بایگانی “زندگی با فیزیک”

نظریۀ مکانیک کوانتومی نسبیتی|مدرسه يار

دوشنبه, ۷ دی, ۱۳۹۴

نظریۀ مکانیک کوانتومی نسبیتی

معادله بزرگی که به صورت بندی سازگارترکیب دو نظریه ی بزرگ کوانتوم و نسبیت خاص توفیق یافت، معادله نسبیتی الکترون بود که پل دیراک در سال ۱۹۲۸ آن را کشف کرد.

به گزارش بیگ بنگ، دیراک معادله خود را فقط با توجه به نظریه کوانتوم و ناوردایی نسبیتی بدست آورد. بنابراین هنگامی که پی برد پیش بینی های معادله درباره خواص الکترومغناطیسی الکترون نشان می دهد که برهم کنش های مغناطیسی الکترون، دو برابر بیشتر از محاسبه بر مبنای تلقی الکترون به صورت فرفره ای مینیاتوری، با بار الکتریکی چرخان است، یقینا برایش موجب شگفتی توام با خشنودی بود. به طور تجربی فیزیکدانان می دانستند که چنین است، اما هیچکس نمی توانست بفهمد چرا این رفتار غیرعادی باید چنین باشد.

این معادله، حالت های انرژی مثبت را از نوعی که باید با رفتار الکترون های واقعی متناظر شوند، مجاز می کرد، اما حالت های انرژی منفی را نیز مجاز می شمرد. حالت های انرژی منفی معنای فیزیکی نداشت، اما نمی شد آنها را کنار گذاشت. زیرا اصول مکانیک کوانتوم به ناگزیر پیامد فاجعه بار گذار به آنها از حالت های انرژی مثبت را که از نظر فیزیکی پذیرفتنی اند، ممکن می سازد. برای مدتی این معما همه را آشفته کرد، اما دیراک پی برد که ممکن است آمار فرمی الکترون ها راهی برای برون رفت از این بن بست ارائه کند. او فرض کرد که تمام حالت های انرژی منفی قبلا اشغال شده اند. در این حال ،اصل طرد امکان ِ گذار به آنها را از حالت های انرژی مثبت از میان می برد. آنچه فضای تهی می پنداشتند در واقع با این دریای الکترون های انرژی منفی پر شده بود!

این تصویری غریب می باشد. فیزیکدانان اصلا تصور نمی کردند که وجود نوع جدید و ناشناخته ذره را مطرح کنند و بنابراین در ابتدا فرض شد این ذره مثبت که دیراک از آن سخن می گوید شاید همان پروتون با بار مثبت باشد، اما اندکی بعد دریافتند که حفره باید همان جرم الکترون را داشته باشد، در حالی که پروتون بسیار سنگین تر است. به این ترتیب تنها تعبیر پذیرفتنی از این پیشنهاد، به پیش بینی غریب ذره ای جدید انجامید که آن را پوزیترون نامیدند که هم جرم الکترون است اما با بار مثبت. پس از مدت کوتاهی با کشف پوزیترون در پرتوهای کیهانی، وجود آن از نظر تجربی هم تایید شد. در واقع هم ماده مانند الکترون و هم پادماده با بار مخالف مانند پوزیترون وجود دارد.

معادله نبوغ آسای دیراک که هم به تبیین خواص مغناطیسی و هم به کشف پادماده انجامید، مباحثی که در انگیزه ی اصلی برای یافتن معادله هیچ نقشی نداشتند، مثالی است برجسته از ارزش دراز مدتی که ایده ی به راستی بنیادی علمی می تواند از خود به نمایش بگذارد.

این باوری شایان ذکر است که فیزیکدانان را متقاعد می کند که به راستی دارند کاری می کنند و برخلاف گفته فیلسوفان فقط به طور ضمنی با دیدن چیزها به شیوه ای خاص موافقت نمی کنند. در عوض، درباره ی این که جهان واقعا چگونه است به کشف هایی دست می زنند. معادله دیراک یکی از زیباترین و عمیق ترین معادلات در فیزیک است.

نویسنده: میلاد اسکندر دوست / سایت علمی بیگ بنگ

مخترع لیزر چارلز تاونز در ۹۹ سالگی درگذشت

شنبه, ۵ دی, ۱۳۹۴

مخترع لیزر چارلز تاونز در ۹۹ سالگی درگذشت

چارلز تاونز فیزیکدان آمریکایی و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال ۱۹۶۴ (به صورت مشترک) در ۹۹ سالگی در گذشت. او این جایزه را بپاس سعی و کوششی که به پیشرفت و توسعه‌‌ی علمِ لیزر منجر شد، دریافت کرد. تاونز در چالشِ ساختنِ اولین لیزر نقش جدایی ناپذیری را توسط توسعه‌ی پیشگام آن یعنی “میزر” ایفا کرد. میزر قادر است تابش الکترومغناطیسی در ناحیه‌‌ی ریز موج‌ها در طیف الکترومغناطیسی، تولید و تقویت کند.

