Cosmos' Language
کشف یک هادرون جدید! @Cosmos_language
کشف یک هادرون جدید!
#کوارک یکی از مهمترین ذرات بنیادی و سازنده ذرات مرکب و سنگینتر به نام #هادرون است. کوارکها 6 نوع هستند که به آنها مزه یا طعم میگویند. طعمهای کوارک عبارتند از:
بالا (Up)
پایین (Down)
افسون (Charm)
شگفت (Strange)
سر (Top)
ته (Bottom)
(برای اطلاعات بیشتر به قسمت سوم پستهای نظریه کوانتوم مراجعه کنید)
کوارکها و گلوئونها دارای ویژگیای به نام "#بار_رنگ" هستند که مشابه بار الکتریکی است و از قانون پایستگی پیروی میکند و مربوط به #نیروی_قوی هستهای در نظریه #کرومودینامیک_کوانتومی است.
به دلیل پدیده Color Confinement (حبس رنگ) ذرات دارای بار رنگ (مانند کوارکها) نمیتوانند به صورت جدا و مستقل وجود داشته باشند یعنی حتماً باید در پیوندهای دوتایی یا سه تایی وجود داشته باشند.
از پیوند دوتایی کوارکها، ذرات مرکبی به نام #مزون و از پیوند سه تایی کوارکها ذرات مرکبی به نام #باریون به وجود میآید. مزونها و باریونها در کنار هم، #هادرون نامیده میشوند.
#پروتون و #نوترون از معروفترین هادرونها هستند و از سه کوارک ساخته شدهاند (یعنی باریون هستند).
سنگینترین باریونهای مشاهده شده، از دو کوارک سبک و فقط یک کوارک سنگین ساخته شده بودند. اما در آزمایش LHCb که هفته گذشته (پنجشنبه 15 تیر 1396) توسط سرن انجام شد، باریون جدیدی به نام ⁺⁺Ξcc یا ⁺⁺Xicc مشاهده شد که از دو کوارک سنگین ساخته شده!
این باریون جدید که حاوی دو کوارک افسون و یک کوارک بالاست، با استفاده از نظریات اخیر پیشبینی شده بود؛ اما فیزیکدانان چند سال است که با آزمایشهایی تجربی به دنبال کشف آن بودهاند. جرم باریون تازه شناسایی شده حدود 3621MeV است که تقریبا چهار برابر سنگینتر از آشناترین باریون یعنی پروتون است و سنگین بودنش از دو کوارک افسون ناشی میشود.
جیووانی پاسالوا (Giovanni Passaleva)، سخنگوی جدید LHCb گفت: «پیدا کردن باریونی با دو کوارک سنگین از اهمیت زیادی برخوردار است؛ زیرا این کشف، ابزار منحصر به فردی برای بررسی بیشتر نظریهی کرومودینامیک کوانتومی فراهم میکند، نظریهای که یکی از چهار نیروی اساسی یعنی نیروی هستهای قوی را توصیف میکند. چنین ذراتی به ما کمک خواهند کرد تا قدرت پیشبینی کنندهی نظریههایمان را بهبود ببخشیم.»
گوی ویلکینسون (Guy Wilkinson)، سخنگوی سابق LHCb اضافه کرد: «در مقایسه با باریونهای دیگر که در آن سه کوارک دور یکدیگر میچرخند، انتظار میرود باریونی با دو کوارک سنگین با چرخش کوارک سبکتر به دور این سیستم دوتایی، رفتاری درست شبیه یک سیستم سیارهای داشته باشد که در آن دو کوارک سنگین، نقش ستارههای سنگین دوتایی را بازی میکنند و کوارک سبکتر، به دور آنها میچرخد.»
اندازه گیری خواص باریون ⁺⁺Ξcc به درک چگونگی رفتار یک سیستم حاوی دو کوارک سنگین و یک کوارک سبک کمک خواهد کرد. اندازهگیری دقیق مکانیسمهای تولید و واپاشی و طول عمر این ذرات جدید، درک ما را از فیزیک ذرات بنیادی، بهبود خواهد بخشید. به علت میزان بالای تولید کوارکهای سنگین در LHC و قابلیتهای منحصر به فرد آزمایش LHCb، مشاهدهی این باریون جدید به ما امکان شناسایی محصولات واپاشی را با بهره وری عالی میدهد. باریون ⁺⁺Ξcc از طریق واپاشی به باریون ⁺Λc و سه مزون سبکتر ⁻K و ⁺Π و ⁺Π شناسایی شد. مشاهدهی باریون ⁺⁺Ξcc در LHCb امیدها را برای شناسایی سایر نمایندگان خانوادهی باریونهای حاوی دو کوارک سنگین افزایش داد. در حال حاضر، جستجوی این نوع ذرات در LHC ادامه دارد. این نتیجه بر اساس دادههای 13TeV در طول راهاندازی 2 در LHC ثبت شده و با استفاده از داده های 8TeV راهاندازی 1 نیز تایید شده است.
منابع:
CERN
Physical Review Letters
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
#کوارک یکی از مهمترین ذرات بنیادی و سازنده ذرات مرکب و سنگینتر به نام #هادرون است. کوارکها 6 نوع هستند که به آنها مزه یا طعم میگویند. طعمهای کوارک عبارتند از:
بالا (Up)
پایین (Down)
افسون (Charm)
شگفت (Strange)
سر (Top)
ته (Bottom)
(برای اطلاعات بیشتر به قسمت سوم پستهای نظریه کوانتوم مراجعه کنید)
کوارکها و گلوئونها دارای ویژگیای به نام "#بار_رنگ" هستند که مشابه بار الکتریکی است و از قانون پایستگی پیروی میکند و مربوط به #نیروی_قوی هستهای در نظریه #کرومودینامیک_کوانتومی است.
به دلیل پدیده Color Confinement (حبس رنگ) ذرات دارای بار رنگ (مانند کوارکها) نمیتوانند به صورت جدا و مستقل وجود داشته باشند یعنی حتماً باید در پیوندهای دوتایی یا سه تایی وجود داشته باشند.
از پیوند دوتایی کوارکها، ذرات مرکبی به نام #مزون و از پیوند سه تایی کوارکها ذرات مرکبی به نام #باریون به وجود میآید. مزونها و باریونها در کنار هم، #هادرون نامیده میشوند.
#پروتون و #نوترون از معروفترین هادرونها هستند و از سه کوارک ساخته شدهاند (یعنی باریون هستند).
سنگینترین باریونهای مشاهده شده، از دو کوارک سبک و فقط یک کوارک سنگین ساخته شده بودند. اما در آزمایش LHCb که هفته گذشته (پنجشنبه 15 تیر 1396) توسط سرن انجام شد، باریون جدیدی به نام ⁺⁺Ξcc یا ⁺⁺Xicc مشاهده شد که از دو کوارک سنگین ساخته شده!
این باریون جدید که حاوی دو کوارک افسون و یک کوارک بالاست، با استفاده از نظریات اخیر پیشبینی شده بود؛ اما فیزیکدانان چند سال است که با آزمایشهایی تجربی به دنبال کشف آن بودهاند. جرم باریون تازه شناسایی شده حدود 3621MeV است که تقریبا چهار برابر سنگینتر از آشناترین باریون یعنی پروتون است و سنگین بودنش از دو کوارک افسون ناشی میشود.
جیووانی پاسالوا (Giovanni Passaleva)، سخنگوی جدید LHCb گفت: «پیدا کردن باریونی با دو کوارک سنگین از اهمیت زیادی برخوردار است؛ زیرا این کشف، ابزار منحصر به فردی برای بررسی بیشتر نظریهی کرومودینامیک کوانتومی فراهم میکند، نظریهای که یکی از چهار نیروی اساسی یعنی نیروی هستهای قوی را توصیف میکند. چنین ذراتی به ما کمک خواهند کرد تا قدرت پیشبینی کنندهی نظریههایمان را بهبود ببخشیم.»
گوی ویلکینسون (Guy Wilkinson)، سخنگوی سابق LHCb اضافه کرد: «در مقایسه با باریونهای دیگر که در آن سه کوارک دور یکدیگر میچرخند، انتظار میرود باریونی با دو کوارک سنگین با چرخش کوارک سبکتر به دور این سیستم دوتایی، رفتاری درست شبیه یک سیستم سیارهای داشته باشد که در آن دو کوارک سنگین، نقش ستارههای سنگین دوتایی را بازی میکنند و کوارک سبکتر، به دور آنها میچرخد.»
