌دهد كه اغلب دانشمندان به آن دچارند. اين استقلال رأي كه با بصيرت فلسفي ايجاد مي‌شود- از نظر من- نشانه‌ي تمايز ميان صنعتگر يا متخصص صرف و جوينده‌ي راستين حقيقت است» نامه‌ي اينشتاين به رابرت ا. تورنتون Robert A. Thornton)، 7 دسامبر 1944؛ EA 61-574).
«چگونه مي‌شود كه دانشمند مستعد علوم طبيعي خود را به معرفت‌شناسي مشغول مي‌سازد؟ ايا كار ارزشمند ديگري در حوزه‌ي تخصص او وجود ندارد؟ من از بسياري از همكاران خود مي‌شنوم كه مي‌گويند چنين احساسي دارند و من اين امر را در بسياري ديگر احساس مي‌كنم. من نمي‌توانم در چنين حسي سهيم باشم ... مفاهيمي كه مفيد بودن‌شان در مسائل عادي اثبات شده است چنان اقتداري بر ما پيدا مي‌كنند كه ما مبادي زميني آن‌ها را فراموش مي‌كنيم و آن‌ها را به مثابه‌ي مفروضاتي تغييرناپذير مي‌پذيريم. به اين ترتيب، آن‌ها را «ضرورت‌هاي تفكر»، «مفروضات پيشيني» و مانند آن‌ها مي‌نامند.
چنين خطاهايي اغلب به مدتي طولاني مسير پيشرفت علمي را مسدود كرده‌اند. به همين دليل، اگر در تحليل مفاهيمي كه مدت‌ها معمول بوده‌اند و نمايش آن شرايطي كه وجاهت و فايده‌مندي آن‌ها به آن شرايط بستگي دارد و اين كه هر يك از آن‌ها چگونه از مفروضات تجربي سر مي‌زنند، تجربه پيدا كنيم اين تلاش به هيچ روي كاري بيهوده‌ نخواهد بود. با اين كار، اقتدار بسيار جدي آن‌ها از ميان خواهد رفت» (اينشتاين، 1916، «اعلاميه‌ي يادبود ارنست ماخ»، Physikalische Zeitschrift 17: 101-02).

ستارگان کوارکی و شبیه‌سازی مهبانگ

فیزیک‌دانان، وجود ستارگان عجیبی را پیش‌بینی می‌کنند که به‌جای ماده معمولی از کوارک تشکیل شده و در فضایی به اندازه یک عدد سیب و سنگینی دو برابر زمین، شرایط نخستین عالم را تداعی می‌کنند.

به گزارش نیوساینتیست، مواد فوق‌العاده فشرده و جاذبه شدید، باعث می‌شود تا این ستاره از درون منفجر شده و تبدیل به یک سیاهچاله شود. پیش از این تصور می‌شد که ستارگان نوترونی چگال‌ترین شکل ماده هستند که می‌توانند در برابر این انفجار مقاومت کنند، اما چند وقتی است که برخی فیزیک‌دانان احتمال وجود ستارگان کوارکی را مطرح کرده‌اند، بدین‌شکل که در برخی انفجارهای ابرنواختری، نوترون‌ها به ذرات تشکیل‌دهنده‌شان شکسته می‌شوند و جرمی بسیار چگال‌تر را ایجاد می‌کنند که تماما از کوارک تشکیل شده است.

دی‌چانگ‌دای، استاد فیزیک دانشگاه ایالتی نیویوک و همکارانش در مطالعه جدیدی نشان داده‌اند که مرگ ستارگان بسیار سنگین، می‌تواند به تشکیل ستارگان الکتروضعیفی منجر شود که بیش‌از هر جرم دیگری به مرز سیاه‌چاله‌ها نزدیک می‌شوند.

چگالی هسته لاشه این ستارگان این قدر زیاد است که می‌تواند به چگالی جهان در یک ده‌میلیاردیم ثانیه پس از انفجار بزرگ برسد. در چنین شرایطی، تفاوت نیروی مغناطیسی و نیروهای ضعیف هسته‌ای از میان می‌رود و این، به کوارک‌ها اجازه می‌دهد به ذرات شبح‌وار نوترینو تبدیل شوند و با پدیدآوردن فشار شدید، از رمبش بیشتر ستاره جلوگیری کنند. تمام این فعل‌وانفعالات در محدوده‌ای به اندازه یک سیب روی می‌دهد که دو برابر جرم زمین سنگینی دارد!

فراتر از محدودیت‌ها
این ستارگان ممکن است در داده‌های اخترشناسی به عنوان ستارگانی نوترونی ثبت شوند که سنگین‌تر از حد مجاز نظری ستارگان نوترونی هستند و بر خلاف ستارگان نوترونی، منبع انرژی درونی آن‌ها، مانع از سرد شدن این ستارگان با گذشت زمان می‌شود.

طبق محاسبه محققان، این ستارگان می‌توانند حداقل 10 میلیون سال دوام بیاورند. اما سانجای ردی از کتابخانه ملی لس‌آلاموس در نیومکزیکو معتقد است ستارگان در برابر رمبش و انقباض، مقاوم نیستند. وی در گفتگو با نیوساینتیست گفت: «این ایده جالب است، اما برای تشخیص محتمل بودن آن کار بیشتری باید انجام شود. اگر این ستارگان وجود داشته باشند، هسته آن‌ها تنها جایی در دنیای جدید است که ماده در آن به‌طور طبیعی به شرایط اولیه خود بازگشته است».

 مقاله سایت New Scientist در ادامه مطالب

لینک مقاله اصلی

ادامه نوشته

تاثیر ذره‌ی آفتابپرستی بر نیروی کازیمیر

در سال ۲۰۰۴ آماندا ولتمان و جاستین کوری از دانشگاه کلمبیا برای حل مساله‌ی انرژی‌ی تاریک پیش‌نهاد وجود ذرات جدیدی به نام ذرات آفتابپرستی را دادند. (مقاله سال 2004)

این‌ ذرات ریاکار هستند و مانند آفتابپرست خصوصیات خود را سریعا با محیط تغییر می‌دهند. به این خاطر به آنها ذرات آفتاب‌پرستی (chameleon particles) می‌گویند. در ابعاد کیهان‌شناسی که تقریبا خلا داریم این ذرات بر دینامیک فضا-زمان اثر می‌گذارند. در آزمایشگاه‌ها و در حضور ماده اثرات این ذرات کاهش می‌یابد و نامریی می شوند.
اضافه کردن هر میدانی٫ به دلیل افت و خیزهای کوانتمی‌، به صورت موثر انرژی‌ی خلا و در نتیجه نیروی کازیمییر که تابعی از انرژی‌ی موثر خلا است را تغییر می‌دهد. بر این اساس،‌ به تازگی گروهی بین‌المللی گزارش داده‌اند (مقاله سال جاری) که اگر ذره‌ی آفتابپرستی وجود داشته باشد، آنگاه انرژی‌ی موثر خلا بسته‌گی به میزان ماده در محیط دارد. آنها پیش‌نهاد داده‌اند که اگر نیروی‌کازیمیر بین دو صفحه‌ی صاف را برای چگالی‌های مختلف گازی بین دو صفحه اندازه بگیریم، تغییرات نیروی کازیمیر بر حسب تغییرات چگالی گاز بین دو صفحه، اطلاعاتی در مورد ذره‌ی آفتابپرستی در خود دارد. این تغییرات می‌تواند وجود این ذره را ثابت کند یا قیدهایی دقیق بر خصوصیات این ذره بگذارد. این روش آنقدر ساده و زیبا است،‌ که به احتمال زیاد آزمایشگرها برای اتجام آن خیلی زود دست به کار خواهند شد.

Hubble's Lagoon

Lagoon Nebula

Like brush strokes on a canvas, ridges of color seem to flow across the Lagoon Nebula, a canvas nearly 3 light-years wide. The colors map emission from ionized gas in the nebula were recorded by the Hubble Space Telescope's Advanced Camera for Surveys. Also known as M8, the nebula is a star-forming region in the constellation Sagittarius. Hubble's remarkably sharp, close-up view reveals undulating shapes sculpted by the energetic light and winds from the region's new born stars. Of course, the Lagoon Nebula is a popular target for earthbound skygazers, too.

Image Credit: NASA

مدرکی جدید برای توضیح معمای هستی

نظریات فیزیک بیان می‌دارند که مقدار ماده و پادماده در جهان باید برابر باشد، این درحالی است که می‌دانیم در دنیای ما خبری از پادماده نیست. فیزیک‌دانان فرمی‌لب حدس می‌زنند پاسخ این معما را یافته‌اند.

سالیان سال است که دانشمندان به دنبال کشف معمای هستی هستند. اخیرا (مقاله مربوط به ماه می میلادی می باشد.) فیزیک‌دانان آزمایشگاه ملی شتابدهنده فرمی در ایالات متحده توانسته‌اند مدارکی جدید کشف کنند که شاید بتواند در حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای گیتی کمک کند، این‌که چرا جهان به جای پادماده از ماده تشکیل شده است؟ اگر این مدرک تایید شود، می‌تواند توضیحی منطقی برای این سئوال دیرینه ارایه کند.

بد نیست بدانید که در یک دنیای کاملا متقارن ریاضی، ما اصلا نباید وجود داشته باشیم. طبق قوانین نسبیت انیشتن و مکانیک کوانتومی، وقتی انفجار بزرگ در حدود 14 میلیارد سال پیش رخ داد، مقادیر مساوی از ماده و پادماده تولید شده که بلافاصله می‌بایست همدیگر را خنثی می‌کرده‌اند؛ اما امروز ما وجود داریم و می‌دانیم که ستارگان و کهکشان‌های بسیار زیاد دیگری هم وجود دارند که همگی از ماده تشکیل شده‌اند. به همین دلیل فیزیک‌دان‌ها و خیلی‌های دیگر به‌شدت دوست دارند بدانند که چرا ما وجود داریم و چه بلایی سر آن‌همه پادماده آمده است؟

به گزارش نیویورک تایمز، فیزیک‌دانان آزمایشگاه فرمی که تا سال گذشته قوی‌ترین شتاب‌دهنده ذرات در دنیا را در اختیار داشتند، با هدف دست‌یابی به پاسخی برای این سئوال، گروهی را به نام دی‌زیرو (DZero) تشکیل دادند و با بررسی اطلاعات حاصل از برخورد پروتون‌ها و پادپروتون‌ها دریافتند که در گوی‌های آتشین برجامانده از برخورد، به جای تولید تعداد مساوی زوج ذره میون و پادمیون، میون‌ها اندکی بیشتر از پادمیون‌ها تولید می‌شوند که موجب می‌شود دنیای مینیاتوری درون شتاب‌دهنده از حالت خنثی به این سمت برود که یک درصد ماده بیشتر به جای پادماده داشته باشد.

