حالت جدید ماده؛ چگالش بوز-اینشتین

 

مجله علمی ایلیاد - از میان پنج حالت ماده، چگالش بوز-اینشتین «BEC» به عنوان رازآلودترین حالت شناخته می‌شود. گازها، مایعات، جامدات و پلاسما برای چندین دهه مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اما چگالش بوز-اینشتین تا دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی در آزمایشگاه ایجاد نشده بود.

چگالش بوز-اینشتین حالتی از ماده است که در آن، گاز رقیق بوزون را تا دمای بسیار پایین و در منفی ۲۷۳ درجه‌ی سانتی‌گراد سرد می‌کنند. در اثر دمای بسیار پایین در این گذار فازی، بخش بسیار بزرگی از بوزون‌ها، کمترین حالت کوانتومی را اِشغال می‌کنند و در آن نقطه، پدیده‌ی کوانتومی ماکروسکوپی آشکار می‌شود. بوزون‌های سرد در هم فرو می‌روند و اَبَرذره‌هایی که رفتاری شبیه به ریزموج‌ها دارند، ایجاد می‌شوند تا ذره‌های معمولی شکل بگیرد.

ماده‌ی چگال شده‌ی بوز-اینشتین شکننده و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است. چگالش بوز-اینشتین که ۷۱ سال پیش توسط «ساتیندرانات بوز» و «آلبرت اینشتین» پیش‌بینی شد، اتم‌های فوقِ سردی هستند که به دمای بالای صفر مطلق می‌رسند که در این نقطه، اتم‌ها باید به طور کامل دست از حرکت بردارند. در همین رابطه، آزمایش‌های زیادی با اتم‌های روبیدیوم آغاز می‌شوند. سپس، این عنصر با استفاده از لیرز سرد می‌شود. پس از آن، دانشمندان برای سرد کردن بیشتر آن از روش سرمایش تبخیری بهره می‌جویند. در پی این فرآیند، اتم‌ها وارد حالت‌های کوانتومی یکسانی می شوند و نمی‌توان آن‌ها را از یکدیگر تشخیص داد. در آن نقطه، اتم‌ها شروع به پیروی از شرایط بوز-اینشتین می‌کنند.

فیزیکدان هندی به نام «بوز» مشغول کار بر روی مسائل آماری در مکانیک کوانتومی بود و ایده‌هایش را به «آلبرت اینشتین» ارسال کرد. اینشتین فکر کرد این ایده حائز اهمیت بالایی هستند و اقدام به نشر آن‌ها کرد. مهم‌تر از آن، اینشتین به این فکر افتاد که می‌توان از اصول ریاضی بوز در اتم‌ها و همچنین نور استفاده کرد.

بر اساس یافته‌های این دو دانشمند، اتم‌ها باید انرژی خاصی داشته باشند؛ در واقع، یکی از اصول مکانیک کوانتومی این است که انرژی یک اتم یا سایر ذرات زیراتمی نمی‌تواند دل‌بخواهی و خودسرانه باشد. برای مثال، به همین دلیل است که الکترون‌ها اوربیتال‌های گسسته‌ای دارند که باید در کنار هم باشند. اما اگر اتم‌ها را تا چند میلیاردم درجه صفر مطلق سرد کنید، برخی از اتم‌ها سطح انرژی یکسانی می‌گیرند و تفکیک آن‌ها از همدیگر امکان‌ناپذیر می‌شود. به همین خاطر است که چگالش بوز-اینشتین به مانند اَبَراتم عمل می‌کند. وقتی کسی بخواهد محل قرارگیری آن‌ها را اندازه بگیرد، به جای دیدن اتم‌های گسسته، چیزی مثل یک گوی فازی می‌بیند. سایر حالت‌های ماده از اصل «طرد پائولی» تبعیت می‌کنند.

فیزیکدان «ولفگانگ پائولی» یکی از پیشگامان فیزیک کوانتومی به شمار می‌آید. بر این اساس، فرمیون‌ها نمی‌توانند در حالت‌های کوانتومی یکسانی باشند. به همین دلیل است که وقتی دو الکترون در اوربیتال یکسانی قرار دارند، چرخش آن‌ها باید مخالف همدیگر باشد و اتم‌ها نیز نمی‌توانند به طور همزمان فضای یکسانی را اشغال کنند. اما چگالش بوز-اینشتین این قانون را نقض می‌کند.

اگرچه این نظریه می‌گوید چنین حالت‌های ماده باید وجود داشته باشند، اما این در سال ۱۹۹۵ بود که «اریک کورنل» و «کارل ویمن»، هر دو از آزمایشگاه مشترک اخترفیزیک در بولدر کلرادو و «ولفگانگ کترل» از موسسه‌ی فناوری ماساچوست توانستند چنین حالتی را درست کنند. آنان به خاطر دستاوردهای‌شان در این زمینه، جایزه نوبل فیزیک را در سال ۲۰۰۱ از آنِ خود کردند.

آزمایشگاه اتم سرد ناسا «CAL»، قصد دارد گازهای کوانتومی فوق سرد را در محیطی با گرانش پایین مطالعه کند. این آزمایشگاه در اواخر ماه می ۲۰۱۸ در ایستگاه فضایی بین‌المللی راه‌اندازی شد و نخستین آزمایشگاه در نوع خودش در فضا محسوب می‌گردد. این آزمایشگاه برای گسترش توانایی دانشمندان برای انجام اندازه‌گیری‌های دقیق درباره‌ی گرانش و مطالعه‌ی نحوه‌ی برهمکنش آن با ماده در کوچک‌ترین مقیاس‌ها طراحی شده است.

«رابرت تامسون» دانشمند پروژه‌ی آزمایشگاه اتم سرد ناسا و فیزیکدان در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، در یکی از نشست‌های خبری اخیرش بیان کرد: «انجام آزمایش چگالش بوز-اینشتین در ایستگاه فضایی بین‌المللی رویایی است که به تحقق پیوسته است. ما راهی سخت و طولانی برای رسیدن به این نقطه پیموده‌ایم، اما تلاش‌های‌مان ارزش داشته و به ثمر نشسته است، زیرا ما در آینده خواهیم توانست کارهای بسیار زیادی در این آزمایشگاه انجام دهیم.»

محققان در پایان گفتند: «دانشمندان آزمایشگاه اتم سرد ناسا می‌خواهند گام‌های بلندتری برداشته و به دماهایی دست یابند که پایین‌تر از هر دمایی است که در زمین به دست آمده است. علاوه بر روبیدیوم، دانشمندان آزمایشگاه اتم سرد ناسا، همچنان در تلاش هستند تا چگالش بوز-اینشتین را با استفاده از دو ایزوتوپ مختلف اتم‌های پتاسیم درست کنند.» در حال حاضر، آزمایشگاه اتم سرد ناسا در مرحله‌ی آمادگی قرار دارد، اما دانشمندان ابراز امیدواری کرده‌اند که آزمایش‌های مهمی در سال نخست راه‌اندازی آن انجام خواهند داد. انتظار می‌رود فاز علمی آن هم در ماه سپتامبر کلید بخورد و سه سال به طول انجامد.

 

نوشته: جس امسپک
ترجمه: منصور نقی‌لو - مجله علمی ایلیاد

منبع: livescience.com