اندازه گیری خواص باریون ⁺⁺Ξcc به درک چگونگی رفتار یک سیستم حاوی دو کوارک سنگین و یک کوارک سبک کمک خواهد کرد. اندازهگیری دقیق مکانیسمهای تولید و واپاشی و طول عمر این ذرات جدید، درک ما را از فیزیک ذرات بنیادی، بهبود خواهد بخشید. به علت میزان بالای تولید کوارکهای سنگین در LHC و قابلیتهای منحصر به فرد آزمایش LHCb، مشاهدهی این باریون جدید به ما امکان شناسایی محصولات واپاشی را با بهره وری عالی میدهد. باریون ⁺⁺Ξcc از طریق واپاشی به باریون ⁺Λc و سه مزون سبکتر ⁻K و ⁺Π و ⁺Π شناسایی شد. مشاهدهی باریون ⁺⁺Ξcc در LHCb امیدها را برای شناسایی سایر نمایندگان خانوادهی باریونهای حاوی دو کوارک سنگین افزایش داد. در حال حاضر، جستجوی این نوع ذرات در LHC ادامه دارد. این نتیجه بر اساس دادههای 13TeV در طول راهاندازی 2 در LHC ثبت شده و با استفاده از داده های 8TeV راهاندازی 1 نیز تایید شده است.
منابع:
CERN
Physical Review Letters
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
کشف یک هادرون جدید! #کوارک یکی از مهمترین ذرات بنیادی و سازنده ذرات مرکب و سنگینتر به نام #هادرون است. کوارکها 6 نوع هستند که به آنها مزه یا طعم میگویند. طعمهای کوارک عبارتند از: بالا (Up) پایین (Down) افسون (Charm) شگفت (Strange) سر (Top) ته (Bottom)…
LHCb_paper_2017.07.06.pdf
444.7 KB
مقاله اصلی کشف ذره ⁺⁺Ξcc
Cosmos' Language
مریم میرزاخانی درگذشت... @Cosmos_language
مریم میرزاخانی متولد 13 اردیبهشت 1356، تهران، ریاضیدان ایرانی و استاد دانشگاه استنفورد بود. وی در سال 2014 به خاطر کار بر «دینامیک و هندسه سطوح ریمانی و فضاهای پیمانهای آنها» برنده مدال فیلدز شد که بالاترین جایزه در ریاضیات است. وی نخستین زن و نخستین ایرانی برنده مدال فیلدز است.
زمینهٔ تحقیقاتی او مشتمل بر نظریه تایشمولر، هندسه هذلولی، نظریه ارگودیک و هندسه همتافته است.
مریم میرزاخانی در دوران تحصیل در دبیرستان فرزانگان تهران، برنده مدال طلای المپیاد جهانی ریاضی در سالهای 1994 (هنگ کنگ) و 1995 (کانادا) شد و در این سال به عنوان نخستین دانشآموز ایرانی برنده جایزه نمره کامل شد. وی نخستین دختری بود که به تیم المپیاد ریاضی ایران راه یافت؛ نخستین دختری بود که در المپیاد ریاضی ایران طلا گرفت؛ نخستین کسی بود که دو سال مدال طلا گرفت و نخستین فردی بود که در آزمون المپیاد ریاضی جهانی نمره کامل گرفت.
سپس در سال 1999 کارشناسی خود را در رشته ریاضی از دانشگاه شریف و دکترای خود را در سال 2004 از دانشگاه هاروارد به سرپرستی کورتیس مک مولن، از برندگان مدال فیلدز، گرفت.
از مریم میرزاخانی به عنوان یکی از ده ذهنِ جوان برگزیده سال 2005 از سوی نشریه Popular Science در آمریکا و ذهن برتر در رشته ریاضیات تجلیل شد.
میرزاخانی برنده جوایزی چون جایزه ستر از انجمن ریاضی آمریکا در سال 2013، جایزه کلی و مدال فیلدز در سال 2014 است.
وی از 1 سپتامبر 2008 (11 شهریور 1387) در دانشگاه استنفورد استاد دانشگاه و پژوهشگر رشته ریاضیات بود.
پیش از این نیز او استاد دانشگاه پرینستون بود.
توصیف رسمی کمیته مدال فیلدز از مریم میرزاخانی:
«چیره دست در گستره قابل توجهی از تکنیکها و حوزههای متفاوت ریاضی. او تجسم ترکیبی کمیاب است از توانایی تکنیکی، بلندپروازی جسورانه، بینش وسیع و کنجکاوی ژرف.»
مریم میرزاخانی امروز 15 جولای 2017 (24 تیر 1396) در بیمارستانی در آمریکا به دلیل سرطان درگذشت.
یاد و خاطرش گرامی باد...
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
زمینهٔ تحقیقاتی او مشتمل بر نظریه تایشمولر، هندسه هذلولی، نظریه ارگودیک و هندسه همتافته است.
مریم میرزاخانی در دوران تحصیل در دبیرستان فرزانگان تهران، برنده مدال طلای المپیاد جهانی ریاضی در سالهای 1994 (هنگ کنگ) و 1995 (کانادا) شد و در این سال به عنوان نخستین دانشآموز ایرانی برنده جایزه نمره کامل شد. وی نخستین دختری بود که به تیم المپیاد ریاضی ایران راه یافت؛ نخستین دختری بود که در المپیاد ریاضی ایران طلا گرفت؛ نخستین کسی بود که دو سال مدال طلا گرفت و نخستین فردی بود که در آزمون المپیاد ریاضی جهانی نمره کامل گرفت.
سپس در سال 1999 کارشناسی خود را در رشته ریاضی از دانشگاه شریف و دکترای خود را در سال 2004 از دانشگاه هاروارد به سرپرستی کورتیس مک مولن، از برندگان مدال فیلدز، گرفت.
از مریم میرزاخانی به عنوان یکی از ده ذهنِ جوان برگزیده سال 2005 از سوی نشریه Popular Science در آمریکا و ذهن برتر در رشته ریاضیات تجلیل شد.
میرزاخانی برنده جوایزی چون جایزه ستر از انجمن ریاضی آمریکا در سال 2013، جایزه کلی و مدال فیلدز در سال 2014 است.
وی از 1 سپتامبر 2008 (11 شهریور 1387) در دانشگاه استنفورد استاد دانشگاه و پژوهشگر رشته ریاضیات بود.
پیش از این نیز او استاد دانشگاه پرینستون بود.
توصیف رسمی کمیته مدال فیلدز از مریم میرزاخانی:
«چیره دست در گستره قابل توجهی از تکنیکها و حوزههای متفاوت ریاضی. او تجسم ترکیبی کمیاب است از توانایی تکنیکی، بلندپروازی جسورانه، بینش وسیع و کنجکاوی ژرف.»
مریم میرزاخانی امروز 15 جولای 2017 (24 تیر 1396) در بیمارستانی در آمریکا به دلیل سرطان درگذشت.
یاد و خاطرش گرامی باد...
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
بدون علاقه داشتن به ریاضی ممکن است آن را سرد و بیهوده بیابید. اما ریاضیات زیبایی خود را تنها به شاگردان صبور نشان میدهد.
«مریم میرزاخانی»
@Cosmos_language
«مریم میرزاخانی»
@Cosmos_language
Riemann surfaces by Maryam Mirzakhani.pdf
210.4 KB
کاری از مریم میرزاخانی در مورد دینامیک و هندسه سطوح ریمانی و فضاهای پیمانهای آنها.
