تک قطبی مغناطیسی

یکی از واقعیت‌های فیزیکی ‌این است که هر آهنربایی، هر زمانی که ساخته شده،‌ یک قطب شمال و یک قطب جنوب داشته است. هر وقت پژوهشگران تلاش می‌کردند این دو قطب را از هم جدا کنند، هر تکه خودش به آهنربای تازه‌ای تبدیل می‌شد که دارای هر دو قطب شمال و جنوب بود. اما مدت‌ها است که فیزیک‌دانان در جستجوی دلیل این امر هستند و چندین دهه در تلاش برای رسیدن به آهنربایی هستند که تنها یک قطب داشته باشد، موجودی که تک‌قطبی مغناطیسی نام گرفته است.

جاناتان موریس، از پژوهشگران مرکز مواد و انرژی هلمهولتز در برلین می‌گوید:‌ « مردم مدت‌ها تک‌قطبی‌ها را در پرتوهای کیهانی و ذرات شتاب‌دار جستجو می‌کردند، حتی در سنگ‌های ماه».

به گزارش نیچر، اکنون موریس و سایرین موفق شده‌اند در بلور‌های کوچکی به اندازه سوراخ گوش، قوی‌ترین نشانه‌ای را که تاکنون برای مغناطیس تک‌قطبی دیده شده بیابند. به نظر می‌رسد که وقتی این بلور‌ها تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شوند، پر از تک نقاط کوچک شمالی و جنوبی می‌شوند. این نقاط کم‌تر از یک نانومتر فاصله دارند و نمی‌توان آن‌ها را مستقیما سنجید. با این وجود، موریس و سایر فیزیکدانان معتقدند به آن چه در جستجویش بودند، رسیده‌اند. آن‌ها این مورد را در دو مقاله در نشریه ساینس منتشر کرده‌اند.

این بلور‌ها از موادی ساخته شده‌اند که به یخ فشرده معروف است،‌ چون اتم‌هایش به صورتی مشابه با اتم‌های یخ چیده شده‌اند. اتم‌های این ماده به صورت خاصی روی چهار راس هرم قرار گرفته‌اند. هر اتم مانند یک تکه مغناطیس کوچک عمل می‌کند و وقتی بلور تا دمای نزدیک به صفر مطلق سرد می‌شود،‌ اتم‌های مغناطیسی به صف در می‌آیند. گاهی سه راس از چهار راس هرم با هم در یک ردیف قرار می‌گیرند و منطقه‌ای با مغناطیس شمالی یا جنوبی به وجود می‌آورند که از مرکز هرم تقویت می‌شود. این تقویت به هیچ جرم فیزیکی وابسته نیست، اما دقیقا به همان نحوی عمل می‌کند که انتظار می‌رود یک تک‌قطبی عمل نماید.

مدرک بی‌چون و چرا؟
کار نظری نشان داده است که تک‌قطبی ها احتمالا وجود دارند و احتمالا به طور غیرمستقیم مورد سنجش قرار گرفته‌اند. اما مقاله‌هایی که این بار در نشریه ساینس به چاپ رسیدند، بیانگر اولین آزمایش‌های مستقیم برای ثبت تاثیر تک‌قطبی‌ها بر یخ فشرده هستند. پژوهشگران از نوترون‌ها برای یافتن اتم‌هایی که در بلور در زنجیره‌های بلند ردیف شده‌اند، استفاده کرده‌اند. این زنجیره‌ها که رشته دیراک نامیده می‌شوند، تک‌قطب‌های شمالی و جنوبی را به هم متصل می‌کنند و مانند وجود تک‌قطبی‌ها، در دهه 1930 / 1310 توسط نظریه‌پرداز انگلیسی و برنده جایزه نوبل فیزیک، پل دیراک،‌ پیش‌بینی شده بودند. سنجش دما که در یکی از این مقالات آمده، بحث تک‌قطبی‌ها را تایید می‌کند.

دو مقاله دیگر که قرار است در آرایکس‌ایو به چاپ برسند، به این شواهد می‌افزایند. اولی حاوی مشاهدات بیشتری است و در دومی، برای رساندن نیروی مغناطیسی هر تک‌قطبی به 4.6x10-13 ژول بر تسلامتر، ‌از فناوری‌های تازه‌ای استفاده شده است. استیو برام‌ول، دانشمند مواد در دانشگاه لندن و از نویسندگان این مقالات، معتقد است جمع شدن همه این شواهد با هم برای مغناطیس‌های تک‌قطبی فوق‌العاده است.

