انیشتین در قرن بیست و یک

من به شانس اعتقاد ندارم
اینشتین مدت ها در برابر غرابت و بیگانگی قوانین كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمی بودند مقاومت كرد. نقش تعیین كننده و مهمی كه این قوانین به شانس و عدم قطعیت می دادند با غریزه های او جور در نمی آمد. اما برخلاف مشكلاتی كه با پیامدهای فلسفی فیزیك كوانتومی داشت، در نهایت نقش مهمی در پیشرفت این شاخه بازی كرد. مثلاً در ۱۹۲۵ مقاله ای از ساتیندرانات بوز فیزیكدان هندی درباره آمار فوتونی خواند و فهمید كه اگر اتم ها را بتوان زمانی تا نزدیكی های صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چیز عجیب و غریبی اتفاق می افتد.سال ،۱۹۰۵ اینشتین ۲۶ ساله بود و تلاش می كرد تا پایان نامه دكترایش درباره اندازه مولكول ها را تمام كند. علاوه بر این برای درآوردن خرج زندگی، كارمند اداره ثبت اختراعات سوئیس هم بود و نوآوری های بقیه را ارزیابی می كرد. شاید فكر كنید این كار روزانه، وادارش می كرده تا به كاربردهای عملی تئوری هایی كه در اوقات فراغتش به آنها می پرداخت، فكر كند. اما احتمالاً وقتی داشت ۵ تا از مهمترین مقاله های زندگی علمی اش را منتشر می كرد به خیالش نمی رسید كه ایده های جدید او درباره ماده، انرژی و زمان در نهایت بتواند به ابداع ابزارهای جدیدی برای پیشرفت صنعت و سلامت بشر بینجامد. اینشتین، نه از مهندسی بدش می آمد، نه آن را دون شأن خودش می دانست ولی خال درشتش، مهندسی نبود. اختراعات شخصی او _ از جمله یخچالی كه هیچ بخش مكانیكی متحركی نداشت و یك پمپ بی نشت _ هیچ وقت به تولید انبوه نرسیدند. مهم هم نیست چون در سال های قرن بیستم، دیگران براساس ایده های رادیكال او _ مثلاً این كه نور، بسته بسته می آید و این بسته ها یك حد جهانی سرعت را به رسمیت می شناسند و انرژی و ماده را می شود به E=MC۲ به هم تبدیل كرد _ گستره وسیع و قابل توجهی از فناوری ها را وارد زندگی بشر كردند. حالا در قرن ۲۱ مهندسین كمر به استفاده از این اصول و قضایای معروف در راه های تازه ای بسته اند كه شاید مهم ترینش طراحی انواع جدیدی از رایانه ها باشد. علاوه بر این آنها به دنبال پیدا كردن كاربردهای عملی برای بعضی از نظریه های كمتر شناخته شده اینشتین هم هستند. مثلاً نانوتكنولوژیست ها دارند ابزارهایی می سازند كه می تواند با بهره گیری از حركت تصادفی مولكول ها _ چیزی كه اولین بار اینشتین در ۱۹۰۵ به درستی توضیحش داد _ فرآیند تحلیل و جداسازی DNA را سریع تر كند. آزمایشگاه های سرتاسر دنیا هم در حال تولید شكل عجیب و غریبی از ماده ای اند كه اینشتین در یكی از آزمایش های ذهنی اش به سال ۱۹۲۵ وجودشان را پیش بینی كرده بود. از این گله های همدوس اتم های فوق سرد _ كه همتای مادی پرتوهای لیزر به حساب می آیند _ می توان در ساخت ساعت های اتمی قابل حمل، ژیروسكوپ های بسیار دقیق ناوبری و حسگرهای گرانشی كه به كار كشف رگه های معدنی و میدان های نفتی می آیند، استفاده كرد. در این مقاله، به توضیح ۳ مورد از جدیدترین و هیجان انگیزترین كاربردهایی كه از تئوری های اینشتین و البته آزمایشگاه های تحقیقاتی بیرون آمده اند، می پردازیم. البته مسلم است كه با این روند باید چشم به راه ابداعات و نوآوری های بیشتری از این نوع در سال ها و دهه های آینده بود. هر چند نزدیك به یك قرن از زمانی كه این فیزیكدان بزرگ شروع به ارائه ابزارهای ریاضی بهتری برای توصیف جهان كرد می گذرد، اما به نظر می رسد فهرست وسایل مفید و با ارزشی كه مخترعان با هوش می توانند از این تئوری ها بیرون بیاورند، پایانی ندارد.