(علت دریافت جایزه فیلدز)
(علت دریافت جایزه فیلدز)
Cosmos' Language
نظریه کوانتوم قسمت یازدهم: #تونل_زنی_کوانتومی (Quantum Tunneling) تونل زنی کوانتومی یکی از دستاوردهای بسیار مهم دهه سوم قرن بیستم است، پدیدهای که تا امروز 5 جایزه نوبل فیزیک را برای دانشمندان به ارمغان آورده است. دانشمندانی همچون هانری بکرل، ماری کوری،…
نظریه کوانتوم
قسمت دوازدهم: #اسپین کوانتومی
احتمالاً شما هم میدانید نخستین وسیلهای که شوق فیزیک را در ذهن انیشتین خلق کرد، چه بود؛ یک قطب نمای جیبی ساده که پدرش در 5 سالگی به او هدیه داد. برای اینشتین 5 ساله، تغییر جهت عقربههای قطب نما بسیار هیجان انگیز بود. نکتهای که حالا همه ما دلیل آن را میدانیم، اما به احتمال زیاد ما هم زمانی از خود پرسیدهایم آهن رباها چگونه کار میکنند؟ چرا برخی مواد مانند آهن، ویژگیهای مغناطیسی از خود نشان میدهند، در حالی که موادی مانند چوب هیچ نشانهای از مغناطیس ندارند؟ پاسخ تمام این سوالات در ویژگی کوانتومب عجیب به نام "اسپین کوانتومی"، نهفته است.
به طور کلی، دو نوع "اندازه حرکت" یا "تکانه" (momentum) در جهان ماکروسکوپی وجود دارد: تکانه خطی که با حرکت در یک راستای مشخص به دست میآید و تکانه زاویهای که بیشتر به صورت چرخش شناخته میشود. اما اشیای جهان میکروسکوپی، نوع اضافهتری از تکانه دارند که به عنوان "تکانه ذاتی" یا "اسپینی" شناخته میشود. اسپین کوانتومی اغلب با چرخش کلاسیک مقایسه میشود (به همین دلیل نام اسپین به معنای چرخش را گرفته است). اما این مقایسه، دقیق نیست زیرا اشیای دارای اسپین کوانتومی، واقعاً (به معنای کلاسیک) نمیچرخند، بلکه چرخش آنها نوع دیگری از چرخش است و در دنیای ماکروسکوپی و فیزیک کلاسیک مشابهی ندارد. در واقع چرخش به عنوان یک ویژگی صرفاً ذاتی آنهاست.
اسپین، یکی از ویژگیهای ذاتی ذرات بنیادی و همچنین ذرات مرکب (هادرونها) به شمار میآید. واحد اسپین، ثابت پلانک کاهش یافته ( ħ = h/(2π) ) است. ذرات بنیادی با اسپین نیمه صحیح، فرمیون و ذرات بنیادی دارای اسپین صحیح، بوزون نامیده میشوند. برای محاسبه اسپین کل ذرات مرکب، باید اسپین ذرات سازنده آنها را با یکدیگر جمع کنیم.
اجسام ماکروسکپی در یک زمان تنها به یک جهت میتوانند بچرخند و با یک بردار میتوان چرخش آنها را نشان داد (تصویر شماره 1). سرعت چرخش کلاسیک نیز متغیر است؛ یعنی یک جسم ماکروسکپی میتواند سریعتر یا کندتر بچرخد.
چرخش ذاتی یک ذره بنیادی، تنها در یک جهت نیست؛ اسپین کوانتومی در آن واحد در تمام جهتها است بنابراین به طور قراردادی اسپین را فقط در راستای محور z اندازه گیری میکنیم (البته در حل بعضی از مسائل کوانتوم، در راستاهای دیگر نیز باید اندازه گیری کرد). به علاوه سرعت چرخش یک ذره به هیچ عنوان کم یا زیاد نمیشود یعنی مقدار اسپین هر ذره، ثابت است و تنها جهت آن میتواند تغییر کند (مثلاً مقدار اسپین الکترون همیشه ½ است). اما نکته عجیب این است که نمیتوان جهت اسپین یک ذره را در همه راستاها دانست! یعنی مثلاً ابتدا جهت اسپین یک ذره را در راستای محور z، "بالا" اندازه گیری میکنیم. اکنون هیچ اطلاعی از جهت اسپین در دو راستای دیگر نداریم و میگوییم جهت اسپین در راستای x و y، «نامعلوم» است. سپس جهت اسپین را در راستای محور x اندازه گیری میکنیم اما به محض اطلاع یافتن از جهت اسپین در راستای x، جهت اسپین در راستای z که پیشتر آن را اندازه گیری کرده بودیم به حالت نامعلوم در میآید! همواره با اطلاع یافتن از جهت اسپین در یک راستا، قطعیت خود را در مورد جهت اسپین در راستاهای دیگر از دست میدهیم و در نتیجه در هر لحظه از زمان جهت اسپین را تنها در یک راستا میتوان دانست.
ارتباط اسپین با خاصیت مغناطیسی:
اسپین کوانتومی باعث تولید میدانهای مغناطیسی ضعیف در اطراف ذرات میشود و باعث میشود ذرات مانند آهنرباهایی کوچک و عجیب رفتار کنند و منظور از اینکه جهت اسپین در راستای محور z، "بالا" یا "پایین" است، این است که در راستای z، قطب N این آهنربای کوچک بالا و قطب S آن پایین است یا برعکس (تصویر شماره 2). این همان دلیلی است که چرا اشیای ماکروسکوپی (که از تعداد زیادی از این آهنرباها تشکیل شدهاند)، مغناطیسی هستند. با این حساب، چرا تمام اشیا دارای رفتار مغناطیسی نیستند؟ دو دلیل وجود دارد:
1- همه اتمها از ذرات بنیادی (همان آهنرباهای کوچک) تشکیل شدهاند، اما همه اتمها مغناطیسی نیستند! زیرا اگر در اتمی یک اوربیتال پر باشد، الکترونها به دلیل #اصل_طرد_پاولی (هیچ دو الکترونی در یک اتم نمیتوانند حالت کوانتومی یکسان را اشغال کنند) در این اوربیتال، جهت اسپین مخالف هم خواهند داشت و در نتیجه میدانهای مغناطیسی آنها، یکدیگر را خنثی خواهد کرد. این بدان معناست که هیچ اتمی با اوربیتالهای پر، مغناطیسی نخواهد بود. برای اینکه یک اتم مغناطیسی باشد، باید اوربیتالهای نیمه پر داشته باشد تا میدانهای مغناطیسی هر الکترون، میدان الکترونهای دیگر را تقویت کند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
قسمت دوازدهم: #اسپین کوانتومی
احتمالاً شما هم میدانید نخستین وسیلهای که شوق فیزیک را در ذهن انیشتین خلق کرد، چه بود؛ یک قطب نمای جیبی ساده که پدرش در 5 سالگی به او هدیه داد. برای اینشتین 5 ساله، تغییر جهت عقربههای قطب نما بسیار هیجان انگیز بود. نکتهای که حالا همه ما دلیل آن را میدانیم، اما به احتمال زیاد ما هم زمانی از خود پرسیدهایم آهن رباها چگونه کار میکنند؟ چرا برخی مواد مانند آهن، ویژگیهای مغناطیسی از خود نشان میدهند، در حالی که موادی مانند چوب هیچ نشانهای از مغناطیس ندارند؟ پاسخ تمام این سوالات در ویژگی کوانتومب عجیب به نام "اسپین کوانتومی"، نهفته است.
به طور کلی، دو نوع "اندازه حرکت" یا "تکانه" (momentum) در جهان ماکروسکوپی وجود دارد: تکانه خطی که با حرکت در یک راستای مشخص به دست میآید و تکانه زاویهای که بیشتر به صورت چرخش شناخته میشود. اما اشیای جهان میکروسکوپی، نوع اضافهتری از تکانه دارند که به عنوان "تکانه ذاتی" یا "اسپینی" شناخته میشود. اسپین کوانتومی اغلب با چرخش کلاسیک مقایسه میشود (به همین دلیل نام اسپین به معنای چرخش را گرفته است). اما این مقایسه، دقیق نیست زیرا اشیای دارای اسپین کوانتومی، واقعاً (به معنای کلاسیک) نمیچرخند، بلکه چرخش آنها نوع دیگری از چرخش است و در دنیای ماکروسکوپی و فیزیک کلاسیک مشابهی ندارد. در واقع چرخش به عنوان یک ویژگی صرفاً ذاتی آنهاست.
اسپین، یکی از ویژگیهای ذاتی ذرات بنیادی و همچنین ذرات مرکب (هادرونها) به شمار میآید. واحد اسپین، ثابت پلانک کاهش یافته ( ħ = h/(2π) ) است. ذرات بنیادی با اسپین نیمه صحیح، فرمیون و ذرات بنیادی دارای اسپین صحیح، بوزون نامیده میشوند. برای محاسبه اسپین کل ذرات مرکب، باید اسپین ذرات سازنده آنها را با یکدیگر جمع کنیم.