به گفته گنادی بوریسوف، عضو این تیم تحقیقاتی از دانشگاه لانکستر انگلیس، چنین نتیجه‌ای می‌تواند اطلاعات مهمی برای این موضوع باشد که چرا در دنیای ما ماده بر پادماده غالب است. ما حدس می‌زنیم که اتفاق مشابهی در نخستین آتوثانیه‌های پس از مهبانگ (اگر یک ثانیه را به هزار میلیارد قسمت تقسیم کنیم، هر یک از آن‌ها معادل یک آتوثانیه خواهد بود) روی داده باشد.

اولین کسی که راجع به غلبه ماده بر پادماده در ابتدای جهان استدلال کرد، یک فیزیکدان روس به نام اندری ساخاروف بود. او گفت که تفاوت بسیار کمی در خصوصیات ذرات و پادذرات وجود دارد که وقتی بارها و چرخش ذرات معکوس می‌شود، باعث رفتار اندک متفاوت آن‌ها خواهد شد. سال‌ها بعد فیزیک‌دانان دیگری هم توانستند مثالهایی برای این موضوع در واکنش‌های بین ذرات درون اتمی پیدا کنند، اما این مثال‌ها هنوز هم برای توضیح وجود ما کافی نبود.

دکتر گوستاو بروجمانز، یکی دیگر از اعضای تیم دی‌زیرو، راجع به اثر جدید گفته است که این اثر به رفتار بسیار عجیب ذراتی تحت عنوان "مزون‌های ب خنثی" بستگی دارد. به گفته وی این ذرات هزاران میلیارد بار در ثانیه بین حالت عادی خود و حالت پادماده در نوسان هستند. اما به نظر می‌رسد مزون‌هایی که در برخورد پروتون-پادپروتون تولید می‌شوند، کمی سریع‌تر از دیگر حالت‌ها از حالت پادماده به ماده منتقل می‌شوند و همین امر به برتری یک درصدی ماده بر پادماده منجر می‌شود.

دکتر بروجمانز در ادامه افزود که حتی اگر این یافته بتواند توضیحی کافی برای وجود ما باشد، هنوز هم یک سئوال بی‌پاسخ دیگر باقی است: «دلیل این رفتار اسرارآمیز مزون‌های بی چیست؟ شاید بهترین توضیح این باشد که برخی از ذرات جدید و یا برخی از انواع جدید از تعاملات بین ذرات در مدل استاندارد پیش‌بینی نشده‌اند».

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت سوم

برهم کنشهای ضعیف:

برهم کنشهای ضعیف، به رفتار الکترونها و همتای نوترینوی آنها مربوط می شوند. ذراتی که برهم کنش ضعیف دارند، به طور کلی «لپتون» نامیده می شوند. از همه ذراتی که در جهان وجود دارند، شاید نوترینو ها بیشتر از همه کنجکاوی انسان را برانگیخته باشند؛ زیرا از همه ذرات دیگر، گریزانترند. این ذره، بار الکتریکی و احتمالا جرم ندارد و آشکارسازی آن فوق العاده مشکل است. در سال 1930، ولفگانگ پائولی، به دلایل کاملا نظری، وجود این ذره را پیش بینی کرد تا بتواند از دست رفتن عجیب انرژی را در واپاشی رادیواکتیو توضیح دهد. پائولی نظر داد که این انرژی از دست رفته، به ذره جدیدی که در آزمایشها دیده نمی شود، انتقال یافته است. در سال 1933، فیزیکدان ایتالیایی انریکو فرمی، اولین نظریه جامع این ذره را منتشر کرد. وجود نوترینو سرانجام در سال 1953 در آزمایشی دشوار که مستلزم بررسی تابش عظیم ناشی از یک راکتور هسته ای بود، تایید شد. پس از کشف نوترینو، مخترعان طی سالها سعی کردند که راهی برای استفاده عملی از نوترینو پیدا کنند؛ جالبترین طرحها؛ تلسکوپ نوترینو و بمب نوترینو بود.

علاوه بر نوترینو، معمای برهم کنشهای ضعیف با کشف ذرات برهم کنش کننده دیگر مانند «مئون» عمیقتر شد. در سال 1937، زمانی که این ذره در عکس های پرتوهای کیهانی کشف شد، مانند یک الکترون ولی دویست بار سنگینتر از آن نمایان شد که برای هر منظور و هر مقصودی می توانستیم آنرا همچون الکترون سنگینی به کار ببریم. این تحولات زمانی وخیم تر شد که در سال 1962، فیزیکدانان با استفاده از اتم شکن بروکهاون در لانگ آیلاند آمریکا نشان دادند که مئون نیز همتای مشخصی برای خود به نام نوترینوی مئونی دارد. آزمایشهای سال های 1977 و 1978 در دانشگاه استانفورد آمریکا و دانشگاه هامبورگ آلمان، وجود یک نوع الکترون دیگر را تایید کرد که وزن آن سه هزار و پانصد برابر جرم الکترون بود. این ذره «تاو» نامیده شد. اکنون سه نوع الکترون وجود داشت که هر یک نوترینوی خود را داشت و همه به استثنای جرمشان، از خانواده الکترون بودند. حال دیگر ایمان فیزیکدانان به ساده بودن طبیعت با موجودیت سه زوج خانواده لپتونها، متزلزل شده بود.

فیزیکدانان که با مسئله برهم کنشهای ضعیف مواجه شده بودند، روشی مشابه با نظریه الکترودینامیک کوانتومی برگزیدند. بر اساس مبانی الکترودینامیک کوانتومی، نیروی بین الکترونها با تبادل فوتونها توضیح داده می شود؛ بر پایه همان دلایل، فیزیکدانان حدس زدند نیروی بین الکترونها و نوترینوها با تبادل یک دسته از ذرات جدید که ذرات W نامگذاری شدند، به وجود می آید. با این وجود، مشکل این بود که این نظریه قابل بازبهنجارش نبود و بینهایتهای موجود در این نظریه، از ذرات واسطه W نشات می گرفت که برخلاف فوتونها در الکترودینامیک کوانتومی، تقارن پیمانه ای نداشتند.

در سال های 1967 و 1968؛ استیون واینبرگ، عبدالسلام و شلدون گلاشو، تشابه شگفت انگیزی بین فوتون و ذره W مشاهده کردند که به خلق نظریه جدیدی منجر شد که توانست اتحاد بین نیروهای ضعیف و الکترومغناطیسی را بر اساس یک تقارن جدید ریاضی برقرار کند؛ در این نظریه ذره W از عالیترین شکل تقارنهای پیمانه ای که در آن زمان موجود بود [SU(2)×U(1)] و از تئوری میدان یانگ میلز نشات گرفته بود؛ استفاده می کرد. این نظریه همچنین با الکترون و نوترینو، به صورت تقارنهای یک خانواده رفتار کرد، اما توضیحی برای اینکه چرا سه خانواده الکترون وجود دارند، ارائه نمی داد.

نهایتا پس از سه دهه، یک دانشجوی بیست و چهار ساله دوره کارشناسی ارشد به نام گراد، ت. هوفت توانست اثبات کند که نظریه یانگ میلز بازبهنجارش پذیر است. اما حتی هنوز نیز فیزیکدانان کاملا درک نکرده اند که تقارنهای موجود در نظریه یانگ میلز، چگونه بینهایتهای نظریه ذره W را حذف کرده اند. این رخداد، همانگونه که قبلا نیز توضیح داده شد، تاثیر متقابل تقارن و بازبهنجارش است.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

گریزی بر نظریه اورت درباره جهان های موازی

این پست اختصاص به پاسخ سوالی که یکی از علاقه مندان مطرح کرده اند دارد. سوال مطرح شده مربوط به پست جهان موازی اثبات شد است. سوال: در آزمایش مطرح شده کاسه مخروطی و براده؛ منظور از اینکه ماده در زمان واحد حرکت کرده و متوقف می شود چیست؟
علاقه مندان و خوانندگان عزیز؛ در ابتدا این نکته را مد نظر داشته باشید که اصولا برای درک یک آزمایش بایستی آن آزمایش را به طور کامل مطالعه کرد. چیزی که ما در اینجا از آن یاد کردیم، استفاده از این آزمایش برای توضیح یک سری از مفاهیم بوده است. اما سعی بنده بر این است که مقاله ایی که این آزمایش در آن چاپ شده است را در اختیار علاقه مندان قرار دهم.

مسئله دیگری که وجود دارد، این است، از آنجایی که بحث جهانهای موازی شامل مفاهیمی از فیزیک کوانتومی، فلسفه مکانیک کوانتومی و حتی در بعضی از موارد نیز احتیاج به مفاهیم متافیزیکی دارد بایستی بتوانیم این مفاهیم درک کنیم.

در این پست؛ هدف ایراد توضیحاتی مفصل درباره مفاهیم ابتدایی جهانهای موازی و مکانیک کوانتومی است و امید بر این است که با این توضیحات علاوه بر آشنایی بیشتر علاقه مندان با نظریه جهانهای موازی، پاسخ سوال دوست عزیزم «صبـا» رو هم داده باشم.(لازم به ذکر است؛ تصاویری که استفاده شده، از کتاب «فرد آلن ولف» با عنوان «متافیزیک، از دیدگاه فیزیک؛ زمان و جهانهای موازی» استخراج شده است.)