• نسبیت برای اسپین ها
تنها رایانه ای كه اینشتین برای ارائه نظریه نسبیت خاصش در ۱۹۰۵ از آن استفاده كرد، همانی بود كه داخل جمجمه اش داشت. از خیلی جهات آن ماشین بیوشیمیایی به مراتب تواناتر از هر رایانه الكترونیكی بود و مطمئناً هنوز هیچ ریزپردازنده نیمه رسانایی ساخته نشده كه بتواند با چگالی و بازده انرژی مغز انسان برابری یا رقابت كند. همان اندامی كه تقریباً یك میلیون میلیارد المان پردازشی را در بافتی یك كیلوگرمی جا داده و توان مصرفی و گرمای تولیدی اش از یك پردازنده پنتیوم چهار كمتر است. تولید گرما و مصرف انرژی، امروزه جدی ترین موانع صنعت نیمه رسانا در راه ساختن ریزتراشه های قدرتمندتر و با قیمت ثابت به حساب می آیند. در ۲۰ سال آینده پیشرفت پردازنده های دیجیتال سیلیكونی به مرزهای بنیادی فیزیك و اقتصاد خواهد رسید و آن موقع، تراشه سازها مجبور می شوند به طرح هایی روی بیاورند كه از اصول و قضایای فیزیكی متفاوتی- مثل نسبیت خاص- برای كار بهره بگیرند. شاید این، تركیب غریبی به نظر بیاید. نسبت خاص درباره حركت در سرعت های بالا است كه در آن اینشتین برای اولین بار، برداشت های مطلق از مفاهیم زمان و ایستایی را كنار گذاشت. تنها چیزی كه مطلق باقی ماند C بود یعنی سرعتی كه نور، فضای تهی را با آن می پیماید.این نظریه، پیامدهای عجیب و غریبی برای هر جسم سریع (نسبت به ناظر) دارد. مثلاً طول جسم كوتاه می شود، گذشت زمان را با آهنگ كندتری در مقایسه با ناظر، احساس می كند و اگر در یك میدان الكتریكی ایستا در حال حركت باشد، میدان را كمی مغناطیسی می بیند. البته این اثرات نسبیتی، معمولاً خیلی جزیی و كوچك هستند. مگر این كه سرعت جسم به كسر قابل توجهی از سرعت نور- كه حدود ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه است- برسد.با این معیار، حتی لپ تاپ ها و رایانه های جیبی هم خیلی سریع حركت نمی كنند ولی وضعیت برای الكترون های داخلشان متفاوت است. اوایل سال گذشته گروهی از فیزیكدانان دانشگاه سانتا باربارا در كالیفرنیا به رهبری دیوید آوشالوم، روش جدیدی ابداع كردند كه در آن می توان به كمك نسبیت، الكترون های سریع داخل نیمه رساناها را وا داشت تا كارهای جدید و خارق العاده ای بكنند.كار، هنوز در مراحل ابتدایی است. چیزی در مایه های ساخت اولین گیت منطقی نیمه رسانا در ۴۰ سال پیش. ولی اگر مهندسان بتوانند روشی برای كنار هم چیدن میلیون ها گیت نسبیتی روی یك تراشه سیلیكونی كوچك پیدا كنند- چیزی كه آوشالوم به همراه گروه های تحقیقاتی انیتل و هیولت پاكارد روی آن كار می كند- نتیجه اش می تواند پردازنده هایی خیلی سریع تر از مدل های كنونی باشد كه توان بسیار كمتری نیاز دارند و گرمای به مراتب كمتری هم آزاد می كنند. جالب تر از این، تراشه های نسبیتی می توانند منطقی را به خدمت بگیرند كه خیلی پیچیده تر از عملیات دودویی مورد استفاده در رایانه های امروزی است. این قطعات جدید، حتی قادرند الگوی اتصالات داخلیشان را بهینه سازی كنند و تقریباً در لحظه، به مداری كه برای كار موجود طراحی شده، تبدیل شوند. موبایلی را تصور كنید كه می تواند آرایش مدار فرستنده گیرنده اش را برای استفاده از هر شبكه مخابراتی در دنیا تغییر بدهد و با فشار یك دكمه، پردازنده اش را برای ترجمه كلام از یك زبان به زبان دیگر از نو برنامه ریزی كند. تراشه هایی مانند این را به احتمال زیاد می شود در كارخانه های ریزپردازنده كنونی ساخت. محتوای جادویی، یك ماده جدید نیست، بلكه فیزیك مدرن است. یعنی رفتارهایی كه با نظریه های نسبیت و مكانیك كوانتومی توصیف می شود.
