جالب ترین وقایع علم فیزیک در سال ۲۰۱۵
عکسی که از ماهیت موجی و ذره‌ای نور، نبود!
اولین تصویری که در اوایل سال ۲۰۱۵ از خاصیت موجی و ذره‌ای نور به طور همزمان گرفته شد خیلی سریع در شبکه‌های اجتماعی منتشر و جز پربازدیدترین‌ها شد اما خیلی زود متوجه شدیم که حقیقت قدری متفاوت از آن است. تیم تحقیقاتی موسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزاندر برای بررسی اثر فوتوالکتریک کلاسیک آزمایشی ترتیب دادند تا بفهمند مثلا چرا برخورد نور فرابنفش با یک مانع فلزی باعث گسیل الکترون می‌شود. به عبارت دیگر چرا نور هم رفتار ذره‌ای و هم رفتار موجی از خود نشان می‌دهد.
این آزمایش به نظر می‌رسید که یک انقلاب بزرگ به پا کند، چون بنابر قوانین مکانیک کوانتومی شما نمی‌توانید هر دو حالت موجی و ذره‌ای نور را به صورت همزمان مشاهده کنید. پژوهشگران در توضیح این آزمایش بار دیگر درستی قانون مکانیک کوانتومی را ثابت کردند. آنها نشان دادند که در عکس موجود تعداد زیادی از فوتون‌ها وجود دارند که به طور همزمان به تصویر کشیده شده‌اند و بعضی از آنها حین گرفتن تصویر به صورت ذره و بعضی به صورت موج رفتار کرده‌اند. این یعنی اینکه هر فوتون طبیعت دوگانه خود را به صورت همزمان نشان نداده است. اگرچه این تصویر آنگونه که در فضای مجازی سروصدا کرد، موفق نبود ولی به عنوان یک تصویر زیبا از نور باقی می‌ماند.
علمی مرتبط با فریاد
معمولا صدای جیغ زدن را گوش‌خراش و نامطلوب می‌دانیم. اما عصب‌شناسان دانشگاه نیویورک نشان دادند که این حس نامطلوب بستگی به این دارد که چگونه کیفیت آکوستیک فریاد فرد، بخش پاسخ به ترس مغزمان را تحریک می‌کند. منظور از کیفیت آکوستیک در واقع یک ویژگی صوت به نام «تیزی و زبری» است که به سرعت تغییرات صدا گفته می‌شود. به هنگام گفتار معمولی بلندی صدا تغییرات کندی (در حد ۵ هرتز) دارد و به هنگام فریاد زدن تغییرات سریعتری (در حد ۳۰ تا ۱۵۰ هرتز) در بلندی صدا نشان می‌دهند.
عصب‌شناسان صدای افراد با درجه‌های مختلف زبری را از ویدیوهای ضبط شده در یوتیوب و فیلم‌ها مورد مطالعه قرار دادند و نتایج اسکن fMRI را بررسی کردند. مطالعات نشان داد که هرچه صدا زبرتر باشد، آزاردهنده‌تر و ترسناک‌تر ارزیابی می‌شود و پاسخ به آن در بخش آمیگدال یا بادامه مغز قوی‌تر است و باعث فعال شدن مرکز ترس در مغز می‌شود. به این ترتیب پاسخی که مغز نسبت به صداهای خشن نشان می‌دهد به صورت محرک ترس است تا به ما کمک کند عکس‌العمل مناسب و به موقعی نسبت به خطر احساس شده داشته باشیم. به همین صورت مغز پاسخ مشابهی نسبت به گریه نوزادان و یا صدای بوق ماشین‌ها نشان می‌دهد.
