سیستم وبلاگ پارسی باکسسیستم مدیریت فروش هاست و دامینسایت شخصی محسن داوری برنامه نویس PHPهماهنگی با موتورهای جستجو , رنکینگ گوگل , google pagerank , page rank , seo , search

نظریه تار | کوانتوم

                                             

گرانش کوانتومی(مختصری بر نظریه تار یا ابر ریسمان)

در ابتدای قرن بیستم دو نظریه ی مهم در فیزیک پایه گذاری شد، مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت. بر خلاف موفقیت های فراوانی که هر کدام از این نظریه ها به طور جداگانه بدست آوردند، با یکدیگر ناسازگار به نظر می رسیدند. این تناقض در قلب فیزیک نظری همچنان یکی از جنجالی ترین مطالب علم است.

نظریه نسبیت عام در محاسبه ی دقیق گرانش موفق عمل می کند. اگر در میدان گرانش، مکانیک کوانتومی را به کار بگیریم، به گرانش کوانتومی دست می یابیم. در نگاه اول ساختن نظریه گرانش کوانتومی مشکل تر از نظریه ی الکترو دینامیک کوانتومی به نظر نمی رسید. الکترو دینامیک کوانتومی نیم قرن پیش ابداع شد. اساس QED یا همان الکترو دینامیک کوانتومی توصیف نیروهای الکترو مغناطیسی بر حسب تبادل ذراتی است که آنها را فوتون می نامیم. به عبارت دیگر فوتون کوانتای میدان الکترومغناطیس است. این فوتون ها گسیل شده و بلافاصله جذب می شوند. در نتیجه گسیل و جذب فوتون ها انرژی و تکانه ذرات ثابت نمی ماند. بنابر این دافعه ی الکتروستاتیک بین دو الکترون را می توان در نتیجه ی گسیل فوتون از یک الکترون و جذب آن توسط الکترون دیگر دانست.

به طور مشابه می توان جاذبه ی گرانشی بین دو جسم را در نتیجه ی تبادل گراویتون ، یعنی کوانتای میدان گرانشی ، دانست. این واقیعت که تا کنون گراویتون توسط هیچ وسیله ای آشکار نشده است، چندان تعجب آور نیست، چون نیروی گرانشی بسیار ضعیف تر از نیروهای مغناطیسی و الکتریکی است. ثابت می شود که تبادل گراویتون بین جرم های نقطه ای باعث ایجاد میدان گرانشی با قانون معروف عکس مجذور فاصله می شود.

 

اما هنگامی که فرآیند های پیچیده تر ، که در آنها تعداد زیادی گراویتون وجود دارند، در نظر گرفته می شود مشکلی به وجود می آید. یک فرق مهم بین میدان گرانشی و الکترومغناطیسی وجود دارد. میدان گرانشی غیر خطی است. این غیر خطی بودن از آنجا ناشی می شود که میدان گرانشی شامل انرژی است و این انرژی دارای معادل جرم است که میان ان جرم ها مجددا نیروی گرانشی وجود دارد. به زبان کوانتومی این مطلب بر این نکته دلالت دارد که گراویتون ها با گراویتون های دیگر اندرکنش می کنند، در حالی که فوتون ها با بارهای الکتریکی و جریان ها اندرکنش دارند و با هیچ فوتون دیگری اندرکنش ندارند. چون بین گراویتون ها اندرکنش وجود دارد می توان گفت که ذرات مادی با شبکه ی پیچیده ای از گراویتون ها احاطه شده است که حلقه های بسته ای را تشکیل می دهند، مانند یک درخت پر از شاخ و برگ.

در نظریه میدان کوانتومی حلقه های بسته نشانه ی درد سر می باشند و موجب تولید جواب های بی نهایت در محاسبه ی فرآیند های فیزیکی می شوند.در QED  این مسئله هنگامی به وجود می آید که یک الکترون فوتونی را گسیل و مجددا جذب کند. بی نهایت های بدست آمده را با یک روش ریاضی با نام «باز بهنجارش» بر طرف می کنند. اگر این روش به درستی به کار گرفته شود، جواب های قابل قبولی به دست می آید.چون در QED  جواب های بی نهایت را می توان با این روش مشخص برداشت به ان یک نظریه ی «باز بهنجار پذیر» می گویند. روش یاد شده مجمو عه ای از اعمال ریاضی است که برای برداشتن بی نهایت ها کافی است.