اجسام ماکروسکپی در یک زمان تنها به یک جهت میتوانند بچرخند و با یک بردار میتوان چرخش آنها را نشان داد (تصویر شماره 1). سرعت چرخش کلاسیک نیز متغیر است؛ یعنی یک جسم ماکروسکپی میتواند سریعتر یا کندتر بچرخد.
چرخش ذاتی یک ذره بنیادی، تنها در یک جهت نیست؛ اسپین کوانتومی در آن واحد در تمام جهتها است بنابراین به طور قراردادی اسپین را فقط در راستای محور z اندازه گیری میکنیم (البته در حل بعضی از مسائل کوانتوم، در راستاهای دیگر نیز باید اندازه گیری کرد). به علاوه سرعت چرخش یک ذره به هیچ عنوان کم یا زیاد نمیشود یعنی مقدار اسپین هر ذره، ثابت است و تنها جهت آن میتواند تغییر کند (مثلاً مقدار اسپین الکترون همیشه ½ است). اما نکته عجیب این است که نمیتوان جهت اسپین یک ذره را در همه راستاها دانست! یعنی مثلاً ابتدا جهت اسپین یک ذره را در راستای محور z، "بالا" اندازه گیری میکنیم. اکنون هیچ اطلاعی از جهت اسپین در دو راستای دیگر نداریم و میگوییم جهت اسپین در راستای x و y، «نامعلوم» است. سپس جهت اسپین را در راستای محور x اندازه گیری میکنیم اما به محض اطلاع یافتن از جهت اسپین در راستای x، جهت اسپین در راستای z که پیشتر آن را اندازه گیری کرده بودیم به حالت نامعلوم در میآید! همواره با اطلاع یافتن از جهت اسپین در یک راستا، قطعیت خود را در مورد جهت اسپین در راستاهای دیگر از دست میدهیم و در نتیجه در هر لحظه از زمان جهت اسپین را تنها در یک راستا میتوان دانست.
ارتباط اسپین با خاصیت مغناطیسی:
اسپین کوانتومی باعث تولید میدانهای مغناطیسی ضعیف در اطراف ذرات میشود و باعث میشود ذرات مانند آهنرباهایی کوچک و عجیب رفتار کنند و منظور از اینکه جهت اسپین در راستای محور z، "بالا" یا "پایین" است، این است که در راستای z، قطب N این آهنربای کوچک بالا و قطب S آن پایین است یا برعکس (تصویر شماره 2). این همان دلیلی است که چرا اشیای ماکروسکوپی (که از تعداد زیادی از این آهنرباها تشکیل شدهاند)، مغناطیسی هستند. با این حساب، چرا تمام اشیا دارای رفتار مغناطیسی نیستند؟ دو دلیل وجود دارد:
1- همه اتمها از ذرات بنیادی (همان آهنرباهای کوچک) تشکیل شدهاند، اما همه اتمها مغناطیسی نیستند! زیرا اگر در اتمی یک اوربیتال پر باشد، الکترونها به دلیل #اصل_طرد_پاولی (هیچ دو الکترونی در یک اتم نمیتوانند حالت کوانتومی یکسان را اشغال کنند) در این اوربیتال، جهت اسپین مخالف هم خواهند داشت و در نتیجه میدانهای مغناطیسی آنها، یکدیگر را خنثی خواهد کرد. این بدان معناست که هیچ اتمی با اوربیتالهای پر، مغناطیسی نخواهد بود. برای اینکه یک اتم مغناطیسی باشد، باید اوربیتالهای نیمه پر داشته باشد تا میدانهای مغناطیسی هر الکترون، میدان الکترونهای دیگر را تقویت کند.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
نظریه کوانتوم قسمت دوازدهم: #اسپین کوانتومی احتمالاً شما هم میدانید نخستین وسیلهای که شوق فیزیک را در ذهن انیشتین خلق کرد، چه بود؛ یک قطب نمای جیبی ساده که پدرش در 5 سالگی به او هدیه داد. برای اینشتین 5 ساله، تغییر جهت عقربههای قطب نما بسیار هیجان انگیز…
تصویر شماره 1
جهت بردار L، جهت چرخش کلاسیک را تعیین میکند و طول بردار L، سرعت چرخش کلاسیک را نشان میدهد.
@Cosmos_language
جهت بردار L، جهت چرخش کلاسیک را تعیین میکند و طول بردار L، سرعت چرخش کلاسیک را نشان میدهد.
@Cosmos_language
Cosmos' Language
نظریه کوانتوم قسمت دوازدهم: #اسپین کوانتومی احتمالاً شما هم میدانید نخستین وسیلهای که شوق فیزیک را در ذهن انیشتین خلق کرد، چه بود؛ یک قطب نمای جیبی ساده که پدرش در 5 سالگی به او هدیه داد. برای اینشتین 5 ساله، تغییر جهت عقربههای قطب نما بسیار هیجان انگیز…
تصویر شماره 2
بردار آبی رنگی که از قطب S به قطب N ذره رسم شده، نشان دهنده جهت اسپین در راستای محور z است.
مقدار اسپین ½ و جهت "بالا" و "پایین"، با علامت "+" و "−" پشت ½ تعیین میشود.
@Cosmos_language
بردار آبی رنگی که از قطب S به قطب N ذره رسم شده، نشان دهنده جهت اسپین در راستای محور z است.
مقدار اسپین ½ و جهت "بالا" و "پایین"، با علامت "+" و "−" پشت ½ تعیین میشود.
@Cosmos_language
Cosmos' Language
نظریه کوانتوم قسمت دوازدهم: #اسپین کوانتومی احتمالاً شما هم میدانید نخستین وسیلهای که شوق فیزیک را در ذهن انیشتین خلق کرد، چه بود؛ یک قطب نمای جیبی ساده که پدرش در 5 سالگی به او هدیه داد. برای اینشتین 5 ساله، تغییر جهت عقربههای قطب نما بسیار هیجان انگیز…
2- حتی اگر مادهای از اتمهای مغناطیسی ساخته شده باشد، باز هم ممکن است مغناطیسی نباشد زیرا ممکن است آرایش الکترونی اتمهای تشکیل دهنده این مواد، در جهتهای متفاوتی باشد که در نتیجه میدانهای مغناطیسی یک اتم، توسط اتم دیگر خنثی میشود. درصد کمی از مواد، دارای اتمهای هم جهت بوده و بنابراین میدانهای مغناطیسی یکدیگر را تقویت کرده و در نهایت، رفتار مغناطیسی از خود بروز میدهند.
مورتون تاول، استاد فیزیک در کالج واسر نیویورک:
«زمانی که ذرات بنیادی در یک میدان مغناطیسی حرکت میکنند، مانند آهنرباهای کوچک رفتار کرده و در واقع منحرف میشوند. در دنیای کلاسیکی، یک شئ باردار و در حال چرخش، ویژگیهای مغناطیسی دارد که بسیار شبیه به همین ویژگیهای ذرات بنیادی است. از آنجایی که فیزیکدانان، شباهتها را دوست دارند، این ویژگی ذرات بنیادی را نیز به صورت چرخش آنها توصیف میکنند. متاسفانه، این شباهت محکوم به شکست است و ما در واقع نمیتوانیم الکترون را به صورت یک ذره در حال چرخش، تصور کنیم. آزمایشها نشان میدهند الکترون به وسیله میدانهای مغناطیسی، منحرف میشود. اگر در مورد چرخش الکترون به دور خودش، پافشاری کنیم، یک تناقض به وجود میآید: برخلاف پرتاب یک توپ نرم بیسبال، اسپین یا چرخش یک الکترون، هرگز تغییر نمیکند و تنها دو جهت ممکن دارد. از طرفی با توجه به قواعد مکانیک کوانتومی، نمیتوان مدعی شد که الکترونها و پروتونها، اشیاء صلب و سفتی هستند.»