پیتر شیفر، از پژوهشگران دانشگاه ایالت پنسیلوانیا، در این باره می‌گوید: « این نوع اندازه‌گیری‌ها باعث می‌شود که تک‌قطبی‌ها قابل‌توجه‌تر شوند،‌ حداقل در ذهن من این طور است. حتی اگر قرار باشد در جای دیگری مستقیما زیر سوال بروند». مثل هر ذره باردار دیگری، تک‌قطبی‌ها هم جذب مخالف خود می‌شوند و قطب‌های شمالی و جنوبی با فاصله‌ای کم‌تر از یک نانومتر گرد هم می‌آیند. این مسئله باعث می‌شود تفکیک و تشخیص آن‌ها به طور مجزا دشوار باشد. اما،‌ چنان که شیفر می‌گوید:‌ « من خیلی تردید دارم که بگویم غیرممکن است».

برام‌ول اما معتقد است حتی بدون این که یکی از آن‌هارا دیده باشد،‌ مطمئن است که تک‌قطبی‌ها آن‌جا وجود دارند. وی می‌گوید:‌ « فکر نمی‌کنم بعد از این همه مقاله دیگر برای کسی جای چنین سوالی مانده باشد.»

چرا میدان مغناطیسی زمین عوض می شود؟

چرا میدان مغناطیسی زمین عوض می شود؟

میدان مغناطیسی یا آهنربایی کره زمین در حال ضعیف شدن است. اگر این کاهش در شدت میدان با همین اهنگ به پیش رود ظرف 1200 سال آینده قطب نماهای سراسر دنیا از کار خواهند افتاد تا مدتی به طرف همه جا ولی در واقع هیچ جا منحرف خواهند شد. سپس به آهستگی پس از گذشت دهها یا صدها سال بار دیگر همراستا خواهند شد اما این بار به سمت جنوب.
نتیجه این می شود که میدان مغناطیسی زمین وارونه خواهد شد این اتفاق پسشتر نیز بارها روی داده است. زمین شناسان در سنگ های مغناطیسی چندین میلیون ساله قراینی یافته اند که این را تایید می کند. روشن است که این پدیده بیانگر مطلب بسیار مهمی درباره هسته درونی زمین است.اما پرسش اینجاست که این مطلب مهم چیست؟ هسته زمین از آهن و نیکل تشکیل شده که بخش عمده ای از انها به حالت گداخته وجود دارد این مایع فلزی پیوسته در جنبش است و این جنبش به نحوی جریانهای الکتریکی به وجود می اورند که میدان مغناطیسی زمین را ایجاد می کنند. جزئیات این فعالیت فلزی گداخته و تغییراتی که در میدان مغناطیسی زمین بوجود می اورد هنوز روشن نشده است برخی از سرنخ هایی که درباره رویدادهای درون زمین در اختیار داریم از بررسی ساختار بیرونی این میدان بسیار گسترده بدست آمده اند این میدان زمین را در محاصره خود دارد و تا صدها هزار کیلومتر در فضا ادامه دارد. میدان مغناطیسی را می توان به صورت مجموعه ای از خط های فرضی تصور کرد که در فضا از قطب جنوب در جنوبگان تا قطب شمال در کانادا قوس می زند و سپس در درون هسته زمین ادامه می یابد تا بار دیگر از قطب جنوب سر در آورد. میدان مغناطیسی زمین همواره نابسامان است. قطب های مغناطیسی زمین 11 درجه با قطب های جغرافیایی زمین فاصله دارند در این میدان پیچش ها و خمیدگی هایی وجود دارد که در آن نواحی ممکن است جهت عقربه قطب نما حتی تا 20 درجه از شمال حقیقی فاصله داشته باشد. دریانوردان این نواحی را از قرن یازدهم هجری تا کنون نقشه برداری کرده اندتا مبادا قطب نماهایشان آنان را از مسیر واقعی منحرف کند. از روی نوشته های آنان در میابیم که شدت میدان مغناطیسی زمین افت و خیز بسیار زیادی دارد.و سالانه در حدود 20 کیلومتر به طرف غرب جابجا می شود در نظر دانشمندان امروزی این بدان معناست که مایع گداخته هسته زمین با سرعتی در حدود نیم میلیمتر در ثانیه در حرکت است. یعنی در روز تقریبا مسافتی برابر نصف طول زمین فوتبال را می پیماید. زمین فیزیکدانان در مقیاس گسترده تر با بررسی مغناطیس هایی که در گدازه های منجمد باستانی محبوس شده اند ردپای میدان مغناطیسی زمین را 30 تا 50 میلیون سال گذشته دنیبال کرده اند همچنانکه سنگ ها گداخته می شوند اتم های آهن موجود در آنها تمایل می یابند با راستای میدان مغناطیسی ان دوره همراستا شوند. این مدارک نشان می دهد که در گذشته میدان مغناطیسی زمین در فاصله های زمانی نامعین از 30 هزار سال گذشته تا 1 میلیون سال وارونه شده است. میدان از این رو به آن رو می شود. یعنی در مدت نزدیک به 100 هزار سال ضعیف می شود و سپس در جهت دیگر افزایش می یابد.
بسیاری از زمین شناسان که درباره علت وارون شدن ها بررسی می کنند اکنون معنقدند که میدان مغناطیسی ضعیفی که بر سطح زمین می سنجیم ( آن قدر ضعیف که آهنربای نعلی شکل اسباب بازی هم 100 برابر از آن نیرومند است) تنها مشتی از خروار است. بخش عمده از فعالیت مغناطیسی زمین در هسته آهنی و نیکلی آن صورت می گیرد برابر مقبول ترین توضیحی که برای این مساله ارائه شده و به نظریه دینامو معروف است بخشی از میدان که در هسته زمین امتداد دارد در مایع باردار و گداخته آن محبوس شده و با چرخش زمین کشیده می شود. درنتیجه به طور مستقیم از هسته نمی گذرد بلکه بارها دور هسته پیچیده می شود تا مانند دسته ای از کش های محکم تشکیل خطوط شار نیرومندی را بدهد. بنابر این نظریه جریان همرفتی فلز گداخته که از اعماق هسته بالا می آید حلقه های کوچکی از این ماده مغناطیسی دور هم پیچیده را به سطح می راند که از اینجا به فضا امتداد می یابند و تشکیل میدان آشنایی را می دهد که می سنجیم. سپس یک بار دیگر به درون هسته شیرجه می روند و سخت دور هسته پیچیده می شوند بدین ترتیب میدان خود را نگه می دارند. در این فرضیه درباره اینکه چه چیزی ممکن است باعث وارونه شدن میدان شود چنین استدلال می شود که طبیعت غیر قابل پیش بینی جریان همرفتی که نقش دارد. اگر در یک نقطه چند حلقه بیشتر از نقطه دیگر جمع شود ذره های میدان که به سطح می رانند در جهت مخالف حلقه می زنند. احتمال دیگر آن است که این وارونه شدن ها به هیچ وجه کاتوره ای و تصادفی نیست. و اگر اطلاعات کافی داشتیم می توانستیم آن ها را پیش گویی کنیم و شاید بر همکنش های الکترومغناطیسی مایع جوشان درون زمین چندان پیچیده اند که وارونگی تصادفی به نظر می رسد اگر چنین باشد شاید روزی دانشمندان بتوانند به ما بگویند که وارونگی بعدی چه هنگام رخ می دهد اما اکنون تنها کاری که می توانیم بکنیم این است که قطب نماهایمان را تماشا کنیم و حدس بزنیم در دل گداخته زمین چه می گذرد

