شکستن قانون نیوتن

در دنیای کوانتومی، شهود ما برای اجسام متحرک به شدت به چالش کشیده شده است و گاهی اوقات ممکن است به طور کامل از بین برود.

فیزیکدانان تجربی دانشگاه اینسبروک با همکاری نظریه‌پردازانی از مونیخ، پاریس و کمبریج، ذره‌ای کوانتومی را یافته‌اند که یک حرکت نوسانی به جلو و عقب را در یک گاز اتمی تک بعدی نشان می‌دهد.

سقوط یک سیب رسیده از درخت به سر اسحاق نیوتن الهام گرفته است تا نظریه ای را تدوین کند که حرکت اجسام تحت یک نیرو را توصیف می کند.

معادلات حرکت نیوتن به ما می گوید که یک جسم متحرک بر روی یک خط مستقیم به حرکت خود ادامه می دهد مگر اینکه هر نیروی مزاحم مسیر آن را تغییر دهد.

تأثیر قوانین نیوتن در تجربه روزمره ما همه جا وجود دارد، از سقوط یک چترباز در میدان گرانشی زمین، نیروی لختی که در هواپیمای پرشتاب احساس می شود، تا زمین که به دور خورشید می چرخد.

با این حال، در دنیای کوانتومی، شهود ما برای حرکت اجسام به شدت به چالش کشیده شده است و حتی گاهی اوقات ممکن است به طور کامل شکست بخورد.

چه برسد به تصور اینکه یک سنگ مرمر در آب می افتد و به جای حرکت مستقیم به سمت پایین، نوسان می کند، بسیارعجیب به نظر می رسد.

با این حال، این همان چیزی است که فیزیکدان تجربی از اینسبروک با همکاری نظریه پردازانی از مونیخ، پاریس و کمبریج برای یک ذره کوانتومی کشف کرده است.

در بطن این رفتار شگفت‌انگیز، چیزی است که فیزیکدانان آن را «تداخل کوانتومی» می‌نامند، این واقعیت که مکانیک کوانتومی به ذرات اجازه می‌دهد مانند امواج رفتار کنند، که می‌توانند یکدیگر را جمع یا خنثی کنند.

نزدیک شدن به دمای صفر مطلق

برای مشاهده ذرات کوانتومی که به سمت جلو و عقب در حال نوسان هستند، تیم مجبور شد گازی از اتم‌های سزیم را درست بالاتر از دمای صفر مطلق خنک کند و آن را به ترتیبی از لوله‌های بسیار نازک محدود کند که توسط پرتوهای لیزر پرقدرت مشخص شده است.

با استفاده از یک ترفند خاص، اتم ها به گونه ای ساخته شدند که به شدت با یکدیگر تعامل کنند.

در چنین شرایط نامساعدی، اتم ها یک سیال کوانتومی را تشکیل می دهند که حرکت آن به جهت لوله ها محدود می شود. سپس فیزیکدانان یک اتم ناخالص را که اتمی در حالت اسپینی(چرخشی) متفاوت است از طریق گاز شتاب دادند.

با حرکت این ذره کوانتومی، مشاهده شد که از ذرات گاز پراکنده شده و به سمت عقب منعکس می شود.

این بر خلاف کاری که یک سنگ مرمر هنگام سقوط در آب انجام می دهد، منجر به یک حرکت نوسانی شد. این آزمایش نشان می دهد که قوانین نیوتن را نمی توان در قلمرو کوانتومی استفاده کرد.

سیالات کوانتومی گاهی مانند کریستال عمل می کنند

این واقعیت که یک موج کوانتومی ممکن است به جهات خاصی منعکس شود از روزهای اولیه توسعه نظریه مکانیک کوانتومی شناخته شده است.

به عنوان مثال، الکترون ها در الگوی منظم بلورهای جامد، مانند یک قطعه فلز، منعکس می شوند. این اثر «پراکندگی براگ» نامیده می شود.

با این حال، شگفتی در آزمایش انجام شده در اینسبروک این بود که چنین کریستالی برای بازتاب ناخالصی وجود نداشت. در عوض، خود گاز اتم ها بود که نوعی نظم پنهان را در آرایش آن ایجاد می‌کرد، خاصیتی که فیزیکدان به آن «همبستگی» می گویند.

کار اینسبروک نشان داده است که چگونه این همبستگی ها در ترکیب با ماهیت موجی ماده، حرکت ذرات را در دنیای کوانتومی تعیین می کند و به پدیده های جدید و هیجان انگیزی منجر می شود که با تجربیات زندگی روزمره ما مقابله می کند.

درک عجیب و غریب مکانیک کوانتومی همچنین ممکن است در دامنه وسیع تری مرتبط باشد و به درک و بهینه سازی فرآیندهای اساسی در اجزای الکترونیکی یا حتی فرآیندهای انتقال در سیستم های پیچیده بیولوژیکی کمک کند.

 

نانو مگزین

 

تاریخ:1403/7/29

مهسا نعمتی