سومین کنفرانس ملی پیشرفتهای ابررسانایی

تولید نخستین لیزر پرتوایکس اتمی

بعد از انتظاری ۴۵ساله، دانشمندان مرکز شتاب‌دهنده خطی استنفورد (SLAC) وابسته به وزارت انرژی آمریکا، موفق به تولید خالص‌ترین و کم‌بسامدترین لیزر پرتو ایکس شدند؛ دستاوردی که نوید موجی جدید از کشفیات علمی را می‌دهد.

به گزارش نیچر، این پژوهشگران با تمرکز دادن پرتوهای تولیدشده در "چشمه نور همدوس شتاب‌دهنده خطی" (LCLS) وابسته به مؤسسه SLAC، بر یک کپسول حاوی گاز نئون، موفق به تحریک یک جریان آبشارمانند از پرتوهای ایکس و لذا تولید نخستین "لیزر پرتو ایکس اتمی" جهان شدند. به‌گفته نینا رورینگر (Nina Rohringer)، فیزیکدانی از کارگروه مطالعات پیشرفته انجمن ماکس پلانک آلمان‌ که سرپرستی این پژوهش را عهده‌دار بوده است، "پرتوهای ایکس، دید نافذی را به درون دنیای اتم‌ها و مولکول‌ها می‌کشانند." رورینگر و گروهش، این پژوهش را با همکاری محققانی از دانشگاه ایالتی کلرادو و نیز آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آمریکا به ثمر رساندند.

 

وی می‌افزاید: "روزی را می‌بینیم که محققان، این نوع جدید از لیزر را در حوزه‌های گوناگون و جذابی نظیر بررسی جزئیات واکنش‌های اتمی، یا تماشای مستقیم فعل و انفعالات زیستی در ابعاد مولکولی به کار گیرند. هرچه بسامد لیزر کوتاه‌تر باشد، می‌توان فعل و انفعالات را سریع‌تر و هر چه خلوصش بیشتر باشد، جزئیات ریزتری را زیر نظر گرفت."

 

از سال ۱۹۶۷ میلادی پیش‌بینی شده بود که می‌توان از روشی شبیه به فرآیند تولید لیزر نوری- یعنی تحریک کردن الکترون‌ها به فروریزش از ترازهای اتمی ِ پرانرژی به ترازهای کم‌انرژی‌تر که به آزادسازی یک فوتون می‌انجامد- دست به ساخت لیزر پرتوایکس هم زد، اما تا سال ۲۰۰۹ که LCLS به راه افتاد، هیچ منبع پرتوایکسی نبود که قدرت لازم برای تولید چنین نوعی از لیزر را داشته باشد.

در فرآیند تولید لیزر اتمی، پالس‌های پرقدرت پرتوایکس که توسط LCLS تولید می‌شد- و هرکدام‌شان یک میلیارد بار درخشنده‌تر از نمونه‌های قبلی بودند- موجب آزادسازی الکترون‌های موجود در ترازهای میانی بخش اعظمی از اتم‌های نئون می‌شدند. ترازهای خالی اتم‌های نئون، در دو درصد از موارد توسط الکترون‌های آزاد پر می‌شد. این الکترون‌ها نیز انرژی‌شان را با گسیل یک فوتون پرقدرت پرتوایکس آزاد می‌کردند. فوتون‌های تولیدشده، اتم‌های همجوار را تحریک می‌کردند و با به راه انداختن یک جریان دومینومانند، انرژی پرتو تولیدشده را که همان لیزر پرتو ایکس اتمی باشد تا ۲۰۰ میلیون برابر انرژی القایی افزایش می‌دادند.

 

هرچند که پرتو القایی و پرتو تولیدی، هردوی‌شان از نوع لیزر هستند، اما فرآیندهای تولید نورشان با هم متفاوت است و نورشان هم خواص یکسانی ندارد. LCLS، با عبور دادن الکترون‌های پرانرژی از درون میدان‌های مغناطیسی متناوب موفق به تولید لیزر پرتو ایکس می‌شود که بسامد و همچنین درخشندگی‌اش از پرتوهای ایکس معمولی بیشتر است، اما لیزر پرتو ایکس اتمی، نه‌تنها بسامدش معادل یک‌هشتم لیزر پرتو ایکس غیر اتمی است، خلوص بیشتری دارد و واجد کیفیاتی است که آن را قادر به تمیز جزئیات واکنش‌های فوق سریع می‌کند؛ امکانی که تا پیشتر میسر نبود.

 

جان بوزک (John Bozek)، از دانشمندان LCLS می‌گوید: "این موفقیت، راه را به روی قلمروی جدید از توانمندی‌های پرتو ایکس گشود. مطمئناً دانشمندان خواهان مجهز شدن به ابزارآلاتی‌اند که این نوع از لیزر را به کار بگیرد." مثلاً محققان امید دارند که روزی بشود از لیزر LCLS و نیز لیزر اتمی، در یک پژوهش دوسویه استفاده کرد: یعنی کاری کرد که لیزر اولی، باعث بروز دگرگونی‌هایی در نمونه تحت بررسی شود و بعد از آن، لیزر دومی، دگرگونی‌های رخ‌داده را با دقتی معادل یک‌کوادریلیونیم ثانیه، به ثبت برساند. به‌گفته رورینگر، پژوهش‌های بعدی معطوف به تولید لیزرهای پرتو ایکس کم‌بسامدتر از طریق القای انرژی به اتم‌های اکسیژن، نیتروژن و گوگرد خواهد بود.

 

ترجمه از احسان سنایی

شروع پیچیدگی حیات، زیر چشم دانشمندان

براساس مشاهدات پژوهشگران آمریکایی، منشاء حیات چندسلولی که یکی از نقاط عطف تاریخ حیات زمینی‌ به‌شمار می‌رود، می‌توانسته است با سرعتی حیرت‌آور رخ داده باشد. در این پژوهش، یک مخمر تک‌سلولی (موسوم به Saccharomyces cerevisiae)، تنها ظرف مدت ۶۰ روز، به اجتماعات چندسلولی منفرد بدل شد. حتی بعضی از این موجودات چندسلولی، با مرگ خود، راه را برای رشد و تکثیر دیگران فراهم آورده است و این‌گونه یک فرآیند تقسیم کار ساده و ابتدایی را نیز از خودشان نشان دادند.

 

گزارش بررسی مذبور که توسط ویلیام راتکلیف (William Ratcliff) و همکارانش از دانشگاه مینه‌سوتا به ثمر رسیده است، امروز در نسخه آنلاین نشریه Proceedings of National Academy of Sciences انتشار یافت. ریچارد لنسکی (Richard Lenski)، زیست‌شناس فرگشتی دانشگاه ایالتی میشیگان که نقشی در این پژوهش نداشته است، با اشاره به منشأ چندسلولی شدن موجودات می‌گوید: "مدت‌ها چنین چیزی به‌عنوان یک فرایند دشوار تلقی می‌شد، اما این آزمایش‌ها نشان دادند که چندسلولی شدن آنقدرها هم که تصورش می‌رفت، اتفاق سختی نیست."

