تبليغاتX
صدرا
ان فی اختلاف اللیل و النهار وما خلق الله فی السماوات والارض لایات لقوم یتقون - خداوند بیهوده نیافرید
 نانوحسگرها و انواع آنها

حسگر چیست؟

حسگریک وسیله ی الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازه گیری می کند وآنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می نماید. حسگرها درواقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج وکسب اطلاعات محیطی ونیز داخلی می باشند. ویا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص ازخود واکنشهای پیش بینی شده ومورد انتظار نشان می دهند. شاید بتوان دماسنج را جزء اولین حسگرهایی دانست که بشرساخت . ساختار کلی یک حسگر:درطراحی یک حسگر دانشمندان علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگرشیمیایی یا زیستی عنصرحسگر آن می باشد. عنصرحسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصرمسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه ی پیوند شدن عنصرحسگر با گونه ی موردنظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیرآنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیمها ، گیرنده ها یا کل سلولها می توانند به عنوان عنصر حسگرمورد استفاده قرار گیرند. خصوصیات حسگرها: یک حسگرایده آل باید خصوصیات زیررا داشته باشد :
1 . سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان گونه ی هدف باشد.
2. بسیار اختصاصی نسبت به گونه مورد نظر عمل کند.
3 . قدرت تفکیک و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.
4. تکرارپذیری و صحت بالایی داشته باشد.
5. سرعت پاسخ دهی بالایی داشته باشد ( درحد میلی ثانیه ).
6. عدم پاسخ دهی به عوامل مزاحم محیطی مانند دما ، قدرت یونی محیط و … نانوحسگرها:با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه ی اخیر و درخلال قرن بیستم به وقوع پیوست نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر،کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده می شود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساس اند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می دهند. 

انواع نانو حسگرها:
نانوحسگرها براساس نوع ساختارشان به سه دسته ی نقاط کوانتومی ، نانولوله های کربنی و نانوابزارها تقسیم بندی می شوند: 
1. استفاده از نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها:
نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف می شوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نورمی توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به 80 درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد. 

2. استفاده ازنانولوله ها درتولید نانوحسگرها:
نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله می توان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد.

به طورکلی کاربرد نانو لوله ها در حسگرها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
الف ) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:
این حسگرها می توانند دردمای اتاق غلظتهای بسیارکوچکی از مولکولهای گازی با حساسیت بسیاربالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی شامل مجموعه ای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن ( NO2 ) وآمونیاک ( NH3 ) را آشکارکنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که درمجاورت ppm200 از NO2 قرارداده می شود، می تواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% NH3 هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده ازنانولوله های تک دیواره دارای حساسیت بالایی بوده ودردمای اتاق هم زمان واکنش سریعی دارند. این خصوصیات نتایج مهمی درکاربردهای تشخیصی دارند. 
ب) نانولوله های کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:
هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت می کند، هدایت الکتریکی آن تغییر می یابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملا ً متناسب است. این اندازه گیری به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان می دهد. یا می توان با استفاده از مواد واسط مانند پلیمرها در فاصله ی میان نانولوله های کربنی وسیستم، نانولوله های کربنی را برای ساخت بیوحسگرها توسعه داد. شبیه سازی های دینامیکی نشان می دهد که برخی پلیمرها مانند پلی اتیلن می توانند به صورت شیمیایی با نانولوله کربنی پیوند یابند. همچنین مولکول بنزن نیز می تواند به وسیله ی پیوندهای واندروالس روی نانولوله ی کربنی جذب شود. این تحقیقات کاربردهای بسیار متنوع و وسیع نانولوله ها ی کربنی را نشان می دهد. تحقیق دراین زمینه هنوزدرحال توسعه وپیشرفت است ومطمئنا ً درآینده ای نه چندان دور شاهد به کارگیری آنها درابزارها و صنایع مختلف خواهیم بود. 

3. استفاده ازنانو ابزارها درتولید نانوحسگرها:
با استفاده از این حسگرها شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه ی کشاورزی وغذایی ممکن است. تحقیقات درزمینه ی نانوابزارها جزء پژوهشهای علمی به روز دنیاست.

 نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا:
یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیست، پایش مستمرآلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها پیشرفت مؤثری در زمینه ی کنترل آلودگی هوا صورت گرفته است. یکی از این راهکارها اختراع غبارهای هوشمند می باشد. غبارهای هوشمند مجموعه ای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیارسبک هستند که به راحتی ساعتها درهوا معلق باقی می مانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته می شوند و می توانند ازطریق بی سیم موجود درخود اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی منتقل کنند. سرعت این انتقال حدود یک کیلوبایت در ثانیه است. هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شده اند که می توانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود درمحیط هستند. محققان معتقدند این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی جنگی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در جمعه پنجم اسفند 1390  |
 Bigger Isn't Always Better
Imagine going to the doctor to get treatment for a persistent fever. Instead of giving you a pill or a shot, the doctor refers you to a special medical team which implants a tiny robot into your bloodstream. The robot detects the cause of your fever, travels to the appropriate system and provides a dose of
medication directly to the infected area.


Surprisingly, we're not that far off from seeing devices like this actually used in medical procedures. They're called nanorobots and engineering teams around the world are working to design robots that will eventually be used to treat everything from hemophilia to cancer.

Bigger Isn't Always Better
In 1959, Richard Feynman, an engineer at CalTech, issued a challenge to engineers everywhere. He wanted someone to build a working motor that could fit within a cube 1/64th of an inch on each side. His hope was that by designing and building such a motor, engineers would develop new production methods that could be used in the emerging field of nanotechnology. In 1960, Bill McLellan claimed the prize, having built a working motor to the proper specifications. Feynman awarded the prize even though McLellan built the motor by hand without devising any new production methodologies.



 small and agile enough to navigate through the human circulatory system, an incredibly complex network of veins and arteries. The robot must also have the capacity to carry medication or miniature tools. Assuming the nanorobot isn't meant to stay in the patient forever, it also has to be able to make its way out of the host.

As you can imagine, the challenges facing engineers are daunting. A viable nanorobot has to be


|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه سوم اسفند 1390  |
 حافظت از سلول هاي خورشيدي آلي توسط نانوکامپوزيت ها
تحقيقات نشان مي دهد که پوشش دادن ابزار هاي فتوولتائيک آلي (OPV) با يک پليمر داراي نانولوله هاي بور-نيتريد مي تواند به شکل قابل توجهي عمر ابزار را افزايش دهد. محققاني از دانشگاه ويک فارست (WFU) امريکا و موسسه فناوري هند نشان داده اند که با غلظت نانولوله 1.5 درصد مي توان همراه با شفافيت بسيار خوب در محدوده نور مرئي به مقاومت حرارتي بالا دست پيدا کرد.


OPV ها راهي مقرون به صرفه براي بهره گيري از انرژي خورشيدي هستند. با وجود اينکه ابزار هاي فتوولتائيک پليمردار بازدهي ابزار هاي فتوولتائيک سيليکوني را ندارند، اما به دليل انعطاف پذيري، بر روي زير لايه هاي خم شونده قابل استفاده مي باشند. شرايط کاري نامناسب مانند اکسايش، تماس با رطوبت و واکنش هاي فتوشيميايي عمر OPV ها کاهش مي دهند. ديويد کارول از WFU در اين باره گفت: «حذف پرتو فرابنفش از طيف نور مرئي از طريق پراکندگي و يا جذب مي تواند عمر ابزار پليمري را افزايش دهد».


مواد بور-نيتريد، پرتو فرابنفش را از نور فرودي پراکنده مي کنند. کارول اظهار داشت که استفاده از شکل نانولوله اي به جاي شکل لايه اي ساده موجب مي شود تا مقاومت نوساني افزايش يافته و به تبع آن با بهبود رفتار آنتني، بازدهي فرايند پراکندگي پرتو فرابنفش افزايش يابد.


براي ساخت ابزار مذکور ابتدا پوشش نانوکامپوزيتي نانولوله دار را تهيه مي کنند. سپس ابزار OPV کپسول شکل را ساخته و پس از آزمايش خواص، آن را با نانو کامپوزيت پوشش مي دهند. نشان داده شده است که با وجود پوشش کامپوزيتي، انتقال نور ابزار مذکور براي کل طيف نور مرئي بيش از ۹۳ درصد مي باشد (کمينه مقدار لازم براي ابزار فتوولتائيک ۹۰ درصد است). در نهايت با آزمايش در دما هاي ۵۰-۸۵۰ درجه سانتيگراد مشخص شد که مقاومت حرارتي ابزار هاي کامپوزيتي داراي غلظت بور-نيتريد 1.5 درصد به طرز قابل توجهي بيشتر از گونه هاي بدون کامپوزيت است.


جزييات اين بررسي در نشريه Nanotechnology به چاپ رسيده است.

