کشف شگفت‌انگیز در فیزیک کوانتومی با الهام از «شب پرستاره» ون‌گوگ

به گزارش خبرگزاری نیوز تودی، فرضیه‌ای علمی که سال‌ها تنها در حد یک ایده بود، بالاخره به حقیقت پیوست. پژوهشگران توانستند نوعی آشوب عجیب در دنیای کوانتوم را مشاهده کنند و ساختارهای هلالی‌شکلی را کشف کنند که شباهتی خیره‌کننده به ماه در نقاشی معروف «شب پرستاره» ون‌گوگ دارند.

آیزاک آسیموف، نویسنده برجسته داستان‌های علمی‌تخیلی، زمانی گفته بود: «علم در دل هنر نهفته است و هنر در دل علم.» این کشف جدید مصداق بارز این گفته است و پلی میان یکی از برجسته‌ترین آثار هنری قرن نوزدهم و دنیای پیچیده فیزیک کوانتومی ایجاد کرده است.

کانون این پژوهش، پدیده‌ای به نام «ناپایداری کلوین-هلمهولتز» است. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که دو لایه سیال، مانند آب و هوا، با سرعت‌های متفاوت از کنار یکدیگر عبور کنند و امواج و گردابه‌هایی ایجاد کنند. این الگوها را می‌توان در شکل‌گیری ابرها، امواج رودخانه‌ها یا سطح دریا در زندگی روزمره مشاهده کرد.

هیرو میتسو تاکئوچی، استاد دانشگاه اوساکا و سرپرست این پژوهش، توضیح می‌دهد: «سؤالم ساده بود: آیا این نوع آشوب می‌تواند در سیالات کوانتومی هم رخ دهد؟»

سیالات کوانتومی موادی هستند که از قوانین فیزیک کوانتومی پیروی می‌کنند، نه قوانین کلاسیک. این مواد بدون اصطکاک هستند و رفتارشان به حالت‌های بسیار حساس کوانتومی وابسته است که تولید و مدیریت آن‌ها چالش‌برانگیز است. به همین دلیل، تاکنون کسی این پدیده را در سیالات کوانتومی مشاهده نکرده بود.

این تیم پژوهشی با رویکردی نوآورانه موفق به ثبت این پدیده شد. آن‌ها گازی از اتم‌های لیتیوم را تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد کردند تا به حالت «چگالش بوز-اینشتین» برسند؛ حالتی که در آن اتم‌ها مانند یک موج واحد عمل می‌کنند. سپس این موج کوانتومی را به دو بخش هم‌پوشان تقسیم کردند که با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کردند. در نقطه تلاقی این دو جریان، الگوهای موجی شکل گرفت که شبیه مراحل اولیه ناپایداری کلوین-هلمهولتز در دنیای کلاسیک بود.

اما هیجان‌انگیزترین بخش داستان از اینجا آغاز شد. در این محیط کوانتومی، آشوب نه‌تنها امواج، بلکه گردابه‌هایی ایجاد کرد که از نظر شکل و رفتار با دنیای معمولی تفاوت داشتند. این گردابه‌ها، که «اسکیرمیون‌های کسری خارج از مرکز» نامیده شدند، به‌جای شکل گرد و متقارن، هلالی بودند و نقاطی در آن‌ها وجود داشت که نظم چرخشی معمول را کاملاً مختل می‌کرد.

به گفته تاکئوچی، ماه هلالی بزرگی که در گوشه بالای سمت راست نقاشی «شب پرستاره» ون‌گوگ دیده می‌شود، شباهت زیادی به این اسکیرمیون‌های هلالی دارد.

اسکیرمیون‌ها پیش‌تر به دلیل کاربردهای احتمالی در فناوری‌هایی مانند «اسپین‌ترونیکس» (سیستمی برای توسعه ابزارهای پردازش و ذخیره‌سازی داده با استفاده از چرخش ذرات به جای جریان الکتریکی) مورد توجه بودند. کشف نوع جدیدی از اسکیرمیون‌ها در سیالات کوانتومی می‌تواند راه‌های نوینی برای ایجاد و کنترل این ساختارها فراهم کند و حتی چارچوب‌های کنونی طبقه‌بندی ساختارهای کوانتومی را به چالش بکشد، زیرا این نوع جدید با دسته‌بندی‌های موجود همخوانی ندارد.

این پژوهش همچنین نشان داد که ناپایداری کلوین-هلمهولتز یک پدیده جهانی است که هم در دنیای کلاسیک و هم در قلمرو کوانتومی رخ می‌دهد.

محققان اکنون در نظر دارند آزمایش‌های دقیق‌تری انجام دهند تا پیش‌بینی‌های بیش از یک قرن پیش درباره طول موج و فرکانس این آشفتگی‌ها را بررسی کنند و ببینند آیا گردابه‌های مشابه در سایر سیستم‌های کوانتومی یا در ابعاد بالاتر نیز شکل می‌گیرند.

در نهایت، کشفی که از الهام‌گیری از یک شاهکار هنری قرن نوزدهم آغاز شد، ممکن است درک ما از فیزیک قرن بیست‌ویکم را متحول کند.

منبع: interesting engineering