تبلیغات
زنگ علوم من - سردتر از زمهریر
گم شده مومن، علم است. هر موقع یكی را فرا گیرد به سراغ مطلوب دیگری می رود.
تاریخ : پنجشنبه 12 بهمن 1391
نویسنده : سانایی
سردتر از زمهریر
 هر سال با آغاز فصل سرما در گزارش‌های هواشناسی از دماهای پایین‌تر از صفر درجه سلسیوس صحبت می‌شود و شنوندگان را به یاد یخبندان دوباره معابر عمومی و سوز و سرمای بی رحم صبحگاهی می‌اندازد.

ولی اگر واحد سلسیوس را كنار بگذاریم و اندازه‌‌گیری را در واحد كلوین انجام دهیم، خبر رسیدن به دمای منفی بدون تردید دانشمندان را از جا خواهد كند و به مرز تردید و شگفتی خواهد برد؛ كاری كه اخیرا محققان دانشگاه مونیخ آلمان موفق به انجام آن شدند. اما دلیل این شگفتی چیست؟

از نظر علمی، دمای یك گاز با مقدار حركت نامنظم ذرات آن رابطه مستقیم دارد. هرچه انرژی حركتی ذرات گاز بیشتر باشد و ذرات با انرژی بیشتری به یكدیگر برخورد كند، دماسنج دمای بیشتری را نشان می‌دهد و هر چه گاز را سردتر كنیم و انرژی حركتی ذرات آن را بگیریم، ذرات، آهسته‌تر حركت می‌كند و بی‌نظمی حركت آنها كاهش می‌یابد.

اگر سرد‌كردن ماده با همین روش ادامه یابد و حركت ذرات كندتر شود، به نقطه‌ای می‌رسیم كه ذرات همه انرژی حركتی خود را از دست می‌دهند و بدون حركت در جای خود ثابت می‌مانند. این نقطه سردترین دمای ممكن است و چون گرمایی وجود ندارد كه از ذرات گرفته شود، نمی‌توان جسم را سردتر كرد. در مقیاس كلوین، به این حد نهایی سردی ماده، صفر مطلق یا صفر كلوین می‌گویند و برابر است با 15‌‌‌/‌‌‌273‌ـ‌ درجه سلسیوس. حالا می‌دانیم كه چرا پذیرفتن خبر دستیابی به دماهای منفی صفر درجه كلوین این قدر مشكل است. بنابراین روزی كه گزارش هواشناسی دمای هوا را 3‌ـ‌ درجه اعلام می‌كند، دما در مقیاس كلوین 270+ درجه است. كمترین دماهایی كه دانشمندان توانسته‌اند به آن دست پیدا كنند چند هزار میلیونیم درجه بالای صفر مطلق بوده است.

اما در دماهای نزدیك به صفر مطلق ذرات گاز در چه شرایطی قرار دارد؟ اگر ذرات را به تیله‌های شیشه‌ای و سطح انرژی را به سطحی دارای پستی و بلندی تشبیه كنیم، در این دما بیشتر ذرات در پستی‌ها و با كمترین انرژی و درصد كمتری از آنها در دامنه‌ها و بر بالای بلندی قرار می‌گیرد. توجه داشته باشید كه هنوز تا صفر مطلق فاصله اندكی داریم؛ بنابراین ذرات هنوز مقدار ناچیزی انرژی حركتی دارد و به آرامی در جای خود حركت می‌كند. این مدل توزیع ذرات، توزیع بولتسمان نامیده می‌شود.

اگر در این حالت بتوانیم گاز را سردتر كنیم همه ذرات در عمق پستی‌ها بدون هیچ حركتی ثابت می‌ماند. اگر گاز را گرم كنیم، ذرات انرژی گرمایی را جذب می‌كند و به جنب و جوش می‌افتد. با افزایش انرژی حركتی، ذرات كم‌كم از پستی‌ها بیرون می‌آید و با استفاده از انرژی به دست آمده از بلندی بالا می‌رود. بی‌نظمی ذرات در این حالت با گذشت زمان افزایش می‌یابد. این روند معمول تبادل انرژی گرمایی و تاثیر آن بر ذرات است.

در این آزمایش چه گذشت؟

در این آزمایش، دانشمندان حدود صد هزار اتم پتاسیم را در اتاقك خلأ تا چند هزار میلیونیم درجه بالای صفر مطلق سرد می‌كنند. حركت ذرات به قدری كند می‌شود كه می‌توان آنها را با پرتوهای لیزر و آهنرباهای ویژه به دام انداخت. خلأ كامل از هرگونه واكنش گرمایی ذرات با محیط جلوگیری می‌كند.

پرتوهای لیزر یك شبكه نوری ایجاد می‌كند كه ذرات با نظم خاصی در آن قرار می‌گیرد. انرژی جنبشی این ذرات درون خانه‌های شبكه محدود می‌شود و هر ذره می‌تواند فقط مقدار محدودی انرژی دریافت كند؛ محدودیت مشابهی هم بر انرژی پتانسیل كل گاز اعمال می‌شود. در حالت معمول اتم‌ها یكدیگر را دفع می‌كند و فشار گاز را مثبت نگه می‌دارد.