متاسفانه هنگامی که مکانیک کوانتومی را در نسبیت عام به کار می گیریم چنین روشی وجود ندارد. بنابر این در این حالت نظریه بازبهنجار نا پذیر است. هر فرآیند شامل حلقه های بسته ی بیشتر و بیشتری از گراویتون ها خواهد بود که موجب جملات بی نهایت بیشتری می شوند . وجود این جملات بی نهایت باعث می شود نظریه گرانش کوانتومی برای بررسی اکثر پدیده های طبیعی بی استفاده شود و این فکر را بوجود آورد که چیزی اساسا در نظریه ی نسبیت عام یا مکانیک کوانتومی و یا هردو غلط است.

در چند دهه ی گذشته تلاش های زیادی برای گریز از بازبهنجارناپذیری در گرانش کوانتومی شده است.  برجسته ترین آنها نظریه « تار» یا « ابر ریسمان» است. این نظریه بر این فرض بنا شده است که کوچکترین چیزی که دنیای فیزیکی از آن ساخته شده است ذرات نیستند، بلکه تارهایی می باشند که 20^10 بار کوچکتر از هسته ی اتم هستند.مدهای ارتعاشی مختلف این تارها را می توان به ذرات گوناگونی مانند الکترون ها ، کوارک ها، نوتریون ها، فوتون ها، گراویتون ها و دیگر ذرات نسبت داد. بین تار ها مانند ذرات اندرکنش وجود دارد، اما وقتی فرآیندهایی که شامل حلقه های بسته باشند مورد امتحان قرا گیرند، جواب هایی که بدست می آیند دیگر بی نهایت نیست.

مقیاس انرژی ها در نظریه تار از مرتبه ی (بخوانید گیگا الکترون ولت) 19^10Gev است. این انرژی 17^10 بار بیشتر از انرژی است که در حال حاظر بزرگترین شتاب دهنده های ذرات می توانند تولید کنند.بنابر این به نظر می رسد که مشاهده ی ساختار ریسمانی ماده غیر ممکن باشد. فیزیک دانان نظری امید دارند که در حد انرژی های کمتر و قابل دسترس بتوانند نظریه های فیزیکی آشنا تر مانند نسبیت عام، الکترومغناطیس،نیروهای ضعیف و قوی هسته ای و ذرات بنیادی آشنا را به عنوان تقریبی از نظریه تار بیرون بکشند. بنابر این نظریه ابر ریسمان یک توصیف پذیرفته شده از گرانش کوانتومی نیست، بلکه تلاشی برای وحدت نیرو ها و ذرات بنیادی است که آلبرت انبشتین آرزوی تحقق آن را داشت.

متاسفانه تا کنون نظریه تار واحدی وجود ندارد و همچنین حد پایین انرژی واحدی نیز برآورده نشده است.

برای مدت ها این مسئله مانند یک مانع بزرگ می نمود اما در سال های اخیر یک راهکار ریاضی مجرد با نام « نظریه ی M» ساخته شده است و معلوم شده است که این نظریه، نظریات ابر ریسمان کوناگون را در بر می گیرد.

هنوز زود است که گفته شود نظریه ی M  در نهایت بین گرانش و کوانتوم آشتی ایجاد کند ، ولی اگر این نظریه مطابق انتظارات باشد می بایست واقعیت های بنیادی دنیای فیزیک را توضیح دهد. به عنوان مثال فضا- زمان چهار بعدی می باسیت از نظریه بیرون آید ، بدون آنکه خودمان آن را به نظریه بیفزاییم. نیروها و ذرات طبیعت نیز می بایست بر اساس خواص کلیدی شان مانند قدرت اندرکنش ها و جرم هایشان توضیح داده شوند. به هر صورت تا زمانی که نتوان در حد انرژی شتاب دهنده های موجود نظریه M را مورد امتحان قرار داد، این نظریه در حد یک تمرین زیبای ریاضی باقی خواهد ماند.

