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.

از بيت ها تا فيت ها
 

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.

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.

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

  ديدگاه اينشتين نسبت به مكانيك كوانتومى

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