فیزیک برای زندگی
مباحث علم فیزیکفیزیک برای زندگی
مباحث علم فیزیکمعرفی برندگان نوبل فیزیک ۲۰۱۷/
جایزه نوبل فیزیک 2017 به طور مشترک به راینر ویس،بری سی بریش و کیپ اس تورن اعطا شد. این سه دانشمند آمریکایی نوبل فیزیک امسال را به دلیل تلاش‌های خود در زمینه آشکارساز "لایگو"(LIGO) و مشاهده امواج گرانشی دریافت کردند. اما این کشف به زبان ساده به چه معناست و چرا این قدر مهم است؟
به گزارش خبرآنلاین،سه دانشمند برنده نوبل فیزیک امسال نقش اساسی و مهم در اثبات وجود امواج گرانشی داشتند. به صورت ساده در فیزیک مدرن بعد چهارم به صورت فضا-زمان تعریف شده است. بر اساس این تعریف جاذبه انحنایی از فضا- زمان به حساب می‌آید که جرم آن را ایجاد میکند. هر چقدر جرم جسمی بیشتر باشد این انجنا در فضا-زمان بزرگتر است. این انحنا را موقعیت جسم ایجاد میکند و بر همین اساس اگر جسم حرکت کند انحنا هم همراه آن حرکت خواهد کرد.
برای درک این موضوع فضا-زمان را یک صفحه پلاستیکی نرم یا سطح آب یک دریاچه تصور کنید. روی این صفحه جسمی که جرم زیادی ندارد روی خط مستقیم حرکت میکند اما جسمی با جرم زیاد باعث فرورفتگی در صفحه می‌شود.
نیوتون گفته بود که همه اجسام تا زمانی که به آنها نیرویی وارد نشود، با سرعت ثابت در خط مستقیم به حرکت ادامه می‌دهند. اینشیتن اما با خودش فکر کرد وقتی که یک جسم به سمت زمین سقوط آزاد میکند، نیرویی از بالا به آن وارد نمی‌شود، ولی جسم به سمت زمین شتاب می‌گیرد. چرا این اتفاق می‌افتد؟
اینشتین برای توضیح این موضوع اعلام کرد که اجسام بزرگ همانند زمین، صفحه فضا-زمان را در نزدیکی خود خم می‌کنند. درست همانند زمانی که یک توپ سنگین روی همان صفحه پلاستیکی نرم که مثال زده شده قرار می‌گیرد. هر جسم دیگری را که روی این صفحه بگذارید پس از گذاشتن این توپ سنگین، به سمت مرکز سر می‌خورد.
اگر سطح آب را فضا-زمان در نظر بگیرید هر چقدر یک قایق سنگین‌تر باشد و سریع‌تر حرکت کند امواج قوی‌تری ایجاد میکند. برای اینکه کشفی که شب گذشته اعلام شد را بفهمید فرض کنید که دو کشتی در سطح این آب با هم برخوردی شدیدی کنند. این تصادف امواج شدید و سهمگینی ایجاد میکند. سیاره‌ها،کهکشان‌ها،سیاهچالهها هم وضعیت همین کشتی‌ها را دارند. در فضا-زمان اما جای امواج آب را امواج گرانشی می‌گیرد. همین امواج گرانشی که با سرعت نور در فضا-زمان حرکت می‌کنند را اینشتین در سال ۱۹۱۶ بر اساس نظریه نسبیت عام خود پیش‌بینی کرده بود و حالا پس از گذشت صد سال به کمک تأسیسات لایگو به صورت تجربی مشاهده و رصد شده است.
این کشف چطور صورت گرفت ؟
امواج گرانشی بر اثر رویدادهای عظیم کیهانی، مثل ادغام سیاهچالهها یا برخورد ستاره‌های نوترونی یا در لحظه ی بیگ بنگ ایجاد می شوند. در واقع امواج گرانشی زمانی ایجاد می شوند که دو سیاه چاله، دو ستاره نوترونی یا یک ستاره نوترونی و یک سیاه چاله، با یکدیگر برخورد کنند. این برخوردها سبب خمیدگی یا همان انحنا در بعد فضا-زمان می‌شود و آن را به فضای پیرامون خود منتقل می‌کنند. به همین خاطر است که انسان ها در زمین هم تاثیر آن را حس خواهند کرد اما انسان‌ها تنها با ابزارهایی بسیار حساس می‌توانند آن را رصد کنند.