کورت باخمن استاد کالج بیرمنگام:
«با شروع دهه 1920 میلادی، "اوتو اشترن" و "والتر گرلاخ" از دانشگاه هامبورگ در آلمان، مجموعهای از آزمایشهای پرتوی اتمی را انجام دادند. با علم به اینکه همه بارهای در حال حرکت، میدانهای مغناطیسی تولید میکنند، آنها تصمیم گرفتند تا این میدانهای مغناطیسی تولید شده توسط الکترونها را اندازه گیری کنند. این دو فیزیکدان دریافتند که اگر الکترونها، به سرعت به دور خود بچرخند، میدانهای مغناطیسی کوچکی مستقل از میدانهای حاصله از حرکت اوربیتالیشان، تولید میشود. در نتیجه، واژه اسپین (به معنای چرخش) برای توصیف این چرخش واضح حرکتهای زیراتمی استفاده شد.
اسپین کوانتومی، یک کمیت فیزیکی عجیب و غریب است. اگرچه برخی افراد، این کمیت را به چرخش سیارهای تشبیه میکنند، اما بر اساس اندازههای شناخته شده ذرات زیراتمی، این ذرات باردار برای تولید اندازه حرکتهای مغناطیسی قابل اندازه گیری، باید سریعتر از سرعت نور حرکت کنند. از طرفی، اسپین، کوانتیزه یا دارای مقادیر گسسته است، یعنی تنها اسپینهای خاصی، مجاز هستند. این عوامل باعث می شود تا اسپین کوانتومی، یکی از چالش برانگیزترین جنبههای مکانیک کوانتومی به شمار رود.
با یک نگاه جامعتر در مییابیم که اسپین یک ویژگی ضروری و بسیار تأثیرگذار بر الکترونها و هستهها در اتمها و مولکولهاست و دنیای شیمی و فیزیک حالت جامد را میسازد. اسپین، بخش ضروری تمام برهمکنشهای میان ذرات زیراتمی در پرتوهای ذرات با انرژی بسیار بالا و سیالات با دمای پایین است. بسیاری از فرآیندهای فیزیکی، از محدوده کوچکترین مقیاسهای هستهای تا بزرگترین فواصل اخترفیزیکی به برهمکنشهای ذرات زیراتمی و اسپینهای آنها بستگی دارد.»
ویکتور استنگر، استاد فیزیک دانشگاه هاوایی:
«در فیزیک کلاسیک، تکانه زاویهای یک متغیر پیوسته است. در حالی که در مکانیک کوانتومی، تکانه زاویهای گسسته بوده و به صورت واحدهایی از ثابت پلانک تقسیم بر 4π، بسته بندی شدهاند. نیلز بور در سال 1913 پیشنهاد کرد که تکانه زاویهای کوانتومی، کوانتیزه شود و از این پیشنهاد برای توضیح و تفسیر طیف هیدروژن استفاده کرد.
دانش کنونی ما میگوید ذرات بنیادی شامل کوارکها، لپتونها و بوزونها هستند. این ذرات، همگی به صورت شبه نقطهای فرض میشوند، بنابراین ممکن است از اینکه چگونه آنها میچرخند متعجب شوید. یک پاسخ ساده این است که شاید آنها هم از چیزی تشکیل شده باشند و به اصطلاح بنیادی نباشند. اما دلایل نظری عمیقتری ما را ملزم میکنند تا برای آنها، چرخش قائل شویم. نکته قابل توجه به تفاوت بین فرمیونها و بوزونها بر میگردد. فرمیونها از اصل طرد پاولی پیروی میکنند که بیان میکند دو فرمیون یکسان، نمیتوانند در حالت کوانتومی یکسانی قرار بگیرند. بدون توجه به اصل طرد پاولی، شیمی هرگز جدول تناوبی نداشت! از طرف دیگر، بوزونها تمایل دارند تا در یک حالت کوانتومی یکسان، جمع شوند که منجر به پدیدههایی مانند ابررسانایی و حالت چگال بوز-اینشتین میشود.»
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
مورتون تاول، استاد فیزیک در کالج واسر نیویورک:
«زمانی که ذرات بنیادی در یک میدان مغناطیسی حرکت میکنند، مانند آهنرباهای کوچک رفتار کرده و در واقع منحرف میشوند. در دنیای کلاسیکی، یک شئ باردار و در حال چرخش، ویژگیهای مغناطیسی دارد که بسیار شبیه به همین ویژگیهای ذرات بنیادی است. از آنجایی که فیزیکدانان، شباهتها را دوست دارند، این ویژگی ذرات بنیادی را نیز به صورت چرخش آنها توصیف میکنند. متاسفانه، این شباهت محکوم به شکست است و ما در واقع نمیتوانیم الکترون را به صورت یک ذره در حال چرخش، تصور کنیم. آزمایشها نشان میدهند الکترون به وسیله میدانهای مغناطیسی، منحرف میشود. اگر در مورد چرخش الکترون به دور خودش، پافشاری کنیم، یک تناقض به وجود میآید: برخلاف پرتاب یک توپ نرم بیسبال، اسپین یا چرخش یک الکترون، هرگز تغییر نمیکند و تنها دو جهت ممکن دارد. از طرفی با توجه به قواعد مکانیک کوانتومی، نمیتوان مدعی شد که الکترونها و پروتونها، اشیاء صلب و سفتی هستند.»
کورت باخمن استاد کالج بیرمنگام:
«با شروع دهه 1920 میلادی، "اوتو اشترن" و "والتر گرلاخ" از دانشگاه هامبورگ در آلمان، مجموعهای از آزمایشهای پرتوی اتمی را انجام دادند. با علم به اینکه همه بارهای در حال حرکت، میدانهای مغناطیسی تولید میکنند، آنها تصمیم گرفتند تا این میدانهای مغناطیسی تولید شده توسط الکترونها را اندازه گیری کنند. این دو فیزیکدان دریافتند که اگر الکترونها، به سرعت به دور خود بچرخند، میدانهای مغناطیسی کوچکی مستقل از میدانهای حاصله از حرکت اوربیتالیشان، تولید میشود. در نتیجه، واژه اسپین (به معنای چرخش) برای توصیف این چرخش واضح حرکتهای زیراتمی استفاده شد.
اسپین کوانتومی، یک کمیت فیزیکی عجیب و غریب است. اگرچه برخی افراد، این کمیت را به چرخش سیارهای تشبیه میکنند، اما بر اساس اندازههای شناخته شده ذرات زیراتمی، این ذرات باردار برای تولید اندازه حرکتهای مغناطیسی قابل اندازه گیری، باید سریعتر از سرعت نور حرکت کنند. از طرفی، اسپین، کوانتیزه یا دارای مقادیر گسسته است، یعنی تنها اسپینهای خاصی، مجاز هستند. این عوامل باعث می شود تا اسپین کوانتومی، یکی از چالش برانگیزترین جنبههای مکانیک کوانتومی به شمار رود.
با یک نگاه جامعتر در مییابیم که اسپین یک ویژگی ضروری و بسیار تأثیرگذار بر الکترونها و هستهها در اتمها و مولکولهاست و دنیای شیمی و فیزیک حالت جامد را میسازد. اسپین، بخش ضروری تمام برهمکنشهای میان ذرات زیراتمی در پرتوهای ذرات با انرژی بسیار بالا و سیالات با دمای پایین است. بسیاری از فرآیندهای فیزیکی، از محدوده کوچکترین مقیاسهای هستهای تا بزرگترین فواصل اخترفیزیکی به برهمکنشهای ذرات زیراتمی و اسپینهای آنها بستگی دارد.»
ویکتور استنگر، استاد فیزیک دانشگاه هاوایی:
«در فیزیک کلاسیک، تکانه زاویهای یک متغیر پیوسته است. در حالی که در مکانیک کوانتومی، تکانه زاویهای گسسته بوده و به صورت واحدهایی از ثابت پلانک تقسیم بر 4π، بسته بندی شدهاند. نیلز بور در سال 1913 پیشنهاد کرد که تکانه زاویهای کوانتومی، کوانتیزه شود و از این پیشنهاد برای توضیح و تفسیر طیف هیدروژن استفاده کرد.