در ابتدا باید گفت؛ همانطور که بر طبق مکانیک کوانتومی میدانیم، تعیین مکان دقیق یک ذره امکان پذیر نیست (اصل عدم قطعیت) بعبارتی دیگر و به عنوان مثال؛ یک الکترون هم میتواند در یک تراز اتمی مفروض باشد و هم نباشد! حال میتوان گفت که آزمایش جدید تعمیمی بر این اصل است به نحوی که ذره هم میتواند حرکت کند و هم ساکن باشد! و همچنین بدین دلیل است که ما در مکانیک کوانتومی از احتمال حضور ذره صحبت میکنیم.

حال این موضوع را بسط داده و مبحث را با رفتار الکترون در ترازهای اتمی شبیه سازی میکنیم.

 

*** برطبق این شکل؛ حرکت هر الکترون در هسته، بر حرکت سایر الکترونها دیگر تاثیر گذار است.

 

 

*** الکترون بطور همزمان ترازهای زیادی برای حرکت و جابجـایی می بیند.

 

*** چیزی که ما از آن به عنوان تراز اتمی و یا اوربیتال اتمی یاد میکنیم صرفا مربوط به یک تک الکترون نیست و بایستی تمام الکترونهای یک اتم را در نظر داشته باشیم. (مدل ابر الکترونی) این الکترونها در ترازها قوانین حرکت خاص خود را دارند.

برای توضیح بیشتر؛ ابتدا لازم است که بداینم، رویه شکل گیری هر جسم قبل از اینکه ماده شکل خارجی به خود بگیرد شروع میشود که فیزیکدانان کوانتوم آنرا فاز «پیش ماده» مینامند؛ تابع موج کوانتومی. و این خود دلیلی بر این است که در مکانیک کوانتومی، توالی زمانی مفهوم خود را از دست میدهد. یکی از عقاید منتج از فیزیک کوانتومی، قضیه اورت درباره جهانهای موازی است. اورت در پایان نامه دکترای خود بر آن شد که موج کوانتومی را به عنوان نشانگر احتمال وقوع اتفاق در نظر نگیرد، بلکه آن را چیزی بداند که حقیقتا واقع میشود. بدین علت این مسئله تا این حد گیج کننده است که موج، جریان را در فضا زمان همه رویدادهای محتمل نمایش میدهد، حتی اگر رویدادها باهم در تناقض باشند!!! مثلا، وقتی سکه ای را به هوا ی اندازید، از یک طرف بر زمین می نشیند و شما یک روی آنرا می بینید، هرگز همزمان دو روی سکه دیده نمیشود. ولی موج کوانتومی سکه، همیشه احتمال برابری از نمایش هر دو روی آن ارائه میدهد.

حال سوال این است که چگونه موج کوانتومی میتواند واقعیت را نمایش دهد؟ اورت و پیروانش به این نتیجه رسیدند که برای هر احتمالی، جهانهای موازی وجود دارد که در انجا تمامی احتمالات مختلف به صورت حقیقی اتفاق می افتد. بنابراین، در یک جهان، سکه از یک رو بر زمین می افتد و در جهان دیگر از روی دیگر. و حتی شگفت انگیز تر اینکه، شما در هر دو جهان نظاره گر سرنوشت سکه هستید!  و در هر دو جهان حاضرید.!!!

و سوال بعدی که مطرح میشود این است که؛ آیا این جهانهای مجزا برهم اثر نمی گذارند؟ در حقیقت اثر می گذارند؛ این اثر گذاری متقابل آنهاست، یا به تعبیر بهتر، جمع اثر آنهاست که احتمالهای جدیدی را می آفریند. به عبارت دیگر؛ با افزودن شاخه های متفاوت موج به یکدیگر، جایی که هر شاخه مربوط به جهان خودش است، می توانیم جهان جدیدی ایجاد کنیم.

و در پایان ضروری است که بدانیم؛ هیچ جهانی برای جهان دیگر لزوما شناخته شده نیست و هر نتیجه در جهانی متفاوت روی میدهد.. پس هر جنبه «مـا و یا شما» فقط از جهان خودش آگاه است. اگر هر دو جنبه به هم برسند، آنگاه همه نتایج ممکن حاصل از برهم کنش واقعا رخ میدهد!

The Expanding Universe

پرسش و پاسخ؛ دنباله دارها

اولین سوال مهرماه ...

دنباله دارها عموما یک دم غبار دارند که متشکل است از ذرات غباری که در اثر فشار نور خورشید به طرف مخالف خورشید رانده میشود. چرا این دم اغلب خمیده است؟

جستجو برای یافتن ماده تاریک در دل خورشید

تا به امروز فیزیک‌دانان موفق نشده‌اند شواهد مستقیمی حاکی از وجود ماده تاریک – ماده‌ای که تابش نمی‌کند و تصور می‌شود که حدود 23 درصد از جرم جهان را تشکیل میدهد – بیابند. هر چند مشاهدات ستاره‌شناسی به طور غیر مستقیم، نشان از وجود ماده تاریک دارند، اما هنوز آزمایشی روی زمین به طور مستقیم و قطعی فرضیه وجود ماده تاریک را تأیید نکرده‌است.

ایلیدو لوپِس (Ilidio Lopes ) عضو دانشگاه فنی لیسبون و دانشگاه اِوُرا در پرتغال و جوزف سیلک (Joseph Silk ) از دانشگاه آکسفورد مدعی شده‌اند (لینک مقاله منتشر شده) که چنین مشاهده‌ای را شاید بتوان روی خورشید، انجام داد. بدین دلیل که میدان گرانشی عظیم این ستاره طبق محاسبات، باید ذرات سنگین با کُنِش ضعیف (WIMP ) را به درون خود ببلعد. وقتی این ذرات به دام هسته خورشید افتادند، قاعدتا با پروتون‌ها برخورد می‌کنند، مقدار کمی انرژی کسب می‌کنند و تدریجا از گرمای درون خورشید می‌کاهند. در نتیجه توزیع دما در فواصل مختلف از مرکز خورشید، در حضور یا غیاب ماده تاریک، باید متفاوت باشد.

برای مشاهده این الگوهای متفاوت طرحی تهیه شده که بر اساس توزیع دما مبتنی بر مشاهده نوترینوهایی است که از برهم‌کنش‌های هم‌جوشی مختلف داخل خورشید، تولید شده‌اند. نکته کلیدی در این است که این برهم‌کنش‌ها در فواصل متفاوتی از مرکز خورشید رخ می‌دهند. مثلا بورون 8 در شعاع 4 درصدی از مرکز و برهم‌کنش منتهی به تولید نیتروژن 13 در شعاع 16 درصدی از مرکز خورشید رخ می‌دهد. در نتیجه برای انجام این آزمایش، باید شار نوترینوهای خورشیدی اندازه‌گیری شود و در طیف انرژی آنها، تمایزی مشاهده گردد.

این دو فیزیک‌دان با مفروض گرفتن برخی از خواص ذرات ویمپ (WIMP ) نظیر جرم، قدرت برهم‌کنش با باریون‌ها (baryon ) و احتمال نابودی مشترک این دو نوع ذره، به کمک محاسبات کامپیوتری پیش‌بینی کرده‌اند که وجود ماده تاریک تا 30 درصد باعث افزایش شار نوترینوهای حاصل از واکنش‌های بورونِ 8 شود، و شار نوترینوهای حاصل از واکنش‌های پروتون با پروتون، حدود 2 درصد کاهش یابد. این نتایج، با تحلیل اخیر مارکو تائوسو (Marco Taoso ) و همکارانش در دانشگاه والنسیای اسپانیا که با روش و کد محاسباتی اندگی متفاوت انجام شده بود هم خوانی دارد.

البته شایان ذکر است که برخی از پژوهشگران نظیر جیان‌پائولو بِلینی (Gianpaolo Bellini ) در آزمایشگاه گران ساسو (Gran Sasso ) و دِیو وارک (Dave Wark ) از ایمپریال کالج لندن معتقدند که هنوز مشاهدات بیشتری لازم است تا بتوان در مورد این پیش‌بینی‌ها نظر دقیق‌تری ارائه کرد. وارک می‌گوید حتی اگر چنین تفاوت‌های در جریان نوترینوهای خورشیدی مشاهده شود، علت آن شاید عدم درک کامل ما از واکنش‌های درون خورشید باشد و نه وجود ماده تاریک.

متن اصلی مقاله را در ادامه مطالب بخوانید.

ادامه نوشته

Measuring the Magnetism of Light

Light is a wave of both electric and magnetic fields, but when these waves strike matter, the weaker effect of the magnetic component has been nearly impossible to detect directly. Now two groups have independently demonstrated that a tiny, metallic probe will interact strongly with the magnetic field of light waves trapped in a sort of semiconductor "box." As described in a pair of papers in the 17 September Physical Review Letters, a similar set-up could be used either to measure the high frequency magnetic properties of individual nano-scale objects, or to map the magnetic field inside so-called metamaterials that can control light in new ways.

When light interacts with matter, the dominant action is often a "shaking" up and down of electrons in response to the electric field. This interaction is typically 10,000 times larger than the "swirling" action from a light wave's magnetic field. The case is different in metamaterials, which contain small components like metal rings that are often tailored to have an enhanced response to magnetic fields. Thanks to this sensitivity, light traveling through a metamaterial can bend in unusual ways, making feasible such devices as super-lenses and invisibility cloaks.

Previously, researchers could measure the magnetic interaction between light and some form of matter only by subtracting the dominant electric interaction from the total effect of the light. Now two experimental groups have managed to directly isolate the magnetic field effect. They worked with a type of 2-dimensional device called a photonic crystal microcavity. The crystal is fabricated by perforating a thin layer of semiconductor with a pattern of tiny holes, like a micron-sized punch card. The cavity is made by leaving a small region "un-punched" and letting the surrounding lattice of holes act like mirrored walls that keep infrared light bouncing around in the cavity as standing waves.