این امواج گرانشی در روی زمین به قدری ضعیف هستند که به سختی می‌توان آنها را آشکارسازی کرد و تأسیسات لایگو برای همین کار تاسیس شدند. دو رصدخانه لایگو به شکل L هستند که طول هر بازوی این ال ۴ کیلومتر است و در داخل آنها خلاء مطلق به حجم ۱۰ هزار متر مکعب است. در طول این بازوها امواج نور با لیزر به سمت آینه‌ای که در انتهای هر بازو قرار گرفته‌اند تابانده و بازتاب می‌شوند که در شرایط عادی باید زمان و مسافت طی شده «کاملا» یکسان باشد. این در حالی است که در صورت عبور امواج گرانشی از زمین و همچنین تأسیسات لایگو مدت زمان مسیر طی شده به اندازه یک بر ده‌هزارم قطر پروتون تغییر میکند! این همان کلید رصد امواج گرانشی بود!
پژوهشگران در رصدخانه تداخل‌سنج لیزری موج گرانشی مشهور به لایگو موفق به مشاهده مستقیم امواج گرانشی برای اولین بار در تاریخ شدند. در اینجا جای کشتی‌های روی مثال سطح آب را دو سیاهچاله با جرم‌های تقریبی ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید در فاصله ۱/۳ میلیارد سال نوری از زمین گرفتند که ترکیب آنها موجی گرانشی ایجاد کرد. آنچه در تأسیسات لایگو رصد و ثبت شد موج گرانشی ناشی از تبدیل جرمی معادل با سه برابر جرم خورشید به انرژی در هنگام ترکیب دو سیاهچاله با یکدیگر بود که در نوع خود مشاهده و رصد آن بی‌نظیر به حساب می‌آید.
در‌واقع این رصد مهم در سپتامبر سال گذشته میلادی در تأسیسات لایگو صورت گرفت اما دانشمندان زیاد به بررسی موشکافانه آن داشتند. اما پس از بررسی ها و بازبینی های گسترده، سرنجام دانشمندان این دستاورد را با امتیاز «۵ سیگما» (بالاترین امتیاز در یافته های علمی) در نشستی خبری اعلام کردند.
همان‌طور که حدس می‌زنید این کار بسیار سخت است و اثبات آن نیاز به دقتی باورنکردنی داشته است. تأسیسات لایگو اما لیزرهای قدرتمند و آینه‌ّهای بسیار پایدار و دقیقی دارد که می‌تواند امواج گرانشی ساطع شده از برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در فاصله‌ی باورنکردنی ۵۰۰ میلیون سال نوری را آشکار کند. برای این کار دانشمندان به وسیله هر دو رصدخانه‌ی لایگو در واشنگتن و لوییزیانا، این مسأله را رصد کردند تا مطمئن شوند نویز محیط را به جای امواج گرانشی واقعی دریافت نکرده‌اند. البته باید در نظر داشت که رصدخانه‌های آلمان، ایتالیا، ژاپن و هند هم به آنها ملحق شدند.
چرا این کشف مهم است ؟
ردیابی امواج گرانشی در واقع دو نظریه مهم فیزیک و کیهان شناسی را ثابت کرده است: فرضیه نسبیت عام انشتین که حدود صد سال پیش (۱۹۱۶) ارائه و نظریه دیگری به نام نظریه تورم کیهانی که در دهه هشتاد میلادی مطرح شد.
تایید نظریه امواج گرانشی اهمیتی اندازه کشف ذره خدا دارد و به همین خاطر اکثر محققان مطمئن هستند که تکلیف نوبل فیزیک سال ۲۰۱۶ از حالا مشخص است و این جایزه به دانشمندان دخیل در این کشف مهم می‌رسد.
