Welcome to CPH Theory Siteبه سایت نظریه سی پی اچ خوش آمدید

 

 

نظریه سی پی اچ بر اساس تعمیم سرعت نور از انرژی به ماده بنا شده است.

CPH Theory is based on generalized the light velocity from energy into mass.

 
 

انيشتين در قرن بيست و يك

 

 

وايت گيبس
ترجمه: احسان لطفى

نيم نگاه
من به شانس اعتقاد ندارم
اينشتين مدت ها در برابر غرابت و بيگانگى قوانين كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمى بودند مقاومت كرد. نقش تعيين كننده و مهمى كه اين قوانين به شانس و عدم قطعيت مى دادند با غريزه هاى او جور در نمى آمد. اما برخلاف مشكلاتى كه با پيامدهاى فلسفى فيزيك كوانتومى داشت، در نهايت نقش مهمى در پيشرفت اين شاخه بازى كرد. مثلاً در ۱۹۲۵ مقاله اى از ساتيندرانات بوز فيزيكدان هندى درباره آمار فوتونى خواند و فهميد كه اگر اتم ها را بتوان زمانى تا نزديكى هاى صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چيز عجيب و غريبى اتفاق مى افتد.


 

سال ،۱۹۰۵ اينشتين ۲۶ ساله بود و تلاش مى كرد تا پايان نامه دكترايش درباره اندازه مولكول ها را تمام كند. علاوه بر اين براى درآوردن خرج زندگى، كارمند اداره ثبت اختراعات سوئيس هم بود و نوآورى هاى بقيه را ارزيابى مى كرد. شايد فكر كنيد اين كار روزانه، وادارش مى كرده تا به كاربردهاى عملى تئورى هايى كه در اوقات فراغتش به آنها مى پرداخت، فكر كند. اما احتمالاً وقتى داشت ۵ تا از مهمترين مقاله هاى زندگى علمى اش را منتشر مى كرد به خيالش نمى رسيد كه ايده هاى جديد او درباره ماده، انرژى و زمان در نهايت بتواند به ابداع ابزارهاى جديدى براى پيشرفت صنعت و سلامت بشر بينجامد. اينشتين، نه از مهندسى بدش مى آمد، نه آن را دون شأن خودش مى دانست ولى خال درشتش، مهندسى نبود.

 اختراعات شخصى او _ از جمله يخچالى كه هيچ بخش مكانيكى متحركى نداشت و يك پمپ بى نشت _ هيچ وقت به توليد انبوه نرسيدند. مهم هم نيست چون در سال هاى قرن بيستم، ديگران براساس ايده هاى راديكال او _ مثلاً اين كه نور، بسته بسته مى آيد و اين بسته ها يك حد جهانى سرعت را به رسميت مى شناسند و انرژى و ماده را مى شود به E=MC2  به هم تبديل كرد _ گستره وسيع و قابل توجهى از فناورى ها را وارد زندگى بشر كردند. حالا در قرن ۲۱ مهندسين كمر به استفاده از اين اصول و قضاياى معروف در راه هاى تازه اى بسته اند كه شايد مهم ترينش طراحى انواع جديدى از رايانه ها باشد. علاوه بر اين آنها به دنبال پيدا كردن كاربردهاى عملى براى بعضى از نظريه هاى كمتر شناخته شده اينشتين هم هستند. مثلاً نانوتكنولوژيست ها دارند ابزارهايى مى سازند كه مى تواند با بهره گيرى از حركت تصادفى مولكول ها _ چيزى كه اولين بار اينشتين در ۱۹۰۵ به درستى توضيحش داد _ فرآيند تحليل و جداسازى DNA  را سريع تر كند. آزمايشگاه هاى سرتاسر دنيا هم در حال توليد شكل عجيب و غريبى از ماده اى اند كه اينشتين در يكى از آزمايش هاى ذهنى اش به سال ۱۹۲۵ وجودشان را پيش بينى كرده بود.

 از اين گله هاى همدوس اتم هاى فوق سرد _ كه همتاى مادى پرتوهاى ليزر به حساب مى آيند  مى توان در ساخت ساعت هاى اتمى قابل حمل، ژيروسكوپ هاى بسيار دقيق ناوبرى و حسگرهاى گرانشى كه به كار كشف رگه هاى معدنى و ميدان هاى نفتى مى آيند، استفاده كرد. در اين مقاله، به توضيح ۳ مورد از جديدترين و هيجان انگيزترين كاربردهايى كه از تئورى هاى اينشتين و البته آزمايشگاه هاى تحقيقاتى بيرون آمده اند، مى پردازيم. البته مسلم است كه با اين روند بايد چشم به راه ابداعات و نوآورى هاى بيشترى از اين نوع در سال ها و دهه هاى آينده بود. هر چند نزديك به يك قرن از زمانى كه اين فيزيكدان بزرگ شروع به ارائه ابزارهاى رياضى بهترى براى توصيف جهان كرد مى گذرد، اما به نظر مى رسد فهرست وسايل مفيد و با ارزشى كه مخترعان با هوش مى توانند از اين تئورى ها بيرون بياورند، پايانى ندارد.