دانش کنونی ما میگوید ذرات بنیادی شامل کوارکها، لپتونها و بوزونها هستند. این ذرات، همگی به صورت شبه نقطهای فرض میشوند، بنابراین ممکن است از اینکه چگونه آنها میچرخند متعجب شوید. یک پاسخ ساده این است که شاید آنها هم از چیزی تشکیل شده باشند و به اصطلاح بنیادی نباشند. اما دلایل نظری عمیقتری ما را ملزم میکنند تا برای آنها، چرخش قائل شویم. نکته قابل توجه به تفاوت بین فرمیونها و بوزونها بر میگردد. فرمیونها از اصل طرد پاولی پیروی میکنند که بیان میکند دو فرمیون یکسان، نمیتوانند در حالت کوانتومی یکسانی قرار بگیرند. بدون توجه به اصل طرد پاولی، شیمی هرگز جدول تناوبی نداشت! از طرف دیگر، بوزونها تمایل دارند تا در یک حالت کوانتومی یکسان، جمع شوند که منجر به پدیدههایی مانند ابررسانایی و حالت چگال بوز-اینشتین میشود.»
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
نظریه ماند @Cosmos_language
نظریه "ماند": #ماده_تاریک در کار نیست، بیایید به نیوتن بازگردیم!
فرضیه وجود ماده تاریک اولین بار برای توضیح اختلاف میان محاسبات جرم کهکشانها و کل جهان مطرح شد. سرعت چرخش اجرام آسمانی به دور مرکز کهکشان ثابت است که این با پیشبینی قانون جهانی گرانش نیوتن، مغایرت دارد. از این رو، فیزیکدانی به نام موردهای میلگروم (Mordehai Milgrom) با ارائه نظریهای به نام دینامیک اصلاح یافتهی نیوتن (Modified Newtonian Dynamics) یا به اختصار نظریه ماند (MOND) سعی میکند با اصلاح قانون گرانش نیوتن، مسئله چرخش کهکشانی را توضیح دهد که در این صورت دیگر نیازی به وجود ماده تاریک نیست!
دینامیک اصلاح شدهی نیوتنی، به جای فرض وجود ماده تاریک و انرژی تاریک، (که طبق مدل استاندارد کیهان شناسی، حدود %95.1 از کل محتوای جرم-انرژی جهان را تشکیل داده) فیزیک نیوتنی را اصلاح میکند. میلگروم هفتاد ساله میتواند سومین فرد مدعی برای اصلاح فیزیک نیوتنی باشد؛ اولین فرد ماکس پلانک (با نظریه کوانتومی)، پس از آن انیشتین (با نظریه نسبیت) و اکنون او. امسال پنجاهمین سال حضور میلگروم در مؤسسه علوم وایزمن (Weizmann) است.
این پست، مصاحبهی سایت ناتیلوس با این فیزیکدان اسرائیلی است:
1- چه چیزی به شما الهام بخشید که زندگی خود را به حرکت ستارهها اختصاص دهید؟
من خیلی خوب به خاطر میآورم که فیزیک چطور ذهن مرا به خود مشغول کرد. من 16 سال داشتم و بسیار فراتر از درک همسالانم، فکر میکردم که فیزیک راهی است برای درک چگونگی عملکرد عالم. این یک برنامه دراز مدت نبود، بلکه جاذبه روزانه من بود. من به سادگی فیزیک را دوست داشتم، همان طور که دیگران عاشق هنر و ورزش هستند. روزی نبود که رویای کشف بزرگی، مانند اصلاح نظریه نیوتن را در سر نداشته باشم. من معلم فیزیک فوق العادهای در مدرسه داشتم، اما وقتی کتابهای درسی را مطالعه میکنید، در واقع در حال مطالعه نتیجه اندازهگیریها و معادلات هستید. شما در کتابهای درسی تلاشهایی که منجر به موفقیت علمی میشوند را نمیبینید، تلاشهای دانشمندان برای حل مسائل حل نشده، پیشرفتهایشان که به طور مستقیم صورت میگیرد و اشتباههایی را که اغلب مرتکب میشوند را نمیبینید. در مدرسه به شما اینها را نمیآموزند. آنها به شما میآموزند که علم همیشه پیش میرود؛ بدنهای از دانش وجود دارد و سپس کسی، چیزی را کشف میکند و این بدنه را گسترش میدهد. اما واقعاً اینطور نیست، پیشرفت علم هرگز خطی نبوده است.
2- چگونه درگیر مسئله ماده تاریک شدید؟
در پایان تحصیلات دکترایم، گروه فیزیک اینجا نیاز به توسعه داشت، به همین دلیل از سه دانشجوی ممتاز دکتری فیزیک ذرات خواستند که حوزهی پژوهشی جدیدی را برای فوق دکتری انتخاب کنند. ما اخترفیزیک را انتخاب کردیم و مؤسسه وایزمن ما را به عنوان دانشجوی فوق دکتری پذیرفت و بورسیه خارج از کشور کرد. بنابراین من به کرنل رفتم تا کاستیهایم در اخترفیزیک را برطرف کنم. پس از گذشت چند سال مطالعه در مورد اخترفیزیک انرژی بالا و کار بر روی فیزیک تابش اشعه ایکس در فضا، تصمیم گرفتم زمینه دیگری را برای مطالعه انتخاب کنم؛ دینامیک کهکشانها. چند سال قبل از آن بود که اولین اندازه گیری دقیق سرعت چرخش ستارههای کهکشان مارپیچی انجام شده بود، ولی این اندازهگیریها در توافق با محاسبات فیزیک نیوتن نبود. برای درک این مشکل، باید سری بزنیم به برخی از چرخشهای آسمانی. سیاره ما به دور خورشید میچرخد که آن نیز به نوبه خود به دور مرکز کهکشان راه شیری میچرخد. درون منظومه شمسی، کشش گرانشی ناشی از جرم خورشید و سرعت سیارات با هم در تعادل هستند. طبق قوانین نیوتن، سیاره عطارد (Mercury)، با سرعتی بیش از 160,000 کیلومتر در ساعت در حال چرخش به دور خورشید است، در حالی که بیرونیترین سیاره، یعنی نپتون، با سرعت 16,000 کیلومتر در ساعت حرکت میکند.
حالا شما میتوانید همین منطق را به کهکشانها اعمال کنید؛ دورترین ستاره از مرکز کهکشان، کندترین چرخش را به دور آن دارد؛ یعنی با توجه به پیشبینی فیزیک نیوتنی، با افزایش فاصله اجرام از مرکز کهکشان، سرعت چرخش آنها کاهش مییابد. اگر چه، اندازهگیریها در شعاعهای کوچکتر، مطابق پیشبینیهای فیزیک نیوتنی بودند، اما اندازهگیری سرعت ستارههای دورتر ثابت کرد که آنها با سرعتی بسیار بیشتر از پیشبینیهای کشش گرانشیِ جرمی که در این کهکشانها دیده میشود، حرکت میکنند. وقتی در اواخر سال 1970، تلسکوپهای رادیویی قادر به آشکارسازی و اندازه گیری ابرهای گازی سرد در حاشیه کهکشانها شدند، این تناقض بسیار گستردهتر شد. این ابرها 5 برابر بیشتر از ستارهها به دور مرکز کهکشان میچرخند و به همین دلیل، این تناقض به یک پازل علمی بزرگ تبدیل شد.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
فرضیه وجود ماده تاریک اولین بار برای توضیح اختلاف میان محاسبات جرم کهکشانها و کل جهان مطرح شد. سرعت چرخش اجرام آسمانی به دور مرکز کهکشان ثابت است که این با پیشبینی قانون جهانی گرانش نیوتن، مغایرت دارد. از این رو، فیزیکدانی به نام موردهای میلگروم (Mordehai Milgrom) با ارائه نظریهای به نام دینامیک اصلاح یافتهی نیوتن (Modified Newtonian Dynamics) یا به اختصار نظریه ماند (MOND) سعی میکند با اصلاح قانون گرانش نیوتن، مسئله چرخش کهکشانی را توضیح دهد که در این صورت دیگر نیازی به وجود ماده تاریک نیست!
دینامیک اصلاح شدهی نیوتنی، به جای فرض وجود ماده تاریک و انرژی تاریک، (که طبق مدل استاندارد کیهان شناسی، حدود %95.1 از کل محتوای جرم-انرژی جهان را تشکیل داده) فیزیک نیوتنی را اصلاح میکند. میلگروم هفتاد ساله میتواند سومین فرد مدعی برای اصلاح فیزیک نیوتنی باشد؛ اولین فرد ماکس پلانک (با نظریه کوانتومی)، پس از آن انیشتین (با نظریه نسبیت) و اکنون او. امسال پنجاهمین سال حضور میلگروم در مؤسسه علوم وایزمن (Weizmann) است.