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه سوم اسفند 1390  |
 انوکامپوزيت‌هاي ديرسوز


با توجه به اين که امروزه حجم وسيعي از کالاهاي مصرفي هر جامعه‌اي را پليمرهايي تشکيل مي‌دهند که به‌راحتي مي‌سوزند يا گاهي در مقابل شعله فاجعه مي‌آفرينند، لزوم تحقيق در خصوص مواد ديرسوز احساس مي‌شود. بر همين اساس، در کشورهاي صنعتي، تلاش گسترده‌اي براي ساخت موادي با ايمني بيشتر در برابر شعله آغاز شده است و در اين زمينه نتايج مطلوبي هم به دست آمده است. 
بر همين اساس و با توجه به تدوين استانداردهاي جديد ايمني، به نظر مي‌رسد استانداردهاي ساخت مربوط به پليمرهاي مورد استفاده در خودروسازي، صنايع الکترونيک،‌ صنايع نظامي و تجهيزات حفاظتي و حتي لوازم خانگي، در حال تغيير به سوي مواد ديرسوز است. 
از طرف ديگر مدتي است که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس به عنوان موادي با خواص مناسب مثل تأخير در شعله‌‌‌‌‌‌وري، توجه بسياري از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراين به‌‌‌‌‌‌نظر مي‌رسد که نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس مي‌توانند جايگزين مناسبي براي مواد پليمري معمولي باشند؛ 
براي تهيه پليمرهاي ديرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گيري، عوامل زيادي بايد مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اينکه: 
از افزودني‌هايي استفاده شود که قيمت تمام‌‌‌‌‌‌شده محصول را خيلي افزايش ندهد. (مواد افزودني بايد ارزان قيمت باشند.) 
مواد افزودني به پليمرها بايد به آساني با پليمر فرآيند شود. 
مواد افزوده‌شده به پليمر نبايد در خواص كاربردي پليمر تغيير قابل ملاحظه ايجاد كند. 
زباله‌هاي اين مواد نبايد مشکلات زيست‌‌‌‌‌‌محيطي ايجاد کند. 
با توجه به اين موارد، خاک‌‌‌‌‌‌رس از جمله بهترين مواد افزودني به پليمرها محسوب مي‌شود که مي‌تواند آتش‌گيري آنها را به تأخير بيندازد و سبب ايمني بيشتر وسايل و لوازم ‌شود. مزيت ديگر خاک‌ رس فراواني آن است که استفاده از اين منبع خدادادي را آسان مي‌کند.
ويژگي‌هاي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس 
خواص مکانيکي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر-نايلون6 که از نظر حجمي فقط حاوي پنج درصد سيليکات است، بهبود فوق‌العاده‌‌‌‌‌‌اي را نسبت به نايلون خالص از خود نشان مي‌دهد. مقاومت کششي اين نانوکامپوزيت 40 درصد بيشتر، مدول کششي آن 68 درصد بيشتر، انعطاف‌پذيري آن 60 درصد بيشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بيشتر از پليمر اصلي است. دماي تغيير شکل گرمايي آن نيز از 65 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد به 152 درجه سانتي‌‌‌‌‌‌گراد افزايش يافته است. در حاليکه در برابر همة اين تغييرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است. 
نتايج تحقيقات حاكي از آن است كه ميزان آتشگيري در اين نانو كامپوزيت پليمري حدود 70 درصد نسبت به پليمر خالص كاهش نشان مي‌‌‌‌‌‌دهد و اين در حالي است كه اغلب خواص كاربردي پليمر نيز تقويت مي‌‌‌‌‌‌شود. البته كاهش در ميزان آتشگيري پليمرها از قديم مورد بررسي بوده است. بشر با تركيب مواد افزودني به پليمر ميزان آتشگيري آنرا كاهش داد ولي متاسفانه خواص كاربردي پليمر هم متناسب با آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يافته است. در واقع كاهش در آتشگيري همزمان با بهبود خواص كاربري پليمرها ويژگي منحصر به فرد فناوري نانو است، خصوصاً اينكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودني به پليمر تا 70 درصد آتشگيري آن كاهش مي‌‌‌‌‌‌يابد. 
برخي نانوکامپوزيت‌هاي پليمر – خاک‌‌‌‌‌‌رس پايداري حرارتي بيشتري از خود نشان مي‌دهند که اهميت ويژه‌اي براي بهبود مقاومت در برابر آتش‌‌‌‌‌‌گيري دارد. اين مواد همچنين نفوذپذيري کمتري در برابر گاز و مقاومت بيشتري در برابر حلال‌ها از خود نشان مي‌دهند.
استانداردسازي؛ ابزار قدرت در دست کشورهاي پيشروي صنعتي 
تطابق با استانداردهاي جديد موضوعي است که همواره کشورهاي پيشرو بر کشورهاي پيرو ديکته کرده‌اند. در کشورهاي پيشرو صنعتي،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در اين کشورها براساس جديدترين نتايج تحقيقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت يکبار، استانداردها دستخوش تغيير مي‌شوند و ديگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاري خود با آنها اين استانداردها را رعايت کنند و به اين ترتيب، مجبور مي‌شوند که نتايج تحقيقات آنها را خريداري کنند. مطلب زير مثالي از اين موارد است: 
چندي پيش در جرايد اعلام شد که بنا بر تصميم جديد اتحاديه اروپا، هواپيماهايي که مجهز به سيستم جديد ناوبري (مطابق با استاندارد جديد پرواز)‌ نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودي از هواپيماهاي مجهز به اين سيستم وجود داشت. اخيراً هم اتحاديه مزبور اعلام کرده است که ورود کاميون‌هاي فاقد استاندارد زيست‌‌‌‌‌‌محيطي به خاک اروپا ممنوع است. در پي اين اعلام، خودروسازان ايراني به ناچار استانداردهاي خود را با شرايط جديد تطبيق دادند.