 

 نسبيت براى اسپين ها
تنها رايانه اى كه اينشتين براى ارائه نظريه نسبيت خاصش در ۱۹۰۵ از آن استفاده كرد، همانى بود كه داخل جمجمه اش داشت. از خيلى جهات آن ماشين بيوشيميايى به مراتب تواناتر از هر رايانه الكترونيكى بود و مطمئناً هنوز هيچ ريزپردازنده نيمه رسانايى ساخته نشده كه بتواند با چگالى و بازده انرژى مغز انسان برابرى يا رقابت كند. همان اندامى كه تقريباً يك ميليون ميليارد المان پردازشى را در بافتى يك كيلوگرمى جا داده و توان مصرفى و گرماى توليدى اش از يك پردازنده پنتيوم چهار كمتر است. توليد گرما و مصرف انرژى، امروزه جدى ترين موانع صنعت نيمه رسانا در راه ساختن ريزتراشه هاى قدرتمندتر و با قيمت ثابت به حساب مى آيند. در ۲۰ سال آينده پيشرفت پردازنده هاى ديجيتال سيليكونى به مرزهاى بنيادى فيزيك و اقتصاد خواهد رسيد و آن موقع، تراشه سازها مجبور مى شوند به طرح هايى روى بياورند كه از اصول و قضاياى فيزيكى متفاوتى- مثل نسبيت خاص- براى كار بهره بگيرند.

شايد اين، تركيب غريبى به نظر بيايد. نسبت خاص درباره حركت در سرعت هاى بالا است كه در آن اينشتين براى اولين بار، برداشت هاى مطلق از مفاهيم زمان و ايستايى را كنار گذاشت. تنها چيزى كه مطلق باقى ماند C  بود يعنى سرعتى كه نور، فضاى تهى را با آن مى پيمايد. اين نظريه، پيامدهاى عجيب و غريبى براى هر جسم سريع (نسبت به ناظر) دارد. مثلاً طول جسم كوتاه مى شود، گذشت زمان را با آهنگ كندترى در مقايسه با ناظر، احساس مى كند و اگر در يك ميدان الكتريكى ايستا در حال حركت باشد، ميدان را كمى مغناطيسى مى بيند. البته اين اثرات نسبيتى، معمولاً خيلى جزيى و كوچك هستند. مگر اين كه سرعت جسم به كسر قابل توجهى از سرعت نور- كه حدود ۳۰۰ ميليون  متر بر ثانيه است- برسد.با اين معيار، حتى لپ تاپ ها و رايانه هاى جيبى هم خيلى سريع حركت نمى كنند ولى وضعيت براى الكترون هاى داخلشان متفاوت است. اوايل سال گذشته گروهى از فيزيكدانان دانشگاه سانتا باربارا در كاليفرنيا به رهبرى ديويد آوشالوم، روش جديدى ابداع كردند كه در آن مى توان به كمك نسبيت، الكترون هاى سريع داخل نيمه رساناها را وا داشت تا كارهاى جديد و خارق العاده اى بكنند.كار، هنوز در مراحل ابتدايى است.

چيزى در مايه هاى ساخت اولين گيت منطقى نيمه رسانا در ۴۰ سال پيش. ولى اگر مهندسان بتوانند روشى براى كنار هم چيدن ميليون ها گيت نسبيتى روى يك تراشه سيليكونى كوچك پيدا كنند- چيزى كه آوشالوم به همراه گروه هاى تحقيقاتى انيتل و هيولت پاكارد روى آن كار مى كند- نتيجه اش مى تواند پردازنده هايى خيلى سريع تر از مدل هاى كنونى باشد كه توان بسيار كمترى نياز دارند و گرماى به مراتب كمترى هم آزاد مى كنند. جالب تر از اين، تراشه هاى نسبيتى مى توانند منطقى را به خدمت بگيرند كه خيلى پيچيده تر از عمليات دودويى مورد استفاده در رايانه هاى امروزى است. اين قطعات جديد، حتى قادرند الگوى اتصالات داخليشان را بهينه سازى كنند و تقريباً در لحظه، به مدارى كه براى كار موجود طراحى شده، تبديل شوند. موبايلى را تصور كنيد كه مى تواند آرايش مدار فرستنده گيرنده اش را براى استفاده از هر شبكه مخابراتى در دنيا تغيير بدهد و با فشار يك دكمه، پردازنده اش را براى ترجمه كلام از يك زبان به زبان ديگر از نو برنامه ريزى كند. تراشه هايى مانند اين را به احتمال زياد مى شود در كارخانه هاى ريزپردازنده كنونى ساخت. محتواى جادويى، يك ماده جديد نيست، بلكه فيزيك مدرن است. يعنى رفتارهايى كه با نظريه هاى نسبيت و مكانيك كوانتومى توصيف مى شود.

