دستاوردی بزرگ‌تر از کشف بوزون هیگز و امواج گرانشی
دستاوردی بزرگ‌تر از کشف بوزون هیگز و امواج گرانشی
دانشمندان موفق شدند در دستاوردی غیرمنتظره از بعد فضایی چهارم عکس برداری کنند
به گزارش خبرآنلاین، از زمانی که «آلبرت اینشتین» نظریه نسبیت خاص خود را در سال ۱۹۰۵ (۱۲۸۴) ارائه کرد، مردم و دانشمندان «زمان» را به عنوان بعد چهارم در نظر می‌گرفته‌اند؛ اما اکنون دو گروه پژوهشی در ایالات‌متحده و اروپا توانسته‌اند به شواهدی از وجود چهارمین بعد فضایی دست یابند.
میکائیل رشتسمن (Mikael Rechtsman)، فیزیک‌دان دانشگاه ایالتی پن در ایالات‌متحده می‌گوید: «ما هنوز سیستم ۴بعدی فضایی نداریم، اما می‌توانیم با استفاده از سیستم سه‌بعدی فعلی (دنیایی که ادراک می‌کنیم) به فیزیک ۴بعدی هال کوانتومی (quantum Hall effect) دسترسی پیدا کنیم؛ زیرا ابعاد بالاتر به نحوی در این ساختار پیچیده رمزگذاری شده‌اند.»
رشتسمن ادامه می‌دهد: «شاید بتوانیم با ادامه این تحقیقات به فیزیک ابعاد بالاتر دست یابیم و بر اساس آن، ابزارهایی را طراحی کنیم که در ابعاد پایین‌تر از فیزیک ابعاد بالاتر بهره ببرند».
برای آن‌که به شهود بهتری از آزمایش پژوهشگران دست پیدا کنید، به این نکته توجه کنید: اجسام ۳بعدی سایه‌های ۲بعدی ایجاد می‌کنند؛ بنابراین می‌توان انتظار داشت که اجرام ۴بعدی سایه‌های ۳بعدی ایجاد کنند. به این روش حتی اگر جسم ۴بعدی ادراک‌ناپذیر باشد، می‌توان از روی سایه‌اش به وجود آن پی برد.
اثر هال کوانتومی چیست؟
پژوهشگران برای یافتن بعد چهارم، آزمایش‌های دوبعدی حیرت‌انگیزی بر اساس پدیده هال کوانتومی ترتیب دادند. پدیده هال کوانتومی حرکت الکترون‌ها را محدود می‌کند و به پژوهشگران امکان می‌دهد تا این ذرات را بسنجند و بررسی کنند.
تاکنون سه جایزه نوبل فیزیک برای پژوهش‌های نظری و عملی در مورد پدیده هال کوانتومی اهدا شده است که آخرین آن‌ها، جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۶ (۱۳۹۵) بود. برندگان نوبل فیزیک سال گذشته با استفاده از مدل‌های توپولوژیک توانستند ویژگی‌های این پدیده را به خوبی توصیف کنند.
اثر هال کوانتومی معمولا در مرز بین دو ماده اتفاق می‌افتد، جایی که الکترون‌ها می‌توانند فقط در ۲بعد حرکت کنند. وقتی میدان مغناطیسی در زاویه ۹۰ درجه نسبت به صفحه ۲بعدی حرکت الکترون‌ها اعمال می‌شود، رفتار الکترون‌ها و شارش آن‌ها را تغییر می‌دهد. با کاهش دما و تغییر ولتاژ در آن محیط می‌توان تغییرات بیشتری در رفتار الکترون‌ها ایجاد کرد.
نکته مهم آنجاست که هرچه ولتاژ و شدت میدان مغناطیسی بیشتر شود، نقش مکانیک کوانتومی در تعیین رفتار الکترون‌ها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. میدان مغناطیسی، نیرویی عمود بر جهت حرکت الکترون‌ها ایجاد می‌کند -نیروی لورنتز- که جداسازی الکترون‌ها را به همراه دارد؛ اما در شرایط دمایی نزدیک به صفر کلوین (حدود ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد زیر صفر) و تحت میدان‌های مغناطیسی فوق‌العاده شدید، اثراتی کوانتومی پدیدار می‌شوند که سبب می‌شوند ولتاژ نه به‌طور پیوسته که با الگویی گسسته و پله‌پله (کوانتومی) افزایش پیدا کند.