 

راتکلیف، ایده این آزمایش را به اتفاق همکارش مایکل تراویزانو (Michael Travisano)، طرح‌ریزی کرده بود. او می‌گوید: "داشتیم راجع به جذاب‌ترین کاری که می‌شود انجام داد، فکر می‌کردیم. دیدیم بررسی منشاء حیات کار خیلی سختی است، اما گمان بردیم که درک فرآیند چندسلولی شدن امکان‌پذیر است." این فرآیند، دست کم ۲۵بار به شکل مستقل در طول تاریخ حیات زمین اتفاق افتاده است، اما قدمت همگی‌شان به قدری بالاست که کار بررسی را سخت می‌کند. به‌گفته راتکلیف، "تقریباً غیر ممکن است که با نگریستن به موجودات زنده چندسلولی، پی به ویژگی‌های مربوط به نیاکان بسیار دورشان برد."

 

راتکلیف و تارویزانو، در عوض آمدند و دیدند آیا می‌‌توانند حیات چندسلولی را به کمک چندین موجود تک‌سلولی به‌دست آورند یا نه. آن‌ها نیروی جاذبه را به‌عنوان عامل برگزیننده فرض گرفتند: پیداست توده‌های سلولی، سریع‌تر از نمونه‌های‌ منفردشان در انتهای یک لوله پر از مایع ته‌نشین شدند. راتکلیف، بعد از کشت دادن سلول‌هایی که زودتر ته نشسته بودند، فقط آن‌هایی که چسبیده‌‌به‌هم مانده بودند را برگزید. پس از چندین‌بار گزینش اینچنینی، این سلول‌ها طی بالغ بر ۶۰ روز همچون برف‌دانه‌هایی متشکل از ده‌ها سلول منفرد درآمدند.

 

امنیت در گرو جمعیت

 

اکثر موجودات تک‌سلولی از قبیل مخمرها، غالباً دست به تشکیل اجتماعاتی می‌زنند که در واقع از لحاظ ژنتیکی، همچنان تک‌سلولی به‌شمار می‌روند، اما برف‌دانه‌های راتکلیف، از سلول‌های کاملاً مشابه و به‌هم‌چسبیده شکل یافته بود. بسیاری از دیگر موجودات چندسلولی هم ممکن است از طریق فرآیندی شبیه به همین "تقسیم و الحاق" ایجاد شده باشند.

 

رفتار این برف‌دانه‌ها، درست مثل موجودات چندسلولی واقعی بود. آن‌ها چرخه حیاتی ساده‌ای داشتند که با دوره نوجوانی آغاز می‌شد و بعد از فرآیند رشد بی‌وقفه‌ای که راه به مرحله بزرگسالی‌شان می‌برد، به ابعاد مشخصی می‌رسیدند و به یک بخش بزرگ‌تر موسوم به پدر- مادر و بخشی کوچک‌تر از آن، موسوم به دختر، تقسیم می‌شدند. راتکلیف حتی می‌توانست این چرخه‌ها را به اختیار خودش تنظیم کند: اگر برف‌دانه‌هایی که سریع‌تر ته‌نشین شده بودند را کِشت می‌داد، به چندسلولی‌های بزرگ‌تری هم می‌رسید که پیش از تقسیم‌شان، فربه‌تر می‌شدند. این مسئله، به‌ وضوح نشان داد که انتخاب طبیعی، تأثیرش را به جای اینکه بر سلول‌های منفرد بگذارد، بر مجموعه‌شان اِعمال کرده بود. به‌گفته راتکلیف، "آن‌ها به‌عنوان یک کل می‌زیند و به عنوان یک کل هم از بین می‌روند. در این حالت است که انتخاب، به مرحله چندسلولی منتقل می‌شود".

 

برف‌دانه‌ها تقسیم می‌شوند، چون‌ برخی از سلول‌های سازنده‌شان دست به قربانی کردن خود می‌زنند و بدین‌وسیله به دیگر اجزا، اجازه ترک گروه را می‌دهند. از این‌رو مرگ این سلول‌ها به مصلحت کل جمع است و زمینه رشد برف‌دانه اصلی و تولید فرزندان بیشتر را فراهم می‌کند. این فرآیند، بازتاب‌دهنده تقسیماتی است که در موجودات چندسلولی ِ به مراتب پیچیده‌تر اتفاق می‌افتد، به‌طوری که طی هر نسل، بعضی از سلول‌ها می‌میرند و بدین‌واسطه سلول‌های حاوی اطلاعات ژنتیکی (یعنی اسپرم‌ها و تخمک‌ها)، به فرزندان منتقل می‌شوند.

 

سایر بررسی‌ها در گذشته مشخص کرده‌اند که سلول‌های منفرد، هم از طرفی برای کاهش ریسک شکار شدن‌شان و هم از طرفی برای افزایش شانس دسترسی به غذا، از بودن با یکدیگر سود می‌بر‌ند، اما پژوهش راتکلیف، از معدود نمونه‌هایی است که نشان از نحوه تبدیل اجتماعات تک‌سلولی، به موجودات منفرد و چندسلولی می‌دهد. همایون باقری که در دانشگاه زوریخ سوئیس، به بررسی نحوه تکامل فرآیند چندسلولی شدن مشغول است، می‌گوید: "آن‌ها با مشاهده رخدادهایی که در پی تکمیل فرآیند چندسلولی شدن اتفاق می‌افتد، کار بسیار جالبی را انجام داده‌اند". لنسکی نیز می‌گوید: "گمان کنم این بررسی، نقطه شروعی برای کارهای واقعاً مهمی است که سال‌ها طول می‌کشد تا به ثمر بنشینند؛ کارهایی که نه فقط نشان از زیرلایه‌های ژنتیکی این ماجرا می‌دهند، بلکه مدت‌زمان دوام مخمرها در حالت چندسلولی‌شان را هم تعیین می‌کنند.

 

مخمرها، خود از اجداد چندسلولی پدید آمده‌اند و لذا بعید نیست به‌همین‌واسطه در مدت‌زمانی چنین کوتاه موفق به بازسازی سبک زندگی باستانی‌شان ‌شده‌ باشند. با این همه، راتکلیف اعتقاد دارد که مخمرها، چندین‌میلیارد نسل پیش، از موجوداتی چندسلولی به تک‌سلولی بدل شدند و در همان اوقات هم ژن‌های مربوط به چندسلولی‌شدن را از دست داده‌اند، اما او می‌خواهد همین آزمایش را این‌بار روی تک‌سلولی‌هایی نظیر جلبک‌های سبز دریایی (از تیره Chlamydomonas ها)، که پیشینه چندسلولی نداشته‌اند، انجام دهد.

 

به نقل از Nature

جریان تاریک به چالش کشیده شد

پژوهشی جدید نشان داده است که جهان ما به احتمال زیاد، تحت تأثیر کشش گرانشی ساختارهای عظیم و نامرئی کیهانی که در آن‌سوی افق جهان رؤیت‌پذیر ما واقع شده‌اند، قرار "ندارد". دانشمندان در این بررسی، به کمک محاسبات به‌دست آمده از تحلیل انفجارهای ستاره‌ای و همچنین استفاده از قوانین فعلی علم فیزیک، دست به بازآزمایی تئوری معروف "جریان تاریک" زدند و در نهایت، اولین مدارک چالش‌برانگیز علیه این فرضیه را به‌دست آوردند.