اثر کوانتومی «فرشته گریان»
مکانیک کوانتومی علمی عجیب و غریبی است. موجوداتی به نام «فرشته‌های گریان» در سریال دکتر هو ایفای نقش می‌کنند که یکی از ضعف‌های آنها این است که هنگامی که دیده می‌شوند تبدیل به مجسمه می‌شوند اما همین که چشم از آنها برداشته شود به سرعت به سمت انسان می‌آیند و با برخورد انسان به داخل تونل زمان فرستاده می‌شوند. این شخصیت‌ها نمود یک اثر کوانتومی به نام «زنو» است. بر اساس این اثر زمان تکامل تنها به وسیله اندازه‌گیری متوقف نمی‌شود اما هر زمانی که ما نتوانیم ببینیم، زمان به طور موثری متوقف می‌ماند. آزمایش‌هایی وجود دارند که تایید کننده این اثر و همچنین اثر آنتی‌زنو هستند. در سال گذشته میلادی فیزیکدانان دانشگاه کرنل از لیزر برای به دام انداختن اتم‌های گاز روبیدیوم در یک شبکه نوری استفاده کردند. به لطف خصوصیات مکانیک کوانتومی اتم‌های گاز توسط تونل‌زنی از دام رها می‌شدند تا اینکه آنها را با فواصل زمانی کوتاه تحت تابش پالس‌های لیزری قرار دادند و مشاهده کردند که تونل‌زنی برای اتم‌های به دام افتاده مشکل‌تر شد. زمانیکه فواصل زمانی تابش لیزر به اندازه کافی کوتاه شدند، اتم‌ها مانند فرشته‌های گریان در جای خود یخ زدند.
رقص قطره‌های آب
قطره‌های آب هنگام برخورد با یک سطح شیشه‌ای پخش می‌شوند، اما دانشمندان دانشگاه استنفورد رفتار عجیبی از قطرات آب آغشته به رنگ‌های خوراکی و پروپیلن گلیکول ( PG ) را ثبت کردند. زمانیکه دو قطره با غلظت مشابه PG در نزدیکی هم قرار می‌گیرند به‌هم می پیوندند اما دو قطره با غلظت‌های مختلف به هم نزدیک می‌شوند اما هرگز به‌هم نمی‌پیوندند و گاهی حتی همدیگر را تعقیب می‌کنند.
پژوهشگران علت رقص هماهنگ قطرات مایع را «خاصیت باینری» موجود در دو نوع مایع متفاوت می‌دانند. قطره‌های آب سریع‌تر از PG تبخیر می‌شوند و همچنین نیروی کشش سطحی بیشتری دارند، بنابراین قطره‌های آب با تبخیر شدن قسمت اعظم ماده شیمیایی چسبیده به آنها را روی سطح باقی می‌گذارند. سپس در اثر نیروی کشش سطحی دوباره به سمت داخل جاری می‌شوند. در واقع این حالت را می‌توان به گردبادی در داخل قطره آب تشبیه کرد. یک قطره به تنهایی نمی‌داند به کجا برود اما وقتی قطره دوم اضافه می‌شود، تبخیر قطره اول مانند سیگنالی عمل می‌کند که به قطره دوم می‌گوید به کدام سمت برود و در نتیجه دو قطره در حال رقص به نظر می‌رسند.
شهرها مثل کهکشان‌ها رشد می‌کنند!
یک نکته جالب در مورد مدل‌‌های ریاضی این است که این مدل‌ها می‌توانند روابط پنهان بین دو سیستمی که به صورت ظاهری کاملا متفاوت از هم هستند را آشکار کنند. در سال گذشته میلادی دو کیهان شناس رابطه تعجب‌آوری بین تکامل کهکشان‌ها و رشد شهرهای زمینی کشف کردند. آنها نشان دادند که روش تکامل کهکشان‌ها به واسطه تغییر چگالی مواد به صورت ریاضی معادل با رشد شهرها به واسطه تغییر در تراکم جمعیت روی زمین است.
تجزیه و تحلیل‌های آنها بر مبنای الگوی مقیاس‌بندی شناخته شده‌ای به نام «قانون زیف» بود که در همه چیز از روابط دوستانه گرفته تا تراکم جمعیت شهرها این قانون صدق می‌کند. بر اساس این قانون شهری با بیشترین جمعیت در یک کشور دو برابر بزرگتر از دومین شهر پرجمعیت و سه برابر بزرگتر از سومین شهر پرجمعیت آن کشور خواهد بود. این طور به نظر می رسد که این روابط در مورد کهکشان‌ها هم صادق هستند.