• جاذبه مغناطیسی
ریزتراشه های نیمه رسانای رایج، براساس نظریه های كلاسیك الكترومغناطیس _ كه به قرن ۱۹ برمی گردد _ عمل می كنند. به طور خلاصه، یون های سریع به ورقه های سیلیكونی می خورند و جزیره های كوچكی كه مازاد یا كمبود الكترون دارند به وجود می آورند. ولتاژهایی كه با الكترودهای میكروسكوپی واقع در اطراف این جزایر به آنها اعمال می شود، الكترون ها را به طرفشان هل می دهد یا از آنها بیرون می راند. به این ترتیب، گیت های منطقی بازوبسته و جریان الكتریكی گذرنده از آنها، تنظیم می شود. مسئله همین جا است، پرت كردن و هل دادن تعداد زیادی الكترون به اطراف، دقت چندانی ندارد (بعضی از آنها در جهت های تصادفی به اطراف پرتاب می شوند و انرژی را هدر می دهند) و تعداد زیادی برخورد گرمازا به وجود می آورد. حالا بیشتر از یك دهه است كه فیزیكدان ها روی روش هوشمندانه تری كار می كنند: استفاده از نیروهای مغناطیسی به جای میدان های الكتریكی برای كنترل الكترون ها. مایكل فلاتی فیزیكدان دانشگاه آیوا می گوید این روش عملی است: «چون الكترون ها طوری رفتار می كنند كه انگار یك آهن ربای میله ای كوچك، با خودشان دارند.» آهن ربا، قطب شمال و جنوب دارد، همان طور كه زمین دور محور گذرنده از قطب هایش می چرخد، الكترون هم دارای یك جهت گیری مغناطیسی است، یك ویژگی كوانتومی كه فیزیكدان ها اسم «اسپین» را رویش گذاشته اند. البته ذرات بنیادی، مثل الكترون، واقعاً نمی چرخند اما مثل ژیروسكوپ های كوچك رفتار می كنند. اگر به یك الكترون، میدان مغناطیسی وارد كنید، قطب هایش شروع به حركت تقدیمی می كنند (یعنی خودمحوری روی یك دایره می چرخد) و اگر میدان را بردارید، اسپین الكترون دوباره ایستا باقی می ماند («اسپین الكترون» را ببینید). فلاتی می گوید: «با استفاده از این اثر، می توان جهت اسپین را از بالاسو به پایین سو چرخاند و ارزش بیت اطلاعاتی آن الكترون را از یك به صفر تغییر داد.» در حالی كه در الكترونیك، اطلاعات با تغییر تعداد و انرژی الكترون ها در مدار جابه جا می شود، دانش نوپای «اسپین ترونیك» اطلاعات را در جهت گیری الكترون ها مخفی می كند و عملیات منطقی را به جای جابه جا كردن الكترون با چرخاندن اسپین آن به این سو و آن سو انجام می دهد. سال گذشته، شركت موتورولا تولید انبوه تراشه های حافظه اسپین ترونیك را با نام MRAM (رم مغناطیسی) آغاز كرد. برخلاف حافظه های رایانه ای رایج، تراشه های MRAM با قطع و وصل برق، اطلاعاتشان را از دست نمی دهند، چون اسپین الكترون به سادگی جهتش را تا برگشتن جریان، حفظ می كند.دستگاه های اسپین ترونیك با باتری ها هم سازگارترند چون چرخاندن اسپین ها، توان خیلی كمی مصرف می كند و به خاطر ویژگی حفظ اسپین، می شود تراشه را در فاصله بین چند عملیات، خاموش كرد. تغییر اسپین الكترون، انرژی جنبشی ذره را افزایش نمی دهد و بنابراین مدار، تقریباً هیچ گرمایی تولید نمی كند. فرآیند هم فوق العاده سریع است: وسایل آزمایشی ساخته شده، توانسته اند اسپین الكترون ها را در عرض چند پیكو ثانیه (۱۲-۱۰ ثانیه) سروته كنند! البته تا همین چند وقت پیش همه وسایل اسپین ترونیك به فلزات فرومغناطیس پیش احتیاج داشتند كه خیلی با تكنیك های جاری تولید ریزتراشه ها همخوانی ندارد. آوشالوم می گوید: «تصور اینكه چطور می شود آهن رباهای كوچكی در میلیون ها نقطه یك تراشه ساخت و هر كدام را جداگانه كنترل كرد، كار سختی است. غیرممكن نیست اما مشكل است. خیلی بهتر خواهد بود اگر بتوانیم از میلیاردها دلار ثروت سرمایه گذاری شده در فناوری موجود گیت سازی الكترونیك، استفاده كنیم و به جای میدان مغناطیسی، میدان های الكتریكی را برای بازی با اسپین ها به كار بگیریم.»