در سال ۲۰۰۸ میلادی بود که رصدهای پیوسته اختر‌شناسان از حرکات دسته‌جمعی صد‌ها خوشه کهکشانی، نشان داد هرآن چیزی که در جهان رؤیت‌پذیر ما- و احتمالاً ماورای آن- واقع شده است، با سرعتی معادل ۳/۲ میلیون کیلومتر بر ساعت، در یک جهت مشترک حرکت می‌کنند. از آنجا که چنین پدیده‌ای را با نحوه توزیع فعلی ماده در جهان نمی‌توان توضیح داد، این دانشمندان مدعی وجود توده‌های عظیمی از ماده شدند که بلافاصله بعد از وقوع مهبانگ از مرز جهان رؤیت‌پذیر ما در رفتند و هم‌اکنون تمام ساختارهای کیهانی درون افق را به‌سوی خود می‌کشند.

 

در سال ۲۰۱۰ نیز همین تیم، به پشتوانه داده‌هایی که این‌بار فراوانی‌شان در حدود دو برابر از پژوهش پیشین بیشتر بود، پژوهشی تازه منتشر کرد. براساس این پژوهش، برد تأثیرات پدیده "جریان تاریک"، از برآوردهای گذشته هم بیشتر است و تا فاصله ۲/۵میلیارد سال نوری از زمین ادامه می‌یابد. الکساندر کاشلینسکی (Alexander Kashlinsky)، اخترفیزیکدان مرکز فضایی گادرد ناسا که پژوهش سال ۲۰۰۸ را سرپرستی می‌کرد، گفته بود اگر این یافته‌ها به تأیید قطعی برسند، پدیده جریان تاریک، درک فعلی از جایگاه کیهانی ما را متحول می‌کند؛ چراکه وجود ساختارهای عظیم‌الجثه در فراسوی مرزهای جهان رؤیت‌پذیر، حکایت از این می‌کند که جهان ما، ممکن است عضوی از یک "ابرجهان" باشد.

 

هیچ‌جا مثل خانه آدم نمی‌شود

 

پژوهشی تازه نیز که این‌بار به جای خوشه‌های کهکشانی، سراغ انفجارهای ستاره‌ای (موسوم به ابرنواختر‌ها) رفته است تا پی به ماهیت جریان تاریک ببرد، از وجود چنین جریانی خبر داده است، اما داده‌های ابرنواختری، سرعت این جریان را در فاصله ۲۴۰ میلیون کیلومتری از زمین، معادل ۹۰۰ هزار کیلومتر بر ساعت تخمین زده‌اند. این سرعت، اندکی بیشتر از آن‌ چیزی است که در مدل استاندارد علم کیهان‌شناسی انتظار می‌رود (و البته فوق‌العاده کمتر از آن چیزی است که تیم کاشلینسکی محاسبه کرده بود)، اما به‌گفته سرپرست این پژوهش، استفان ترنبول (Stephan Turnbull) از دانشگاه واترلوی کانادا، این سرعت، دیگر "آنقدرها مایه نگرانی‌مان نیست".

 

او می‌افزاید طبق مجموعه معادلات استانداردی که دانشمندان برای توصیف جهان هستی از آن‌ها بهره می‌گیرند، مشاهدات صورت‌پذیرفته "هنوز هم مطابق با فرضیات هستند و لذا همه چیز عادی است". در واقع این جریان، که معلوم شد سرعتش از محاسبات پیشین دانشمندان است، می‌تواند ناشی از عاملی متعارف‌تر همچون نیروهای کشندی یک یا چند "ابرخوشه" کهکشانی، و یا حتی یک ساختار کیهانی غول‌آسا در درون مرزهای جهان رؤیت‌پذیرمان باشد، که هنوز در دیدرس اخترشناسان واقع نشده است. اگر چنین باشد، دیگر این جریان را نمی‌توان "تاریک" نامید، چراکه در زبان فیزیک، واژه تاریک به چیزی اطلاق می‌شود که مدل‌های کنونی علم از توصیفش عاجزند.

 

وقتی‌که "شمع"های ابرنواختری، جریان تاریک را روشن می‌کنند

 

تیم کاشلینسکی که برای نخستین‌بار پی به وجود این پدیده برده بود، از طریق بررسی ناهمگنی‌های دمایی ِ پراکنده در پهنه تابش "میکروموجی پس‌زمینه کیهان" یا CMB، موفق به تعیین سرعت حرکت دسته‌جمعی خوشه‌های کهکشانی شد. گمان می‌رود این تابش، همان نوری باشد که در قالب مدل استاندارد علم کیهان‌شناسی، در حدود در حدود ۳۸۰ هزار سال پس از وقوع مهبانگ، آزاد شد و هم‌اکنون در تمام نقاط جهان رؤیت‌پذیرمان رخنه کرده است.

 

تیم کاشلینسکی، با بررسی تأثیراتی که نور گسیلی از گاز داغ میان‌کهکشانی بر تابش CMB اعمال کرده است، قادر به محاسبه سرعت و جهت خوشه‌های کهکشانی بودند، اما در پژوهشی که جدیداً انجام پذیرفته، تیم ترنبول دست به بررسی گونه‌ای خاص از انفجارهای ستاره‌ای، موسوم به "ابرنواخترهای نوع 1a" زدند. شدت درخشندگی این انفجارها همیشه یک مقدار ثابت است و لذا ستاره‌شناسان می‌توانند از این پدیده‌ها به‌عنوان "شمع‌های استاندارد" استفاده کنند و مثلاً به تعیین سرعت حرکت کهکشان‌ها بپردازند (اگر دقت کنید، درخشندگی یک شمع معمولی، همواره ثابت است و می‌توان از روی شدت نور ظاهری‌اش، فاصله آن را از چشم ما تخمین زد). اخترشناسان به کمک همین ابرنواخترهای نوع 1a موفق به تشخیص شتاب فزاینده انبساط کیهان شدند (رجوع کنید به مقاله "به افتخار تاریکی").

 

ترنبول و همکارانش، داده‌های حاصل از رصد ۲۴۵ مورد از این ابرنواختر‌ها را مورد بررسی قرار داده است و با روش‌های هوشمندانه ریاضی، موفق به یافتن ردپای جریان نامبرده شدند؛ جریانی که اثراتش، در یک کره فرضی به مرکزیت زمین و شعاع ۲۴۰ میلیون سال نوری، تازه به چشم می‌آمد. ترنبول می‌گوید: "بالاخره فهمیدم که این جریان، در یک جهت مشخص سرعتی معادل ۲۴۹، با خطای ۷۶ کیلومتر بر ثانیه دارد." این یافته‌ها چندی است که در نشریه علمی Monthly Notices of the Royal Astronomical Society به انتشار رسیده است.