 

جاذبه مغناطيسى

ريزتراشه هاى نيمه رساناى رايج، براساس نظريه هاى كلاسيك الكترومغناطيس _ كه به قرن ۱۹ برمى گردد _ عمل مى كنند. به طور خلاصه، يون هاى سريع به ورقه هاى سيليكونى مى خورند و جزيره هاى كوچكى كه مازاد يا كمبود الكترون دارند به وجود مى آورند. ولتاژهايى كه با الكترودهاى ميكروسكوپى واقع در اطراف اين جزاير به آنها اعمال مى شود، الكترون ها را به طرفشان هل مى دهد يا از آنها بيرون مى راند. به اين ترتيب، گيت هاى منطقى بازوبسته و جريان الكتريكى گذرنده از آنها، تنظيم مى شود. مسئله همين جا است، پرت كردن و هل دادن تعداد زيادى الكترون به اطراف، دقت چندانى ندارد (بعضى از آنها در جهت هاى تصادفى به اطراف پرتاب مى شوند و انرژى را هدر مى دهند) و تعداد زيادى برخورد گرمازا به وجود مى آورد.

حالا بيشتر از يك دهه است كه فيزيكدان ها روى روش هوشمندانه ترى كار مى كنند: استفاده از نيروهاى مغناطيسى به جاى ميدان هاى الكتريكى براى كنترل الكترون ها. مايكل فلاتى فيزيكدان دانشگاه آيوا مى گويد اين روش عملى است: "چون الكترون ها طورى رفتار مى كنند كه انگار يك آهن رباى ميله اى كوچك، با خودشان دارند." آهن ربا، قطب شمال و جنوب دارد، همان طور كه زمين دور محور گذرنده از قطب هايش مى چرخد، الكترون هم داراى يك جهت گيرى مغناطيسى است، يك ويژگى كوانتومى كه فيزيكدان ها اسم "اسپين" را رويش گذاشته اند. البته ذرات بنيادى، مثل الكترون، واقعاً نمى چرخند اما مثل ژيروسكوپ هاى كوچك رفتار مى كنند. اگر به يك الكترون، ميدان مغناطيسى وارد كنيد، قطب هايش شروع به حركت تقديمى مى كنند (يعنى خودمحورى روى يك دايره مى چرخد) و اگر ميدان را برداريد، اسپين الكترون دوباره ايستا باقى مى ماند ("اسپين الكترون" را ببينيد).

فلاتى مى گويد: "با استفاده از اين اثر، مى توان جهت اسپين را از بالاسو به پايين سو چرخاند و ارزش بيت اطلاعاتى آن الكترون را از يك به صفر تغيير داد." در حالى كه در الكترونيك، اطلاعات با تغيير تعداد و انرژى الكترون ها در مدار جابه جا مى شود، دانش نوپاى "اسپين ترونيك" اطلاعات را در جهت گيرى الكترون ها مخفى مى كند و عمليات منطقى را به جاى جابه جا كردن الكترون با چرخاندن اسپين آن به اين سو و آن سو انجام مى دهد. سال گذشته، شركت موتورولا توليد انبوه تراشه هاى حافظه اسپين ترونيك را با نام MRAM  (رم مغناطيسى) آغاز كرد. برخلاف حافظه هاى رايانه اى رايج، تراشه هاى MRAM  با قطع و وصل برق، اطلاعاتشان را از دست نمى دهند، چون اسپين الكترون به سادگى جهتش را تا برگشتن جريان، حفظ مى كند. دستگاه هاى اسپين ترونيك با باترى ها هم سازگارترند چون چرخاندن اسپين ها، توان خيلى كمى مصرف مى كند و به خاطر ويژگى حفظ اسپين، مى شود تراشه را در فاصله بين چند عمليات، خاموش كرد. تغيير اسپين الكترون، انرژى جنبشى ذره را افزايش نمى دهد و بنابراين مدار، تقريباً هيچ گرمايى توليد نمى كند. فرآيند هم فوق العاده سريع است: وسايل آزمايشى ساخته شده، توانسته اند اسپين الكترون ها را در عرض چند پيكو ثانيه (۱۲-۱۰ ثانيه) سروته كنند! البته تا همين چند وقت پيش همه وسايل اسپين ترونيك به فلزات فرومغناطيس پيش احتياج داشتند كه خيلى با تكنيك هاى جارى توليد ريزتراشه ها همخوانى ندارد. آوشالوم مى گويد: "تصور اينكه چطور مى شود آهن رباهاى كوچكى در ميليون ها نقطه يك تراشه ساخت و هر كدام را جداگانه كنترل كرد، كار سختى است. غيرممكن نيست اما مشكل است. خيلى بهتر خواهد بود اگر بتوانيم از ميلياردها دلار ثروت سرمايه گذارى شده در فناورى موجود گيت سازى الكترونيك، استفاده كنيم و به جاى ميدان مغناطيسى، ميدان هاى الكتريكى را براى بازى با اسپين ها به كار بگيريم."