نویسنده: دکتر داوود افشار

دیراک و مکانیک کوانتوم نسبیتی ریاضی دان و فیزیک دان بریتانیایی (1983-1902) Paul Adrien Maurice Dirac فیزیک مکانیک کوانتوم 1933 دیرک، فرزند مردی از اهالی سوئیس، در بریستول انگلستان چشم به جهان گشود. پس از فارغ التحصیلی در مهندسی برق از دانشگاه بریستول در سن 19 سالگی به یک باره خود را بیکار یافت. و چون نتوانست کاری پیدا کند، تقاضای عضویت در دانشگاه کمبریج را کرد و پذیرفته شد. کمتر از ده سال به دریافت جایزه نوبل، برای سهم مهمی که در تاسیس مکانیک کوانتومی داشت، نائل آمد. او در 1926 از دانشگاه کمبریج درجه دکترا گرفت و پس از چندی به مقام استادی ریاضی آن دانشگاه دست یافت و تا هنگام بازنشستگی اش در 1969 مقامش را حفظ کرد. و در 1961 استاد فیزیک دانشگاه فلوریدا شد. دیرک نمونه ای بود از دانشمندی کناره گیر، و هنوز هم چنین است، در حالی که دوست داشت با همکاران و رفقای خود درباره مسافرتش به شرق یا هر موضوع دیگری صحبت کند، ترجیح می داد که بررسی هایش را به تنهایی انجام دهد. بازدیدی که وی از دانشگاه گوتینگن به عمل آورد، به علت پیش آمدن مسئله معماآمیزی بود که فکر ریاضیدانان و فیزیکدانان را به خود مشغول داشته بود. راه حل غیرعادی که دیرک برای حل آن مسئله یافت، مهارت وی را در ورزش های سریع ذهنی نشان می داد.
ادامه ي مطلب ...

نیلز بور (1962-1885)، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم، در مورد چیزی که بنیان گذارده است، جمله ای دارد به این مضمون که اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است. من هم در اینجا می خواهم چیزی را برایتان توضیح دهم که قرار است نفهمید! گام اول: تقسیم ماده بیایید از یک رشته‌ی دراز ماکارونیِ پخته شروع کنیم. اگر این رشته‌ی ماکارونی را نصف کنیم، بعد نصف آن را هم نصف کنیم، بعد نصفِ نصف آن را هم نصف کنیم و... شاید آخر سر به چیزی برسیم ــ البته اگر چیزی بماند! ــ که به آن مولکولِ ماکارونی می‌توان گفت؛ یعنی کوچکترین جزئی که هنوز ماکارونی است. حال اگر تقسیم کردن را باز هم ادامه بدهیم، حاصل کار خواص ماکارونی را نخواهد داشت، بلکه ممکن است در اثر ادامه‌ی تقسیم، به مولکول‌های کربن یا هیدروژن یا... بربخوریم. این وسط، چیزی که به درد ما می خورد ــ یعنی به دردِ نفهمیدنِ کوانتوم! ــ این است که دست آخر، به اجزای گسسته ای به نام مولکول یا اتم می رسیم. این پرسش از ساختار ماده که «آجرک ساختمانی ماده چیست؟»، پرسشی قدیمی و البته بنیادی است. ما به آن، به کمک فیزیک کلاسیک، چنین پاسخ گفته ایم: ساختار ماده، ذره ای و گسسته است؛ این یعنی نظریه‌ی مولکولی.
ادامه ي مطلب ...