 

کاشلینسکی، در واکنش به کشفیات جدید تیم ترنبول می‌گوید: "قبول دارم بین چیزی که ما محاسبه کرده‌ایم و چیزی که آن‌ها محاسبه می‌کنند، اختلافاتی وجود دارد، اما مهم این است که هیچگونه اختلاف نظری راجع به وجود این جریان، دیده نمی‌شود." در واقع جریانی که کاشلینسکی از آن حرف می‌زند، نه‌تنها نسبت به جریانی که ترنبول آن را یافته است، برد بیشتری دارد، بلکه شدتش هم چهار برابر است و رو به سوی جهتی متفاوت دارد.

 

زورآزمایی کیهانی

 

تا به اینجا، پژوهشگران چندان امیدی به آشتی دادن کشفیات تیم‌های کاشلینسکی و ترنبول نبسته‌اند، اما این دو تیم هر دو به خطاهایی در محاسبات خود معترف‌اند که در آینده می‌توان با ارتقای مجموعه‌داده‌های مربوط به رصد خوشه‌های کهکشانی و همچنین انفجارهای ابرنواختری، دست به اصلاح هرچه‌بهتر محاسبات فعلی زد و نتیجه این دو بررسی را بیش از پیش به هم نزدیک‌تر کرد. با این حال، احتمال می‌رود که فقط یکی از این دو فرضیه، پیروز این زورآزمایی شود.

 

کاشلینسکی، که خود اعتقاد دارد پژوهش‌های ترنبول دقیقاً همان چیزی است که بایستی برای آزمودن فرضیه جریان تاریک بدان‌ها ‌متوسل شد، می‌گوید: "امیدواریم که ظرف یک یا دو سال، این پرونده را به نفع یکی از این دو فرضیه ببندیم."

 

ترنبول اما می‌افزاید تنها یک احتمال وجود دارد که در آن، حق با هر دو فرضیه باشد. او می‌گوید: "فرض کنید یک قایق بسیار بزرگ داریم." کاشلینسکی، دست به محاسبه سرعت حرکت قایق زده- که همان جابه‌جایی دسته‌جمعی کهکشان‌ها باشد- و فهمیده که قایق در حال سرعت گرفتن بر پهنه اقیانوس است، اما ترنبول، با محاسبات ابرنواختری‌اش دست به تعیین جابه‌جایی‌های یکی از سرنشینان قایق زده است. "پس یک نفر روی قایق است و قایق هم در حال حرکت، اما ... محاسبات ما نشان از وجود حرکات اشخاص در درون قایق داده است."

 

اگر آن شخصی که ترنبول مثالش را می‌زند، در قایق ساکن نباشد و مثلاً به اطراف بدود، آن‌وقت هر دو حرکت، هم‌زمان در حال رخ دادن هستند و به‌گفته ترنبول، "نتیجه این دو پژوهش را می‌شود آشتی داد. احتمالش کم است، اما بعید هم نیست".

نقشه‌برداری از جنبش‌های الکترونی

کافی است به یک تکه فلز مثل نقره یا مس، نور بتابانید تا الکترون‌هایش برانگیخته شوند. این برانگیختگی، موجب دگرگونی میدان‌های الکترومغناطیسی پیرامون الکترون‌ها می‌شود و بدین‌واسطه، ویژگی‌هایی که پای فلزاتی نظیر مس را به علت رسانایی بالای آن به جهان فناوری کشانده است، خودنمایی می‌کنند.

تلاش‌هایی که در سالیان اخیر با هدف رصد الکترون‌ها صورت گرفته است، به لطف تولید لیزرهای چشمک‌زنِ فوق سریع، کم‌دردسرتر شده‌اند؛ آن‌هم با وجود قوانین سخت‌گیرانه مکانیک کوانتومی که در آن مقیاس‌ها بر این ذرات حکمرانی می‌کنند. براساس معادلات و توابع موج کوانتومی، یک ناظر هرگز نمی‌‌تواند سرعت و مکان دقیق یک الکترون را در آنِ واحد تعیین کند. این مسئله نه‌تنها راجع به سرعت و مکان که بسیاری از دیگر مختصات الکترون هم صدق می‌کند. از این گذشته، تشخیص یک الکترون به‌محض رهاسازی انرژی، فوق‌العاده ساده‌تر از زمانی است که مقدار انرژی مشخصی را جذب می‌کند. با این‌همه، درک بهتر وقایعی که در لحظه برانگیختگی یک الکترون با تحریک پرتوی نور اتفاق می‌افتد، کمک شایان توجهی به صنعت تولید سلول‌های نوری یا طراحی بهینه‌تر سامانه‌های فوتوالکتریکی، از قبیل پردازنده‌های پیشرفته رایانه‌ای خواهد کرد.

 

حال، گروهی از پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا، موفق به رصد فعالیت‌های الکترون و ترسیم نقشه‌هایی شده‌اند که نحوه پخش انرژی الکترون‌های برانگیخته بر سطح فلزات نقره و مس را در طول زمان نشان می‌‌دهند. این دانشمندان، به کمک میکروسکوپ الکترونی، اشعه چشمک‌زن لیزر را به مدت تنها یک فمتوثانیه (یعنی یک‌میلیونیم از یک‌میلیاردیم یک ثانیه)، بر نانوذره‌ای از جنس نقره که به یک لایه گرافین تکیه داده شده بود، متمرکز کردند. بعد از آن بود که جذب یا دفع انرژی لیزر توسط الکترون‌ها، با توجه به تأخیر فوق‌العاده کوتاه مابین زمان شلیک هر چشمک لیزری و زمان دریافت واکنشی مشابه از سمت یک الکترون، محاسبه می‌شد. دانشمندان به این روش اصطلاحاً "طیف‌نگاری فوق سریع" می‌گویند که در واقع با زبان معمولی نمی‌شود گفت که چقدر این فرآیند سریع رخ می‌دهد.

 

قرار است از طریق این روش، محل جذب و دفع انرژی توسط الکترون‌های متعلق به یک عنصر شیمیایی، نقشه‌برداری شود. این نقشه به تعیین مکان احتمالی الکترون‌های برانگیخته (و حتی مقدار انرژی جذب یا دفع‌شده) کمک خواهد کرد. هرچند اطلاعی از سایر مختصات آن ذره به دست نخواهد داد (و به همین واسطه از اصل عدم قطعیت هایزنبریگ هم تخطی نخواهد کرد). پس این پژوهش مثلاً مشخص می‌کند که یک نانوذره نقره، در ضلع سمت چپ و در گوشه پایین سمت راست‌اش، بیشترین انرژی را دریافت کرده است (چون ضخامت و ابعاد گوشه‌های ذره، کوچک‌تر از طول موج نور فرودی است، اطلاعاتی دقیق‌تر از این را نمی‌توان به دست آورد). در آینده ممکن است این روش، امکان تماشای واکنش مولکول‌ها، تعیین خواص ذرات و در نهایت پی‌گیری فرآیندهای درونی یک سلول زنده را هم فراهم کند.