 

از بيت ها تا فيت ها
 

اينجاست كه پاى اينشتين و تئورى هوشمندانه اش _ اينكه الكترون سريع، يك ميدان الكتريكى را تا حدى مغناطيسى مى بيند _ وسط مى آيد. در تحقيقاتى كه نتايجش ژانويه سال گذشته منتشر شد، گروه آوشالوم نشان داد كه روى هم نشاندن دو نيمه رساناى اندكى متفاوت در تركيبات، تراشه را طورى تحت تاثير قرار مى دهد كه يك ميدان الكترونيكى درونى، در آن ايجاد مى شود. اين ميدان، مناطق قوى و ضعيفى دارد كه مثل حصار عمل مى كنند و الكترون هاى در حال گذر از نيمه رسانا را به دام مى اندازند. به خاطر نسبيت، ميدان الكتريكى از ديد الكترون هاى در حال عبور، كمى مغناطيسى به نظر مى آيد و بنابراين اسپين الكترون ها درست مثل يك ژيروسكوپ، شروع به چرخيدن مى كند. در مقاله ماه ژانويه، همين گروه توضيح داده بود كه چطور مى شود از پالس هاى نور ليزر، علاوه بر اندازه گيرى اسپين الكترون هاى ورودى براى هم خط كردن جهت گيرى آنها هم استفاده كرد و به اين ترتيب، بيت هاى اسپين ترونيكى را به وجود آورد. اين طور كه آوشالوم مى گويد: "قدم بعدى، ساختن اين بيت ها، جابه جا كردن، رديابى و تشخيصشان در يك وسيله الكتريكى است."

گام اساسى و مهمى است اما حالا آن را برداشته ايم. اين وسيله از همان ولتاژهاى كوچكى كه الان در تراشه هاى رايانه اى به كار مى رود، استفاده مى كند. وقتى الكترون ها به بخش تحت تنش نيمه رسانا (همان جا كه ميدان الكتريكى شكل مى گيرد) برخورد مى كنند اسپين شان آناً قطبيده مى شود. از اين به بعد ما مى توانيم با روشن و خاموش كردن الكترودهاى گيت، جهت اسپين الكترون ها را به صورت همدوس عوض كنيم. اينجا "همدوس" كلمه كليدى است چون همين مفهوم است كه قابليت هاى شگفت آور تراشه هاى اسپين ترونيك را زياد مى كند و آنها را از بيت ها (رقم هاى دودويى صفر و يك)، به فيت ها _ يعنى رقم هاى فازى كه مى توانند طيف گسترده ترى از مقادير را اختيار كنند _ مى رساند. به زبان ساده، فاز يك الكترون همان جهت اسپين آن است كه مى توان مثل سوزن يك قطب نما تصورش كرد: اگر يك ريزتراشه بتواند الكترون هاى با اسپين رو به شمال، جنوب،  شرق و غرب را از هم تشخيص بدهد، آن وقت به هر فيت مى توان يكى از اعداد صفر، يك، ۲ يا ۳ را بسته به جهت اسپين متناظرش نسبت داد. باز هم از آوشالوم بشنويد: "هرچه فاز اسپين را با دقت بيشترى بتوانيد تعيين كنيد، چگالى ذخيره اطلاعات بالاتر مى رود. به عبارت ديگر، اينكه اين چگالى ۵۰ برابر شود يا ۱۰۰۰۰ برابر، بستگى به آن دارد كه زاويه اسپين را با چه دقتى بتوانيد بخوانيد. خوشبختانه با استفاده از نتايج چندين دهه كار بر روى تكنيك تصويربردارى با تشديد مغناطيسى (MRI)  - كه اسپين هسته اتم ها را رديابى مى كند- مى دانيم كه چطور اين زاويه را خيلى دقيق اندازه بگيريم.با اين وجود فلاتى خاطرنشان مى كند: "هنوز يك ترانزيستور اسپينى كامل كه كار بكند، ساخته نشده است.

