فیزیک برای زندگی
مباحث علم فیزیکفیزیک برای زندگی
مباحث علم فیزیکبا ضعیف‌ترین نیروی جهان آشنا شوید
ضعیف‌ترین نیروی جهان آشنا شوید
گروهی از محققان با هل دادن تنها 60 یون توسط یک میدان الکتریکی بسیار کوچک، موفق شدند تا کوچک ترین نیروی جهان را اندازه بگیرند. نتیجه کار، اندازه‌گیری نیرویی معادل چند یوکتو نیوتن (هر یوکتو معادل 10 به توان منفی 24 یا یک میلیون‌میلیاردمیلیاردیم است) است، و توانسته رکورد قبلی را با اختلاف بسیار زیادی شکست دهد. گروه انجام دهنده این کار در انستیتو ملی استاندارد و فناوری بولدر کلرادو، امیدوارند که استفاده از این تکنیک نهایتا بتواند منجر به ساخت ابزارهایی جدید، برای اندازه‌گیری خصوصیات بسیار کوچک سطح مواد شود.
به گزارش نیچر، اندازه‌گیری نیروهای بسیار کوچک برای تصویربرداری سطوح اتمی و تشخیص اسپین هسته‌ای حیاتی است، اما انجام چنین کاری به دلیل ابعاد فوق العاده کوچکی که با آنها سر و کار داریم بسیار دشوار است.
پیش از این محققان توانسته بودند نیروهایی از مرتبه آتو نیوتن (هر آتو معادل 10 به توان منفی 18 است) را، با اعمال فشارهای کم به سیم‌ها یا پاروهای میکروسکوپی، و مشاهده ارتعاش آنها اندازه‌گیری کنند. چنین سیستمی اگرچه به خوبی کار می‌کند، اما استفاده از آن به دلایلی از جمله اندازه نسبتا بزرگ سیستم، با محدودیت مواجه است.
تکنیک جدید به جای استفاده از سیستم‌های پارویی شکل، تنها از 60 یون بریلیوم-9 استفاده می‌کند. گروه تحقیقاتی یون‌ها را در یک چیدمان کلوچه‌شکل پهن کرد و این مجموعه را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی در هوا معلق نگاه داشت. سپس یک پرتوی لیزر به سمت یون‌ها شلیک شد و با تنظیم دقیق اشعه لیزر و خارج کردن انرژی از این کلوچه اتمی، دمای این مجموعه به تنها نیم میلی‌کلوین (پنج ده‌هزارم) رسانده شد.
پس از انجام این مقدمات، با استفاده از یک میدان الکتریکی کوچک، به این کلوچه اتمی ضربه زده شد. این ضربه یون‌ها را به لرزش درآورد و باعث تغییر قابل تشخیصی در نور لیزر منعکس شده گردید. بر اساس میزان تغییر نور، گروه تخمین زد که نیروی به کوچکی 174 یوکتو نیوتن را اندازه گرفته است. چنین نیرویی حدود هزار بار کوچک‌تر از اندازه‌گیری‌های قبلی است.
جرم کم، نیروی اندک
کریس مونرو، فیزیک‌دان دانشگاه مریلند که در تحقیقات شرکت نداشته، می‌گوید: «آنچه باعث می‌شود این سیستم کار کند، وزن فوق‌العاده سبک آن است.»
طبق قانون دوم نیوتن، نیرو برابر حاصل‌ضرب جرم در شتاب است؛ بنابراین یک جرم کم به یک نیروی اندک حساس است. با وزنی در حدود 0.1 یوکتو کیلوگرم، این مجموعه 60 تایی از یون‌های بریلیوم-9، یکی از سبک‌ترین وسایل ممکن برای اندازه‌گیری نیرو را تشکیل می‌دهد.
مونرو می‌گوید که چیز جدید و خاصی درباره این تکنیک وجود ندارد. مجموعه اتم‌های فوق‌سرد هم‌اکنون نیز موضوع مطالعات بسیاری هستند. نوآوری این گروه، استفاده از یون‌های فوق‌سرد به عنوان حسگرهای فوق حساس نیرو بود. در مقاله‌ای که گروه منتشر کرده، اشاره شده است که امکان ساخت ابزارهای حساس‌تر، با استفاده از تعداد کمتری از اتم‌ها وجود دارد.