کلیدِ کارِ تاونز در اوایل دهه‌ی پنجاه میلادی در دانشگاه کلمبیا زده شد. در همان زمان بود که او دستگاهی را پیشنهاد کرد که قادر بود امواج الکترومغناطیسیِ همدوس، توسط فرآیند تشدید در گسیلِ القایی تولید کند. بدین ترتیب او مخترع میزر (MASER) یا همان تقویت ریز‌موج توسط گسیل تابشِ القایی (microwave amplification by stimulated emission of radiation) است. تاونز تنها کسی نبود که این ایده را در سر داشت. نیکلای باسوف و الکساندر پروخورف از موسسه فیزیکی آکادمی علوم روسیه‌ لِبِدِو (Lebedev)، و همچنین ژوزف وبر از دانشگاه کاتولیک آمریکا، به صورت مستقل، اما همزمان با تاونز تحقیقات تئوری بر روی میزر انجام می‌دادند.

در سال ۱۹۵۴ تاونز و تیمش موفق شدند تئوریشان را به یک دستگاهِ کارآمد تبدیل کنند. آن‌ها با استفاده از جریانی از مولکلول‌هایِ پرانرژی آمونیا، ریزموج‌های تقویت شده در فرکانس تقریبی ۲۴ گیگا‌هرتز تولید کردند. در دسامبر سال ۱۹۵۸ تاونز به همراه برادرِ همسرش، آرتور شاولو که در آن زمان در آزمایشگاه‌های بِل (Bell) در نیوجرسی فعالیت می‌کرد، به شرحِ چگونگیِ گسترش و توسعه‌ی مفهومِ میزر در اپتیک، برای ساختِ – میزر اپتیکی و فروسرخ – یا همان لیزر پرداختند [۱].

از آنجاییکه تاونز و آرتور هر دو علاقمند بودند که از لیزر در مطالعاتِ طیف‌سنجی استفاده کنند، برای ساختن لیزر پیوسته (علاوه بر نوع پالسیِ آن) اهتمام ورزیدند. تئودور میمن، فیزیکدان و مهندس از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی هیوز (Hughes)، اولین کسی بود که در سال ۱۹۶۰ موفق به ساخت لیزر شد. او توانست با استفاده از تکه کوچک یاقوت که توسط لامپِ چشمک‌زن، نورانی می‌شد، پالس‌هایی از پرتو همدوس لیزر را تولید کند [۲].

جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۶۴ به باسوف، پروخورف و تاونز برای “مطالعات بنیادیشان در زمینه‌ی الکترونیک کوانتومی” اهدا شد. مطالعات آن‌ها منجر به ساختن نوسانگر‌ها و تقویت‌کننده‌ها بر اساس قانون لیزر – میزر شد. تاونز برنده‌ی نیمی از جایزه شد و نیمه‌ی دیگر بین بایوف و پروخورف تقسیم گردید. جان دادلی، فیزیکدان اتمی مولکولی و رئیس انجمن فیزیک اروپا، می‌گوید : “تاونز انسانی بزرگ و همچنین یک الهام‌بخش بود.”

مایلز پجت فیزیکدان اتمی مولکولی از دانشگاه گلاسکو درباره‌ی تاونز اینگونه می‌گوید : “علاوه بر دستاورد‌های قابل توجه او در زمینه‌های گوناگون فیزیک، میراث ارزشمندی از فعالیت‌ها و همکاری‌های دانشمندان دیگر وجود دارد که چارلز تاونز بر آن‌ها نظارت داشته است. از جمله این موفقیت‌ها می‌توان به آرنو آلن پنزیاس برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۸ اشاره کرد.”

زندگی با فیزیک

چارلز تاونز در ۲۸ جولای سال ۱۹۱۵ در شهر گرینویل از ایالت کارولینای جنوبی متولد شد. هنگامی که او در سال ۱۹۳۵ از دانشگاه فِرمن در گرینویل با گرایش فیزیک و زبان‌های مدرن فارغ التحصیل شد، فقط ۱۹ سال داشت. او دوره‌ی تحصیلات تکمیلی‌اش را ابتدا در دانشگاه دوک گذراند، سپس برای گذرانیدن دوره‌ی دکتری‌اش به موسسه‌ی تکنولوژی کالیفرنیا رفت و به مطالعه بر روی جداسازی ایزوتوپ مشغول شد.

تاونز پس از پایان دوره‌ی دکتری در سال ۱۹۳۹، تا سال ۱۹۴۷ در آزمایشگاه‌های بل در نیوجرسی مشغول به فعالیت بود. پس از آن به دانشگاه کلمبیا رفت. او از سال ۱۹۵۰ تا ۱۹۵۲ با عنوان مدیر آزمایشگاهِ تابش کلمبیا فعالیت می‌کرد. تاونز در سال ۱۹۵۹ به عنوان نایب رئیس و مدیر تحقیق در موسسه‌ی تحلیل‌های دفاعی (IDA) در واشنگتن دی سی – سازمانی غیر انتفاعی که دولت ایالات متحده را یاری می‌کند – انتخاب شد.

او مدتِ دو سال در IDA فعالیت کرد و سپس دوباره به محیط دانشگاهی بازگشت. در این هنگام او مقامِ استادی در موسسه‌ی تکنولوژی ماساچوست (MIT) را به عهده گرفت. سپس در سال ۱۹۶۷ به دانشگاه برکلی کالیفرنیا رفت، و در آنجا تحقیقاتش را ادامه داد. جایزه‌ی تمپلتون – جایزه‌ای برای علم و مذهب – در سال ۲۰۰۵ به تاونز اهدا شد. تاونز همچنین زندگینامه‌ی خود را با عنوان “چگونه لیزر ایجاد شد” در سال ۱۹۹۹ منتشر کرده است.