فايده ترانزيستورها در مدار اين است كه سيگنال ها را تقويت مى كنند و به اين ترتيب به آنها اجازه مى دهند بدون افت از گيت هاى پرتعداد يك ريزپردازنده عبور كنند. هر چند انواع اسپين ترونيك آنها هنوز وجود خارجى ندارد. اما مطمئناً به زودى سروكله شان پيدا خواهد شد و محققان از همين حالا مشتاقانه براى كارهايى كه مى شود با آنها كرد، نقشه مى كشند.سال گذشته اينولدكخ و همكارانش در موسسه الكترونيك حالت جامد در برلين طرحى از يك المان منطقى اسپين ترونيك منتشر كردند كه قادر است تحت كنترل نرم افزار فعاليتش را تغيير بدهد. يعنى مثلاً در يك زمان نقش گيت AND  بومى را بازى كند و چند نانوثانيه بعد به يك گيت OR يا NOR يا NAND  تبديل شود. رايانه هايى كه در حال فعاليت خودشان را دوباره مداربندى مى كنند و اتصالات داخلى شان را تغيير مى دهند، به واقع مى توانند بسيار قدرتمند ظاهر شوند. كخ اخيراً توانست يك جمع كننده كامل _ رايج ترين نوع از اجزاى منطقى رايانه ها _ را فقط با استفاده از ۴ المان منطقى اسپينى به جاى ۱۶ ترانزيستور الكترونيكى كه معمولاً براى اين كار لازم است، طراحى كند. توان مصرفى و فضاى اشغال شده به وسيله اين نمونه اسپين ترونيكى به ترتيب ۸۵ و ۷۵ درصد كمتر از معادل الكترونيكى اش خواهد بود و با همان سرعت طرح هاى سيليكونى فعلى كار خواهد كرد. مهندسان هنوز راه زيادى تا استفاده از نسبيت به عنوان ابزارى براى طراحى مدارهاى اسپين ترونيكى پيش رو دارند. اما وقتى راه موجود هر روز با موانع جديد، بسته تر و صعب العبورتر مى شود، فناورى هاى اينشتينى مى تواند مسير كاملاً تازه اى براى صنعت رايانه باز كند.

 

يك ولگردى سودمند

اينشتين بيشتر از همه به خاطر نظرياتش درباره چيزهاى بزرگ معروف است: سرعت نور، سرنوشت جهان و چيستى زمان. ولى در ۱۹۰۵ مولكول هاى كوچك هم توجه اش را جلب كردند. همان سال در پايان نامه دكترايش تخمين هاى قبلى درباره اندازه اين ذرات را بهتر كرد و در مقاله ديگرى قوانين رياضى حاكم بر حركت براونى را به دست آورد. حركت براونى همان پديده ميكروسكوپى است كه از زمان كشفش در ۱۸۲۷ به وسيله رابرت براون دانشمندان را در توصيفش گيج كرده بود. براون گياه شناس متوجه شده بود كه ذرات ريزى مثل دانه هاى گرده گياهان به صورت درهم و برهم و آشوبناكى حركت مى كنند. (ستون "حركت مولكول ها" را ببينيد) آسان ترين توضيح آن بود كه اين ذرات زنده اند ولى براون نشان داد كه حتى ذرات پودر سنگ هم در آب همين حركات را از خودشان نشان مى دهند. تا آغاز قرن بيستم بعضى از نظريه پردازان فكر مى كردند كه نيروهاى الكتريكى ذرات را اين طرف و آن طرف مى راند. در حالى كه سايرين از ايده هايى مثل تبخير، همرفت، تاثير نور و چيزهاى ديگر طرفدارى مى كردند. اينشتين مى گفت ذره معلق در مايع به خاطر آنكه مولكول هاى مايع از همه سو با آن برخورد مى كنند، اين سو و آن سو مى رود. در واقع معنى حرفش آن بود كه اين پديده يك سند محكم براى نظريه بحث برانگيزى است كه گرما را همان حركت تصادفى مولكول ها مى داند. اينشتين در مقاله اش بعضى از رابطه هاى بنيادى رياضى حاكم بر حركت براونى را هم به دست آورده بود. بعداً معلوم شد كه آن شاخه از رياضيات اتفاقاً در تحليل بازارهاى بورس پيش بينى اينكه مواد چطور در مايعات يا گازها پخش مى شوند و طراحى صافى هاى براونى سفيد واقع مى شود. مورد اخير _ يعنى صافى هاى براونى _ با استفاده از اين واقعيت ساده كه در حركت براونى ذرات ريز بيشتر از ذرات درشت، جابه جا مى شوند، مى توانند جنب وجوش هاى تصادفى ذرات را به كار مفيد تبديل كنند.