 

 

به نقل از Scientific American

 

ترجمه از: احسان سنایی

Early supermassive black holes could grow it alone

Astronomers know that supermassive black holes at the centres of galaxies existed in the early universe, but how these objects managed to accumulate such heft in a short cosmological timespan is a mystery. Now, a team of researchers in Germany and the US has used a humongous computer simulation to show that cold streams of gas from outside a young galaxy could have fed its central black hole fast enough for the hole to grow rapidly.

Supermassive black holes are furnaces at the centres of galaxies. They suck in vast amounts of matter – which releases energy that causes the gas that surrounds them to glow. Astronomers call these glowing galactic centres quasars, and the UK Infrared Telescope Deep Sky Survey (UKIDSS) has found light from a quasar that was emitted as little as 800 million years after the Big Bang. This quasar and several picked up by the Sloan Digital Sky Survey are considerably brighter than expected. Indeed, they emit so much light that the black holes at their centres must have been enormous, at least a billion times the mass of the Sun.

Assuming that a supermassive black hole begins life as a relatively small black hole at the collapsed core of a massive supernova, Volker Springel of the Heidelberg Institute of Theoretical Studies in Germany says that it would need to have fed at its maximum rate from birth onwards in order to reach a billion solar masses now. "It seems possible, but it's a bit contrived," he says. This is because the rate at which a black hole accumulates matter is proportional to its mass, and therefore small black holes grow very slowly.

Direct collapse

An alternative explanation is that a very large amount of gas – roughly 100,000 solar masses – may have collapsed directly into the black hole. Now, Springel and colleagues – including team leader Tiziana Di Matteo at Carnegie Mellon University in the US – have used a computer simulation to show that this scenario is possible.

The team modelled the universe in a virtual box 2.4 billion light-years to a side – a volume that is roughly 1% of the visible universe today. This size of simulation was chosen in order to increase the chances that extremely massive quasars would emerge from the model. Inside the box, gas and dark matter, a form of matter that interacts through gravity alone, were represented by 65.5 billion particles.

"It's a remarkable achievement to be able to simulate such a huge volume of space to the precision needed to say something about a single black hole," says Daniel Mortlock of Imperial College London. While the resolution of the study was good enough to look at individual black holes, it had to be coarse enough to make the simulation feasible. As a result, each gas "particle" had the mass of 57 million Suns, while dark matter weighed in at 280 million solar masses per particle.

Billion-year simulation

The simulation covered the timespan from 10 million years after the Big Bang to about 1.3 billion years later. As time progressed, gravity caused the particles to gradually clump together. Once a congregation of gas particles reached a density associated with black-hole formation, the program introduced a particle of 100,000 solar masses into the middle of the clump to represent a black hole. This "seed" could then begin accreting gas particles according to a model of black-hole growth.

After 800 million years, one black hole had reached 3 billion solar masses, while nine more were close to the billion-solar-mass mark. To find out how they had grown, the team zoomed in on them, finding that those growing the fastest appeared to be fed by dense streams of gas. This picture supports the idea of "cold gas flows" penetrating directly to the black hole without warming up through interactions with the hot gas already in the vicinity. Although black-hole mergers have been proposed as a route to supermassive black holes, merged black holes were not among the largest in the simulation.

"[The simulation] is the first to quantitatively estimate that cold gas flows can deposit large quantities of fresh 'fuel' to the centre of galaxies, possibly feeding supermassive black holes even in absence of mergers," says Lucio Mayer of the University of Zürich, Switzerland. "However, the resolution of the simulations is still too low to ascertain if such gas would directly feed the central black hole." He suspects that it would be more likely to settle into the disc of gas surrounding the black hole, feeding it more slowly, but this detailed behaviour must be explored with higher-resolution simulations

دومین کنفرانس ایمنی پرتوهای غیریونساز

مرکز تحقیقات تابش دانشگاه شیراز با همکاری انجمن حفاظت در برابر اشعه ایرانیان، دومین کنفرانس ایمنی پرتوهای غیریونساز را، در تاریخ 13 و 14 اردیبهشت ماه 1391، در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه شیراز، برگزار می‌کند. محورهای این کنفرانس عبارتند از: میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با فرکانس‌های کم یا بسیار کم، پرتوهای رادیویی و مایکروویو، پرتوهای نوری (فرابنفش و فروسرخ و مرئی)، پرتوهای لیزری، فراصوت و فروصوت.

 

                                         دومین کنفرانس ایمنی پرتوهای غیر یونساز

همایش ملی گرانش و کیهان شناسی

Copper collisions create much strangeness

Colliding pairs of copper ions produce significantly more strange quarks per nucleon than pairs of much larger gold atoms. That is the surprising discovery of physicists working on the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at the Brookhaven National Laboratory in the US. The finding gives further backing to the core–corona model of such high-energy collisions and could shed further light on the quark–gluon plasma – a state of matter though to have been present in the very early universe.

Quarks are normally bound-up by gluons in particles such as protons and it takes a high-energy collision to create a glimpse of free quarks. If large nuclei such as gold or lead are smashed together at high enough energies, the result is expected to be a soup of free quarks and gluons called a quark–gluon plasma. In addition to boosting our understanding of the strong force that binds quarks together, a quark–gluon plasma is thought to provide a microscopic picture of the very early universe.

When heavy nuclei are collided at RHIC, they generate a fireball that dissipates much of its energy by creating new particles. Some of these particles contain strange quarks – the lightest of the exotic quarks – and a relatively large number of strange quarks produced in a collision can imply the presence of a quark–gluon plasma. This is because an unconfined quark in a plasma behaves as if it is lighter than a quark confined in a nucleon, and this effective reduction in mass means that generating strange quarks does not take as much energy. For this reason, those hunting quark–gluon plasmas pay close attention to the number of strange quarks that crop up in particle collisions – the number should be larger than expected if the plasma is produced.

Something strange about copper

When trying to create a quark–gluon plasma, it is normally thought that the larger the nucleus, the better. As such, RHIC normally collides gold ions and the Large Hadron Collider (LHC) smashes lead. But now, physicists in the STAR collaboration at RHIC have found that copper–copper collisions produce between 20% to 30% more strange quarks per nucleon than their gold–gold counterparts. The latest study involves about 40 million copper–copper collisions and 20 million gold–gold collisions, all of which were carried out at an energy of 100 GeV per nucleon.

The copper ions contained a total of 63 nucleons – 29 protons and 34 neutrons. If their collisions produced more strange quarks than 63 proton–proton collisions at the same energy, then this is called a "strangeness enhancement", which could be evidence that the collision created a quark–gluon plasma.

There is, however, an alternative explanation for why colliding copper produces more quarks than protons. It could be that the production of strange hadrons (particles containing strange quarks) are suppressed in proton–proton collisions because of the requirement that strangeness must be conserved. Conservation rules require that for every strange quark, its antimatter version (the antistrange quark) must be produced. In collisions involving smaller nuclei, where fewer particles are generated, the burden of making extra antistrange quarks means that particles containing two or more strange quarks are harder to create. This limitation brings down the number of strange quarks generated on average in proton–proton collisions.