In the last few years, researchers have been characterizing the trapped light in photonic cavities by bringing the tip of a needle-shaped optical fiber within nanometers of the surface. This probe perturbs the electric field and shifts the trapped light to longer wavelengths. The new experiments used a fiber tip coated with a thin layer of aluminum that covers all but the very bottom of the tip. This "tube" of metal acts like a ring a few hundred nanometers across.

Both research teams were at first surprised to find that these metal rings caused a blue-shift in the trapped light. But later they realized that according to classical electrodynamics, the light's oscillating magnetic field induces a current in the tip's metallic ring, which creates a secondary magnetic field that points in the opposite direction to the original. This field cancels out some of the magnetic field in the cavity and thereby reduces the volume for the trapped light. Less volume means shorter, bluer wavelengths. "It's like playing guitar," says Tobias Kampfrath of the FOM Institute for Atomic and Molecular Physics (AMOLF) in Amsterdam. "If you make the guitar strings shorter, the resonant wavelengths will shorten as well."

A team including Kampfrath, AMOLF's Kobus Kuipers, and others, was able to measure a blue-shift of about 0.03 percent with their cavity and probe. They combined this with an estimate for the cavity's maximum magnetic field to obtain the magnetic properties of their nano-sized ring. The results matched theoretical expectations, so the authors suggest this method could be used to measure the magnetic response of other small objects, such as carbon nanotubes or even single atoms. They also recently performed a variant on this experiment, in which they used a tip with an open ring to probe the magnetic field of propagating (untrapped) light.

The other group's experiment was similar, except that they gleaned different information from the magnetic interaction. Instead of measuring the ring's properties, Silvia Vignolini, now at the University of Cambridge, Diederik Wiersma of the European Laboratory for Non-linear Spectroscopy (LENS) in Florence, Italy, and their collaborators, scanned their metal-coated tip over the photonic crystal surface to construct an image showing the spatial patterns of the magnetic field.

"The imaging itself is nice," says Claus Ropers, of the University of Göttingen in Germany, "but the real breakthrough of these works lies in the quantitative extraction and potential control over local magnetic interactions and coupling strengths." Harald Giessen of the University of Stuttgart compares the experiments to the late 19th century work of Heinrich Hertz, who used a ring-shaped antenna to map the magnetic fields of radio waves. Giessen believes these new probing techniques will prove useful in the fabrication of novel optical devices.

لینک منبع

چهارمین همایش ملی نجوم و اخترفیزیک

لینک همایش

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت دوم

نظریه میدان کوانتومی:

از دهه 1930، فیزیکدانان خود را وقف حذف بینهایتهای نظریه میدان های کوانتومی کردند. این نظریه برای بازسازی مدلهای کوانتوم مکانیکی؛ سیستمهایی مهیا می کند که در فیزیک کلاسیک با میدانها یا سیستمهای بس ذره ای توصیف می شود. تصویر کلاسیکی از «همه چیز به شکل ذرات و میدانهاست» در نظریه میدان های کوانتومی به صورت «همه چیز ذره است» و یا در نهایت «همه چیز میدان است» در می آید. همچنین این نظریه که اولین اتحاد مکانیک کوانتومی و نسبیت شناخته می شود، در ابتدا دارای یک رشته نتایج بی معنا بود. به عنوان مثال؛ هر گاه فیزیکدانان سعی می کردند رویدادهایی را که در اثر برخورد الکترونهایی با سرعت بالا بوجود می آید، محاسبه کنند، استفاده از این نظریه، آنها را به مقادیر بینهایتی برای این برخورد مواجه می کرد! در سال 1949، فاینمن با استفاده از تقارنهای ریاضی که نقش بسیار مهمی در از بین بردن بینهایتها در نظریه میدان کوانتومی دارند؛ توانست اولین اتحاد موفقیت آمیز نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی را که به نظریه «الکترودینامیک کوانتومی» شهرت دارد؛ به وجود آورد و در سال 1965 جایزه نوبل فیزیک را به خود اختصاص دهد.

الکترودینامیک کوانتومی به طور موفقیت آمیزی توانست با حذف بینهایتهای موجود در نظریه میدان کوانتومی، برهمکنشهای فوتون و الکترون را بررسی کند. در راستای تحقق این نظریه، فاینمن شروع به پیش بینی عددی رویداد برخورد ذراتی مانند الکترون یا اتمها با یکدیگر کرد. فیزیکدانان موقعی که چنین برخوردی را تشریح می کنند، از عبارت ماتریس S استفاده می کنند. این ماتریس از تعدادی از اعداد تشکیل شده است که تمام اطلاعات مربوط به رویدادهای پس از برخورد را در بر می گیرد. این ماتریس به ما می گوید که چه تعداد از ذرات، در یک زاویه خاص پراکنده خواهند شد و چه مقدار انرژی خواهند داشت. محاسبه ماتریس S اهمیت فراوانی دارد؛ زیرا اگر ماتریس S کاملا شناسایی شود، از نظر اصولی، پیش بینی تقریبا همه خواص ماده امکان پذیر خواهد بود. در دهه 1940، فاینمن با اشکالی که رویدادهای برخورد الکترونها با یکدیگر را نشان می داد (نمودارهای فاینمن) توانست بینهایتهای موجود در نظریه را حذف کند. تعداد این نمودارها، بینهایت است که هر کدام یک عبارت ریاضی را مشخص می کنند و اگر آنها را با یکدیگر جمع کنیم، ماتریس S را بوجود می آورند.

راه حل فاینمن با وجود اینکه با عکس العمل های متضادی مواجه شد، کاملا جدید بود. الکترودینامیک کوانتومی، نظریه ایی دو پارامتری است: بار و جرم الکترون. علاوه بر نسبیت خاص، اکنون معادلات ماکسول تقارن دیگری به نام «تقارن پیمانه» ای را دارا می شد که به فاینمن اجازه می داد تا مجموعه بزرگی از نمودارها را مجددا گروه بندی کند. سرانجام او دریافت که می تواند به سادگی بار و جرم الکترون را به نحوی باز تعریف کند که بینهایتها جذب یا حذف شوند. (باز بهنجارش) از دیدگاه منتقدین؛ استفاده از یک دسته از بینهایتها (که از حلقه ها بر می خیزند) برای حذف یک دسته دیگر از بینهایتها (که از بار و جرم ناشی می شوند) به نظر نامعقول و صرفا یک ترفند به نظر می رسید. به نظر دیراک؛ نظریه بازبهنجارش برای اینکه نمایش یک جهش واقعی عمیق از درک ما از طبیعت باشد، ناهنجار بود. اما نتایج تجربی، قابل نفی نبود. در دهه 1950، نظریه جدید بازبهنجارش فاینمن به فیزیکدانان اجازه داد که با دقت غیر قابل باور، ترازهای انرژی اتم هیدروژن را محاسبه کنند. هیچ نظریه دیگری، به دقت حیرت انگیز محاسبه با الکترودینامیک کوانتومی حتی نزدیک نشد. با وجود اینکه این نظریه تنها برای الکترون و فوتون کاربرد دارد (نه برای نیروهای ضعیف و قوی)، موفقیت آن بدون شک چشمگیر بود. [این تاثیر متقابل بین تقارن و بازبهنجارش که همواره دیده می شود، یکی از اسرار بزرگ فیزیک است.]

با وجود موفقیتهای قواعد فاینمن در فیزیک، دهه های 1950 و 1960، دهه های ابهام انگیزی بودند که شاخص آنها نقطه های شروع پر از اشتباه بود. قواعد فاینمن برای بازبهنجارش برهم کنشهای قوی و ضعیف کافی نبودند. سرانجام پس از دو دهه آشفتگی، کشف غیر منتظره کلیدی در زمینه برهم کنش های ضعیف به عمل آمد.

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

Does dark matter trigger strange stars؟

The energy needed to convert a neutron star into a so-called strange star may come from annihilating dark-matter particles. That is the conclusion of a new study by physicists in Spain, the UK and the US, who propose that this conversion mechanism may be a good way to put a lower limit on the mass of weakly interacting massive particles (WIMPs), a leading candidate for dark matter.

Once their nuclear fuel has burnt up, stars below a certain mass collapse to form neutron stars. These incredibly dense objects consist almost entirely of neutrons, the gravitational collapse having forced protons and electrons to merge. It has been proposed, however, that, given some kind of source of additional energy, neutron stars can convert to strange stars, objects consisting of strange matter – a soup of unbound up, down and strange quarks.

The idea is that adding this energy to a certain limited volume of the neutron star will unlock the up and down quarks confined inside the neutrons. Some of these quarks will then naturally convert into strange quarks, producing a region of strange matter known as a strangelet. If, as has been hypothesized, strange matter is in fact more stable than normal, nuclear, matter it will exist a lower energy. The excess energy given off by the conversion of normal matter into strange matter then unlocks more up and down quarks, leading to the creation of more strangelets.

Illustration of a neutron star and a strange quark star showing the relative sizes and the constituent quarks. (Courtesy: CXC/M Weiss)

The result is a runaway process capable of converting an entire neutron star into strange matter within a second or less. "The neutron star is metastable, like someone on a mountain ledge," explains Joseph Silk of the University of Oxford who was involved in the work. "Just as a little kick can push that person off the ledge and send them to the bottom of the mountain, so a little energy is enough to transform a neutron star into a strange star."

Does strange matter exist?

While there is no clear evidence that strange matter actually exists, the observation of extremely brief but ultra-bright bursts of gamma rays from the cosmos suggests the existence of strange stars. Researchers have proposed that the enormous power needed to produce a gamma-ray burst could come from the formation of a black hole, but the large numbers of particles of normal matter surrounding a black hole could absorb much of that energy. The conversion of a neutron star into a strange star, however, could provide the required energy but without the surrounding matter.

However, that still leaves the question of where the neutron star gets its initial spark of energy. Some have suggested it simply comes from the energy of collapse or from very high-energy cosmic rays colliding with the star. Silk, however, points out that the former mechanism requires neutron stars to have a minimum mass and maintains that the latter mechanism is problematic because, he says, it would be unlikely to dump energy in the middle of the star, which is where it is needed to initiate the chain reaction.