كارى مثل طبقه بندى ويروس ها براساس اندازه يا حذف آلاينده هاى آب. دو سال پيش مهندسان موفق شدند دو نمونه از چنين وسايلى را با استفاده از تكنيك هايى شبيه آنها كه در ساخت ريزتراشه ها به كار مى رود، بسازند. اول جيمز سى آشتورم و همكارانش در دانشگاه پرينستون يك صافى براونى ساختند. آنها كانالى درون يك ورقه سيليكونى ايجاد كردند كه داخلش در فاصله هاى مساوى، ستون هايى به عرض ۶ و ارتفاع ۳ ميكرون داشت. ستون ها با ديواره كانال زاويه ۴۵ درجه مى سازند و طورى قرار گرفته اند كه وقتى مايع از درون كانال عبور مى كند، ذرات معلق در آن با برخورد به ستون ها به سمت راست منحرف مى شوند. هر چه ذره كوچكتر باشد، بيشتر ورجه  و ورجه مى كند و بنابراين مسير كلى اش مرتباً بيشتر و بيشتر به راست منحرف مى شود. در آزمايش هايى كه نتايجش دسامبر دو سال پيش منتشر شد، اشتورم مخلوطى از آب و DNA  دو نوع ويروس مختلف را از درون كانال گذراند و مشاهده كرد كه همين ساختار ساده قادر است دو نوع DNA  را با دقت خيلى خوبى از هم جدا كند. با استفاده از اين فناورى اينشتين مى توان زمان لازم براى جدا كردن نمونه هاى بزرگ DNA  را تا دوسوم كاهش داد. روشى كه احتمالاً ارزان تر و جمع و جورتر از وسايل موجود است. سوون ماتياس و فرانك مولر هم نوع متفاوتى از صافى هاى براونى را در موسسه فيزيك ماكس پلانك در واينبرگ آلمان ساخته اند كه بيشتر به يك اسفنج شبيه است. هزاران كانال موازى، ورقه نازكى از سيليكون را سوراخ سوراخ كرده اند و هر كدام با الگويى مشابه گردن يك بطرى، پهن و باريك مى شوند. ماتياس و مولر صافى شان را وسط ظرفى با دهانه هم اندازه كه پر از آب و دانه هاى پلاستيكى ميكروسكوپى بود، محكم كردند. كف ظرف مرتباً بالا و پايين مى رفت و با موج هايش آب را در كانال ها جلو و عقب مى راند. وقتى دانه هاى پلاستيكى به طرف داخل كانال ها جريان پيدا مى كردند، حركت براونى شان در قسمت گردن مانند كانال آنها را به ديواره كانال فشار مى داد و مانع بيرون رفتن مجددشان همزمان با تغيير جهت جريان مى شد. به تدريج تقريباً همه دانه ها در كانال هاى صافى به طرف قسمت بالايى ظرف حركت مى كردند و در پايين آبى تميز باقى مى گذاشتند. از آنجا كه اين صافى را مى توان در اندازه هاى بزرگ ساخت، اين روش راه تازه اى براى جدا كردن آلاينده هاى جامد، مثل دوده ويروس ها يا اجزاى سلولى، از يك جريان پيوسته آب جلوى روى مهندسان باز مى كند.

 

پيش گويى با چكه هاى اتمى

اينشتين مدت ها در برابر غرابت و بيگانگى قوانين كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمى بودند مقاومت كرد. نقش تعيين كننده و مهمى كه اين قوانين به شانس و عدم قطعيت مى دادند با غريزه هاى او جور در نمى آمد. اما برخلاف مشكلاتى كه با پيامدهاى فلسفى فيزيك كوانتومى داشت، در نهايت نقش مهمى در پيشرفت اين شاخه بازى كرد. مثلاً در ۱۹۲۵ مقاله اى از ساتيندرانات بوز فيزيكدان هندى درباره آمار فوتونى خواند و فهميد كه اگر اتم ها را بتوان زمانى تا نزديكى هاى صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چيز عجيب و غريبى اتفاق مى افتد. اثرات كوانتومى اتم ها را مجبور مى كند تا موقتاً به صورت نوعى ابراتم متراكم شوند. به عبارت ديگر گروه اتم ها، همان گونه آرايش پيدا مى كند كه فوتون هاى يك باريكه ليزر.ليزرها، ابزارهاى سودمندى از كار درآمده اند و دلايل خوبى هست كه "ليزرهاى اتمى" هم به همين اندازه كارا خواهند بود. اما ماده چگاليده بوز- اينشتين (اسمى كه به اين چكه هاى فوق سرد اتمى اطلاق مى شود) بيشتر از ۷۰ سال به صورت يك پيش بينى هوشمندانه باقى ماندند. در ژوئن ۱۹۹۵ اريك كرنل و كارل ويمن از موسسه JILA  در بولدر، بالاخره توانستند كارى كنند كه ۲۰۰۰ اتم روبيديوم _ همان طور كه اينشتين پيش بينى كرده بود- كنار هم بنشينند. ۶۰ سال بعد، اين دو به همراه ولفگانگ كترل از MIT  براى كارشان نوبل گرفتند.حالا كرنل و دانش جويانش در JILA  آخرين قدم ها را براى كامل كردن تراشه اى برمى دارند كه مى تواند اين مواد چگال را روى سطحش هدايت كند.