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در سه شنبه سوم آبان 1390  |
 Surveillance Helicopter – PD-100 Black Hornet

Although this remote control helicopter may look like the latest kid’s toy, it’s actually the PD-100 Black Hornet, a surveillance helicopter designed for government agencies, either military or civilian.

The nanocopter carries a spy video camera, weighs less then an ounce and has a top speed of 20 miles per hour.

The Black Hornet is a design of Prox Dynamics and although pricing for this r/c helicopter has not been announced, we do know that it will come in packs of three and will also include a charger

and remote control unit.

 

 

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در شنبه سی و یکم اردیبهشت 1390  |
 جهان

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در شنبه دهم اردیبهشت 1390  |
 نظريه حضرت امام جعفرصادق(عليه السلام)راجع به زمين

و اسكودوگاما كاشف راه دريائي هندوستان و ( كريستف كلمب ) كاشف آمريكا و ( ماژلان ) اولين كسي كه براي گردش بدور كره زمين براه افتاد همه ، مي دانستند كه زمين مدور است ، و هيچ يك از آنها هم براه نيفتادند تا اين كه كشفي بكنند و فقط منظور مادي داشتند .
آن سه نفر كه نمي توانيم منكر نبوغ آنها بشويم با ايمان باين كه زمين مدور است آيا مي دانستند كه اطراف خود گردش مي كنند ؟
ما از سفر نامه هاي آن سه نفر ، هيچ قرينه اي بدست نمي آوريم كه نشان بدهد آنها از حركت زمين ، در گرد آن اطلاع داشتند . حتي ما نمي دانيم كه آيا ( گاليله ) ايتاليائي از حركت زمين در اطراف آن اطلاعي داشت يا نه .
گاليله دانشمندي بود منجم و رياضي دان و فيزيك دان و قسمتي از پيشرفت هاي علوم مرهون قوانين علمي است كه او كشف كرد و همه مي دانند كه تقريبا ًيك قرن و نيم بعد از كشف آمريكا زندگي را بدرود گفت .
اما باحتمال نزديك به يقين حتي ( گاليله ) هم نمي دانست كه زمين دور خود مي چرخد و روزي كه سازمان تفتيش عقيده ( انكيزيسيون ) آن مرد را وادار به توبه و استغفار كرد براي نظريه گردش زمين در اطراف خود نبود . بلكه از اين جهت او را وادار به توبه نمود كه گفت زمين اطراف خورشيد مي گردد .
پنجاه و هفت سال بعد از ماژلان يك بحر پيماي انگليسي باسم ( فرانسيس در يك ) درصدد برآمد كه ( همچنان براي استفاده مادي ) اطراف كره زمين بگردد و مسافرت او از سال 1577 تا 1580 ميلادي طول كشيد .
وقتي آن بحر پيماي انگليسي براه افتاد كرويت زمين طوري مسلم شده بود كه حتي مردم بازار هم ميدانستند كه زمين كروي است .
اما آن ملوان لايق انگليسي از گردش زمين اطراف خود خبر نداشت و طلوع و غروب خورشيد را ناشي از حركت خورشيد اطراف زمين مي دانست در صورتي كه به نسبت زمان خود دانشمند هم بشمار مي آمد .
براي اينكه بدانيم كه پذيرفتن مسئله گردش زمين ، اطراف خود ، چقدر براي مردم دشوار بود مي گوئيم كه حتي ( هانري - پوانكاره ) فرانسوي هم در مورد مسئله گردش زمين اطراف خود شوخي مي كرد .
هانري پوانكاره كه در سال 1912 ميلادي در سن پنجاه و هشت سالگي زندگي را بدرود گفت بزرگترين رياضي دان عصر خود بود و تاريخ مرگ او هم گواه است كه آغاز قرن بيستم را ادراك نمود .