اگرچه مونرو اصول کار انجام شده را تایید می‌کند، اما اشاره می‌کند که تعداد اتم‌ها باعث می‌شود اشعه لیزر نقش تعیین کننده‌ای در اندازه‌گیری داشته باشد.
گروه تحقیقاتی امیدوار است که نهایتا از یون‌های بریلیوم در تمام زمینه‌ها، به عنوان یک آشکارساز نیروهای بسیار کوچک استفاده شود. کنراد لنرت که رکورد قبلی اندازه‌گیری نیرو را با استفاده از یک سیم لرزان در اختیار داشت، می‌گوید: «شما می‌توانید از این ابزار برای اندازه‌گیری‌های نیروهای بنیادی استفاده کنید. به طور خاص، ممکن است بررسی گرانش و تاثیرات کوانتومی در مقیاس‌های فوق کوتاه با این سیستم امکان‌پذیر باشد.»
با این حال، مونرو نسبت به استفاده از این تکنیک هشدار می‌دهد. به گفته وی برای استفاده از این سیستم، باید یون‌ها را در یک محفظه خلاء به صورت مجزا نگهداری کرد که استفاده‌های عملی از این تکنیک را دشوار می‌سازد. البته وی اضافه می‌کند که توسعه این تکنیک، با جایگزین کردن کلوچه‌های اتمی با یک وسیله کاربردی‌تر امکان‌پذیر است.
در صفر مطلق چه اتفاقی می‌افتد
در صفر مطلق چه اتفاقی می‌افتد
حتما درباره صفر مطلق شنیده‌اید، تقریبا 273 درجه سانتی‌گراد زیر صفر. آیا می‌دانید در این دمای خاص چه اتفاقاتی می‌افتد؟ چرا دست‌یابی به این دما هیچ وقت در عمل امکان‌پذیر نبوده است؟ و چه نقاط یا اجرامی در زمین، یا حتی دنیا وجود دارند که به این دما نزدیکند؟
در واقع به نظر می‌رسد که هنوز هم ما جواب این سوال‌ها را کامل نمی‌دانیم، زیرا اتفاقاتی که در این دما می‌افتند، همچنان شگفت‌انگیز و غافل‌گیرکننده است. برای نمونه، هفته پیش دانشمندان اعلام کرده‌اند که مولکول‌های گاز بسیار سرد شده می‌توانند تا صد بار بیشتر از مولکول‌های گاز در دمای اتاق، واکنش شیمیایی داشته باشند.
به گزارش نیوساینتیست، در آزمایش‌هایی که در دمای نزدیک به دمای اتاق صورت می‌گیرند، واکنش‌های شیمیایی با کاهش دما کندتر می‌شوند. اما اخیرا دانشمندان متوجه شده‌اند که در دمای نزدیک به صفر مطلق (15/273- سانتی‌گراد یا صفر درجه کلوین) تبادل اتم‌ها کماکان انجام می‌گیرد و این امر، باعث ایجاد اتصالات شیمیایی جدید در این فراید می‌شود. به نظر می‌رسد این فرایند مدیون تاثیرات خارق‌العاده کوانتومی است که قابلیت‌های مولکول‌ها را در دمای پایین افزایش می‌دهد.
به گفته دبورا جین از دانشگاه کلرادو که مقاله‌ای در مورد این یافته جدید منتشر کرده، شاید خیلی منطقی به نظر برسد که انتظار نداشته باشیم در صفر مطلق اثری از واکنش‌های شیمیایی باشد، اما در واقع این طور نیست و در این دما واکنش‌های فراوانی صورت می‌گیرد.