پژوهشگران یک فرمول ریاضی برای توصیف چگونگی شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها ابداع کردند و آن فرمول را به تکامل شهرهای زمینی اعمال کردند. آنها با این روش اثبات کردند که این دو سیستم به طور قابل توجهی مشابه هستند. پژوهشگران معتقدند که ابزارهای ریاضی مشابه می‌توانند در مدلسازی شیوع بیماری‌های واگیردار و سایر کاربردهای حیاتی مورد استفاده قرار گیرند.
نظریه چین و چروک‌ها
چین و چروک‌ها در تمام طبیعت وجود دارند، از سطح سیاره‌ها گرفته تا روی توپ گلف و یا حتی در روده کوچک. پژوهشگران این سیستم‌ها را معمولا به صورت موردی مطالعه می‌کنند و سعی دارند با شبیه‌سازی رایانه‌ای علت و نحوه شکل‌گیری آنها را بهتر درک کنند. در سال گذشته میلادی گروهی از مهندسین و ریاضیدانان دانشگاه MIT نظریه جدیدی در مورد چین و چروک‌ها و تشکیل آنها روی سطوح خمیده ارائه کردند. آنها هنگامی که آزمایشاتی روی سطوح سیلیکونی انجام می‌دادند متوجه شدند که با مکیدن هوا برخی از نواحی در اثر فشار دچار فرورفتگی می‌شوند، اما بعضی دیگر الگوهای پر پیچ و خمی را تشکیل می‌دهند.
آنها همچنین دریافتند که نوع الگوهایی که تشکیل می‌شوند به دو فاکتور بستگی دارد؛ فاکتور اول مقدار انحنای لایه پایینی نسبت به ضخامت لایه چروک خورده بالایی است و فاکتور دوم مقدار فشاری است که به لایه چروک خورده اعمال می‌شود. این نظریه را می‌توان به چین‌خوردگی‌های سطح ماه یا مریخ و حتی انگور نیز تعمیم داد.
فرضیه آب نبات چوبی
آیا هنگام خوردن آب نبات چوبی در کودکی به این فکر کرده‌اید که آب‌نبات شما بعد از چندبار لیسیدن تمام خواهد شد؟ پژوهشگران توانستند در سال گذشته میلادی به این سوال پاسخ دهند؛ بر اساس آزمایشی که فیزیکدانان دانشگاه نیویورک انجام دادند آب نبات‌ها حدودا بعد از ۵۰۰۰ بار لیسیدن تمام می‌شوند. آنها این آزمایش را «فرضیه آب نبات چوبی» نامیدند.
تیم تحقیقاتی دانشگاه نیویورک برای ساخت شکلات خانگی خود از شکر آب شده، نشاسته و آب استفاده کردند و سپس آب‌نبات‌ها را به شکل‌های مختلف درآوردند. سپس آب‌نبات‌ها را در یک تونل آب (معادل آبی تونل باد) غوطه‌ور ساختند و حل شدن آنها را با تغییر دادن سرعت آب تماشا کردند. آنها با مشاهده تغییر شکل آب‌نبات‌ها دریافتند که میزان حل شدن به سرعت جریان آب بستگی دارد؛ به طور مثال با تغییر سرعت از یک مایل در ساعت به چهار مایل در ساعت یک آب نبات چوبی در عرض نیم ساعت به طور کامل حل خواهد شد.
پژوهشگران از این فرضیه برای تشخیص چگونگی حل شدن مایعات، فرسایش رودخانه‌ها و حل شدن قرص در بدن استفاده خواهند کرد.
حل شدن معمای شکل گرفتن شیشه
شیشه از دسته موادی است که مدت زمان طولانی در محیط باقی می‌ماند، اما اسرار زیادی در رابطه با این ماده وجود دارد که فیزیکدانان از توضیح آنها طفره می روند. یکی از این معماها چگونگی شکل‌گیری شیشه در سطح مولکولی است. گروهی از دانشمندان کانادایی و فرانسوی مدل جدیدی ابداع کردند که نشان می‌دهد چگونه یک مایع با ترکیب دو نظریه قدیمی ازدحام و حرکت گروهی تبدیل به شیشه می‌شود.