Almond-shaped collision

The team compared gold and copper collisions with the same number of "participating" nucleons. Because gold has 197 nucleons, many more than copper, the gold nuclei had to sideswipe one another rather than crash head on in order to get a collision involving 126 nucleons or less – the number involved when two copper nuclei collide. This results in an almond-shaped collection of protons and neutrons, rather than the more circular head-on copper collisions.

"The canonical picture says that the strangeness enhancement should just depend on the number of participants," says Anthony Timmins, a STAR collaborator at the University of Houston. But if that were true, the copper collisions would not have come out significantly stranger than the gold collisions.

As an alternative, the collaboration suggests that the core–corona model describes the data best. In this picture, the colliding nucleons form a core of quark–gluon plasma surrounded by ordinary nucleon–nucleon collisions. A relatively compact copper collision collects its energy in a smaller space, meaning that more nucleons join the quark–gluon plasma and produce strange quarks. Meanwhile, more nucleons in the almond-shaped gold sideswipe are lost to collisions in the corona, thus generating fewer strange quarks.

Other particles get a boost

Aneta Iordanova, a former STAR collaborator who is now at the University of California, Riverside, is particularly interested in the fact that other particles – without strange quarks – also get a boost in the head-on copper collisions compared with the gold collisions. "If the particles produced in the core region dominate the particle production as a whole, then an increase in the yield of all particles, strange or not, is expected," she says.

Federico Antinori, physics co-ordinator for the ALICE experiment on CERN's Large Hadron Collider in Geneva, Switzerland, calls this a "bonus point" for the core–corona model. "It's not the final proof, but it's interesting to note that this model does rather well at explaining the data," he says. ALICE collaborators presented their first look at particles containing multiple strange quarks coming out of lead–lead collisions last year, and although quantitative comparisons with the core–corona model have yet to be made, he notes that the behaviour is qualitatively similar.

Three new maps shine light on dark matter

Three independent teams of astronomers have released new and improved maps of where dark matter is lurking in parts of the universe. All three groups have charted the mysterious substance by looking at how its presence distorts the images of distant galaxies as their light travels to Earth. As well as providing further insights into dark matter, the studies could provide crucial information about another mysterious substance – dark energy.

About 95% of the mass/energy content of the universe is believed to comprise dark matter and dark energy – two substances about which physicists know very little. Dark matter cannot be observed directly but is believed to make up about 23% of the mass/energy in the universe. Its existence has been inferred from the gravitational tug that it exerts on visible matter such as galaxies. Dark energy, which is also invisible, is thought to account for about 72% of the mass/energy and its existence is inferred from the accelerating expansion of the universe.

Gravitational lensing

One team has used data from the Canada–France–Hawaii (CFHT) telescope to map the location of dark matter in four regions of the sky. The survey, known as CFHTLenS, includes about 10 million galaxies, which are all about six million light-years away. As the light from these galaxies travels to Earth, it is affected by the gravitational field of the dark matter that it passes along the way – a phenomenon called gravitational lensing. This distorts both the shape of the galaxies and their relative orientations as we see them on Earth – deviations that can be used to map the density of dark matter.

Observed over a period of five years, the four different patches of the sky were studied – each about 1° by 1° – using the MegaCam camera on the CFHT. The images cover a much larger area of the universe than a previous map produced by the team – which only covered 0.25° by 0.25°. The maps reveal that dark matter tends to clump around large clusters of galaxies – something that astronomers had expected but are unable to confirm in vast sections of the universe.

The team is now applying its analysis technique to data from the Very Large Telescope in Chile, which should result in much more of the sky being mapped. "Over the next three years we will image more than 10 times the area mapped by CFHTLenS, bringing us ever closer to our goal of understanding the mysterious dark side of the universe," says team member Koen Kuijken of Leiden University in the Netherlands.

Shear brilliance

The other two dark-matter maps have been made by two independent groups, both of which claim to be the first to show that "cosmic shear" measurements can be unambiguously made by ground-based telescopes. Cosmic shear is a type of gravitational lensing that makes a distant object appear stretched – turning a circular image into an elliptical one, for example. By analysing the cosmic shear of images of distant galaxies collected over nine years by the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), the teams were able to create dark-matter clumps.

The teams – one largely based at Fermilab and the other at the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) – have been able to improve their measurements by combining multiple snapshots of the same parts of the sky taken in the period 2000–2009. Known as "co-addition", this process helps to reduce the effects of atmospheric distortion on the shear measurements and enhance the strength of signals from very distant and very faint galaxies.

The resulting dark-matter maps could be used to gain further insights into dark energy because dark energy should have an important effect on how dark matter is distributed in the universe – in particular how it tends to clump together.

"The community has been building towards cosmic-shear measurements for a number of years now," says Eric Huff, who is a member of the LBNL team. "But there has also been some scepticism as to whether the measurements can be done accurately enough to constrain dark energy. Showing that we can achieve the required accuracy with these pathfinding studies is important for the next generation of large surveys."

دانشمندان، موفق به نامرئی کردن زمان شدند

براساس نظریه نسبیت اینشتین، نیروی جاذبه می‌تواند سیر زمان را کندتر کند. حال فیزیکدانان پی به روشی برده‌اند که می‌توان به کمکش اصلاً سیر زمان را متوقف کرد و یا دست کم با خماندن نور و ایجاد حفره‌ای در پیوستار زمان، ادای توقفش را درآورد.

این پژوهش، در امتداد تلاش‌هایی است که اخیراً با هدف نامرئی کردن چیزها با منحرف کردن پرتوهای نور مرئی انجام شده بود. قصه از این قرار است که اگر پرتوهای نور به جای برخورد مستقیم به یک شیئی، از کنارش عبور کنند و به عبارتی افتراق یا انعکاسی که بیننده را از وجود شیئی مربوطه خبردار می‌کند، اتفاق نیافتد، آنگاه آن شیئی را "نامرئی" کرده‌ایم.

 

دانشمندان دانشگاه کرنل آمریکا هم از مفهوم مشابهی برای متوقف‌سازی زمان استفاده کرده‌اند، البته توقفی فوق‌العاده کوتاه: چیزی در حدود ۴۰ تریلیونیم ثانیه. "مثل این می‌ماند که بخواهید مسیر نور را در زمان منحرف کنید- یا به عبارتی از سرعتش کاسته، یا بر آن بیافزایید. در این‌صورت است که می‌شود از نقطه‌نظر زمانی، یک شکاف را در پرتو نور ایجاد کرد." این را الکس گائتا (Alex Gaeta) فیزیکدان دانشگاه کرنل و از نویسندگان گزارش این یافته در نشریه علمی nature می‌گوید و می‌افزاید: "با این حساب هر واقعه‌ای که در آن بازه زمانی رخ دهد، امکان تأثیر نهادن بر نور را پیدا نخواهد کرد و گویی که این واقعه اصلاً رخ نداده است."