Instead, Silk, Angeles Perez-Garcia of the University of Salamanca and Jirina Stone of the University of Tennessee, have calculated that annihilating WIMPs, which can accumulate in the centre of stars, could provide this energy. If confirmed, the mechanism would provide a new, independent lower limit for the mass of a WIMP. This is approximately 4 GeV (gigaelectronvolts), half of the minimum energy that the trio calculate is needed to initiate the neutron star conversion in this way (with each WIMP providing half of the mass-energy in each collision).

New way to find WIMPs

With direct, ground-based dark matter searchers able to go down to about 50 GeV, Silk says that this new approach could provide a useful complement to existing experiments. He points out that theory does not favour a WIMP mass of between 4 and 50 GeV but that a figure of about 10 GeV has been suggested by the recent, contested, results from ground-based detectors.

The team claims that two lines of observation could support their thesis and thereby help place a new limit on the mass of WIMPs. One would involve measuring the mass and radius of a strange star, obtained by studying the radiation of pulsars, and comparing these values with the predictions made by their model and those of alternative models. Evidence could also be obtained by creating and then measuring strangelets at the Relativistic Heavy Ion Collider in the US or in the Large Hadron Collider at the CERN laboratory near Geneva.

Paolo Gondolo of the University of Utah in the US believes that the new mechanism is plausible but has his doubts as to whether it could be used in the search for dark matter. "Even if a strange star is detected it might be hard to tell if it was formed by dark matter annihilation," he says.

Cautious support for the dark-matter mechanism also comes from Dejan Stojkovic of the State University of New York in Buffalo, who says that this process "might be realized in nature". But he maintains that the stability of the strange star in this scenario must be investigated. "If WIMP annihilation is too quick or too slow, the star may never reach thermodynamic equilibrium," he says.

لینک خلاصه مقاله

نوبل فیزیک 2010 برای کشف کامل‌ترین ماده روی زمین

جایزه نوبل فیزیک 2010 به طور مشترک به دو استاد دانشگاه منچستر در انگلیس به خاطر مطالعات نوآورانه‌شان در مورد گرافن رسید. گرافن، ماده‌ای جدید با کامل‌ترین ساختار بلوری است که دریچه تازه‌ای را در نانوتکنولوژی گشورده است.
آکادمی سلطنتی علوم سوئد، تصمیم گرفت جایزه نوبل فیزیک امسال را به آندره گیم و کنستانتین نووسلوف، هر دو از دانشگاه منچستر انگلستان برای آزمایش‌هایی که بر روی ماده دوبعدی گرافن داشتند، اهدا نماید.

کامل‌ترین شبکه اتمی
یک ورقه نازک از کربن معمولی،‌ آن‌هم با ضخامت تنها یک اتم، برنده جایزه نوبل فیزیک امسال را تعیین کرد. اندره گیم و کنستانتین نووسلوف نشان دادند که کربن در این شکل مسطح خاص، ویژگی‌های بسیار متفاوتی دارد که ریشه در دنیای فیزیک کوانتومی دارند.

گرافن در حقیقت همان کربن است، اما به عنوان یک ماده، کاملا جدید است و هم لقب نازک‌ترین و هم لقب قوی‌ترین ماده را از آن خود ساخته است. وقتی پای رسانایی جریان الکتریکی در میان باشد، به اندازه مس رسانا است. اما در رسانایی گرما تمام مواد وجود دیگر را پشت سر می‌گذارد و بالاترین عملکرد را به خود اختصاص می‌دهد.

گرافن تقریبا کاملا شفاف است. با این حال هنوز به اندازه‌ای تراکم دارد که حتی هلیوم که دارای کوچک‌ترین مولکول‌های گازی است، نمی‌تواند از آن عبور کند. با این که تقریبا هر آن‌چه روی زمین مربوط به حیات است و ما می‌شناسیم از کربن منشا گرفته، اما کربن با این شکل جدید خود همه را شگفت‌زده کرده است.

گیم و نووسلوف، گرافن را از یک تکه گرافیت معمولی، مثل همان ماده‌ای که در همه مدادهای معمولی یافت می‌شود،‌ به دست آوردند. آن‌ها با یک نوار چسب معمولی سعی کردند لایه‌ای از کربن را با ضخامت تنها یک اتم به دست بیاورند. در آن زمان بسیاری باور داشتند که این کار غیرممکن است، چراکه تصور می‌کردند ماده‌ای کریستالی با این ضخامت کم نمی‌تواند پایدار باشد.

اما امروز فیزیکدانان می‌توانند با استفاده از گرافن، طبقه تازه‌ای از مواد 2بعدی را که دارای ویژگی‌های خاص خود هستند، مطالعه کنند. گرافن مطالعاتی را ممکن کرده که پیچیدگی‌های تازه‌ای را در دنیای پدیده‌های فیزیک کوانتوم پدیدار می‌کنند. همچنین کاربردهای عملی تازه‌ و بسیار متنوعی بعد از کشف گرافن به راه افتاده، مانند ساخت مواد جدید و تولید ابزار الکترونیکی کاملا نو و ابتکاری. پیش‌بینی می‌شود که ترانزیستورهای گرافنی بسیار سریع‌تر از ترانزیستورهای سیلیکونی عمل کنند و این یعنی ظهور رایانه‌هایی با کارامدی بسیار بالاتر.

از آن‌جایی که گرافن واقعا شفاف است و رسانایی خوبی هم دارد، می‌تواند برای ساخت نمایشگرهای لمسی شفاف، صفحه‌های نوری و شاید حتی صفحه‌های خورشیدی به کار آید.

وقتی گرافن با پلاستیک ترکیب شود، می‌تواند آن‌ را به رسانای الکتریکی تبدیل کند و در حالی که مقاومتش در برابر گرما بالاتر می‌رود، از نظر مکانیکی قوی‌تر هم شود. از این مقاومت می‌توان در مواد جدید فوق قوی استفاده کرد که هم ظریف هستند و هم الاستیک؛ هم انعطاف‌پذیرند و هم از سبکی فوق‌العاده‌ای بهره می برند. در آینده، ماهواره‌ها، هواپیماها و خودروها را می‌توان از این مواد ترکیبی جدید ساخت.

pyb24un75h5vdfvq7ojh.jpg

آشنایی با برندگان
برندگان جایزه نوبل فیزیک امسال برای مدت‌های طولانی روی این پروژه مطالعه و کار کرده‌اند. کنستانتین نووسلوف 36 ساله در ابتدا کار خود را با اندره گیم 51 ساله به عنوان دانشجوی دکتری در هلند آغاز کرد. سپس وی به همراه گیم به انگلستان رفت. هر دوی آن‌ها در اصل کار خود را در روسیه آغاز کرده بودند و حالا هر دو در دانشگاه منچستر استاد هستند.

اندره گیم
متولد سال 1958 در سوشی روسیه. دارنده مدرک دکتری از موسسه فیزیک حالت جامد، آکادمی علوم روسیه،‌ چرنوگولوکا، روسیه، سال 1987. مدیر مرکز مزوساینس و نانوتکنولوژی منچستر. استاد فیزیک و پروفسور تحقیقاتی سال 2010 جامعه سلطنتی،‌ دانشگاه منچستر، ‌انگلستان.

Andre Geim

کنستانتین نووسلوف
متولد سال 1974 در نیژنی‌تاجیل، روسیه. دارنده مدرک دکتری از دانشگاه رادبوند نیجمگان در هلند به سال 2004. استادیار و دستیار پژوهشی جامعه سلطنتی، دانشگاه منچستر، ‌انگلستان.

Konstantin Novoselov

جورج چارپاک در گذشت

جورج چارپاک،‌ برنده نوبل فیزیک در سن ۸۶ سالگی درگذشت. چارپاک در سال ۱۹۶۸ با تغییری که در آشکارسازهای ذرات باردار داد،‌ تحولی در سرعت جمع آوری داده ها ایجاد کرد. او در سال ۱۹۹۲ جایزه نوبل فیزیک را به دلیل تلاشهایش در بهبود روشهای آشکارسازی ذرات دریافت کرد.
 
 
Colloquium for the 85th Birthday of Georges Charpak
 March 2009; CERN
 
برای آشنایی بیشتر با این دانشمند فیزیک ذرات به ادامه مطالب مراجعه کنید. 
ادامه نوشته

مکانیک کوانتوم در قرنی که گذشت؛ قسمت اول

ظهور مکانیک کوانتوم:

در اوایل قرن بیستم، دنیای علم با یک رشته آزمایشات که فیزیک نیوتنی سیصد ساله را مورد سوال قرار می دادند، دچار آشفتگی شد. دنیا شاهد حمله سخت و ناگهانی فیزیک جدیدی شد که از خاکستر نظام قدیمی بر می خاست. از این وضعیت آشفته؛ نه تنها یک، بلکه دو نظریه پیدا شد. اینشتین پیشگام اولین نظریه، یعنی نسبیت عام بود و کوششهای خود را در درک ماهیت نیروهایی مانند گرانش و نور متمرکز کرد. اما پایه های درک ماهیت ماده، با نظریه دوم؛ یعنی مکانیک کوانتومی ریخته شد که بر دنیای پدیده های زیراتمی حاکم شد. این نظریه به وسیله هایزنبرگ و همکارانش آفریده شد.