به طور کلی ازدحام مولکولی باعث برخورد مولکول‌ها با شیشه‌ها می‌شود، درست مانند جابجایی افراد در یک اتاق شلوغ. در واقع عنصر کلیدی چگالی است. اگر جمعیت افراد در داخل یک اتاق رفته رفته بیشتر شود، فضا کمتر شده و حرکت افراد (مولکول‌ها) کندتر می‌شود. اگرچه آن افرادی که در نزدیکی درب هستند، راحت‌تر می‌توانند جابجا شوند، درست شبیه مولکول‌هایی که روی سطح شیشه‌ای قرار گرفته‌اند و حتی در دماهای پایین متوقف نمی‌شوند. تا اینکه حرکت گروهی وارد قضیه می‌شود.
هنگامی که ازدحام بیشتر می‌شود، مولکول‌ها تمایل پیدا می‌کنند با نزدیکترین همسایه‌های خود پیوند برقرار کنند. دانشمندان دریافتند که مولکول‌ها به دلیل این رفتارها، رشته‌های پیوندی ضعیفی با نزدیکترین همسایگان خود ایجاد می‌کنند. مدل جدید می‌تواند در تولید مواد شیشه‌ای نانو با ویژگی‌های مفید موثر واقع شود.
کپک‌هایی که راه‌ها را نقشه‌کشی می‌کنند
کپک‌های مخاطی گروهی از ارگانیسم‌هایی هستند که توسط هاگ‌ها تولید می‌شوند. در شرایط سخت این گروه از کپک‌ها به هم می‌چسبند و به یک مغز متفکر تبدیل می‌شوند. آنها می‌توانند از مسایل گمراه کننده را حل کنند، ظاهرشان را تغییر دهند و نزدیکترین مسیر بین دو منبع غذایی را پیدا کنند.
در سال 2015 از این کپک‌ها در بازسازی یک مسیر قدیمی استفاده شد. باستان شناسان یونانی از نوعی کپک مخاطی زرد به نام physarum polycephalum برای ترسیم شبکه‌های جاده‌ای روم بستان در سرتاسر بالکان استفاده کردند. آنها کپک‌ها را روی نقشه منطقه که از ژل آگار ساخته شده بود، پرورش دادند و محل‌های استراتژیک در نقشه را با فلس‌های جو مشخص کردند. کپک‌های مخاطی شبکه جاده‌ای را به طور دقیق ترسیم کردند. باستان شناسان امیدوارند که با استفاده از کپک‌ها نقشه راه‌های گم شده را دوباره ترسیم کنند. بنابراین بهترین دستیاران باستان‌شناسان درقرن ۲۱ ممکن است همین کپک‌ها باشند.
توهمی از کرمچاله‌های مغناطیسی
کِرمچاله در فیزیک یک پل میانبر فرضی در فضازمان است. گروهی از پژوهشگران دانشگاه بارسلونا علم مواد را به حالت پنهان درآورده و خطای دید کرمچاله مغناطیسی را ایجاد کردند. این خطای دید باعث می‌شود میدان مغناطیس عبوری از فضا غیر قابل تشخیص شود. این کرمچاله با پل وصل کننده دو نقطه در فضا-زمان متفاوت است. در اصل پژوهشگران برای ایجاد این خطای دید از فراماده برای تونل‌زنی و عبور میدان‌های مغناطیسی بین دو نقطه استفاده کردند.
این دستگاه از دو کره متحدالمرکز تشکیل شده است که با ماده فرومغناطیس مارپیچی پوشانده شده است. این آزمایش می‌تواند یک روز در ساخت اسکنرهای پزشکی استفاده شود. این کرمچاله‌ها باعث می‌شوند تا چند دوربین مغناطیسی به طور همزمان کار کنند بدون این که دچار تداخل شوند و یا بدون اینکه در کارکرد دستگاه MRI مشکلی بروز کند، بین سنسورهای بزرگ و بیماران فاصله ایجاد کنند.
No tags for this post.