 

مثلاً به‌گفته گائتا، کافی است که پرتوهای متقاطع لیزر را که در موزه‌ها به‌منظور حراست از آثار گران‌سنگ هنری به‌کار می‌رود، در نظر بگیریم. او می‌گوید: "یک پرتو لیزر داریم و یک حسگر که در صورت قطع جریان پرتو، فوراً آن را تشخیص می‌دهد. به‌طوری که اگر از میان پرتوهای لیزری رد شوید، آژیر به صدا درخواهد آمد، اما چه می‌شد اگر وسیله‌ای داشتیم که قسمتی از پرتو را سرعت می‌بخشید و قسمتی از آن را هم آهسته‌تر می‌کرد، به‌طوری که در مجموع باعث ایجاد توقفی‌ کوتاه در مسیر پرتو می‌شد ... شما می‌توانستید از درون این شکاف عبور کنید و این وسیله هم بلافاصله همان کاری را که کرده بود این‌ دفعه برعکس ِ بار اولش انجام می‌داد: یعنی قسمتی از پرتو را که کندتر کرده بود این‌بار سرعت می‌بخشید و قسمت دیگر را کندتر می‌کرد. این به‌نوعی موجب ترمیم شکاف می‌شد و حسگر اصلاً متوجه نمی‌شد که در این بحبوحه شما پرتوی لیزر را عملاً قطع کرده‌اید."

 

متوقف‌سازی زمان

 

گائتا و همکارانش، برای متوقف کردن زمان، یک پرتوی لیزر را بر حسگری متمرکز کردند و در این بین، آن را از وسیله‌ای شیشه‌ای از جنس فیبر نوری، موسوم به "عدسی زمان" عبور دادند. همانگونه که عدسی‌های ‌معمولی، پرتوهای نور را در فضا کانونی می‌کنند، عدسی زمان هم نحوه توزیع موقتی- نه فضایی زمان را تغییر می‌دهد. گائتا می‌گوید: "این راهی برای کنترل خواص یک پرتوی نور در حوزه زمانی مشخصی است، به‌طوری که می‌شود آن را شکل دلخواهی بخشید و کج و معوجش کرد و کارهایی از این دست را در آن بازه زمانی، روی نور انجام داد."

موتی فریدمن (Moti Fridman)، از همکاران گائتاست که او هم در دانشکده فیزیک کاربردی و مهندسی دانشگاه کرنل مشغول به فعالیت است. او موفق به ابداع روشی شده که در جریان آن، پرتوی لیزریِ تمرکزیافته بر حسگر را با یک پالس قوی لیزر از وسط قطع می‌کنیم. وی در توصیف این روش می‌گوید: "این کار باعث تغییر فرکانس و طول موج پرتوی اصلی می‌شود، به‌طوری که با تغییر سرعت پرتو، یک حفره زمانی سر وامی‌کند." یک پالس دوم لیزری هم از سوی مخالف، تغییرات پدیدآمده را خنثی می‌کند و پرتو را به خواص اولیه‌اش برمی‌گرداند.

 

این گونه بود که در جریان آزمایش، یک واقعه که در خلال این شکاف زمانی رخ داده بود، از چشم حسگر پنهان ماند. ژیمین شی (Zhimin Shi)، متخصصی از انستیتو اپتیک دانشگاه روچستر می‌گوید تا پیش از این، بحث‌های فراوانی راجع به احتمال طراحی چنین آزمایشی درگرفته بود. او که خودش نقشی در این پژوهش نداشته است، در ادامه می‌گوید: "اما این نخستین آزمایش کاملاً تجربی بود که نشان داد چگونه می‌توان دست به تولید یک شکاف زمانی زد و یک واقعه را از هم از لحاظ مکانی و هم از لحاظ زمانی، نامرئی جلوه داد."

 

شکاف‌های زمانی، نعمتی برای محاسبات رایانه‌ای

 

هرچند این پژوهش هنوز در مراحل ابتدایی به‌سر می‌برد، اما چنین دستکاری‌هایی در زمان را می‌توان روزی به کار گرفت و از آن سود جست. شی می‌گوید: "به گمان من، کسی هنوز آنقدرها توجهی به این نکرده که چه کارهایی را می‌شود از طریق این قابلیت به ثمر رساند. شاید اولین چیزی که مردم را به فکر فرو ببرد، تلاش برای نامرئی کردن یک شیئی یا پنهان کردن وقایع از طریق این شکاف‌های زمانی، مثل قصه‌های هری پاتر باشد."

 

با کمک یک عدسی زمان اما می‌شود داده‌ها را در یک مسیر پیوسته و بی‌دست‌انداز هدایت کرد. فریدمن در این‌ زمینه می‌گوید: "فکر می‌کنم اگر بتوان داده‌هایی که از میان فیبر نوری گذر می‌کنند را پنهان کرد، کارهایی فوق‌العاده قیمتی‌تر از سرقت یک شیئی عتیقه می‌توان انجام داد. با کمک عدسی زمان، شما می‌توانید جریان داده‌ها را به هر نحوی که بخواهید، دگرگون کنید و بعد از آن دوباره همه‌چیز را به وضع اولش برگردانید." مثلاً می‌توان این روش را در طراحی نسل آتی پردازنده‌ها، به‌منظور ارتقای سرعت پردازش یا برای تقویت جریان انتقال داده در شبکه اینترنت و رایانه‌ها به کار گرفت.

 

با این‌حال به‌گفته شی، هر قابلیتی را هم که بتوان از این یافته به دست آورد، حتماً منوط به تولید وقفه‌های زمانی طولانی‌تری خواهد بود. به‌علاوه، پژوهشگران باید این روش را در یک محیط سه‌بعدی، که نور از جهات مختلفی به یک شیئی می‌تابد امتحان کنند، نه یک تک‌پرتو که تنها در آزمایشگاه استفاده می‌شود.

 

به‌هرحال این گام اول است و آزمایش پژوهشگران کرنل، مزایای قابل توجهی به دنبال خواهد داشت. شی می‌گوید: "می‌شود اینطور هم به قضیه نگاه کرد که ما موفق به درک بهتر زمان و مکانی شده‌ایم که در آن زندگی می‌کنیم."

ترجمه از "اجسان سنایی"

Quantum Cats Are Hard to See: Researchers Explain the Difficulty of Detecting Quantum Effects

Are there parallel universes? And how will we know? This is one of many fascinations people hold about quantum physics. Researchers from the universities of Calgary and Waterloo and the University of Geneva in Switzerland have published a paper in Physical Review Letters explaining why we don't usually see the physical effects of quantum mechanics.

"Quantum physics works fantastically well on small scales but when it comes to larger scales, it is nearly impossible to count photons very well. We have demonstrated that this makes it hard to see these effects in our daily life," says Christoph Simon, who teaches in the physics and astronomy department and is one of the lead authors of the paper entitled: Coarse-graining makes it hard to see micro-macro entanglement.

It's well known that quantum systems are fragile. When a photon interacts with its environment, even just a tiny bit, the superposition is destroyed. Superposition is a fundamental principle of quantum physics that says that systems can exist in all their possible states simultaneously. But when measured, only the result of one of the states is given.

This effect is known as decoherence and it has been studied intensively over the last few decades. The idea of decoherence as a thought experiment was raised by Erwin Schrödinger, one of the founding fathers of quantum physics, in his famous cat paradox: a cat in a box can be both dead and alive at the same time.