نظریه کوانتومی در 1900، زمانی بوجود آمد که فیزیکدانان از چیزی که آن را «تابش جسم سیاه» می نامیدند، گیج شده بودند. به عنوان مثال، آنها قادر نبودند توضیح دهند که چرا یک میله فولادی، اگر به دماهای بالا برسد می درخشد و ابتدا از شدت گرما قرمز و بعد سفید می شود. یا چرا رنگ مواد مذابی که از دهانه آتشفشان غلیان می کند، قرمز است. با فرض اینکه نور یک پدیده کاملا موجی است و می تواند با هر بسآمد نوسان کند، آنها متوجه شدند که نظریاتی که تا آن زمان مورد قبول بودند، نمی توانستند قرمز و سفید شدن را در اثر گرما، پیش بینی کنند. در واقع، این نظریه ها پیش بینی می کردند که با بسآمدهای بالا، میزان انرژی تابش باید به بینهایت میل کند، چیزی که غیر ممکن می نمود. در دسامبر 1900، ماکس پلانک، فیزیکدان آلمانی، راه حلی برای این مسئله دشوار پیدا کرد. او در آن زمان استاد دانشگاه برلین بود که بعضی از دقیقترین آزمایشات مربوط به تابش جسم سیاه در آنجا انجام گرفته است. زمانی که پلانک نتایج کار خود را به انجمن فیزیک برلین ارائه کرد، فوق العاده متواضع بود، زیرا تنها از بخشی از نتایجی که این نظریه می رفت داشته باشد، آگاه بود. او پیشنهاد کرد که تابش، آن طور که فیزیکدانان تصور می کردند، یک پدیده کاملا موجی نیست؛ بلکه انتقال انرژی، در بسته های معین صورت می گیرد. جامعه فیزیکدانها با بدبینی نسبت به اندیشه جدید پلانک و نتیجه منطقی آن که نور یک پدیده پیوسته نیست بلکه از دانه هایی تشکیل شده است، واکنش نشان دادند. طرح اینکه نور را می توان به «کوانتـا» هایی که مانند ذرات هستند، تبدیل کرد، به نظر نامعقول می آمد.

پنج سال بعد، اینشتین که هنوز یک فیزیکدان ناشناخته بود، نظریه کوانتوم را با آفرینش پدیده فوتو الکتریک، به مرحله قاطعی رسانید. با استفاده از نظریه کوانتای پلانک، اینشتین سوال کرد که اگر یک ذره از نور به فلز برخورد کند، چه روی خواهد داد؟ اگر نور ذره ای باشد که از نظریه پلانک پیروی کند، در این صورت باید الکترونها را از بعضی از اتمهایی که در فلز وجود دارد، بیرون راند و الکتریسیته تولید کند. اینشتین با استفاده از ثابت پلانک، انرژی الکترون پرتاب شده را محاسبه نمود. آزمایش معادلات پلانک و اینشتین، برای فیزیکدانان تجربی زیاد طول نکشید. پلانک جایزه نوبل فیزیک را در 1918 برای نظریه کوانتوم به دست آورد و در پی آن، جایزه نوبل فیزیک سال 1921 به اینشتین، برای پدیده فوتوالکتریک اهدا شد.

در طول هزاران سال، این طور تصور می شد که ذرات و امواج، هستیهای جداگانه ای هستند. اما در آستانه قرن بیستم، این جدایی مردود شناخته شد. نه تنها پلانک و اینشتین نشان دادند که نور به طور روشن، مشخصه هایی شبیه به ذره دارد، بلکه آزمایش با الکترونها نشان داد که ذرات نیز مشخصه های شبیه موج از خود بروز می دهند. در 1923، یک شاهزاده جوان فرانسوی و دانشجوی فیزیک به نام لویی دوبروی روابط اساسی را یک «ماده موج» باید از آن پیروی کند، بیان کرد. او اعلام کرد که الکترون باید مانند امواج نور، بسآمد و طول موج معینی داشته باشد. سه سال بعد، اروین شرودینگر معادله کاملی را نوشت که این امواج باید از آن پیروی کنند. تقریبا در همان زمان، شکل دیگر ولی معادلی توسط هایزنبرگ برای این معادله پیشنهاد شد. با این نوآوریهـا، نظریه کوانتومی قدیمی پلانک، اینشتین و بور؛ جای خود را به مکانیک کوانتومی نورسیده شرودینگر و هایزنبرگ داد.

در سال 1927؛ هایزنبرگ مطرح کرد که شناخت همزمان سرعت و مکان یک جسم غیر ممکن است. یک موج، در نهایت جسمی است که مکان آن مشخص نیست. به عقیده هایزنبرگ، این عدم قطعیت از آنجا ناشی می شود که در قلمرو زیراتمی، نفس عمل مشاهده یک جسم، مکان و سرعت آن را تغییر می دهد. به عبارت دیگر، فرآیند اندازه گیری هر دستگاه اتمی، دستگاه را چنان دگرگون می کند که دستگاه از حالتی که قبلا داشته است، خارج می شود. به عنوان مثال، الکترون آن قدر کوچک است که برای اندازه گیری مکان آن در یک اتم، باید فوتون های نور به آن برخورد کرده، بازتاب نمایند. اما نور آن قدر قوی است که الکترون را از اتم بیرون می راند. در نتیجه مکان و سرعت نور تغییر می کند. با این وجود ممکن است استدلال کرد که آیا نمی توان با یک دستگاه اندازه گیری دقیقتر، مکان و سرعت الکترون را بدون آنکه وضعیت آن تغییر کند، اندازه گرفت؟ به نظر هایزنبرگ، پاسخ این سوال منفی است. مکانیک کوانتومی روی این موضوع تکیه می کند که هر قدر هم ما دستگاه های اندازه گیری خود را حساستر کنیم، هرگز نخواهیم توانست سرعت و مکان دقیق یک الکترون را، همزمان اندازه بگیریم. ما می توانیم یکی از این دو کمیت را اندازه گیری کنیم ولی نمی توانیم هر دو را همزمان بدانیم. این واقعیت، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نام گرفته است.

طبق نظر هایزنبرگ، جبر نیوتنی که برگرفته از فلسفه نیوتنی است و اعلام می دارد که سه قانون حرکت نیوتن می توانند حرکت دقیق تمام ذرات در جهان را با ریاضی مشخص کنند، بی معنی است. اصل عدم قطعیت پیش بینی رفتار هر یک از اتمها را غیر ممکن می سازد. به علاوه در قلمرو زیراتمی، تنها احتمالات را می توان محاسبه کرد. به عنوان مثال، چون شناخت مکان و سرعت دقیق الکترون امکان پذیر نیست، نمی توان در مورد رفتار الکترون هیچ گونه پیش بینی انجام داد. اما می توان با دقت شگفت انگیزی، احتمال رفتار خاص تعداد زیادی از الکترونها را پیش بینی کرد.

با وجود اینکه دانشمندان هرگز شاهد نقض قواعد مکانیک کوانتومی در آزمایشگاه نبوده اند، این نظریه پیوسته «درک عمومی» را زیر پا می گذارد. مفاهیم مکانیک کوانتومی، آن قدر ساده هستند که اروین شرودینگر در سال 1925 آزمایش فکری زیرکانه ای تدوین کرد که معمای گربه شرودینگر نامیده می شود. تصور کنیم که یک گربه در جعبه ای محبوس شده و شیشه ای محتوی گاز سمی در کنار گربه قرار دارد. ما اجازه نداریم که در جعبه را باز کنیم و نمی توانیم به داخل جعبه نگاه کنیم. اما می توانیم با اطمینان بگویم که گربه یا زنده است یا مرده. حالا تصور کنیم که شیشه محتوی گاز سمی، به یک شمارشگر گایگر متصل است که می تواند تابش یک تکه سنگ اورانیوم را آشکارسازی کند. اگر فقط یک هسته اورانیوم واپاشی کند، تابشی گسیل می دارد که عقربه آشکارساز گایگر را به حرکت در می آورد. این حرکت شیشه گاز سمی را می شکند و گربه کشته می شود.

طبق نظریه مکانیک کوانتومی، ما هیچ گاه نمی توانیم با اطمینان، زمان واپاشی یک هسته تنهای اورانیوم را پیش بینی کنیم. فقط می توانیم احتمال واپاشی میلیاردها هسته را حساب کنیم. بنابراین برای تشریح یک هسته تنهای اورانیوم، مکانیک کوانتومی فرض می کند وضعیت این هسته، مخلوطی از دو حالت است: یکی آنکه دست نخورده مانده و دیگر آنکه هسته واپاشی کرده است. گربه، بوسیله یک تابع موجی تشریح می شود که هر دو امکان، یعنی زنده بودن یا مردن گربه را شامل می شود. به عبارت دیگر، ما باید از نظر آماری فرض کنیم که گربه در مخلوطی از این دو حالتها قرار دارد. البته به محض اینکه به ما اجازه داده شود که در جعبه را باز کنیم، می توانیم با اطمینان تشخیص دهیم که گربه زنده است یا مرده. اما قبل از باز کردن در جعبه، بر پایه احتمالات و از نظر آماری، گربه در هیچ یک از حالتهای مرده یا زنده نیست. شگفت آورتر از این واقعیت آنکه همان باز کردن در جعبه، تصمیم می گیرد که گربه زنده یا مرده است. از نظر مکانیک کوانتومی، نفس فرآیند اندازه گیری، وضعیت گربه را مشخص می کند. موضوع از آن نظر پیچیده تر می شود که طبق یکی از نتایج مکانیک کوانتومی، اجسام در یک حالت مشخص وجود ندارند، مگر آن که مشاهده شوند.