این کشف عصر تازه‌ای را برای علم نجوم آغاز خواهد کرد. تایید امواج گرانشی یعنی تاییدی نظریه متداول کیهانشناسی یا نظریه استاندارد کیهانشناسی؛ این نظریه که تورم نامیده می‌شود میگوید که طی لحظات اولیه جهان، دوره سریعی از تورم (انبساط) سپری شده است.
در طول تورم، دمای جهان و بنابراین انرژی که ذرات کسب کردند، میلیاردها برابر بیشتر از انرژی است که می‌توان در آزمایشگاه‌های زمینی (حتی LHC) تولید کرد.
تورم یک پدیده کوانتومی است اما امواج گرانشی در محدوده فیزیک کلاسیک هستند، بنابراین امواج گرانشی پلی میان فیزیک کلاسیک و کوانتوم هستند و به همین خاطر می‌توانند گواهی باشند که گرانش درست مانند دیگر نیروهای طبیعت سرشتی کوانتومی دارد.
با اثبات وجود امواج گرانشی اکنون وقتی پدیده‌ای در عالم مثل یک ابرنواختر رخ می‌دهد، می‌توان همزمان با رصد تلسکوپی، امواج گرانشی آن را هم ثبت کرد و مطالعه بسیاری دقیق‌تری درباره آن داشت. همچنین این کشف کمک شایانی برای پاسخ به سؤالات بسیار زیادی از جمله وجود سیاهچالهها خواهد بود. در این راستا کارهای زیاد دیگری در حال صورت گرفتن است. در اروپا دانشمندان در تلاش برای ساخت رصدخانه‌ای به نام تلسکوپ اینشتین هستند که شبیه به تأسیسات لایگو اما با بازوهایی به طول ۱۰ کیلومتر هستند. همچنین سازمان فضایی اروپا قصد دارد رصدخانه فضایی امواج گرانشی eLISA را به فضا پرتاب کند. با اثبات امواج گرانشی دید جدیدی در جهان به وجود خواهد آمد. با استفاده از این اطلاعات سالهای آینده دانشمندان می‌توانند کشفیات بسیار زیادی درباره موضوعات مختلف مانند نظریه بیگ‌بنگ،انفجارهای ابرنواخترها،برخورد کهکشان‌ها داشته باشند.
اثبات وجود امواج گرانشی مانند فعال شدن حسی جدید برای انسان است. از این پس دانشمندان می‌توانند با این قدرت و حس جدید، علاوه بر دیدن جهان، به آن گوش دهند.زمانی که به جهان گوش می‌کنیم، به رازهایی درباره زندگی سیاهچالهها، تولد و مرگشان، پیوندشان و منبع تغذیه‌شان پی خواهیم برد. زمانی که یک سیاهچاله یک ستاره نوترونی را می‌بلعد، ما آن را می‌توانیم رصد کنیم. سیاهچالهها برای بشر تاکنون یک فرض بوده‌اند اما حالا به لطف امواج گرانشی دانشمندان می‌توانند برای اثبات وجود آنها تلاش کنند. ۱۰۰ سال قبل آلبرت اینشتین،وجود امواج گرانشی را به صورت تئوری مطرح کرد و یک قرن طول کشید تا دانشمندان بتوانند آن را به صورت تجربی ثابت کنند.
ارائه‌ی روشی برای سنجش میدان‌های مغناطیسی ضعیف
این روش قابلیت کاربرد زیادی دارد که از جمله می‌توان به افزایش بازده ماشین‌های عکس‌برداری رزونانسی مغناطیسی (MRI)، توسعه‌ی حافظه‌های پر سرعت در صنعت نیمه‌رساناها و تولید واحدهای مرکزی پردازش کامپیوتر (CPU) با کارایی بالاتر اشاره کرد. «مایکل فلت»، پروفسور فیزیک و نجوم و یکی از نویسندگان مقاله‌ی چاپ شده در مجله‌ی Physical Review Letters میگوید: «این روش، برای مواقعی طراحی شده است که بدون قطعه‌ی کاوشگر، چیزی مشاهده نخواهید کرد. آن‌جا هیچ گونه میدان مغناطیسی وجود ندارد. فقط خود قطعه‌ی کاوشگر، باعث وجود میدان مغناطیسی شده است.»