اما چرا دست یافتن به دمای صفر مطلق غیرممکن است؟
از نظر عملی، این کار نیاز به این دارد که گرمای گاز را بگیرید؛ اما هر چه دما را پایین بیاورید، گرمای بیشتری را باید از گاز بگیرید. در واقع برای رسیدن به صفر مطلق باید این کار را تا بی‌نهایت ادامه داد. در زبان کوانتوم، باید به سراغ اصل عدم قطعیت هایزنبرگ برویم که می‌گوید هر چه دقیق‌تر در مورد سرعت یک ذره بدانیم، کم‌تر در مورد موقعیت آن خواهیم دانست و برعکس. بنابراین اگر می‌دانید که اتم‌هایتان در آزمایش‌تان وجود دارند، باید تاحدی نسبت به سرعت حرکت آنها و این که بالای صفر مطلق هستند یا نه، نامطمئن باشید، مگر این که وسعت آزمایش شما به اندازه کل هستی باشد!
فکر می‌کنید سردترین جای منظومه شمسی ما کجاست؟
سردترین جایی که تا به حال در منظومه شمسی ما پیدا شده، روی کره ماه است. سال گذشته، ماهواره اکتشافی ماه ناسا، دمای گودال همیشه در سایه‌ای را در قطب جنوب ماه اندازه‌گیری کرد: 240- درجه سانتی‌گراد. این دما حتی از دمای اندازه‌گیری شده برای پلوتو که فاصله‌اش از خورشید 40 برابر فاصله زمین از خورشید است نیز 10 درجه سردتر است.
فکر می‌کنید سردترین جرم طبیعی دنیا چه چیزی باشد؟
سردترین جای شناخته شده دنیا، قلب سحابی بومرنگ است که در منظومه قنطورس قرار گرفته و پنج‌هزار سال نوری با ما فاصله دارد. دانشمندان در سال 1997/ 1376 گزارش کردند که گازهای به جا مانده از یک ستاره مرکزی در حال مرگ، با سرعت خبره‌کننده‌ای جارو می‌شوند و آن ناحیه از فضا تا دمای یک درجه کلوین سرد شده است، یعنی تنها یک درجه گرم‌تر از دمای صفر مطلق. معمولا آثار به جا مانده از تشعشعات حاصل از انفجار بزرگ، یا همان تابش ریزموج زمینه کیهانی، ابرهای گازی موجود در فضا را تا 2.7 کلوین گرم می کند. اما انبساط سحابی بومرنگ نوعی یخچال کیهانی پدید آورده که باعث می‌شود گازها سرمای غیرعادی خود را همچنان حفظ کنند و گرم‌تر از این نشوند.
با این حساب، سردترین جسم موجود در فضا چیست؟
اگر ماهواره‌های مصنوعی را هم به حساب بیاورید، هنوز اجرام سردتری هم پیدا می‌شود. برخی ابزار موجود در تلسکوپ فضایی پلانک متعلق به آژانس فضایی اروپا، که اردیبهشت ماه 1388 به فضا پرتاب شد، تا دمای 0.1 کلوین سرد شده‌اند تا پارازیت‌های ریزموجی را که ممکن است دید ماهواره را مختل نمایند، متوقف کنند. محیط فضا، در ترکیب با سیستم‌های خنک‌کننده مکانیکی و سرمازاهایی که از گازهای هلیوم و هیدروژن استفاده می‌کردند، طی چهار مرحله متوالی توانستند سردترین جرم فضا را در 0.1 کلوین نگه دارند.
کم‌ترین دمایی که در آزمایشگاه‌ها به آن دست یافته‌ایم، چه قدر بوده است؟
با همه آنچه گفته شد، رکورد کم‌ترین دما متعلق به یک آزمایشگاه روی سیاره زمین است. در سال 2003/ 1382 دانشمندان موسسه فناوری ماساچوست (ام.آی.تی) اعلام کردند که ابری از اتم‌های سدیم را تا 0.45 نانوکلوین سرد کرده‌اند، که این رقم رکورد را شکست. پیش از آن، در سال 1999/ 1378 دانشمندان دانشگاه صنعتی هلسینکی در کشور فنلاند توانسته بودند قطعه‌ای از فلز رودیم را تا 1 نانوکلوین سرد نمایند. با این وجود، این دما تنها برای نوع خاصی از جنبش (که در کوانتوم چرخش هسته‌ای نامیده می‌شود) است و نه دمای کلی همه جنبش‌های ممکن.