در دهه های 1930 و 1940، مکانیک کوانتومی با اشتیاق فراوان رو به رو شد و شاید بیش از 99% فیزیکدانان سراسر جهان در این اشتیاق سهیم بودند. اقلیت کوچکی از دانشمندان که فیزیکدان برنده جایزه نوبل اوژن ویگنر جزو آنان بود، عقیده داشتند که اندازه گیری، مستلزم نوعی خودآگاهی است. آنها استدلال می کردند که تنها یک وجود خودآگاه می تواند یک اندازه گیری انجام دهد. بنابراین؛ از دیگاه این اقلیت، چون بر طبق مکانیک کوانتومی وجود هر ماده به اندازه گیری بستگی دارد، وجود جهان نیز به خودآگاهی وابسته است. با وجود این، اکثریت عظیم فیزیکدانان بر این باور عملی تکیه می کنند که اندازه گیری می تواند در واقع بدون خودآگاهی انجام پذیرد. بنابر عقیده این گروه؛ اندازه گیری می تواند بدون یک مشاهده کننده خودآگاه انجام شود و مشاهده مستلزم خودآگاهی نیست. [بیشتر فیزیکدانان، معمای شرودینگر را به این طریق حل می کنند که تفاوتی بین اشیا میکروسکوپیک، به عنوان مخلوطهای عجیبی از حالتهای اتمی و اشیا ماکروسکوپیک قائل می شوند. راه حل استاندارد این معما بر پایه این فرض است که یک تفاوت اساسی بین رویدادهای میکروسکوپیک (برخورد دو اتم) و رویدادهای ماکروسکوپیک (پخش شدن دود سیگار در اتاق) آن است که رویدادهای میکروسکوپیک، برگشت ناپذیر هستند. به عنوان مثال؛ اگر ما فیلمی از برخورد دو اتم را تماشا کنیم، اگر فیلم را در یک جهت یا جهت معکوس نشان دهیم، این رویداد عادی به نظر خواهد آمد. بنابراین، در رویداد میکروسکوپیک، زمان می تواند به عقب یا جلو برود. اما در سطح ماکروسکوپیک، کشیدن سیگار تنها در حالتی که دود از دهان به بیرون می رود قابل درک است نه هنگامی که دود سیگار به درون دهان می رود. به عبارت دیگر، در رویداد میکروسکوپیک، برخورد دو اتم برگشت پذیر است اما در رویداد ماکروسکوپیک، پخش دود سیگار، تنها در جهت پیکان زمان قابل درک است. بنابراین رویدادهای ماکروسکوپیک، پیکان زمان را در جهتی که بی نظمی را افزایش می دهد، تعیین می کنند. فیزیکدانان می گویند که آنتروپی رویدادهای ماکروسکوپیک، جهت زمان را تعیین می کند و همچنین موجب ایجاد تفاوت بین رویدادهای برگشت پذیر ماکروسکوپیک و رویدادهای برگشت ناپذیر میکروسکوپیک می شود. جنبه اساسی یک مشاهده آن است که برگشت ناپذیر است. بنابراین، انتقال اطلاعات، افزایش آنتروپی را به دنبال دارد. خودآگاهی، جنبه اساسی یک مشاهده نیست. جنبه کلیدی مشاهده؛ انتقال اطلاعات است که برگشت ناپذیری زمان را ایجاب می کند.]

پ.ن: از مجموعه مقالات مدیریت وبلاگ

Neutron Star Formation Could Awaken the Vacuum

Although empty space teems with quantum fields, their effect is usually subtle. But in the 23 April and 8 October issues of Physical Review Letters, theorists show that under some conditions--such as during the formation of a neutron star--these fields could grow to overshadow any matter in the vicinity. Further exploration of how this "awakening of the vacuum" transpires could transform our view of some astrophysical events.

Empty space is filled with a sort of ghostly quantum-mechanical background of waves of all possible frequencies. These include not only waves of electromagnetism and the other forces, but waves representing particles like electrons. The amount of energy in these waves is small but never zero, like a string that always has some vibrations on it and is never completely still and straight.

Daniel Vanzella of the University of São Paulo in São Carlos, Brazil, and his colleagues wondered how gravity affects the energy contained in empty space. Since there is no complete quantum theory of gravity, they used an established approach called quantum field theory in curved spacetime (QFTCS). This technique uses standard quantum mechanics to describe all of the fields except gravity, and then includes gravitational effects in a different way. According to general relativity, the gravitational force arises from ordinary spacetime being distorted or curved by the presence of mass and energy. So QFTCS uses this relativistic spacetime instead of ordinary space and time for the quantum calculations.

Vanzella and his colleagues didn't analyze all conceivable fields, just the simplest type, called a scalar field. This field is generic--it could be a simplified version of the electromagnetic field, or it could represent a still-undiscovered particle. Following the standard practice, they left unspecified one key parameter of this field: the "coupling" parameter that quantifies the attraction or repulsion of the field to highly curved regions of spacetime.

In their April paper, Vanzella and graduate student William Lima analyzed the vacuum energy for a spacetime that starts with a uniform distribution of mass in the distant past (flat spacetime) and then evolves to fixed concentrations of mass (clumps) in the distant future. The resulting vacuum energy depends on the mass and size of the clumps, and on the coupling parameter. The surprising result was that for some combinations of values, even after the mass distribution stops changing, the vacuum energy continues to grow exponentially in time in the neighborhood of the clumps. Eventually, the vacuum energy density in these regions exceeds that of ordinary matter, so the vacuum begins to distort spacetime even more than the matter does.

To see whether this effect matters in practice, Lima and Vanzella joined with George Matsas of São Paulo State University in their latest work to examine a model of the highly-curved spacetime that appears during formation of an ultradense neutron star. For some reasonable values of the mass and size of the star, they predict that the vacuum energy will grow within milliseconds for some values of the coupling parameter. At this point the vacuum energy would begin to induce additional gravitational effects, which they haven't yet calculated, so they don't know how the star would be affected. If further research shows such a neutron star to be unstable, the existence of stable neutron stars of particular sizes could rule out the existence fields of the type they modeled.

Vanzella cautions that the work so far hasn't tracked how the growing vacuum energy modifies the curvature of spacetime, nor any resulting effects on the neutron star. "At this point they haven't done the numerical solution of the Einstein equations with reaction back on the field, so nobody knows where it would lead," agrees Leonard Parker of the University of Wisconsin in Milwaukee. "It's an invitation for some further research."

به نقل از: Physical Review Focus

سمینارهای شفاهی کنفرانس فیزیک ایران؛ قسمت چهارم

لینک دانلود سخنرانی های شفاهی؛ بخش فیزیک هسته ای

لینک دانلود سخنرانی های شفاهی؛ بخش مقالات دانشجویی

لینک دانلود سخنرانی های شفاهی؛ بخش فیزیک ماده چگال

سمینارهای شفاهی کنفرانس فیزیک ایران؛ قسمت سوم

لینک دانلود سخنرانی های شفاهی؛ بخش فیزیک نظری

لینک دانلود سخنرانی های شفاهی؛ بخش میـان رشته ای

لینک دانلود سخنرانی های شفاهی؛ بخش نجوم و کیهانشناسی

A Galactic Spectacle

The Antennae galaxies

The Antennae galaxies, located about 62 million light years from Earth, are shown in this composite image from NASA's Great Observatories--the Chandra X-ray Observatory (blue), the Hubble Space Telescope (gold and brown), and the Spitzer Space Telescope (red). The Antennae galaxies take their name from the long antenna-like "arms," seen in wide-angle views of the system. These features were produced by tidal forces generated in the collision.

The collision, which began more than 100 million years ago and is still occurring, has triggered the formation of millions of stars in clouds of dusts and gas in the galaxies. The most massive of these young stars have already sped through their evolution in a few million years and exploded as supernovas.

Graphene makes 'supercapacitor

Researchers in the US have made the first high-frequency AC "supercapacitors" containing graphene electrodes. The devices, which are much smaller than conventional capacitors, could be used in applications like computer processing units and other tiny integrated circuits.

Capacitors are devices that store electric charge. "Supercapacitors", more accurately known as electric double-layer capacitors (DLCs) or electrochemical capacitors, can store much more charge thanks to the double layer formed at an electrolyte-electrode interface when voltage is applied.

Commercial DLCs are extremely powerful when compared with batteries but they are essentially DC devices – that is, they take several seconds to fully charge and then several seconds to fully discharge again. They operate efficiently at frequencies below about 0.05 Hz and are therefore good for applications like hybrid vehicles, which can take up to 10 seconds to charge (when braking) and 10 seconds to discharge (when accelerating). However, at higher frequencies, they become much less efficient and start to behave like resistors rather than capacitors. This is because the devices usually contain porous electrodes made from a high-surface-area conductive material, such as activated carbon, and the pores increase the resistance of devices.

Now, John R Miller and colleagues of JME Inc. in Shaker Heights and Case Western Reserve University, Cleveland, both in Ohio, have overcome this problem by developing the first DLC that contains vertically oriented high-surface-area graphene electrodes that aren't porous at all. The device pushes the operating frequency of an electric double layer capacitor to well beyond 5000 Hz, which is a factor of 105 better than commercial DLCs. What's more, it is six times smaller than low-voltage aluminium electrolytic capacitors and can be charged and discharged at high efficiency in times much shorter than 1 ms.

The researchers grew the graphene – 2D sheets of carbon just one atom thick – on a metal using a plasma-assisted chemical vapour deposition process.

Such vertically oriented graphene sheets are ideal in terms of structure for high-frequency DLC electrode applications, says the team. They have many edge planes that can provide between 50 and 70 µF/cm2 of capacitance compared with basal planes, which only provide 3 µF/cm2. These charge-storage edge planes are highly exposed and can thus be accessed directly, which means that charge can be stored over precise areas rather than being dispersed over larger regions. And last but not least, the nanosheet "stacked" structure ensures that pores are reduced – so minimizing resistance – and the sheets themselves are highly conducting.

"The bottom line is that these devices could lead to smaller higher-frequency capacitors for applications in low-voltage systems like CPUs and similar integrated circuits," Miller said.

The research might also enable new classes of electronic circuit that use the much higher levels of capacitance that these devices make available, he adds.

The team, which includes scientists from the College of William and Mary in Williamsburg and the Defense Advanced Research Projects Agency, both in Virginia, now plans to improve how the graphene electrode material is grown and optimize the design of the capacitive devices.

لینک سایت اصلی

برای اولین بار، دانشمندان توانستند درهم‌تنیدگی کوانتمی را ذخیره و بازتولید کنند

اولین حافظه کوانتمی که می‌تواند درهم‌تنیدگی کوانتمی را ذخیره و بازپس بدهد در سویس ساخته شد.

درهم‌تنیدگی (entanglement) از پدیده‌های شگرف و رازآمیز فیزیک کوانتمی است که باعث می‌شود دو ذره (یا دو سیستم) در وضعیت یکدیگر شریک باشند و در واقع یک تابع موج کوانتمی مشترک داشته باشند. در نتیجه اندازه‌گیری روی هر یک از این ذرات، وضعیت ذره دیگر را نیز – هر چه قدر هم دور باشد – تحت تأثیر قرار می‌دهد. این «اثر از راه دور»، هسته اصلی بسیاری از فناوری‌های شگرف فیزیک مدرن، نظیر رمزنگاری کوانتمی (quantum encryption)، انقال‌ به دوردست کوانتمی (quantum teleportation) و محاسبات کوانتمی (quantum computation) است. دیدگاه بسیاری از فیزیک‌دانان این است که درهم‌تنیدگی منبعی است مثل آب یا انرژی که می‌توان از آن بهره گرفت و مایلند که بتوانند درهم‌تنیدگی را تولید کنند، استفاده کنند و حتی آن را ذخیره‌کنند. در 40 سال اخیر، پژوهش‌های بسیاری روی تولید و استفاده از درهم‌تنیدگی صورت‌گرفته‌است، اما تا به امروز موفقیتی در ذخیره سازی آن به دست‌نیامده‌بود.