پژوهشگران چه کرده‌اند؟
پژوهشگران اروپایی در آزمایش خود، اتم‌ها را تا نزدیکی صفر مطلق (۲۷۳- درجه سانتی‌گراد) سرد کردند و سپس، آن‌ها را درون شبکه‌ای ۲بعدی قرار دادند که با استفاده از لیزر ایجاد شده بود. با استفاده از پرتو لیزر سوم، پژوهشگران اتم‌ها را برانگیختند و آن‌ها را مجبور به حرکت کردند.
پژوهشگران آمریکایی اما از روش دیگری استفاده کردند. آن‌ها پرتو لیزر را درون قطعه‌ای شیشه‌ای تاباندند تا اثر مشابه تأثیر میدان الکتریکی بر ذرات باردار را شبیه‌سازی کنند.
مایکل لوهسه (Michael Lohse) فیزیک‌دان دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان در آلمان و یکی از اعضای تیم اروپایی می‌گوید: «فکر می‌کنم که این دو آزمایش به شکل زیبایی یکدیگر را تکمیل کرده‌اند».
مکانیک کوانتومی و توپولوژی
اثر هال کوانتمی را می‌توان به شکل پدیده‌ای توپولوژیک توصیف کرد. توپولوژی، شاخه‌ای نسبتا نوین از ریاضیات است و به توصیف رویه سطحی اجسام و ویژگی‌هایی می‌پردازد که وقتی آن‌ها را تحت کشش قرار می‌دهیم، می‌پیچانیم یا شکلشان را عوض می‌کنیم، تغییر نمی‌کنند. اجسام توپولوژیک می‌توانند یک حفره داشته باشند، یا دو حفره، یا سه حفره یا …، اما تعداد حفره‌ها همیشه عددی صحیح (غیر کسری) است.
توضیح عکس: بطری کلاین، رویه داخلی و خارجی ندارد و با ترکیب n نمونه از آن‌ها می‌توان بطریی جدیدی با n حفره ایجاد کرد. بطری کلاین یکی از زیباترین موجودات توپولوژیک به شمار می‌رود.
قوانین توپولوژیک در اثر هال کوانتومی نیز حاکمند و سبب می‌شوند الکترون‌ها فقط بتوانند در مسیرهایی حرکت کنند که از نظر توپولوژیک خوش‌تعریف باشند. نزدیک به ۲۰ سال پیش، گروهی از پژوهشگران به شکل نظری نشان دادند که اثرات توپولوژیک قابل‌مقایسه‌ای می‌بایست در ابعاد فضایی چهارتایی نیز اتفاق بیفتد.
«اودد زیلبربرگ» (Oded Zilberberg)، استاد انستیتو فیزیک نظری می‌گوید: «در آن زمان، این پیشنهاد را ایده‌ای علمی‌تخیلی می‌پنداشتند؛ اما امروز در آزمایش‌هایمان توانسته‌ایم آن را ببینیم.»
کاربردهای عملی
این دستاورد به آن معنی است که فیزیک‌دانان می‌توانند به شکل عملی، پدیده‌هایی را که در بعد چهارم یا ابعاد بالاتر اتفاق می‌افتند، به شکل عملی در دنیای ۳بعدی خودمان بررسی کنند. شبه‌بلورهای موجود در آلیاژهای فلزی، نمونه‌ای از این پژوهش‌هاست که در فضای ۳بعدی، الگوهای منظمی را به نمایش می‌گذارند.
زیلبربرگ اما توجه ما را به این نکته جلب می‌کند: «نباید فراموش کرد که راهی طولانی در پیش است تا بتوانیم از این آزمایش‌های اولیه به کاربردهای مفید برسیم.»
۵۴۵۴