در اوایل قرن نوزدهم ، موفقیت نظریه های علمی ، مارکی دو لاپلاس را متقاعد ساخته بود که جهان به طور دربست از جبر علمی پیروی می کند. وی معتقد بود اگر وضعیت جهان در لحضه ای معین از زمان کاملا معلوم باشد ، می توان وضعیت آن را در زمانهای بعدی نیز به راحتی با قوانین علمی پیش بینی نمود. به طور مثال اگر وضعیت خورشید و سایر سیارات منظومه شمسی را در زمانی معین داشته باشیم می توانیم وضعیت منظومه شمسی را در هر زمان دلخواه توسط قوانین گرانش نیوتون پیش بینی کنیم. این مسئله در مکانیک کلاسیک کاملا بدیهی به نظر می رسد و می توان آن را به راحتی اثبات نمود. اما لاپلاس از این هم فراتر رفت و گفت این مسئله برای تمامی پدیده ها از جمله رفتار بشر صادق است و قوانین مشابهی وجود دارد که تمام پدیده های جهان را پیش بینی می کند.
ادامه ي مطلب ...

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ دیدگاه ما را نسبت به رویدادهای آینده و نحوه پیش گویی رویدادها از طریق قوانین علمی به کلی دگر گون ساخت. این مطلب در دهه بیست، هایزنبرگ‏، اروین شرودینگر و پل دیراک را بر آن داشت تا مکانیک را بازسازی نمایند. آنها براساس اصل عدم قطعیت، نظریه جدیدی بنام مکانیک کوانتومی تدوین نمودند.
ادامه ي مطلب ...

                

Some of the most beautifully drawn diagrams of the quantum orbits of electrons in the Bohr-Sommerfeld theory of various atoms. In the more modern view, the positions of electrons would be shown as a fuzzy cloud

 

                                             

According to the so-called old quantum theory, first enunciated by Bohr in 1913 and elaborated by Sommerfeld three years later, atoms consist of a tiny positive nucleus surrounded by negative electrons which orbit the nucleus like planets around a sun. Nearly all the mass of the atom is concentrated in the nucleus. The number of electrons is given by the "atomic number" of the element. The electrons are held in their orbits around the nucleus by electrical attraction, similar to the gravitational attraction that holds the planets in their orbits around the sun in our solar system. But unlike our solar system, the energies of the electrons can occur only in certain fixed amounts, which correspond to certain fixed orbits. These characteristic quantities, or "quanta," of energy made this a "quantum theory" of the atom. Einstein had showed that light too could have energy only in fixed units or quanta of energy. Einstein called these "light quanta." Today they are called photons.

An electron in an atom could jump up from one fixed orbit to an orbit of higher energy, but only if it absorbed energy precisely equal to the difference of energy between the orbits. Likewise, an electron could jump down to an open lower-energy orbit by giving off energy precisely equal to the energy drop. These two events are the origins of the so-called absorption and emission spectra of the elements--their characteristic colors.

The quantum behavior of electrons in atoms contradicted not only the "classical" mechanics of Sir Isaac Newton, but also the classical electromagnetic theory, which was developed in the nineteenth century and was spectacularly successful for describing light and radio waves. Even worse, while an electron orbited in a quantum energy state, it did not radiate away its energy as the electromagnetic theory required. Instead, as Bohr postulated but could not explain, each quantum orbit could be considered a "stationary state," with energy losses or gains occurring only when the electrons jumped between the stationary states.

In 1916, Sommerfeld enhanced the Bohr theory of the atom by introducing non-circular orbits, by allowing quantized orientations of the orbits in space, and by taking into account the relativistic variation in the mass of the electron as it orbited the nucleus at high speed.

The Bohr-Sommerfeld quantum theory of the atom proved remarkably successful for the simplest case, a hydrogen atom (one electron orbiting a nucleus). Difficulties began to arise, however, for more complicated atoms in the early 1920s.