منبع 1 : physicsir.com
منبع 2 : مجله دانشمند

اصل فرما

اصل فرما یکی از قوانین اساسی فیزیک نور است و بساری از قوانین اپتیک از آن قابل استخراج است. قوانین بازتابش و شکست و در واقع شیوه کلی انتشار نور را می‌توان از دیدگاه کاملا متفاوت و شگفت دیگری به نام اصل فرما نگریست. ایده‌هایی که در اینجا مطرح خواهد شد تأثیر بسیار زیادی در گسترش اندیشه فیزیکی و حتی فراسوی نور شناخت کلاسیکی داشته است. این اصل بسیاری از پدیده‌های مشاهده شده در طبیعت را به زیبایی توضیح می‌دهد.

تاریخچه

هروی اسکندرانی که در سالهای بین 150 (ق.م) و 250 (م) زندگی می کرد، اولین کسی بود که آنچه را تا کنون اصل و روش نامیده شده است، بنیان گذاشت. او در فرمول بندی خود ادعا کرد که مسیری که نور عملا از نقطه‌ای مانند s به نقطه‌ای مانند p ، از راه بازتابش روی سطح می‌پیماید، کوتاهترین راه ممکن است. بیش از 15 قرن مشاهدات کنجکاوانه "هروی" همچنان بی‌رقیب ماند، تا اینکه در سال 1036 (1657) فرما اصل کمترین زمان مشهور خود را اعلام کرد.

اصل فرما چیست؟

پرتو نور در عبور از یک نقطه به نقطه دیگر چنان مسیر را دنبال می‌کند که زمان لازم برای طی آن ، در مقایسه با مسیرهای مجاور ، یا مینیمم باشد و یا ماکزیمم و یا تغییر نکند (یعنی مانا باشد) و یا به عبارت دیگر باریکه نوری یک سطح مشترک را می‌پیماید، راه راست و کوتاهترین راهی است که در کمترین زمان پیموده می‌شود.