تراشه كرنل، چكه هاى اتمى را به روشى مى شكافند و دوباره تركيب مى كنند كه با استفاده از آن مى توان شتاب و چرخش را حتى با حساسيت بيشترى نسبت به فناورى هاى مبتنى بر ليزر، ثبت و اندازه گيرى كرد. چيزى كه خودشان اسم تداخل سنج اتمى را رويش گذاشته اند. به قول كرنل "مى توانيد يكى از اينها را در شكم هواپيما بگذاريد و با آن تغييرات كوچك در شدت و جهت گرانش را اندازه بگيريد. اين افت و خيزهاى ريز شتاب گرانش، نشان دهنده چيزهايى است كه چون در عمق زياد زمين يا آب قرار دارند نمى توانيد آنها را ببينيد. چيزهايى مثل ميدان هاى نفتى، رگه هاى معدنى، غارها و حتى تونل ها و صخره هاى زيرزمينى" اين طور كه كرنل ادامه مى دهد: "تداخل سنج هاى اتمى قادرند دقت بهترين حسگر چرخشى حاضر، يعنى ژيروسكوپ هاى مكانيكى را هم ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ بار بهتر كنند. يك ژيروسكوپ خوب بيشتر از هر چيزى به درد تعيين موقعيت مى خورد. البته با وجود شبكه ماهواره اى GPS  تعيين موقعيت جهانى) اين مسئله حل شده به نظر مى رسد. ولى اگر قرار باشد شما مدت زيادى توى يك قوطى تيتانيومى زير آب بمانيد و هيچ صدايى هم از خودتان درنياوريد يك ژيروسكوپ خوب به كارتان مى آيد. موقعيتى كه اتفاقاً نيروى دريايى زياد با آن سر و كار دارد. " اشاره كرنل به كاربردهاى نظامى قضيه است. جاهايى كه سينگال هاى GPS  به طريقى بلوكه و متوقف مى شوند. اما نياز به سيستم هاى ناوبرى دقيق، همچنان وجود دارد.

همان طور كه از اسمش برمى آيد يك تداخل سنج اتمى، همانند مشابه نورى اش دو گروه اتم همدوس را روى هم مى اندازد و الگوى تدافعى حاصل را بررسى مى كند، مثل همه چيزهاى كوانتومى، ماده چگاليده بوز _ اينشتين هم رفتار دوگانه موجى _ ذره اى از خودش نشان مى دهد. وقتى يك مجموعه تراكم و همدوس اتمى دو تكه مى شود، تكه ها حركتشان را با طول موج و فاز يكسان آغاز مى كنند. حالا اگر اين دو قسمت، مسيرهاى مختلفى را طى كنند يكى از آنها در فاز از ديگرى عقب مى افتد. بنابراين زمانى كه دو تكه بعد از طى مسير، دوباره به هم مى رسند قله ها و دره هاى موجشان روى هم مى افتد و يك الگوى رشته رشته مانند به وجود مى آورد كه در آن مناطقى كه شامل تعداد زيادى اتم هستند با مناطق تقريباً خالى از هم جدا شده اند.