کاوشگر این کار را با ایجاد گشتاور مغناطیسی درون موادی که میدان مغناطیسی ضعیفی تولید می‌کنند و یا اصلاً میدان مغناطیسی ندارند، انجام می‌دهد. گشتاور مغناطیسی زمانی ایجاد می‌شود که گروهی از الکترون‌ها، مانند دسته‌ای از سوزن در یک جهت قرار گیرند. جهت‌گیری یکسان الکترون‌ها، باعث ایجاد میدان کوچک مغناطیسی می‌شود. به عنوان مثال، آهن پاسخی قوی ایجاد میکند؛ چرا که اکثر الکترون‌های آن زمانی که در معرض نیروی مغناطیسی قرار می‌گیرند، جهت‌گیری یکسانی خواهند داشت.
همه‌ی چیزی که برای کاوشگر که دارای قطر تنها چند نانومتری است، در ساختن گشتاور مغناطیسی اتفاق می‌افتد، این است که دو عدد از شش الکترون آن به یک‌باره به یک سمت جهت‌گیری می‌کنند. وقتی این اتفاق می افتد، کاوشگر به اندازه‌ی کافی از الکترون‌های ماده‌ای که میدان مغناطیسی ضعیفی دارد و یا اصلاً میدان مغناطیسی ندارد، را تحریک میکند و در ماده گشتاور مغناطیسی ایجاد میکند. چگونگی تأثیر گشتاور مغناطیسی ایجاد شده در ماده بر روی میدان مغناطیسی خود کاوشگر، قابل اندازه‌گیری است و این کار به محققین اجازه می‌دهد، تا بتوانند ابعاد فیزیکی ماده مانند ضخامت آن را محاسبه کنند. فلت، رئیس مرکز تکنولوژی‌های علوم نوری دانشگاه لووا میگوید: «این الکترون‌های درون موادی که میدان مغناطیسی ضعیفی دارند و یا اصلاً میدان مغناطیسی ندارند، دارای میدان‌های به‌خصوص خودشان هستند و روی کاوشگر تأثیر می‌گذارند و باعث وارد آمدن نیرو به کاوشگر می‌شوند که می‌توان آن را اندازه‌گیری کرد.»
این کار زمانی مهم‌تر می‌شود که که شما خواسته باشید، ابعاد لایه‌ی مغناطیسی که در زیر لایه‌های غیرمغناطیسی دفن شده و یا بین لایه‌های غیرمغناطیسی قرار گرفته‌اند را محاسبه کنید. این موقعیت‌ها عمولاً هنگام کار با نیمه‌رساناها بوجود می‌آید و با پیشرفت پردازنده‌های کامپیوتری افزایش نیز خواهد یافت. فلت میگوید: «ما پاسخ مغناطیسی را محاسبه می‌کنیم و از آن‌جا می‌توانیم بفهمیم کجا میدان مغناطیسی تمام شده است و بنابراین ضخامت لایه را به دست می‌آوریم.»
مفهومی که روش ارائه شده بر اساس آن ساخته شده است «مغناطیس‌سنجی مرکز خلأ نیتروژن» نام دارد. این روش که بر نقصان ایجاد شده در ساختار کریستالی الماس تکیه دارد، تا قسمتی کارآمد است؛ چرا که کاوشگر استفاده شده از جنس الماس است که گشتاور مغناطیسی کوچکی ایجاد میکند و نقش اصلی را در تشخیص میدان‌های مغناطیسی، در مواد مورد مطالعه ایفا میکند. نکته‌ای که وجود دارد، این است که مغناطیس‌سنجی مرکز خلأ نیتروژن فقط برای مواد مغناطیسی کارایی دارد و شامل ابررساناها که در آنها میدان مغناطیسی فقط در دماهای خاص وجود دارد، نمی‌شود و همچنین بسیاری از مواد دیگر را نیز شامل نمی‌شود. فلت و همکارش «جوست ون‌بری» با استفاده از کاوشگری که بتواند میدان مغناطیسی ایجاد کند و باعث شود مواد با میدان‌های ضعیف و بدون میدان به آن واکنش نشان دهند، به دنبال راه‌حلی برای این مشکل بوده‌اند.