فکر می‌کنید گازها در دمای نزدیک به صفر مطلق چه رفتار عجیب و غریبی از خود نشان می‌دهند؟
در گازها، مایعات و جامداتی که روزمره با آنها سر و کار داریم، جنبش اتم‌ها و مولکول‌ها و برخورد آنها با یکدیگر باعث گرما یا انرژی حرارتی می‌شود. اما در دماهای بسیار پایین، چنین نیست. در این دماها، قوانین عجیب مکانیک کوانتوم حاکم است؛ به طوری که مولکول‌ها به روال معمول با یکدیگر برخورد نمی‌کنند، بلکه امواج مکانیکی کوانتوم آنها گسترش می‌یابند و با هم هم‌پوشانی پیدا می‌کنند. وقتی آنها بدین صورت هم‌پوشانی پیدا می‌کنند، حالت چگالش بوز- انیشتین را شکل می‌دهند که در آن، اتم‌ها به نحوی رفتار می‌کنند که انگار یک اَبَراتم واحد هستند. اولین چگالش بوز- انیشتین خالص، در سال 1995/ 1374 در کلرادو با استفاده از ابر اتم‌های روبیدیومی ساخته شد که تا دمای کم‌تر از 170 درجه کلوین سرد شده بودند و پدیدآورندگان آن، توانستند جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کنند.
کوتوله‌ای در راه برخورد با زمین
کوتوله‌ای در راه برخورد با زمین
تاکنون فیلم‌های مختلفی درباره پایان دنیا ساخته شده که هر یک داستان خود را تعریف می‌کنند؛ اما اخترشناسان از شواهدی از برخورد یک کوتوله نارنجی با خورشید وجود دارد که ممکن است پایان کار دنیای ما باشد.
: به احتمال زیاد، چشم‌انداز سیاره ما در طی 1.5 میلیون سال آینده دستخوش تغییر خواهد شد. بر اساس جدیدترین یافته‌های ستاره‌شناسان، 86 درصد احتمال دارد که یکی از ستارگان همسایه ما به نام گلیس 710 (Gliese 710) با ابر پیرامون منظومه شمسی برخورد کند. این برخورد احتمالا باعث پرتاب دنباله‌دارهای فراوانی به سمت زمین خواهد شد.
به گزارش پاپ‌ساینس، وادیم بابیلف از رصدخانه پالکویی سنت‌پترزبورگ روسیه گفت این تنها برخوردی نیست که خورشید ما در آینده نزدیک (البته در مقیاس کیهانی!) با آن مواجه خواهد شد. وی داده‌های چندین پایگاه اطلاعاتی اخترشناسی را با یکدیگر ترکیب کرده و حداقل 9 ستاره دیگر را یافته است. برخی از این ستاره‌ها پیش از این حرکت خود را به سوی خورشید آغاز کرده‌اند و برخی دیگر در آینده نزدیک این کار را انجام خواهند داد.
اطلاعات مربوطه به گلیس710 که یک کوتوله نارنجی است، با اندازه‌گیری سرعت و موقعیت حدود صدهزار ستاره به‌دست آمده که در فهرست ماهواره هیپارخوس در سال 1997 / 1376 منتشر شده است. به‌روز کردن داده‌های هیپارکوس در سال 2007 / 1386 به بابیلف اجازه داد تا احتمال برخورد این ستاره را با منظومه شمسی محاسبه کند.
طوفانی از دنباله‌دارها که پس از این برخورد به سمت زمین حرکت می‌کنند، مشکلی جدی را به وجود خواهد آورد. همچنین تکه‌های سست یخ درون دنباله‌دارها ممکن است کابوس خطرناک‌تری نسبت به خود شهاب‌سنگ‌ها باشند. دانشمندان هنوز نمی‌دانند که چطور باید با مشکل احتمالی ای تکه یخ‌ها مواجه شوند.
ممکن است پیش‌بینی بابیلف در حد یک پیش‌بینی باقی بماند و زمین از این حادثه جان سالم به در ببرد. در این صورت دانشمندان زمان کافی دارند تا برای برخورد اجتناب‌ناپذیر کهکشان آندرومدا در 4.5 میلیارد سال دیگر راه‌حلی پیدا کنند.
منبع: خبر آنلاین