• از بیت ها تا فیت ها
اینجاست كه پای اینشتین و تئوری هوشمندانه اش _ اینكه الكترون سریع، یك میدان الكتریكی را تا حدی مغناطیسی می بیند _ وسط می آید. در تحقیقاتی كه نتایجش ژانویه سال گذشته منتشر شد، گروه آوشالوم نشان داد كه روی هم نشاندن دو نیمه رسانای اندكی متفاوت در تركیبات، تراشه را طوری تحت تاثیر قرار می دهد كه یك میدان الكترونیكی درونی، در آن ایجاد می شود. این میدان، مناطق قوی و ضعیفی دارد كه مثل حصار عمل می كنند و الكترون های در حال گذر از نیمه رسانا را به دام می اندازند. به خاطر نسبیت، میدان الكتریكی از دید الكترون های در حال عبور، كمی مغناطیسی به نظر می آید و بنابراین اسپین الكترون ها درست مثل یك ژیروسكوپ، شروع به چرخیدن می كند. در مقاله ماه ژانویه، همین گروه توضیح داده بود كه چطور می شود از پالس های نور لیزر، علاوه بر اندازه گیری اسپین الكترون های ورودی برای هم خط كردن جهت گیری آنها هم استفاده كرد و به این ترتیب، بیت های اسپین ترونیكی را به وجود آورد. این طور كه آوشالوم می گوید: «قدم بعدی، ساختن این بیت ها، جابه جا كردن، ردیابی و تشخیصشان در یك وسیله الكتریكی است. گام اساسی و مهمی است اما حالا آن را برداشته ایم. این وسیله از همان ولتاژهای كوچكی كه الان در تراشه های رایانه ای به كار می رود، استفاده می كند. وقتی الكترون ها به بخش تحت تنش نیمه رسانا (همان جا كه میدان الكتریكی شكل می گیرد) برخورد می كنند اسپین شان آناً قطبیده می شود. از این به بعد ما می توانیم با روشن و خاموش كردن الكترودهای گیت، جهت اسپین الكترون ها را به صورت همدوس عوض كنیم. اینجا «همدوس» كلمه كلیدی است چون همین مفهوم است كه قابلیت های شگفت آور تراشه های اسپین ترونیك را زیاد می كند و آنها را از بیت ها (رقم های دودویی صفر و یك)، به فیت ها _ یعنی رقم های فازی كه می توانند طیف گسترده تری از مقادیر را اختیار كنند _ می رساند. به زبان ساده، فاز یك الكترون همان جهت اسپین آن است كه می توان مثل سوزن یك قطب نما تصورش كرد: اگر یك ریزتراشه بتواند الكترون های با اسپین رو به شمال، جنوب، شرق و غرب را از هم تشخیص بدهد، آن وقت به هر فیت می توان یكی از اعداد صفر، یك، ۲ یا ۳ را بسته به جهت اسپین متناظرش نسبت داد. باز هم از آوشالوم بشنوید: «هرچه فاز اسپین را با دقت بیشتری بتوانید تعیین كنید، چگالی ذخیره اطلاعات بالاتر می رود. به عبارت دیگر، اینكه این چگالی ۵۰ برابر شود یا ۱۰۰۰۰ برابر، بستگی به آن دارد كه زاویه اسپین را با چه دقتی بتوانید بخوانید. خوشبختانه با استفاده از نتایج چندین دهه كار بر روی تكنیك تصویربرداری با تشدید مغناطیسی (MRI) - كه اسپین هسته اتم ها را ردیابی می كند- می دانیم كه چطور این زاویه را خیلی دقیق اندازه بگیریم.