فلت میگوید: «اگر ابررسانایی را در معرض میدانی مغناطیسی قرار دهید، تلاش خواهد کرد تا میدان را از بین ببرد که اگر حتی بتواند این کار را انجام دهد، در نتیجه میدانی مغناطیسی در بیرون خودش به وجود می‌آورد که بر روی جهت الکترون‌ها تأثیر خواهد گذاشت که در ادامه می‌توان آن را تشخیص داد.»
تک قطبی مغناطیسی دیراک
چهار معادله نظریه الکترومغناطیس ماکسول که یکی از بزرگترین دستاوردهای تاریخ بشر است به نتایج مهمی انجامید. این معادلات دو پدیده الکتریسیته و مغناطیس را بهم ربط دادند و نشان دادند که الکتریسیته و مغناطیس تجلی های متفاوتی از الکترومغناطیس هستند، اما این معادلات یک محدودیت هم برای فیزیک در نظر می گیرند.
به گزارش بیگ بنگ، معادله دوم یعنی قانون مغناطیسی گوس، میگوید که چیزی بنام تک قطب مغناطیسی وجود ندارد. یعنی هرگز نمی توانید که قطب شمال را در یک دست و قطب جنوب را در دست دیگر داشته باشید. مغناطیسی که به دو نیمه می شود، دو مغناطیس تک قطبی ایجاد نمیکند، یعنی یکی با قطب شمال و دیگری با قطب جنوب، بلکه به دو مغناطیس دو قطبی تقسیم می شود. حتی اگر این عمل شکستن مغناطیس به دو تکه تا کوچک ترین ذره آن نیز ادامه یابد باز به دو قطب منجر می شود-قطب شمال و قطب جنوب.
اما از زمانی که فیزیکدان بزرگی بنام دیراک، وجود تک قطبی مغناطیسی را پیش گویی کرد، فیزیکدانان را به حیرت وا داشت. تک قطبی مغناطیسی ذره ای فرضی حامل یک بار مغناطیسی بنیادی است. در واقع یک تک قطب مغناطیسی شمال یا جنوب که مانند یک ذره آزاد رفتار می کند؛ این تک قطبی مغناطیسی شبیه بار الکتریکی است. دیراک می گفت که حتی اگر یک تک قطبی در جایی از عالم وجود داشته باشد، توضیح خواهد داد که چرا بار الکتریکی فقط به شکل مضربی از بار الکتریکی در الکترون وجود دارد. تاکنون هیچ کسی یک تک قطبی را مشاهده نکرده است، اما همین که در فیزیک انرژی بالا قلمروی جدید کشف می شود یا منبع جدید از ماده ظهور میکند تحقیق برای تک قطبی ها پا می گیرد.
یکی از مشکلات نظریه بیگ بنگ مربوط به تک قطبی های مغناطیسی است، طبق این نظریه باید اکنون تک قطبی های مغناطیسی به اندازه پروتون ها فراوان باشند ولی اینطور نیست. به گفته ی آلن گوث اگر جهان در حالتی از خلاء کاذب آغاز شده باشد، می تواند به صورت نمایی منبسط شود. در حالت خلاء کاذب، جهان می تواند ناگهان به مقدار غیر قابل تصوری متورم شود، که به موجب آن چگالی تک قطبی ها رقیق می شود. اگر دانشمندان تاکنون هیچ تک قطبی ندیده اند، تنها به این دلیل است که تک قطبی ها در سرتاسر جهانی پخش شده اند که از آنچه قبلا تصور می شد، بسیار بزرگتر است. گوث توانست معمای مشاهده نشدن تک قطبی ها را حل کند. براساس استدلال دیراک وجود تک قطبی مغناطیسی در جهان، ماهیت گسسته ی بار الکتریکی را توضیح می دهد. ایده ی دیراک فوق العاده اغوا گرایانه است، چراکه کوانتش باریکی از رمز آلودترین معماهای جهان فیزیکی است. اگر می خواهید جایزه نوبل را ببرید پس می دانید دنبال چه چیزی بگردید!