اما کریستوف کلاسِن ( Christoph Clausen) و همکارانش در دانشگاه ژنو توانستند نشان دهند که چگونه می‌توان درهم‌تنیدگی را ذخیره‌کرد و آن را به شکل اولیه‌اش، آزادکرد. دستگاه آنها متشکل از دسته‌ای از اتمهای نئودیمیوم (neodymium) است که در بدنه یک بلور سیلیکات ایتربیوم (ytterbium silicate) جاسازی شده‌اند. این سیستم بعد از سرد شدن می‌تواند فوتون‌ها را جذب و ذخیره‌کند. این گروه سویسی یک زوج فوتون درهم‌تنیده تولید کردند. یکی از آنها را به داخل این سیستم فرستادند تا ذخیره شود. وقتی فوتون جدیدی از این سیستم ساطع شد، آنها به روش متعارف موسم به آزمایش بِل (Bell test) این فوتون و فوتونِ دیگر زوج را آزمودند و مشاهده کردند که این دو نیز درهم‌تنیده هستند.

این مشاهده به چند دلیل مختلف، بسیار قابل توجه است. نخست این که برای بقای درهم‌تنیدگی، لزوما همه بدنه بلور – که شیئی به ابعاد تقریبی یک سانتیمتر است – باید در درهم‌تنیدگی دخیل باشد. مبادله درهم‌تنیدگی بین فوتون (یک موجود میکروسکوپی) و بلور (جسم ماکروسکوپی) امری فوق‌العاده است. دوم، توانایی انتقال درهم‌تنیدگی از یک فوتون متحرک به یک جسم ثابت (بلور) است و با توجه به این که این آزمایش با فوتونهای طول موج مخابراتی (1338 نانومتری) انجام شده‌است، نشان داده‌شده‌است که درهم‌تنیدگی متحرک با سرعت نور می‌تواند ساکن شود و دوباره به حرکت درآید.

اما شاید شگفتی‌آورترین وجه ماجرا آن باشد که بشر موفق شده‌است درهم‌تنیدگی را ذخیره و بازتولید کند. درهم‌تنیدگی پدیده‌ای بسیار گذرا و ناپایدار است و به آسانی در برهم‌کنش ذره و محیط از بین می‌رود. توانایی ذخیره این پدیده کوانتمی، در را به روی فناوری‌های جدیدی، مثل تکرارکننده‌های کوانتمی (quantum repeaters) و حتی شاید روزی مخابرات و اینترنت کوانتمی باز می‌کند.

مدلی برای آسیب‌شناسی داوری مقالات علمی

دو پژوهشگر سیستمهای پیچیده در اتریش، مدلی برای آسیب‌شناسی سیستم داوری مقالات علمی ارائه کرده‌اند که نشان می‌دهد که خطاهای انسانی می‌تواند به شدت کیفیت مقالات منتشرشده علمی را کاهش دهد.


داوری مقالات علمی، روش متعارفی برای ارزیابی کیفیت پژوهش‌های انجام شده‌، پیش از انتشار آن در نشریات علمی است. در این روش، گروهی از پژوهش‌گران هر حوزه علمی که دانش و تخصص کافی و زمان لازم را داشته‌باشند، نسبت به کیفیت پیش‌نویس مقالات علمی داوری می‌کنند. این روش با این که متداول‌ترین و جاافتاده‌ترین روش موجود ‌است، همواره منتقدانی داشته‌است. برخی معتقدند که اتکای این روش به داورانی که در ازای کار خود دستمزدی دریافت نمی‌کنند، بخصوص در مواقعی که داوران با مقالات حاشیه‌دار و جنجالی روبرو هستند، از آفت‌های این فرایند است.

استفان ترنر (Stefan Thurner ) و رودالف هانِل (Rudolf Hanel ) در دانشگاه پزشکی وین بر آن شدند که نقش داوران نالایق بر کیفیت مقالات علمی را شبیه سازی کنند. این پژوهشگران مدلی ساختند که در آن انتخاب داوران تصادفی است. در این مدل پنج گونه داور وجود دارد: داوران «شایسته» که مقالات خوب را می‌پذیرند و مقالات بد را رد می‌کنند، داوران «مهربان» که همه مقالات را می‌پذیرند، داوران «بدجنس» که به همه مقالات نمره منفی می‌دهند، داوران «حسابگر» که بسته به منافع شخصی خود، مقالات را قضاوت می‌کنند و داوران «نالایق» که به خاطر نداشتن دانش یا وقت کافی، قضاوتشان معادل شیریاخط کردن است. در این مدل کیفیت کار و توانایی مقالات ارسالی از یک تابع توزیع گوسی استخراج میشود. هر مقاله به دو داور فرستاده‌می‌شود و داوران مختارند که مقاله را رد کنند و یا بپذیرند. اگر هر دو داور مقاله‌ای را بپزیرند، منتشر می‌شود و اگر هر دو مقاله‌ای را رد کنند، منتشر نمی‌شود و اگر مقاله‌ای یک رأی مثبت و یک رأی منفی داشت، به احتمال پنجاه درصد منتشر می‌شود.

با شبیه‌سازی کامپیوتری این مدل، دیده‌شد که حضور حتی تعداد اندکی داوران «حسابگر» و «نالایق» می‌تواند کیفیت مقالات منتشرشده را به طور جدی خدشه‌دار کند. اگر 10 درصد از داوران، قضاوت نادرستی داشته‌باشند، کیفیت مقالات پذیرفته‌شده به اندازه یک انحراف معیار افت می‌کند. اگر داوران از سه گروه «شایسته»، «حسابگر» و «نالایق» به نسبت مساوی انتخاب شوند، کیف مقالات برگزیده تقریبا به طور کامل از بین می‌رود.

دانیل کِنِفیک (Daniel Kennefick )، کیهان‌شناس دانشگاه آرکانزاس، انتقادات متعددی را متوجه سیستم داوری مقالات علمی می‌داند. او به ویژه تأکید می‌کند که امروزه برای بسیاری از پژوهشگران، تعداد مقالاتی که منتشر می‌کنند، به دلیل تاثیری که بر امنیت شغلیشان دارد، به هدف اصلی تبدیل شده‌است.

از سوی دیگر، تیم اسمیت (Tim Smith )، ناشر ارشد نشریه نیو جورنال آو فیزیکس (New Journal of Physics ) نسبت به نتیجه‌ی این پژوهش معترض است و می‌گوید که این پژوهش، نقش ویراستاران نشریات علمی را نادیده گرفته‌است. او می‌افزاید که ویراستاران و هیأت تحریره نشریات همچنان نقش بزرگی در انتخاب داوران مناسب و بی‌طرف و تلاش برای پرهیز از به وجود آمدن تداخل منافع بازی‌ می‌کنند. میشِل لامونت (Michèle Lamont )، استاد جامعه‌شناسی دانشگاه هاروارد نیز در کتاب سال 2009 خود تحت عنوان "اساتید چگونه می‌اندیشند" (How Professors Think ) به بررسی مسأله داوری مقالات علمی می‌پردازد. او می‌گوید که خواه‌ناخواه، داوران مقالات خود عضوی از جامعه علمی هستند و هرگز نمی‌توان انتظار بی‌طرفی کامل از آنها داشت. او پیشنهاد می‌کند که معیارهای داوری در حوزه علمی با دقت و جزییات بیشتری تعریف و تدوین شوند تا به کیفیت داوری مقالات علمی، افزوده شود.

متن مقاله اصلی به نقل از: physics world در ادامه مطلب

متن اصلی مقاله

ادامه نوشته

سمینارهای شفاهی کنفرانس فیزیک ایران (2)

لینک دانلـود سخنرانی های شفاهی؛ بخش فیزیک پلاسما

لینک دانلـود سخنرانی های شفاهی؛ بخش فیزیک ذرات بنیادی

اولین کنفرانس سالیانه فیزیک ذرات بنیادی

دانشگاه یزد افتخار دارد با یاری خداوند متعال اولین كنفرانس (سالیانه) فیزیك ذرات بنیادی را با اهداف:

آشنايي دانشجويان و پژوهشگران با آخرين دستاوردهاي فيزيك ذرات بنيادي؛ مبادله اطلاعات و ايجاد ارتباط بين پژوهشگران و تشكيل انجمن فيزيك ذرات بنيادي به عنوان شاخه اي از انجمن فيزيك ايران

در تاریخ های 6 و 7 بهمن ماه 1389 برگزار نماید. امید است این كنفرانس سنگ بنای تأسیس شاخه ذرات بنیادی در انجمن فیزیك ایران باشد و قدم های مؤثری در راستای آشنایی بیشتر محققین و پژوهشگران با این گرایش از فیزیك بردارد. لذا از متخصصان و صاحبنظران در این زمینه دعوت میشود تا با ارائه مقاله های پژوهشی خود ما را در این امر یاری رسانند. همچنین از علاقه مندان دعوت می شود پیشنهادهای خود را در راستای هر چه بهتر برگزار كردن كنفرانس به آدرس دبیرخانه كنفرانس ارسال نمایند.

موضوعات مورد بحث در کنفرانس: روشهاي اختلالي در QCD؛  روش هاي پديده شناسي غير اختلالي؛ پديده شناسي مدلهاي ابرتقارن، ابعاد اضافي؛ پديده شناسي كواركهاي سنگين؛ فيزيك ذرات در LHC

لینک صفحه اصلی؛ اولین کنفرانس فیزیک ذرات بنیادی