Every time you switch on a light bulb, 10 to the power of 15 (a million times a billion) visible photons, the elementary particles of light, are illuminating the room in every second. If that is too many for you, light a candle. If that is still too many, and say, you just want one and not more than one photon every time you press the button, you will have to work a little harder. A team of physicists in the group of Professor Gerhard Rempe at the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching near Munich, Germany, have now built a single-photon server based on a single trapped neutral atom. The high quality of the single photons and their ready availability are important for future quantum information processing experiments with single photons. In the relatively new field of quantum information processing the goal is to make use of quantum mechanics to compute certain tasks much more efficiently than with a classical computer. (Nature Physics online, March 11th, 2007)
 

A single atom trapped in a cavity generates a

single photon after being triggered by a laser pulse.

After the source is characterised, the subsequent

photons can be distributed to a user

A single atom, by its nature, can only emit one photon at a time. A single photon can be generated at will by applying a laser pulse to a trapped atom. By putting a single atom between two highly reflective mirrors, a so called cavity, all of these photons are sent in the same direction. Compared with other methods of single-photon generation the photons are of a very high quality, i.e. their energy varies very little, and the properties of the photons can be controlled. They can for instance be made indistinguishable, a property necessary for quantum computation. On the other hand, up to now, it was not possible to trap a neutral atom in a cavity and at the same time generate single photons for a sufficiently long time to make practical usage of the photons.

In 2005 the team around Prof. Rempe was able to increase the trapping times of single atoms in a cavity significantly by using three dimensional cavity cooling. In the present article they report on results where they have been able to combine this cavity cooling with the generation of single photons in a way that a single atom can generate up to 300,000 photons. In their current system the time the atom is available is much longer than the time needed to cool and trap the atom. Because the system can therefore run with a large duty cycle, distribution of the photons to a user has become possible: The system operates as a single-photon server.

The experiment uses a magneto-optical trap to prepare ultracold Rubidium atoms inside a vacuum chamber. These atoms are then trapped inside the cavity in the dipole potential of a focused laser beam. By applying a sequence of laser pulses from the side, a stream of single photons is emitted from the cavity. Between each emission of a single photon the atom is cooled, preventing it from leaving the trap. To show that not more than one photon was produced per pulse, the photon stream was directed onto a beam splitter, which directed 50% of the photons to a detector, and the other 50% to a second detector. A single photon will be detected either by detector 1 or by detector 2. If detections of both detectors coincide, more than one photon must have been present in the pulse. It is thus the absence of these coincidences that proves that one and not more than one photon is produced at the same time, which is demonstrated convincingly in the work presented.

With the progress reported now, quantum information processing with photons has come one step closer. With the single-photon server operating, Gerhard Rempe and his team are now ready to take on the next challenges such as deterministic atom-photon and atom-atom entanglement experiments.

بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌های معادل کوانتومی ترانزیستورهایی‌اند که رایانه‌های امروزی را تشکیل داده‌اند. وجه مشترک تمام کیوبیت‌ها آن است که می‌توانند از وضعیتی به وضعیت دیگر سوئیچ شوند تغییر وضعیتی که می‌توان از آن برای نشان دادن دوتایی (صفر و یک) اطلاعات استفاده نمود. کیوبیت‌ها دارای یکی از چهار نوع ذره کوانتومی فوتون، الکترون، اتم و یون می‌باشند. فوتون‌ها با یکدیگر برهم‌کنش خوبی ندارند
ادامه ي مطلب ...

Through photosynthesis, green plants and cyanobacteria are able to transfer sunlight energy to molecular reaction centers for conversion into chemical energy with nearly 100-percent efficiency. Speed is the key – the transfer of the solar energy takes place almost instantaneously so little energy is wasted as heat. How photosynthesis achieves this near instantaneous energy transfer is a long-standing mystery that may have finally been solved. A study led by researchers with the U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and the University of California (UC) at Berkeley reports that the answer lies in quantum mechanical effects. Results of the study are presented in the April 12, 2007 issue of the journal Nature. “We have obtained the first direct evidence that remarkably long-lived wavelike electronic quantum coherence plays an important part in energy transfer processes during photosynthesis,” said Graham Fleming, the principal investigator for the study. “This wavelike characteristic can explain the extreme efficiency of the energy transfer because it enables the system to simultaneously sample all the potential energy pathways and choose the most efficient one.”
ادامه ي مطلب ...