با این وجود فلاتی خاطرنشان می كند: «هنوز یك ترانزیستور اسپینی كامل كه كار بكند، ساخته نشده است. فایده ترانزیستورها در مدار این است كه سیگنال ها را تقویت می كنند و به این ترتیب به آنها اجازه می دهند بدون افت از گیت های پرتعداد یك ریزپردازنده عبور كنند. هر چند انواع اسپین ترونیك آنها هنوز وجود خارجی ندارد. اما مطمئناً به زودی سروكله شان پیدا خواهد شد و محققان از همین حالا مشتاقانه برای كارهایی كه می شود با آنها كرد، نقشه می كشند.سال گذشته اینولدكخ و همكارانش در موسسه الكترونیك حالت جامد در برلین طرحی از یك المان منطقی اسپین ترونیك منتشر كردند كه قادر است تحت كنترل نرم افزار فعالیتش را تغییر بدهد. یعنی مثلاً در یك زمان نقش گیت AND بومی را بازی كند و چند نانوثانیه بعد به یك گیت OR یا NOR یا NAND تبدیل شود. رایانه هایی كه در حال فعالیت خودشان را دوباره مداربندی می كنند و اتصالات داخلی شان را تغییر می دهند، به واقع می توانند بسیار قدرتمند ظاهر شوند. كخ اخیراً توانست یك جمع كننده كامل _ رایج ترین نوع از اجزای منطقی رایانه ها _ را فقط با استفاده از ۴ المان منطقی اسپینی به جای ۱۶ ترانزیستور الكترونیكی كه معمولاً برای این كار لازم است، طراحی كند. توان مصرفی و فضای اشغال شده به وسیله این نمونه اسپین ترونیكی به ترتیب ۸۵ و ۷۵ درصد كمتر از معادل الكترونیكی اش خواهد بود و با همان سرعت طرح های سیلیكونی فعلی كار خواهد كرد. مهندسان هنوز راه زیادی تا استفاده از نسبیت به عنوان ابزاری برای طراحی مدارهای اسپین ترونیكی پیش رو دارند. اما وقتی راه موجود هر روز با موانع جدید، بسته تر و صعب العبورتر می شود، فناوری های اینشتینی می تواند مسیر كاملاً تازه ای برای صنعت رایانه باز كند.
•یك ولگردی سودمند
اینشتین بیشتر از همه به خاطر نظریاتش درباره چیزهای بزرگ معروف است: سرعت نور، سرنوشت جهان و چیستی زمان. ولی در ۱۹۰۵ مولكول های كوچك هم توجه اش را جلب كردند. همان سال در پایان نامه دكترایش تخمین های قبلی درباره اندازه این ذرات را بهتر كرد و در مقاله دیگری قوانین ریاضی حاكم بر حركت براونی را به دست آورد. حركت براونی همان پدیده میكروسكوپی است كه از زمان كشفش در ۱۸۲۷ به وسیله رابرت براون دانشمندان را در توصیفش گیج كرده بود. براون گیاه شناس متوجه شده بود كه ذرات ریزی مثل دانه های گرده گیاهان به صورت درهم و برهم و آشوبناكی حركت می كنند. (ستون «حركت مولكول ها» را ببینید) آسان ترین توضیح آن بود كه این ذرات زنده اند ولی براون نشان داد كه حتی ذرات پودر سنگ هم در آب همین حركات را از خودشان نشان می دهند. تا آغاز قرن بیستم بعضی از نظریه پردازان فكر می كردند كه نیروهای الكتریكی ذرات را این طرف و آن طرف می راند. در حالی كه سایرین از ایده هایی مثل تبخیر، همرفت، تاثیر نور و چیزهای دیگر طرفداری می كردند. اینشتین می گفت ذره معلق در مایع به خاطر آنكه مولكول های مایع از همه سو با آن برخورد می كنند، این سو و آن سو می رود. در واقع معنی حرفش آن بود كه این پدیده یك سند محكم برای نظریه بحث برانگیزی است كه گرما را همان حركت تصادفی مولكول ها می داند. اینشتین