دانشمندان در گام بعدی به وسیله لیزر و آهنرباهای موجود، میدان مغناطیسی را به گونه‌ای دستكاری می‌‌كردند كه اتم‌های گاز شروع به جذب یكدیگر ‌كنند. انتظار داریم در این حالت، نیروی جاذبه ایجاد شده میان اتم‌ها آنها را به یكدیگر بچسباند و گاز دچار فروپاشی شود.

لحظه شگفتی فرا رسیده و گاز به جای این‌كه دچار فروپاشی شود، به طور ناگهانی همه ذرات خود را در بالاترین حد انرژی ممكن قرار می‌داد. در زمان كوتاهی همه اتم‌ها به حد نهایی انرژی خود می‌رسید. در این شرایط تقریبا همه گلوله‌های شیشه‌ای مدل فرضی‌مان در بالای تپه قرار گرفت و بی‌نظمی كاهش یافت و كاهش بی‌نظمی یعنی كاهش دما. در واقع در این حالت مدل توزیع بولتسمان برعكس شده و ذرات درحالی‌ ‌كه در بالاترین سطح انرژی قرار دارد به دلیل نبود ارتباط با محیط قادر به از دست دادن انرژی نیست.

ذرات دیگر هم درست همین حالت را دارد، بنابراین انرژی از یك ذره به ذره دیگر هم منتقل نمی‌شود. این حالت كوانتومی عجیب، فشار گاز را منفی می‌كند و با ایجاد نیروی ضد جاذبه مانع فروپاشی آن بر اثر نیروی جاذبه می‌شود.

اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد كه در این شرایط سیستم، دمای منفی چندهزار میلیونیم درجه كلوین را تجربه می‌كند. در این حالت نمی‌توانیم از عبارت زیرصفر به‌‌‌جای منفی استفاده كنیم؛ چراكه دمای منفی صفر درجه كلوین از صفر درجه كلوین گرم‌تر است. به هرحال براحتی نمی‌توان با نتایج آزمایش‌های علمی كلنجار رفت و باید پذیرفت كه دنیای شگفتی‌های علم یك‌بار دیگر بر باورهای قراردادی و روزمره ما خط بطلان كشیده است.

در واقع دانشمندان توانسته‌اند پیوستگی دما را شكسته و بدون رسیدن به صفر مطلق از آن عبور كنند و به منفی صفر درجه برسند. این آزمایش را نمی‌توان با آب یا هر ماده معمولی دیگری انجام داد. زمان پایداری این سیستم كوانتومی گازی در دمای منفی بسیار كوتاه و فقط در حد چند صد هزارم ثانیه است.

نتایج این دستاورد جدید علمی

سیستم دمای منفی در تعامل با یك جسم گرم‌تر از خودش به دلیل تمایل به افزایش بی‌نظمی كه خصوصیت ذاتی همه سیستم‌های گرمایی است، بازهم گرما از دست می‌‌‌دهد تا بتواند ذرات خود را در حالت‌های مختلف انرژی قرار دهد.

در این حالت مجبور نیستیم به ماشین حرارتی انرژی گرمایی تزریق كنیم تا گرم‌تر شود و این گرما را از یك جسم سردتر تامین می‌كنیم. این به معنای دست یابی به ماشینی با بازده بیش از صددرصد بدون نقض قانون پایستگی انرژی است.

دمای منفی و انرژی تاریك

اگر ساختارهای كیهانی مانند خوشه‌های كهكشانی و كهكشان‌ها را به ذرات گاز و نیروی جاذبه را به نیروی كشش ایجاد شده توسط لیزر و آهن رباهای سیستم تشبیه كنیم، معادل نیروی ضد جاذبه‌ای كه با ایجاد فشار منفی مانع فروپاشی گاز شد در عالم هستی انرژی تاریك نام دارد كه مانع فروپاشی عالم هستی بر اثر نیروی جاذبه می‌شود. محققان امیدوارند با استفاده از تشابه یاد شده بتوان سرانجام راهی برای ورود به قلعه مرموز و نفوذناپذیر نیروی غالب عالم هستی یعنی انرژی تاریك بیابند.

مسعود توكلی 




موضوعات مرتبط: دانش , زمین شناسی ,
می توانید دیدگاه خود را بنویسید
What causes pain in the back of the heel? دوشنبه 27 شهریور 1396 08:21 ب.ظ
Hello mates, how is everything, and what you desire
to say concerning this piece of writing, in my view its actually remarkable
designed for me.
What causes burning pain in Achilles tendon? سه شنبه 17 مرداد 1396 05:43 ق.ظ
This design is incredible! You most certainly know how to
keep a reader amused. Between your wit and your videos, I was almost moved to start my own blog (well,
almost...HaHa!) Fantastic job. I really loved what you had to say,
and more than that, how you presented it. Too cool!
Foot Problems دوشنبه 16 مرداد 1396 03:36 ب.ظ
It's actually very difficult in this active life to
listen news on TV, so I only use internet for that purpose, and obtain the latest information.
 
لبخندناراحتچشمک
نیشخندبغلسوال
قلبخجالتزبان
ماچتعجبعصبانی
عینکشیطانگریه
خندهقهقههخداحافظ
سبزقهرهورا
دستگلتفکر
آخرین مطالب