به چالش کشیده شدن قوانین فیزیک، با کشف یک حالت جدید در مواد

**neo_x** · 3rd June 2013 09:06 PM

دانش حد و مرزی نمیشناسد. ده ها سالدانشمندان ادعا میکنند که سرعتی بالاتر از سرعت نور ممکن نخواهد بود. اما ناگهانذره ای به نام بوزون کشف میشود که از نور هم سریع تر حرکت میکند. و به این ترتیبتمام معادلات در هم میریزد.اکنون نیز چالشی بزرگ در هنگام آزمایشاتتحقیقاتی پیش آمده که ممکن است تمام اصول فیزیک را زیر سوال ببرد. اتفاقی که ممکناست باعث کشف نوع جدیدی از حالت در مواد شود.اما داستان از کجا شروع شد؟در طی 20 سال گذشته دانشمندان در هنگام سردکردن ترکیبات اورانیوم تا حد صفر مطلق (یا همان منفی 273 درجه سلسیوس) ، با نوعیاز قطعی‌های مکرر روبرو شده‌اند که می‌تواند نوید بخش ماهیتی تازه در مواد باشد.جالب است بدانید زمانی که ترکیب URu2Si2 به صفرکلوین نزدیک می‌شود از میزان بی‌نظمی (آنتروپی) سیستم به طرز قابل ملاحظه‌ای کاستهمی‌شود و در عین حال به نظر می‌رسد که مولکول‌ها در حالتی خاص که هنوز برایدانشمندان جای پرسش دارد، گرما از خود متصاعد می‌کنند.

توضیح احتمالی این فرایند را میتوان در مقاله‌ای کهپروفسور و فیزیکدان برجسته "پیر کولمن" مدتی پیش در مجلهNature به چاپ رساند مشاهده کرد. وی پس از مدتها تحقیق وبررسی به این جمع‌بندی رسیده است که در چنین وضعیتی مولکولها در حالت گذار یاانتقال از حالتی به حالتی دیگر قرار می‌گیرند، درست مانند وضعیتی که آب در حالتبدیل شدن به یخ طی می‌کند. و در این حالت، ماهیتی عجیب می‌گیرند. البته اینفرایند رویداد تازه‌ای نیست و قبلا نیز مشاهده شده بود، هرچند که دانشمندان ازماهیت آن بی‌اطلاع بودند.

Piers Coleman

محققان دائماً در تلاش برای یافتن حالات تازه در موادهستند که دارای خصوصیاتی همچون ابررسانایی باشد تا به این وسیله بتوانند راه‌هایجدیدی برای انتقال و حرکت الکترونها بیابند. برای نمونه، هفته گذشته مطلع شدیم کهدانشمندان با کشف خصوصیات تازه‌ی الکترونیکی و بهره از ابررایانه‌ها در شبیه سازیشرایط، موفق به ساخت سلول‌های خورشیدی نوآورانه‌ای شده‌اند. بدین ترتیب با کشفخصوصیات تازه‌ موادی که می‌توانند تحت شرایط سخت فعل و انفعال از خود نشان دهند،فیزیک‌دانان تئوری پرداز مثل کولمن می‌توانند معادلات فیزیکی-ریاضی را نوشته وبرای همکاران خود که در آزمایشگاه‌ها مشغول به کار عملی و علمی هستند ارسال کنندتا صحت و سقم این موارد را بررسی کنند.
حالت فیزیکی جدید تقارن‌های فیزیکی را دست خوش تغییرقرار می‌دهد، همان تقارن‌هایی که در زندگی روزمره به کار می‌گیریم. مثلاً اگر جسمیکروی را حول محورش چرخش دهیم، این چرخش به هر میزان و درجه‌ای که باشد باز هم جسمما همان شکل اول را خواهد داشت. در حالی که چنین وضعیتی برای یک جسم معکبی در هر90 درجه چرخش صادق است. پس می‌توان چنین استنباط کرد که جسم مکعب در هر 90 درجه بهتقارن چرخشی می‌رسد. تقارن چرخشی عبارتست از گونه‌ای از تقارن که در آن با چرخشجسم حول محور تقارن خود به اندازه‌ی مشخص شکل آن عوض نشود. در عین حال مغناطیسدارای تقارن شکسته است که درک آن برایمان کمی دشوارتر است. این ماهیت در بینفیزیکدان‌ها به تقارن «بازگشت در زمان» یا «بازگشتی» معروف است. بنا به این نظر،اجسام حرکات رفت و برگشتی در زمان دارند، «درست مانند عقب و جلو رفتن در یک فیلمسینمایی». بدین ترتیب هر زمان که فیلم ویدئو را به عقب ببریم، میدان مغناطیسیایجاد شده، موجب حرکت در جهت معکوس می‌شود و آنگاه باید دوباره زمان را معکوس کنیمتا به حالت قبلی بازگردیم.