در مقاله اش بعضی از رابطه های بنیادی ریاضی حاكم بر حركت براونی را هم به دست آورده بود. بعداً معلوم شد كه آن شاخه از ریاضیات اتفاقاً در تحلیل بازارهای بورس پیش بینی اینكه مواد چطور در مایعات یا گازها پخش می شوند و طراحی صافی های براونی سفید واقع می شود. مورد اخیر _ یعنی صافی های براونی _ با استفاده از این واقعیت ساده كه در حركت براونی ذرات ریز بیشتر از ذرات درشت، جابه جا می شوند، می توانند جنب وجوش های تصادفی ذرات را به كار مفید تبدیل كنند. كاری مثل طبقه بندی ویروس ها براساس اندازه یا حذف آلاینده های آب. دو سال پیش مهندسان موفق شدند دو نمونه از چنین وسایلی را با استفاده از تكنیك هایی شبیه آنها كه در ساخت ریزتراشه ها به كار می رود، بسازند. اول جیمز سی آشتورم و همكارانش در دانشگاه پرینستون یك صافی براونی ساختند.آنها كانالی درون یك ورقه سیلیكونی ایجاد كردند كه داخلش در فاصله های مساوی، ستون هایی به عرض ۶ و ارتفاع ۳ میكرون داشت. ستون ها با دیواره كانال زاویه ۴۵ درجه می سازند و طوری قرار گرفته اند كه وقتی مایع از درون كانال عبور می كند، ذرات معلق در آن با برخورد به ستون ها به سمت راست منحرف می شوند. هر چه ذره كوچكتر باشد، بیشتر ورجه و ورجه می كند و بنابراین مسیر كلی اش مرتباً بیشتر و بیشتر به راست منحرف می شود. در آزمایش هایی كه نتایجش دسامبر دو سال پیش منتشر شد، اشتورم مخلوطی از آب و DNA دو نوع ویروس مختلف را از درون كانال گذراند و مشاهده كرد كه همین ساختار ساده قادر است دو نوع DNA را با دقت خیلی خوبی از هم جدا كند. با استفاده از این فناوری اینشتین می توان زمان لازم برای جدا كردن نمونه های بزرگ DNA را تا دوسوم كاهش داد. روشی كه احتمالاً ارزان تر و جمع و جورتر از وسایل موجود است. سوون ماتیاس و فرانك مولر هم نوع متفاوتی از صافی های براونی را در موسسه فیزیك ماكس پلانك در واینبرگ آلمان ساخته اند كه بیشتر به یك اسفنج شبیه است. هزاران كانال موازی، ورقه نازكی از سیلیكون را سوراخ سوراخ كرده اند و هر كدام با الگویی مشابه گردن یك بطری، پهن و باریك می شوند. ماتیاس و مولر صافی شان را وسط ظرفی با دهانه هم اندازه كه پر از آب و دانه های پلاستیكی میكروسكوپی بود، محكم كردند. كف ظرف مرتباً بالا و پایین می رفت و با موج هایش آب را در كانال ها جلو و عقب می راند. وقتی دانه های پلاستیكی به طرف داخل كانال ها جریان پیدا می كردند، حركت براونی شان در قسمت گردن مانند كانال آنها را به دیواره كانال فشار می داد و مانع بیرون رفتن مجددشان همزمان با تغییر جهت جریان می شد. به تدریج تقریباً همه دانه ها در كانال های صافی به طرف قسمت بالایی ظرف حركت می كردند و در پایین آبی تمیز باقی می گذاشتند. از آنجا كه این صافی را می توان در اندازه های بزرگ ساخت، این روش راه تازه ای برای جدا كردن آلاینده های جامد، مثل دوده ویروس ها یا اجزای سلولی، از یك جریان پیوسته آب جلوی روی مهندسان باز می كند.
