عجيبترين دستاورد دنياي فيزيك: دست يابي به دماي زير صفر مطلق كلوين
یازار : علي وقاري

عجيبترين دستاورد دنياي فيزيك: دست يابي به دماي زير صفر مطلق كلوين
دانش > دانشهاي بنيادي - دانشمندان با توليد يك گاز اتمي توانستهاند به دماي منفي يكميليارديم كلوين برسند؛ دمايي كمتر از صفر مطلق كلوين كه پيش از اين، غيرممكن تلقي ميشد. اين دستاورد ممكن است با انرژي تاريك نيز مرتبط باشد.
مجيد جويا: شايد غير محتملتر از يخ زدن آتش دوزخ به نظر برسد، ولي فيزيكدانها گاز اتمي خاصي توليد كردهاند كه براي اولين بار به دمايي زير صفر مطلق كلوين رسيده است. اين تكنيك راهي را باز كرده كه بتوان موادي با دماي منفي كلوين و همچنين ابزارهاي كوانتومي جديدي توليد كرد و يك معماي بزرگ كيهاني را با استفاده از آن حل كرد.
به گزارش نيچر، لرد كلوين در اويل دهه 1800 مقياس دمايي مطلق خود را با اين فرض كه هيچ چيزي سردتر از صفر مطلق نيست، تبيين كرد. بعدها فيزيكدانان تشخيص دادند كه دماي مطلق يك گاز به متوسط انرژي جنبشي ذراتش بستگي دارد. با اين حساب، صفر مطلق متناظر با با حالتي فرضي است كه در آن ذرات هيچ انرژي ندارند، و دماهاي بالاتر به متوسط انرژيهاي بالاتري تعلق دارند.
ولي در دهه 1950/1330، فيزيكداناني كه با سيستمهاي عجيب و غريبتر كار ميكردند، متوجه شدند كه اين مسئله هميشه صحت ندارد: از لحاظ نظري شما دماي سيستم را از روي نموداري ميخوانيد كه احتمال يافت شدن ذرات در هر سطح انرژي معين را نشان ميدهد. معمولا اغلب ذرات انرژي متوسط يا نزديك به متوسطي دارند و البته تنها تعداد اندكي از ذرات به سطوح انرژي بالاتري ميرسند. الريچ اشنايدر، فيزيكدان در دانشگاه ماكسميليان لودويگ مونيخ توضيح ميدهد كه به طور نظري، اگر جاي ذراتي با انرژي بالاتر با ذراتي با انرژي پايينتر جابجا شود، اين نمودار زير و رو خواهد شد و علامت دما از دماي مطلق مثبت به دماي مطلق منفي تغيير خواهد كرد.
درهها و قلهها
اشنايدر و همكارانش با استفاده از گاز كوانتومي فوق سرد حاوي اتمهاي پتاسيم به چنين دماهاي زير صفر مطلق كلوين دست يافتهاند. آنها با استفاده از ليزر و ميدان مغناطيسي، تك تك اتمها را در آرايشي شبكهاي نگه داشتند. در دماي مثبت كلوين اتمها همديگر را دفع ميكنند و اين منجر به ايجاد پايداري در پيكربندي آنها ميشود. سپس گروه به سرعت ميدان مغناطيسي را طوري تغيير دادند كه اتمها به جاي دفع، همديگر را جذب كنند. اشنايدر ميگويد: «اين كار به طور ناگهاني اتمها را از پايدارترين حالتشان به حالت ديگري ميبرد، يعني اتمها قبل از اينكه بتوانند برهمكنش دهند، از پايينترين سطح انرژي به بالاترين سطح انرژي ممكن برانگيخته ميشوند. اين درست شبيه به كوهنوردي است كه در دره كوهنوردي ميكند و سپس ناگهان خود را در نوك قله كوه مييابد».
در دماي مثبت، اين واژگوني پايدار نخواهد بود و اتمها فرو خواهند پاشيد. اما گروه ميدان تلهانداز ليزري را هم به گونهاي تنظيم كردند كه آن را از لحاظ سطح انرژي، براي چسبيدن اتمها در موقعيتشان مطلوبتر كند. نتيجه اين آزمايش كه هفته قبل در ساينس منتشر شد، گذار گاز از بالاي صفر مطلق تا مقدار بسيار كم يك ميليادرم زير صفر مطلق كلوين را نشان ميدهد.
آزمايش فوق عجيب!
ولفانگ كترل، از فيزيكدانان امآيتي است كه به خاطر آزمايش پنجمين حالت ماده (چگالش بوز-اينشتين) موفق به دريافت جايزه نوبل شد و پيش از اين دماهاي مطلق منفي را در سيستم مغناطيسي تشريح كرده بود. وي اين كار تازه را يك "كار بسيار تخصصي آزمايشگاهي" مينامد و ميگويد: «حالتهاي ناپايدار پرانرژي كه توليد آنها در آزمايشگاه در دماهاي مثبت سخت است، در دماهاي مطلق منفي پايدار ميشوند. اي كار مانند اين است كه شما بتوانيد بر روي يك هرم كه روي راس خود قرار دارد بايستيد و نگران واژگون شدن آن نباشيد. در نتيجه چنين تكنيكهايي ميتوانند بررسي دقيقتر اين حالتهاي انرژي را امكان پذير سازند. اين شايد راهي براي توليد اشكال جديدي از مواد در آزمايشگاه باشد».
به گفته آخيم روش، فيزيكدان نظري در دانشگاه كلن آلمان، اگر چنين سيستمهايي ساخته شوند، رفتارهاي غريبي از خود بروز خواهند داد. او كسي است كه شيوه مورد استفاده توسط اشنايدر و گروهش را پيشنهاد داده بود. براي مثال، روش و گروهش حساب كردهاند كه در حالي كه ابرهاي اتمي در حالت عادي توسط نيروي جاذبه پايين كشيده ميشوند، اگر بخشي از اين ابر يك دماي مطلق منفي داشته باشد، برخي از اتمها به سمت بالا حركت ميكنند، و به نظر ميرسد كه جاذبه زمين را دفع ميكنند.
يك ويژگي عجيب ديگر گازهاي با دماي زير صفر مطلق اين است كه «انرژي تاريك» را شبيهسازي ميكنند، همان نيروي مرموزي كه جهان را به رغم نيروي مركزگراي گرانش با سرعتي روزافزون به انبساط واداشته است. اشنايدر اشاره ميكند كه اتمهاي جاذب موجود در گاز توليد شده توسط گروه او هم تمايل به فروپاشي در خود دارند، ولي نه به اين خاطر كه دماي مطلق منفي آنها را پايدار ميسازد. او ميگويد: «اين جالب است كه اين ويژگي غريب هم در دنيا و هم در آزمايشگاه خود را نشان ميدهد. اين شايد چيزي باشد كه كيهان شناسان بايد دقيقتر ببينند».
Nature | News
Quantum gas goes below absolute zero
Ultracold atoms pave way for negative-Kelvin materials.
03 January 2013
Article tools