آنچه که محققان از ترکیب اورانیوم کشف کردند تقارندوگانه‌ی بازگشتی بوده است. فیزیکدانان این ماهیت جدید را تقارنHastatic Order نام نهاده‌اند که به خوبی می‌تواند حالتاجسام را نشان دهد. واضح است که هنوز هیچ ماشین زمانی در دست نیست که بتوان برایآزمایش صحت و سقم این موضوع از آن استفاده کرد، اما داده‌های بدست آمده از ابزارهایبرخورد دهنده‌ی ذرات در ایالات متحده و ژاپن حاکی از آن است که شواهد بدست آمده می‌تواندصحت این تئوری را تصدیق و تایید کند. در واقع این یافته‌ها را می‌توان شبیه پیداکردن جذر عدد منفی یک (1-) دانست. ماهیتی ریاضی که عملاً وجود خارجی ندارد ولی ازمنظر علم ریاضیات می‌تواند به ما در حل مسائل گوناگون کمک کند.
کولمن در توضیح این حالت می افزاید: «مواد در طبیعت بردو دسته‌اند. دسته اول در صورت مواجهه با معکوس شدن به خود بازمی‌گردند، درستمانند سنگ مرمری که دائما در اطراف یک مسیر دایره‌ای چرخ می‌زند. در حالی که دسته‌یدوم در برابر معکوس کردن زمان، دو برابر به حالت اولیه خود بازمی‌گردد که الکترون‌هااز این دسته‌اند». برای توضیحبیشتر می‌توان به قیاس فیزیکی که در آن یک سنگ مرمرین بر روی نوار موبیوس می‌چرخداشاره کرد که می‌تواند علی‌رغم مسیر حرکت وارونه‌اش به نقطه‌ی آغازین بازگردد.

این تئوری جدید شامل چرخش الکترون‌ها، تقارن بازگشتدوگانه و نمایش‌های چهارگانه‌ی تقارن بازگشتی در زمان می‌شود. کولمن همچنین هشدارمی‌دهد که هیچ نمونه‌ی فیزیکی خوبی از این دست وجود ندارد، اما می‌توان آن را چیزیشبیه به تصویر متحرک زیر تصور کرد:

پیامد کشف این ماهیت جدید چیست؟ به اعتقاد کولمن، اینپرسش مانند آن است که از مایکل فارادی (که سالها به تحقیق پیرامون مفاهیم اولیهمیدان‌های الکترومغناطیسی پرداخته و آن را در فیزیک بنیان نهاده و اختراعاتش درزمینه دستگاه‌های چرخنده الکترومغناطیس اساس فناوری موتور الکتریکی را پی ریزیکرده است) بپرسیم که تحقیقات او چگونه می‌تواند بر موتورهای بخار تاثیر بگذارد! هرچند که این محقق معتقد است که ما در میانه‌ی «انقلاب کوانتوم» به سر می‌بریم وموارد بسیار تازه‌ و زیادی وجود دارد که هنوز کشف نشده و انتظار ما را می‌کشند.خوشبختانه، تمامی این حرف‌های قلمبه و سلمبه‌ علمی بدان معنی است که در آینده اینه چندان دور، موضوعات علمی تخیلی مثل سفر در زمان و لیزرهای قدرتمند به واقعیتخواهند پیوست!

وی در پایان می‌افزاید، «هنوز 200 سالی مانده تا بشردرک درستی از مکانیزم‌های کلاسیک و ماهیت انرژی بدست آورد. مکانیزم‌های کوانتومتنها صد سال سابقه دارند و هنوز به بلوغ نرسیده‌اند، اما ایده‌هایی بسیاری وجوددارد که تازه متولد شده».هر چند هنوز تعریف و توضیح دقیقی در مورداین کشف جدید وجود ندارد، اما دانشمندان انتظار دارند این کشف در طی 20 یا 30 سالآینده بسیاری از قوانین فیزیک را دچار تغییر و دستخوش کند.