•پیش گویی با چكه های اتمی
اینشتین مدت ها در برابر غرابت و بیگانگی قوانین كوانتوم، كه حكمرانان عصر اتمی بودند مقاومت كرد. نقش تعیین كننده و مهمی كه این قوانین به شانس و عدم قطعیت می دادند با غریزه های او جور در نمی آمد. اما برخلاف مشكلاتی كه با پیامدهای فلسفی فیزیك كوانتومی داشت، در نهایت نقش مهمی در پیشرفت این شاخه بازی كرد. مثلاً در ۱۹۲۵ مقاله ای از ساتیندرانات بوز فیزیكدان هندی درباره آمار فوتونی خواند و فهمید كه اگر اتم ها را بتوان زمانی تا نزدیكی های صفر مطلق سرد كرد و كنار هم نگه داشت، چیز عجیب و غریبی اتفاق می افتد. اثرات كوانتومی اتم ها را مجبور می كند تا موقتاً به صورت نوعی ابراتم متراكم شوند. به عبارت دیگر گروه اتم ها، همان گونه آرایش پیدا می كند كه فوتون های یك باریكه لیزر.لیزرها، ابزارهای سودمندی از كار درآمده اند و دلایل خوبی هست كه «لیزرهای اتمی» هم به همین اندازه كارا خواهند بود. اما ماده چگالیده بوز- اینشتین (اسمی كه به این چكه های فوق سرد اتمی اطلاق می شود) بیشتر از ۷۰ سال به صورت یك پیش بینی هوشمندانه باقی ماندند. در ژوئن ۱۹۹۵ اریك كرنل و كارل ویمن از موسسه JILA در بولدر، بالاخره توانستند كاری كنند كه ۲۰۰۰ اتم روبیدیوم _ همان طور كه اینشتین پیش بینی كرده بود- كنار هم بنشینند. ۶۰ سال بعد، این دو به همراه ولفگانگ كترل از MIT برای كارشان نوبل گرفتند.حالا كرنل و دانش جویانش در JILA آخرین قدم ها را برای كامل كردن تراشه ای برمی دارند كه می تواند این مواد چگال را روی سطحش هدایت كند. تراشه كرنل، چكه های اتمی را به روشی می شكافند و دوباره تركیب می كنند كه با استفاده از آن می توان شتاب و چرخش را حتی با حساسیت بیشتری نسبت به فناوری های مبتنی بر لیزر، ثبت و اندازه گیری كرد. چیزی كه خودشان اسم تداخل سنج اتمی را رویش گذاشته اند. به قول كرنل «می توانید یكی از اینها را در شكم هواپیما بگذارید و با آن تغییرات كوچك در شدت و جهت گرانش را اندازه بگیرید. این افت و خیزهای ریز شتاب گرانش، نشان دهنده چیزهایی است كه چون در عمق زیاد زمین یا آب قرار دارند نمی توانید آنها را ببینید. چیزهایی مثل میدان های نفتی، رگه های معدنی، غارها و حتی تونل ها و صخره های زیرزمینی» این طور كه كرنل ادامه می دهد: «تداخل سنج های اتمی قادرند دقت بهترین حسگر چرخشی حاضر، یعنی ژیروسكوپ های مكانیكی را هم ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ بار بهتر كنند. یك ژیروسكوپ خوب بیشتر از هر چیزی به درد تعیین موقعیت می خورد. البته با وجود شبكه ماهواره ای GPS (تعیین موقعیت جهانی) این مسئله حل شده به نظر می رسد. ولی اگر قرار باشد شما مدت زیادی توی یك قوطی تیتانیومی زیر آب بمانید و هیچ صدایی هم از خودتان درنیاورید یك ژیروسكوپ خوب به كارتان می آید. موقعیتی كه اتفاقاً نیروی دریایی زیاد با آن سر و كار دارد. «اشاره كرنل به كاربردهای نظامی قضیه است. جاهایی كه سینگال های GPS به طریقی بلوكه و متوقف می شوند. اما نیاز به سیستم های ناوبری دقیق، همچنان وجود دارد. همان طور كه از اسمش برمی آید یك تداخل سنج اتمی، همانند مشابه نوری اش دو گروه اتم همدوس را روی هم می اندازد و الگوی تدافعی حاصل را بررسی می كند، مثل همه چیزهای