كترل و مارك كازويچ از دانشگاه استنفورد به همراه عده اى ديگر به تازگى موفق شده بودند، تداخل سنج هاى اتمى واقعى بسازند ولى دستگاهشان بيشتر حجم يك اتاق را پر مى كند. چون مجموعه هاى متراكم اتمى (يا همان چكه ها) بايد در حال سقوط آزاد درون يك اتاقك خلاء بزرگ، شكافته و بازتركيب شوند. مدل هايى كه كرنل و دانا اندرسون رويش كار مى كنند، خيلى جمع و جور تر از آب درخواهد آمد."با هدايت اتم ها مى توان اندازه تداخل سنج را تا يك تراشه كوچك كاهش داد." اين حرف را يكى از دانشجويان كرنل به اسم ينيگ جووانگ در حالى كه به تكه اى شيشه در حد و اندازه اسلايد ميكروسكوپ اشاره مى كند، مى زند. دو نوار موازى و نازك طلايى از وسط اسلايد مى گذرند و چيزى شبيه يك راه آهن كوچك به وجود مى آورند. جريان الكتريكى هم جهت و هم اندازه از نوار ها مى گذرد و يك ميدان مغناطيسى ايجاد مى كند كه مقدارش در وسط دو نوار صفر است وانگ مى گويد: "اتم هاى دوبيديومى كه استفاده مى كنيم، دوست دارند در ضعيف ترين قسمت ميدان مغناطيسى بمانند."

بنابراين ناحيه وسط دو نوار مثل يك كانال براى آنها عمل مى كند كه از آن بيرون نمى آيند." كمى جلوتر خط آهن طلايى به يك تقاطع Y شكل مى رسد كه همان شكافنده است. وانگ ادامه مى دهد: "اينجا يك موج ايستاده از نور ليزر به وجود مى آوريم كه نيمى از اتم هاى مجموعه چگاليده را به راست و نيمى را به چپ مى فرستد. حدود ۳۰۰ ميكرون جلوتر، تكه ها دوباره به موج هاى ايستاده اى برخورد مى كنند كه مانند آينه اتم ها را برعكس بار اول منحرف مى كند. كمى بعد از اين انحراف تكه ها به هم مى رسند، بر هم نهاده مى شوند و تداخل مى كنند. در اين جا يك دوربين مخصوص محل رشته هاى اتمى ايجاد شده را ثبت مى كند." هر چند اندازه تجارى مناسب براى تداخل سنج چيزى حدود كف دست است اما اين دستگاه با متعلقاتش هنوز يك ميز آزمايشگاه را پر مى كند. كرنل مى گويد: "خيلى از بخش هاى طرح ما هنوز هم جاى كوچك شدن دارند اما بعضى ها هم اين طور نيستند. مثل سيستم هاى سردكننده ليزرى كه اتم ها را از دماى اتاق به چند ميليارديم درجه بالاتر از صفر مطلق مى رساند." بنابراين يك ژيروسكوپ اتمى ممكن است نهايتاً در ساعت مچى يا تلفن همراه جا نشود اما تا استفاده از آن در هواپيماها و زيردريايى ها، راه زيادى باقى نمانده است. از اين گذشته اگر سرگذشت ليزر، معيار خوبى باشد، كارآفرينان آينده، كاربردهاى بيشترى براى اين حالت جديد ماده پيدا خواهند كرد. خيلى بيشتر از آنچه دانشمندان حالا بتوانند تصورش را بكنند.

 

 

روزنامه شرق

اينشتين و تجربه گرايان نوين

اهميت نسبيت عام در زندگى روزمره

  ديدگاه اينشتين نسبت به مكانيك كوانتومى

زندگى من با اينشتين

گوى ايستاده چرخان

مردى كه زياد مى دانست

زندگى آلبرت اينشتين نابغه قرن

نسبيت عام چيست و به چه كار مى آيد؟

آيا اينشتين درست مى گفت

اینشتين و داروين

انيشتين در قرن بيست و يك

 

 

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

 

 

 

 

 

سی پی اچ در ژورنالها


LEIBNITZ'S MONADS & JAVADI'S CPH

General Science Journal

World Science Database

Hadronic Journal

National Research Council Canada

Journal of Nuclear and Particle Physics

Scientific Journal of Pure and Applied Science

Sub quantum space and interactions from photon to fermions and bosons

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی


آرشیو

آخرین مقالات

اخبار

اختر فیزیک

اجتماعی

الکترومغناطیس

بوزونها

ترمودینامیک

ذرات زیر اتمی

زندگی نامه ها

کامپیوتر و اینترنت

فیزیک عمومی

فیزیک کلاسیک

فلسفه فیزیک

مکانیک کوانتوم

فناوری نانو

نسبیت

ریسمانها

سی پی اچ

 فیزیک از آغاز تا امروز

زندگی نامه

از آغاز کودکی به پدیده های فیزیکی و قوانین حاکم بر جهان هستی کنجکاو بودم. از همان زمان دو کمیت زمان و انرژی بیش از همه برایم مبهم بود. می خواستم بدانم ماهیت زمان چیست و ماهیت انرژی چیست؟

 

 

  

 

HOME    ENGLISH   FEED BACK   CONTACT US   PERSIAN 

free hit counters

Copyright 2004 CPH Theory . All rights reserved.