But, according to the authors of this study, it turns out that decoherence is not the only reason why quantum effects are hard to see. Seeing quantum effects requires extremely precise measurements. Simon and his team studied a concrete example for such a "cat" by using a particular quantum state involving a large number of photons.

"We show that in order to see the quantum nature of this state, one has to be able to count the number of photons in it perfectly," says Simon. "This becomes more and more difficult as the total number of photons is increased. Distinguishing one photon from two photons is within reach of current technology, but distinguishing a million photons from a million plus one is not."

 

به نقل از Sciencedaily

راه رفتن ما، میراث ماهیان ریه‌دار

ماهی‌هایی هستند که جست‌وخیزکنان، در حالی‌که بر باله‌های خود ایستاده‌اند، از آب بیرون می‌زنند و حین پیاده‌روی‌شان روی خشکی، از هوای آزاد آن تنفس می‌کنند. به‌گفته دانشمندان، از روی رفتار همین ماهی‌ها شاید بتوان گفت که راه رفتن، قبل از مهاجرت آبزیان به خشکی، در زیر آب در عمل به تکامل رسیده است. می‌توان گفت اجداد کهن انسان‌ها و تمامی پستانداران، خزندگان، پرندگان، دوزیستان و سایر چهارپایان، در واقع ماهیانی هستند که در نهایت توانایی تنفس روی خشکی را به دست آورده‌اند. یکی از اندک‌گونه‌های بقایافته از این تیره‌های کهن خشکی‌زی، جانوران هوازی و کمیابی موسوم به "ماهی ریه‌دار" (Lungfish) هستند که امروزه در مناطقی از آفریقا، آمریکای جنوبی و استرالیا زندگی می‌کنند.

حال، دانشمندان متوجه شده‌اند که ماهی ریه‌دار آفریقایی (با نام علمی Protopterus annectens) می‌تواند به کمک باله‌های لاغرش، بدن خود را به تمامی از روی زمین بلند کند و به پیش بیندازد. این قابلیتی است که تا پیش از این، تصور می‌رفت از رفتارهای چهارپایان نخستین – که مدت‌ها پس از این ماهیان ظاهر شده بودند – پدید آمده باشد.

 

نیل شوبین (Neil Shubin)، پژوهشگری از دانشگاه شیکاگوست که می‌گوید: "رفتار این ماهی‌ها، نشانگر گام‌هایی‌ست که منشاء راه رفتن بوده‌اند. آنچه ما در ماهی ریه‌دار می‌بینیم، نمونه‌ای فوق‌العاده زیباست که به ما نشان داده چگونه راه رفتن روی دوپا در ماهیان آب‌زی، آسان و بی‌دردسر به الگوی راه رفتن در چارپایان منتهی شده است." ماهی ریه‌دار مد نظرما، بدنی شبیه به مارماهی مجهز به یک جفت باله سست و بی‌دوام دارد. "اگر اسکلت این جاندار را به من نشان داده و با من شرط ببندید که راه می‌رفته یا نه، شرط می‌بستم که نمی‌توانسته راه برود." این را شوبین می‌گوید و می‌افزاید: "باله‌هایشان به همه چیز شباهت دارد، الا اندامی برای راه رفتن."

 

تاریخچه غنی حیات ماهیان ریه‌دار، این جانوران را به سوگلی‌های دیرینه‌شناسان بدل کرده و سال‌ها بوده که حکایات و شایعاتی هم مبنی بر اینکه رفتاری شبیه به راه رفتن را می‌شود در این ماهیان مشاهده کرد، در بین دانشمندان دهان‌به‌دهان می‌چرخیده است. پژوهشگران، با هدف کشف حقیقت احتمالی پنهان در پس این شایعات، دست به طراحی آکواریوم ویژه‌ای زدند که با کمکش قادر به تصویربرداری از حرکات این ماهی، از زاویه پایین و همچنین از طرفین بودند. فیلم‌های به‌دست‌آمده نشان از این می‌داد که ماهی ریه‌دار، اغلب از باله‌های پشتی‌اش برای خیز رفتن بهره می‌گیرد و همزمان از هر دو باله‌اش برای جهیدن استفاده می‌کند و برای راه رفتن هم حرکات باله‌ای‌اش را به تناوب تغییر می‌دهد.

 

هدر کینگ (Heather King)، زیست‌شناس فرگشتی دانشگاه شیکاگو می‌گوید که "چقدر جذاب و شگفت‌انگیز است که حتی با چنین باله‌های لاغری هم این ماهی ریه‌دار، نه‌تنها می‌تواند خود را به پیش براند، بلکه قادر به بلند کردن کامل بدنش [از کف ظرف] هم هست. اگر قرار باشد که صرفاً به اسکلت این ماهی بنگریم، هرگز حدس هم نخواهید زد که امکان نمایش چنین رفتاری را داشته باشد، علی‌الخصوص از آنجایی‌که این ماهی اصلاً پا ندارد." به‌رغم اینکه باله‌های جلویی ماهی دقیقاً شبیه به باله‌های عقبی‌اش است، اما برای جست و خیز و راه رفتن از آن‌ها بهره‌ای نمی‌گیرد. البته پژوهشگران شک دارند که واقعاً این‌گونه باشد، اما به‌گفته کینگ، "امکان دارد اگر باله‌های عقبی، تنها برای به پیش راندن ماهی کفایت کنند، نیازی به باله‌های جلویی احساس نشود".

 

به‌گفته پژوهشگران، توانایی ماهی ریه‌دار برای حمایت از وزن بدنش روی چنین اندام ظریف و نازکی، احتمالاً به کمک شناور کردن خود از طریق انباشت ریه‌ها با هوا امکان‌پذیر می‌شود. شوبین می‌گوید: "این نمونه به ما نشان می‌دهد در محیط آب که دیگر نبایستی تمامی وزن بدن را تحمل کرد، چه گزینه‌هایی برای سهولت در حرکت پیش روی‌تان است." ممکن است این کشف، مسیر فرگشتی ویژه‌ای را که دانشمندان گمان می‌کردند حیات از طریق آن از آب به خشکی راه پیدا کرده است را دچار دگرگونی‌هایی کند. کینگ مدعی است اغلب مراحل لازم برای وفق دادن خود با محیط خشکی، می‌توانسته میلیون‌ها سال پیش از اینکه چارپایان صاحب پاهای خود شوند و عزم خشکی کنند، رخ داده باشد. این یافته‌ها ممکن است حتی ما را به تجدید نظر در خصوص ماهیت رد پاهای تقریباً ۳۸۰ میلیون‌ساله‌ای رهنمون شود که اخیراً پیدا شده است. رد پاهایی که می‌توانسته اصلاً توسط گونه‌هایی از ماهیان ایجاد شده باشد. کینگ، شوبین و همکاران‌شان، یافته‌های خود را دیروز در نسخه آنلاین نشریه علمی Proceedings of National Academy of Science انتشار دادند.

 

لینک منبع مقاله

ترجمه از "احسان سنایی"