اصل فرما و قوانین بازتابش

قوانین بازتابش را می‌توان به آسانی از اصل فرما بدست آورد. اگر دو نقطه ثابت A و B را در دو محیط متفاوت در نظر بگیرید که خط APB آنها را به هم وصل می‌کند (فرض می‌کنیم که خط APB در صفحه شکل است). طول کل این خط (l) برابر است با:





که x جای نقطه p (یعنی محل برخورد پرتو با آینه) را نشان می‌دهد. بنا بر اصل فرما ، نقطه P باید در جایی قرار بگیرد که مدت سیر نور مینیمم باشد (و یا ماکزیمم باشد و یا تغییر نکند) در هر دو صورت ، این امر مستلزم آن است که dl/dx = 0 باشد. اگر از l نسبت به x مشتق بگیریم بدست می‌آوریم:





با توجه به شکل ، مشاهده می‌کنیم که می‌شود این معادله را بصورت زیر نوشت:

(l² = (a² + x²) + (b² + (d - x)²

(x (a² + x²) + (d - x) (b² + (d - x)²

Sinө₁ = Sinө₁

یا ө که همان قانون بازتابش است. ₁ = ө₁

اصل فرما و قوانین شکست نور

برای اثبات قانون شکست نور از اصل فرما ، دو نقطه A و B را در دو محیط متفاوت در نظر بگیرید، که خط APB آنها را به هم وصل می‌کند. مدت سیر نور از این رابطه بدست می‌آید:

t = l₁/v₁ + l₂/v₂

با توجه به این که n = c/v ، می‌توان نوشت:

t = (n₁l₁ + n₂l₂)/c = l/c

راه نوری چیست؟

به کمیت n₁l₁ + n₂l₂ = l طول راه نوری پرتو می‌گویند. طول راه نوری در هر محیط برحسب طول موج در آن محیط برابر با طول همان تعداد طول موج در خلا است. نباید طول راه نوری را با طول راه هندسی که برابر با l₁ + l₂ است، اشتباه کرد. اصل فرما ایجاب می‌ند که l مینیمم باشد (یا ماکزیمم باشد یا تغییر نکند) که این هم به نوبت خود مستلزم آن است که x طوری انتخاب شود که dl/dx = 0 باشد.

که بعد از حل اگر از آن نسبت به x مشتق بگیریم:


dl/dx = n₁ (1/2)(a² + x²) - 1/2 (2x) + n₂ (1/2) (b² + (d - x)²) - 1/2 (2) (d-x) (-1) = 0
این معادله را می توان به صورت زیر نوشت:


²(n₁x/(a² + x²)² = n₂ (d - x)/(b² + (d - x)²
که با توجه به شکل فوق به صورت مقابل در می‌آید: n₁Sinө₁ = n₂Sinө₂ که همان قانون شکست است.

نگاهی دوباره به اصل فرما

حال می خواهیم با نگاهی درباره به اصل فرما، آن را برای یک سیستم لایه لایه توضیح می دهیم.
فرض کنید مطابق شکل زیر، ماده ای لایه لایه مرکب از m لایه با ضریب شکستهای مختلف داشته باشیم. در این صورت زمان عبور از s به p برابر خواهد بود با:

t = s₁/v₁ + s₂/v₂ + … + s_m/v_m

یا:

t = ∑m_i = ∑s_i/v_i

که در آن ، s_i و v_i به ترتیب طول مسیر و سرعت متناظر با i امین لایه‌اند. بنابراین:

t = 1/c∑m_i = ∑n_is_i

که در آن عبارت مجموع را طول راه نوری ، که توسط پرتو نور پیموده شده است، می‌نامند. این کمیت با طول سیر فضایی فرق دارد. پس c/طول راه نوری = t . می توانیم اصل فرما را دوباره چنین بیان کنیم: نور در هنگام گذر از نقطه s به نقطه p ، مسیری را می‌پیماید که کوتاهترین راه نوری است.

اصل فرما و حرکت پرتوهای خورشید در جو

همانطور که می دانیم جو از تعداد زیادی لایه، با ضریب شکستهای مختلف تشکیل شده است. بنابراین وقتی که پرتوهای نور خورشید از میان جو ناهمگن زمین عبور می کنند، خم می شوند تا در هنگام گذشتن از نواحی پایین تر و چگالتر، هر چه زودتر خم شوند و در نتیجه طول راه نوری را کمینه سازند. به همین جهت می توان خورشید را حتی بعد از این که از زیر افق گذشته بادید شد.

اصل فرما و پدیده سراب

هنگامی که تحت زاویه‌ای خراشان به جاده‌ای نگریسته شود، به نظر می‌رسد که جاده را لایه‌ای از آب پوشانده است. هوای نزدیک به سطح جاده گرمتر و کم چگالتر از هوایی است که بالاتر از آن قرار دارد. پرتوها بسوی بالا خم شده و از کوتاهترین راه نوری می‌گذرند و با انجام این کار ، چنان به نظر می‌رسد که گویی از سطحی آینه‌ای بازتابیده‌اند. این پدیده را بویژه در بزرگراههای جدید و طویل می‌توان دید.