این پست، مصاحبهی سایت ناتیلوس با این فیزیکدان اسرائیلی است:
1- چه چیزی به شما الهام بخشید که زندگی خود را به حرکت ستارهها اختصاص دهید؟
من خیلی خوب به خاطر میآورم که فیزیک چطور ذهن مرا به خود مشغول کرد. من 16 سال داشتم و بسیار فراتر از درک همسالانم، فکر میکردم که فیزیک راهی است برای درک چگونگی عملکرد عالم. این یک برنامه دراز مدت نبود، بلکه جاذبه روزانه من بود. من به سادگی فیزیک را دوست داشتم، همان طور که دیگران عاشق هنر و ورزش هستند. روزی نبود که رویای کشف بزرگی، مانند اصلاح نظریه نیوتن را در سر نداشته باشم. من معلم فیزیک فوق العادهای در مدرسه داشتم، اما وقتی کتابهای درسی را مطالعه میکنید، در واقع در حال مطالعه نتیجه اندازهگیریها و معادلات هستید. شما در کتابهای درسی تلاشهایی که منجر به موفقیت علمی میشوند را نمیبینید، تلاشهای دانشمندان برای حل مسائل حل نشده، پیشرفتهایشان که به طور مستقیم صورت میگیرد و اشتباههایی را که اغلب مرتکب میشوند را نمیبینید. در مدرسه به شما اینها را نمیآموزند. آنها به شما میآموزند که علم همیشه پیش میرود؛ بدنهای از دانش وجود دارد و سپس کسی، چیزی را کشف میکند و این بدنه را گسترش میدهد. اما واقعاً اینطور نیست، پیشرفت علم هرگز خطی نبوده است.
2- چگونه درگیر مسئله ماده تاریک شدید؟
در پایان تحصیلات دکترایم، گروه فیزیک اینجا نیاز به توسعه داشت، به همین دلیل از سه دانشجوی ممتاز دکتری فیزیک ذرات خواستند که حوزهی پژوهشی جدیدی را برای فوق دکتری انتخاب کنند. ما اخترفیزیک را انتخاب کردیم و مؤسسه وایزمن ما را به عنوان دانشجوی فوق دکتری پذیرفت و بورسیه خارج از کشور کرد. بنابراین من به کرنل رفتم تا کاستیهایم در اخترفیزیک را برطرف کنم. پس از گذشت چند سال مطالعه در مورد اخترفیزیک انرژی بالا و کار بر روی فیزیک تابش اشعه ایکس در فضا، تصمیم گرفتم زمینه دیگری را برای مطالعه انتخاب کنم؛ دینامیک کهکشانها. چند سال قبل از آن بود که اولین اندازه گیری دقیق سرعت چرخش ستارههای کهکشان مارپیچی انجام شده بود، ولی این اندازهگیریها در توافق با محاسبات فیزیک نیوتن نبود. برای درک این مشکل، باید سری بزنیم به برخی از چرخشهای آسمانی. سیاره ما به دور خورشید میچرخد که آن نیز به نوبه خود به دور مرکز کهکشان راه شیری میچرخد. درون منظومه شمسی، کشش گرانشی ناشی از جرم خورشید و سرعت سیارات با هم در تعادل هستند. طبق قوانین نیوتن، سیاره عطارد (Mercury)، با سرعتی بیش از 160,000 کیلومتر در ساعت در حال چرخش به دور خورشید است، در حالی که بیرونیترین سیاره، یعنی نپتون، با سرعت 16,000 کیلومتر در ساعت حرکت میکند.
حالا شما میتوانید همین منطق را به کهکشانها اعمال کنید؛ دورترین ستاره از مرکز کهکشان، کندترین چرخش را به دور آن دارد؛ یعنی با توجه به پیشبینی فیزیک نیوتنی، با افزایش فاصله اجرام از مرکز کهکشان، سرعت چرخش آنها کاهش مییابد. اگر چه، اندازهگیریها در شعاعهای کوچکتر، مطابق پیشبینیهای فیزیک نیوتنی بودند، اما اندازهگیری سرعت ستارههای دورتر ثابت کرد که آنها با سرعتی بسیار بیشتر از پیشبینیهای کشش گرانشیِ جرمی که در این کهکشانها دیده میشود، حرکت میکنند. وقتی در اواخر سال 1970، تلسکوپهای رادیویی قادر به آشکارسازی و اندازه گیری ابرهای گازی سرد در حاشیه کهکشانها شدند، این تناقض بسیار گستردهتر شد. این ابرها 5 برابر بیشتر از ستارهها به دور مرکز کهکشان میچرخند و به همین دلیل، این تناقض به یک پازل علمی بزرگ تبدیل شد.
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
Cosmos' Language
نظریه ماند @Cosmos_language
یکی از راهحلهای ساده، این است که ماده بیشتری اضافه کنید. اگر جرم قابل مشاهده خیلی کمی در مرکز کهکشانها برای محاسبه سرعت ستارهها و گازها وجود دارد، احتمالاً ماده بیشتری باید وجود داشته باشد، مادهای که نمیتوانیم آن را ببینیم، این همان چیزی است که به عنوان ماده تاریک میشناسیم!
3- اولین چیزی که باعث شد فکر کنید ماده تاریک وجود ندارد چه بود؟
چیزی که به ذهنم رسید وجود چندین نظم در این تناقض بود. سرعتهای چرخشی نه تنها بزرگتر از حد انتظار بود، بلکه مستقل از شعاع هم بود. چرا؟ مطمئناً، اگر ماده تاریک وجود داشته باشد، سرعت ستارهها بزرگتر خواهد بود، اما منحنیهای چرخش (منظور از منحنی چرخش، نمودار سرعت چرخشی بر حسب تابعی از شعاع است)، بسته به توزیع آن، میتواند بالا و پایین برود. اما در حقیقت اینطور نیست، سرعت چرخش ستارهها به دور مرکز کهکشان یکنواخت است. بنابراین، در سال 1980 با شرایط زیر به مؤسسه Advance Studies در پرینستون رفتم؛ اگر سرعت چرخشی ثابت باشد، شاید ما باید به دنبال یک قانون جدید در طبیعت باشیم. اگر فیزیک نیوتنی نمیتواند منحنیهای ثابت را پیشبینی کند، شاید ما باید نظریه نیوتن را اصلاح کنیم، نه اینکه نوع جدیدی از ماده را فقط برای اندازه گیریهایمان آماده کنیم.
اگر قصد دارید قوانین طبیعت را طوری تغییر دهید که در منظومه شمسی ما خوب کار کنند، باید ویژگیهایی را پیدا کنید که منظومه شمسی را از کهکشانها متمایز میکند. بنابراین من نموداری از خواص مختلف مانند اندازه، جرم، سرعت چرخش و غیره را تهیه کردم. هر پارامتری را در زمین، منظومه شمسی و تعدادی از کهکشانها به کار بردم. برای مثال، کهکشانها از منظومه شمسی بزرگتر هستند، بنابراین شاید قوانین نیوتن در فواصل بزرگ کار نمیکند. اما اگر این درست بود، انتظار میرفت که انحراف چرخش در کهکشانها بزرگ و بزرگتر شود، در حالی که در واقعیت اینطور نیست. بنابراین من از آن ویژگی عبور کردم و به ویژگی بعدی هدایت شدم. در نهایت، فکری طلایی به ذهنم رسید: روشی که سرعت اجسام را تغییر میدهد.
ما معمولاً در فکر اتومبیلهای زمینی که در یک جهت شتاب میگیرند هستیم، اما یک چرخ و فلک را تصور کنید. شما میتوانید به حلقهها بروید و همچنان شتاب بگیرید. در غیر این صورت، شما به سادگی میافتید. همین را میتوان برای چرخشهای آسمانی نیز تعمیم داد. به دلیل این شتاب است که ما تفاوت بزرگ در مقیاسها را میبینیم و این موضوع، نظریه نیوتن اصلاح شده را توجیه میکند؛ شتاب نرمال برای چرخش یک ستاره به دور مرکز یک کهکشان حدود صد میلیون بار کوچکتر از شتاب چرخش زمین به دور خورشید است.
