به گزارش خبرگزاری بیکینگ،یک پیشبینی علمی که دههها فقط در حد فرضیه بود، سرانجام به واقعیت پیوست. دانشمندان موفق شدند نوعی آشفتگی عجیب در دنیای کوانتوم را ببینند و ساختارهایی هلالیشکل پیدا کنند که شباهت جالبی به ماه در نقاشی معروف «شب پرستاره» ونگوگ دارند.
آیزاک آسیموف، نویسنده مشهور علمی ـ تخیلی، روزی گفته بود: «در علم، هنر وجود دارد و در هنر، علم.» این کشف تازه مثال واقعی این جمله است و پیوندی میان یکی از شناختهشدهترین آثار هنری قرن نوزدهم و دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی برقرار کرده است.
موضوع اصلی این پژوهش پدیدهای به نام «ناپایداری کلوین ـ هلمهولتز» است. این پدیده زمانی رخ میدهد که دو لایهی سیال (مثل آب و هوا) با سرعتهای متفاوت از کنار هم عبور کنند و باعث ایجاد موج و گردابه شوند. در زندگی روزمره این حالت را در شکل ابرها، موجهای رودخانه یا آب دریا میتوان دید.
هیرو میتسو تاکئوچی، استاد دانشگاه اوساکا و نویسنده اصلی این مطالعه، میگوید: «پرسش ما ساده بود: آیا این نوع آشفتگی میتواند در سیالات کوانتومی هم اتفاق بیفتد؟»
سیالات کوانتومی موادی هستند که طبق قوانین کوانتوم رفتار میکنند، نه فیزیک معمولی. آنها اصطکاک ندارند و رفتارشان وابسته به حالات بسیار ظریف کوانتومی است که ایجاد و کنترلشان بسیار دشوار است. به همین دلیل تا پیش از این، کسی این پدیده را در چنین موادی ندیده بود.
اما این تیم علمی توانست با روشی خلاقانه آن را ثبت کند. آنها گازی از اتمهای لیتیوم را تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد کردند، به حالتی که به آن «چگالش بوز ـ اینشتین» میگویند؛ حالتی که اتمها مثل یک موج واحد رفتار میکنند. سپس این موج کوانتومی را به دو بخش همپوشان تقسیم کردند که با سرعتهای متفاوت از کنار هم عبور میکردند. در محل برخورد این دو جریان، الگوهای موجی شکل گرفت که شبیه مراحل اولیه همان ناپایداری کلوین ـ هلمهولتز در دنیای معمولی بود.
اما بخش جالب ماجرا تازه از اینجا شروع شد. در این محیط کوانتومی، آشفتگی فقط موج ایجاد نکرد، بلکه گردابههایی پدید آمد که شکل و رفتارشان با دنیای عادی فرق داشت. این گردابهها «اسکیرمیونهای کسری خارج از مرکز» نام گرفتند و برخلاف اسکیرمیونهای معمولی که گرد و متقارناند، هلالیشکل بودند و درونشان نقاطی وجود داشت که نظم چرخشی معمولی را کاملاً بههم میزد.
به گفته تاکئوچی، ماه هلالی بزرگی که در گوشه بالای سمت راست نقاشی «شب پرستاره» ونگوگ دیده میشود، شباهت زیادی به همین اسکیرمیونهای هلالی دارد.
اسکیرمیونها پیشتر به خاطر نقش بالقوهشان در فناوریهایی مثل «اسپینترونیکس» (سیستمی برای ساخت ابزارهای پردازش و ذخیرهسازی داده با استفاده از چرخش ذرات بهجای جریان برق) مورد توجه بودند. کشف نوع جدیدی از آنها در سیالات کوانتومی میتواند راههای تازهای برای ساخت و کنترل این ساختارها ایجاد کند و حتی نظریههای ما درباره دستهبندی ساختارهای کوانتومی را به چالش بکشد، چون این نوع جدید در چارچوب دستهبندیهای فعلی جا نمیگیرد.
این پژوهش همچنین تأیید میکند که ناپایداری کلوین ـ هلمهولتز یک پدیده جهانی است و هم در دنیای کلاسیک و هم در دنیای کوانتومی رخ میدهد.
محققان حالا قصد دارند آزمایشهای دقیقتری انجام دهند تا پیشبینیهای بیش از یک قرن پیش درباره طول موج و فرکانس این آشفتگیها را بررسی کنند و ببینند آیا گردابههای مشابه در سیستمهای کوانتومی دیگر یا در ابعاد بالاتر هم پدید میآیند یا نه.
در نهایت، کشفی که از الهام یک اثر هنری قرن نوزدهم آغاز شد، ممکن است بخشی از درک ما از فیزیک قرن بیستویکم را دگرگون کند.
مترجم: ریحانه اسکندری
منبع: interesting engineering
۵۹۲۴۴
