کشف ارتباط میان فیزیک کلاسیک و کوانتوم توسط این ماده استثنایی!

به گزارش کلیک، فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی توسط آن چه که آن ها را خیلی متفاوت از یکدیگر می کند امی شناسند، اما یک سوال بزرگ تر و چالش برانگیزتر فیزیکدانان را برای چندین دهه به ستوه آورده است؛ اما چه پدیده ای این دو قانون اساسی فیزیک راکه کاملا در دو جبهه مخالف از یکدیگر قرار دارند، به یکدیگر ارتباط می دهد؟ چرا قوانین پایه ای و اساسی فیزیک کلاسیک در سطح کوانتوم حرفی برای گفتن ندارند و این سوال مطرح می شود که آیا می توانن این قوانین را با کوانتوم مرتبط کرد؟

در حال حاضر، به لطف یک ماده که به تازگی توسعه یافته، دانشمندان احتمالا به پاسخ این سوال بیش از پیش نزدیک تر شده اند، چرا که آن ها یک راه جدید برای دیدن مکانیک کوانتومی در مقیاس قابل مشاهده با چشم غیر مسلح پیدا کرده اند.

پیتر آرمیتاژ، سرگروه این تیم از دانشگاه جانز هاپکینز گفت: ما یک یک ماده خاص را یافته ایم که می توان با استفاده از آن، دو مبحث کاملا جداگانه فیزیک را به هم متصل کرد.

او در ادامه خاطر نشان کرد: معمولا ما از مکانیک کوانتومی به عنوان یک نظریه از موارد و پدیده های کوچک فکر می کنیم، اما در این سیستم مکانیک کوانتومی در مقیاس طول ماکروسکوپیک ظاهر می شود. این آزمایش ها توسط ابزار دقیق منحصر به فرد توسعه داده شده در آزمایشگاه من ساخته شده است.

ماده ای که در بالا راجع به آن صحبت شد و در کانون این تحقیقات قرار دارد، یک نوع عایق توپولوژیک است. این نوع از مواد برای اولین بار در دهه ۱۹۸۰ پیش بینی شده بود و دانشمندان به تولید انواع مختلف آن از سال ۲۰۰۷ تاکنون مشغول بوده اند.

عایق های توپولوژیکی در نوع خود خاص و ویژه هستند، زیرا در لایه بیرونی خود رسانا هستند، اما در داخل، خود یک عایق است. این به این معنی است که الکترون ها تنها می تواند در امتداد سطح خارجی مواد حرکت کنند که باعث می شود آن ها نمایش و حرکت عجیب و غریبی را از خود نشان بدهند.

برای انجام این آزمایش، آرمیتاژ و تیم او عایق های توپولوژیکی ساخته شده از تکه های بیسموت و سلنیوم را ایجاد کردند که در حدود اندازه ناخن انگشت با ضخامت های مختلف بودند.

آن ها برای اولین بار ثابت کردند که این دو عنصر یک راه جدید را به فیزیکدانان برای دیدن پدیده های کوانتومی در مقیاس های بسیار بزرگ تر از حد معمول ارائه می دهند.

بدین منظور، آن ها یک تابش پرتو (به نام تراهرتز یا T-ray که طیفی نامرئی از نور است) را از طریق این عایق ها ارسال کردند و تابش فرستاده شده را در طول گذر ار این عایق ها بررسی و اندازه گیری کردند.

این گروه دریافتند که پرتو درحال گذر از ماده با یک چرخش ناچیز تغییر کرد که جالب است بدانید این یک اثر است که تنها در مقیاس های اتمی مشاهده می شود.

البته، مقدار تغییری که آن ها مشاهده کردند را می توان با دقت فراوان و با استفاده از ریاضیات پیچیده در سطح کوانتومی پیش بینی کرد. این اولین بار است که محققان شاهد وقوع مکانیک کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی در یک عایق توپولوژیک هستند.

اگرچه، ممکن است این دستاورد و پدیده آن قدر ها هم بزرگ و برجسته به نظر نرسد، اما عایق مذکور به این تیم یک فرصت نادر برای تولید دوباره اثر کوانتومی در اجسام بزرگ تر داده است و نیز نشان دهنده یک ارتباط نویدبخش بین جهان کوانتومی و مکانیک کلاسیک است. این ارتباط چیزی است که دانشمندان برای چندین دهه به دنبال آن بوده اند و از آن به عنوان یک تکه پازل برای کامل کردن مفهوم "نظریه همه اجسام" یا Theory of Everything صحبت نموده اند.

به بیان ساده، دانشمندان می دانند که قوانین جهان کوانتومی - که توضیح دهد چگونه اتم ها در یک مقیاس بسیار کوچک عمل می کنند - باید به نحوی با جهان کلاسیک روزمره در ارتباط باشد که شامل قوانین سیستم های بزرگ تر، مانند چگونگی پرتاب یک موشک است.

اما مشکل این است که برقرای این ارتباط کاری بس دشوار است. بسیاری از قوانین فیزیک کلاسیک در سطح کوانتومی ریزتر می شوند. به عنوان مثال، گرانش که برای جهان ما بسیار مهم و حیاتی است، به نظر نمی رسد تحت هیچ شرایطی سیستم های کوانتومی را تحت تاثیر قرار دهد و قوانین فیزیک کلاسیک نمی توانند عمل شبح وار در یک فاصله از درهمتنیدگی کوانتومی را توضیح دهد.

این آزمایش نشان می دهد که عایق های توپولوژیکی تنها ابزار و تجهیزاتی هستند که این مکان را به می دهند برای بار اول و آخر این ارتباط را میان این دو مبحث مشاهده و برقرار کنیم؛ البته شرط این رخداد این است که بتوانیم باز هم در آینده در آن ها تغییر و تحول ایجاد کنیم.

اگرچه این آزمایش جدید قطعا یک گام در مسیر درست و "یک قطعه از پازل" است، اما هنوز محققان کار بسیار پیچیده و سختی در پیش دارند تا ارتباط میان فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتومی به طور کامل درک شود.

امید است که یک روز ما انسان ها یک درک کامل از فیزیک داشته باشیم و مواد جدید مانند عایق توپولوژیک تیم ممکن است ما را در تحقق این آرزو کمک شایانی کند.