برای این شتاب دهندههای کوچک، نظریه ماند یک ثابت جدید از طبیعت را به نام a₀ معرفی میکند. اگر فیزیک دبیرستان را مطالعه کردهاید، احتمالا قانون دوم نیوتن را به یاد میآورید، نیرو برابر حاصل ضرب جرم در شتاب یا F=ma است. در حالی که این معادله فقط برای شتابهای بسیار بیشتر از a₀ کاملاً مناسب است، مثل سیارات اطراف خورشید؛ من پیشنهاد کردم که در شتابهای بسیار پایینتر، حتی پایینتر از شتاب چرخش خورشید به دور مرکز کهکشان، نیرو متناسب با مربع شتاب است، یا F=ma²/a₀. به عبارت دیگر: طبق قوانین نیوتن، سرعت چرخش ستارههای دورتر نسبت به ستارههایی که در مرکز کهکشان هستند، کمتر است. اگر نظریه ماند درست باشد، سرعت چرخش ستارهها و گازها به دور مرکز کهکشان باید یکنواخت باشد که این امر، نیاز به وجود ماده تاریک را از بین میبرد.
4- همکاران شما در پرینستون در مورد این ایدهها چه فکری کردند؟
من این افکار را با همکارانم در پرینستون به اشتراک نگذاشتم. نگران بودم که مرا دیوانه خطاب کنند و در آن هنگام، در سال 1981 وقتی که من قبلا ایده روشنی از نظریه ماند داشتم، نمیخواستم کسی طرف من را بگیرد، به همین جهت، حتی فکر صحبت کردن در مورد آن با دیگران، دیوانگی بود. نیازی نیست کسی طرف من باشد [خنده]، حتی زمانی که من به شدت نیاز به تأییدشان داشتم.
5- خب شما 35 سال داشتید و پیشنهاد کردید نظریه نیوتنی را اصلاح کنید.
چرا که نه؟ اگر چیزی کار نمیکند، آن را اصلاح کنید. من سعی نکردم جسور باشم. من در آن زمان خیلی ساده بودم و نمیدانستم که دانشمندان فقط تحت تأثیر افراد دیگری از انجمنها و منافعش قرار میگیرند.
6- درست مثل کتاب "ساختار انقلابهای علمی" توماس کوهن.
من این کتاب را دوست دارم و چندین بار آن را خواندهام. این کتاب به من نشان داد که داستان زندگی من چگونه برای بسیاری از دانشمندان دیگر در طول تاریخ اتفاق افتاده است. مطمئناً درست کردن سرگرمی از افرادی که با علم خوبی که میشناسیم مخالفت میکنند، آسان است؛ اما آیا ما متفاوت هستیم؟
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language
3- اولین چیزی که باعث شد فکر کنید ماده تاریک وجود ندارد چه بود؟
چیزی که به ذهنم رسید وجود چندین نظم در این تناقض بود. سرعتهای چرخشی نه تنها بزرگتر از حد انتظار بود، بلکه مستقل از شعاع هم بود. چرا؟ مطمئناً، اگر ماده تاریک وجود داشته باشد، سرعت ستارهها بزرگتر خواهد بود، اما منحنیهای چرخش (منظور از منحنی چرخش، نمودار سرعت چرخشی بر حسب تابعی از شعاع است)، بسته به توزیع آن، میتواند بالا و پایین برود. اما در حقیقت اینطور نیست، سرعت چرخش ستارهها به دور مرکز کهکشان یکنواخت است. بنابراین، در سال 1980 با شرایط زیر به مؤسسه Advance Studies در پرینستون رفتم؛ اگر سرعت چرخشی ثابت باشد، شاید ما باید به دنبال یک قانون جدید در طبیعت باشیم. اگر فیزیک نیوتنی نمیتواند منحنیهای ثابت را پیشبینی کند، شاید ما باید نظریه نیوتن را اصلاح کنیم، نه اینکه نوع جدیدی از ماده را فقط برای اندازه گیریهایمان آماده کنیم.
اگر قصد دارید قوانین طبیعت را طوری تغییر دهید که در منظومه شمسی ما خوب کار کنند، باید ویژگیهایی را پیدا کنید که منظومه شمسی را از کهکشانها متمایز میکند. بنابراین من نموداری از خواص مختلف مانند اندازه، جرم، سرعت چرخش و غیره را تهیه کردم. هر پارامتری را در زمین، منظومه شمسی و تعدادی از کهکشانها به کار بردم. برای مثال، کهکشانها از منظومه شمسی بزرگتر هستند، بنابراین شاید قوانین نیوتن در فواصل بزرگ کار نمیکند. اما اگر این درست بود، انتظار میرفت که انحراف چرخش در کهکشانها بزرگ و بزرگتر شود، در حالی که در واقعیت اینطور نیست. بنابراین من از آن ویژگی عبور کردم و به ویژگی بعدی هدایت شدم. در نهایت، فکری طلایی به ذهنم رسید: روشی که سرعت اجسام را تغییر میدهد.
ما معمولاً در فکر اتومبیلهای زمینی که در یک جهت شتاب میگیرند هستیم، اما یک چرخ و فلک را تصور کنید. شما میتوانید به حلقهها بروید و همچنان شتاب بگیرید. در غیر این صورت، شما به سادگی میافتید. همین را میتوان برای چرخشهای آسمانی نیز تعمیم داد. به دلیل این شتاب است که ما تفاوت بزرگ در مقیاسها را میبینیم و این موضوع، نظریه نیوتن اصلاح شده را توجیه میکند؛ شتاب نرمال برای چرخش یک ستاره به دور مرکز یک کهکشان حدود صد میلیون بار کوچکتر از شتاب چرخش زمین به دور خورشید است.
برای این شتاب دهندههای کوچک، نظریه ماند یک ثابت جدید از طبیعت را به نام a₀ معرفی میکند. اگر فیزیک دبیرستان را مطالعه کردهاید، احتمالا قانون دوم نیوتن را به یاد میآورید، نیرو برابر حاصل ضرب جرم در شتاب یا F=ma است. در حالی که این معادله فقط برای شتابهای بسیار بیشتر از a₀ کاملاً مناسب است، مثل سیارات اطراف خورشید؛ من پیشنهاد کردم که در شتابهای بسیار پایینتر، حتی پایینتر از شتاب چرخش خورشید به دور مرکز کهکشان، نیرو متناسب با مربع شتاب است، یا F=ma²/a₀. به عبارت دیگر: طبق قوانین نیوتن، سرعت چرخش ستارههای دورتر نسبت به ستارههایی که در مرکز کهکشان هستند، کمتر است. اگر نظریه ماند درست باشد، سرعت چرخش ستارهها و گازها به دور مرکز کهکشان باید یکنواخت باشد که این امر، نیاز به وجود ماده تاریک را از بین میبرد.
4- همکاران شما در پرینستون در مورد این ایدهها چه فکری کردند؟
من این افکار را با همکارانم در پرینستون به اشتراک نگذاشتم. نگران بودم که مرا دیوانه خطاب کنند و در آن هنگام، در سال 1981 وقتی که من قبلا ایده روشنی از نظریه ماند داشتم، نمیخواستم کسی طرف من را بگیرد، به همین جهت، حتی فکر صحبت کردن در مورد آن با دیگران، دیوانگی بود. نیازی نیست کسی طرف من باشد [خنده]، حتی زمانی که من به شدت نیاز به تأییدشان داشتم.
5- خب شما 35 سال داشتید و پیشنهاد کردید نظریه نیوتنی را اصلاح کنید.
چرا که نه؟ اگر چیزی کار نمیکند، آن را اصلاح کنید. من سعی نکردم جسور باشم. من در آن زمان خیلی ساده بودم و نمیدانستم که دانشمندان فقط تحت تأثیر افراد دیگری از انجمنها و منافعش قرار میگیرند.
6- درست مثل کتاب "ساختار انقلابهای علمی" توماس کوهن.
من این کتاب را دوست دارم و چندین بار آن را خواندهام. این کتاب به من نشان داد که داستان زندگی من چگونه برای بسیاری از دانشمندان دیگر در طول تاریخ اتفاق افتاده است. مطمئناً درست کردن سرگرمی از افرادی که با علم خوبی که میشناسیم مخالفت میکنند، آسان است؛ اما آیا ما متفاوت هستیم؟
@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language