كوانتومی، ماده چگالیده بوز _ اینشتین هم رفتار دوگانه موجی _ ذره ای از خودش نشان می دهد. وقتی یك مجموعه تراكم و همدوس اتمی دو تكه می شود، تكه ها حركتشان را با طول موج و فاز یكسان آغاز می كنند. حالا اگر این دو قسمت، مسیرهای مختلفی را طی كنند یكی از آنها در فاز از دیگری عقب می افتد. بنابراین زمانی كه دو تكه بعد از طی مسیر، دوباره به هم می رسند قله ها و دره های موجشان روی هم می افتد و یك الگوی رشته رشته مانند به وجود می آورد كه در آن مناطقی كه شامل تعداد زیادی اتم هستند با مناطق تقریباً خالی از هم جدا شده اند. كترل و مارك كازویچ از دانشگاه استنفورد به همراه عده ای دیگر به تازگی موفق شده بودند، تداخل سنج های اتمی واقعی بسازند ولی دستگاهشان بیشتر حجم یك اتاق را پر می كند. چون مجموعه های متراكم اتمی (یا همان چكه ها) باید در حال سقوط آزاد درون یك اتاقك خلاء بزرگ، شكافته و بازتركیب شوند. مدل هایی كه كرنل و دانا اندرسون رویش كار می كنند، خیلی جمع و جور تر از آب درخواهد آمد.«با هدایت اتم ها می توان اندازه تداخل سنج را تا یك تراشه كوچك كاهش داد.» این حرف را یكی از دانشجویان كرنل به اسم ینیگ جووانگ در حالی كه به تكه ای شیشه در حد و اندازه اسلاید میكروسكوپ اشاره می كند، می زند. دو نوار موازی و نازك طلایی از وسط اسلاید می گذرند و چیزی شبیه یك راه آهن كوچك به وجود می آورند. جریان الكتریكی هم جهت و هم اندازه از نوار ها می گذرد و یك میدان مغناطیسی ایجاد می كند كه مقدارش در وسط دو نوار صفر است وانگ می گوید: «اتم های دوبیدیومی كه استفاده می كنیم، دوست دارند در ضعیف ترین قسمت میدان مغناطیسی بمانند. بنابراین ناحیه وسط دو نوار مثل یك كانال برای آنها عمل می كند كه از آن بیرون نمی آیند.» كمی جلوتر خط آهن طلایی به یك تقاطع Y شكل می رسد كه همان شكافنده است. وانگ ادامه می دهد: «اینجا یك موج ایستاده از نور لیزر به وجود می آوریم كه نیمی از اتم های مجموعه چگالیده را به راست و نیمی را به چپ می فرستد. حدود ۳۰۰ میكرون جلوتر، تكه ها دوباره به موج های ایستاده ای برخورد می كنند كه مانند آینه اتم ها را برعكس بار اول منحرف می كند. كمی بعد از این انحراف تكه ها به هم می رسند، بر هم نهاده می شوند و تداخل می كنند. در این جا یك دوربین مخصوص محل رشته های اتمی ایجاد شده را ثبت می كند.» هر چند اندازه تجاری مناسب برای تداخل سنج چیزی حدود كف دست است اما این دستگاه با متعلقاتش هنوز یك میز آزمایشگاه را پر می كند. كرنل می گوید: «خیلی از بخش های طرح ما هنوز هم جای كوچك شدن دارند اما بعضی ها هم این طور نیستند. مثل سیستم های سردكننده لیزری كه اتم ها را از دمای اتاق به چند میلیاردیم درجه بالاتر از صفر مطلق می رساند.» بنابراین یك ژیروسكوپ اتمی ممكن است نهایتاً در ساعت مچی یا تلفن همراه جا نشود اما تا استفاده از آن در هواپیماها و زیردریایی ها، راه زیادی باقی نمانده است. از این گذشته اگر سرگذشت لیزر، معیار خوبی باشد، كارآفرینان آینده، كاربردهای بیشتری برای این حالت جدید ماده پیدا خواهند كرد. خیلی بیشتر از آنچه دانشمندان حالا بتوانند تصورش را بكنند.
منبع:۲۰۰۴ Scientific American, Sep
وایت گیبس
ترجمه: احسان لطفی

منبع : روزنامه شرق