معهذا همين دانشمند بزرگ بشوخي مي گفت من يقين ندارم كه زمين اطراف خود بگردد وقتي دانشمندي چون هانري پوانكاره در آغاز قرن بيستم ولو بشوخي ترديد نمايد که آيا زمين اطراف خود مي گردد يا نه معلوم است که مردم نيمه اول قرن دوم هجري نمي توانستند نظر گردش زمين را بدور خود بپذيرند .
گردش زمين بدور خود ، بطور محسوس ثابت نشد مگر بعد از اينكه نوع بشر قدم بكره ماه گذاشت و از آنجا زمين را ديد .
حتي در سالهاي اول فضانوردي ، فضانوردان نمي توانستند گردش زمين را بچشم خود ببينند چون درآن سالها فضانوردان پايگاه ثابت نداشتند و در سفيه هائي بودند كه هر يك از آنها در هر نود دقيقه يا قدري بيشتر اطراف زمين مي گرديدند و فضانوردان نمي توانستند در حالي که خود با آن سرعت اطراف زمين مي گرديدند به حركت وضعي زمين پي ببرند .
اماروزي كه در كره ماه قرار گرفتند و در آنجا دوربين فيلم برداري خود را متوجه زمين كردند در عكسها ديدند كه زمين آهسته بدور خود مي گردد و در آن روز گردش زمين بدور خود بطور مرئي بثبوت رسيد .
ولي حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) در دوازده قرن قبل از اين دريافت كه زمين اطراف خود مي گردد و آنچه سبب توالي روز و شب مي شود گردش خورشيد در اطراف زمين نيست ( كه وي آن را از لحاظ عقلي غير قابل قبول مي دانست ) بلكه گردش زمين در اطراف خود سبب مي گردد كه روز و شب بوجود بيايد و دائم نيمي از زمين تاريك و شب باشد و نيمي ديگر روشن و روز .
قدما كه عقيده به كروي بودن زمين داشتند مي دانستند كه پيوسته نيمي از زمين شب است و نيمي ديگر روز ولي آنها روز و شب را ناشي از حركت خورشيد اطراف كره زمين ميدانستند .
چه شد كه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) در دوازده قرن قبل از اين توانست پي ببرد كه زمين اطراف خود مي گردد و در نتيجه روز و شب بوجود مي آيد ؟
دانشمندان قرون پانزدهم و شانزدهم و هفدهم ميلادي كه نام چند نفر از آنها برده شد با اينكه يك قسمت از قوانين مكانيك نجومي را كشف كرده بودند نتوانستند پي ببرند كه زمين بدور خود مي گردد و چگونه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) در نقطه اي دور افتاده چون مدينه كه از مراكز علمي آن روز دور بود توانست دريابد كه زمين اطراف خود مي گردد .
مراكز علمي در آن روز قسطنطينه و انطاكيه و گندي شاپور بود و هنوز بغداد از نظر علمي آنقدر اهميت نداشت كه داراي مركزيت باشد و در آن سه مركز ، كسي پي نبرده بود كه زمين اطراف خود مي گردد و از آن گردش روز و شب به وجود مي آيد .


آياحضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) كه به اين حقيقت علمي پي برد از قوانين مكانيك نجومي اطلاعي داشت و ميدانست كه اثر نيروي جاذبه كه با دو شكل يكي بشكل نيروي فرار از مركز ، و ديگري بشكل نيروي جذب بسوي مركز بروز مي كند سبب مي گردد كه اجرام آسماني دور خود بگردند .
چون بعيد است كه آن مرد ، بدون پي بردن باين دو شكل توانسته باشد به حقيقت گردش زمين در اطراف خود پي ببرند .

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در شنبه بیست و هفتم فروردین 1390  |
 تقارن ، وحدت ، ابر تقارن و ابر وحدت

مقدمه

در فيزيك نوين مفهوم تقارن نقش بسيار مهمي دارد. هرگاه يك دسته تغييرات خاص، هيچيك از كميات سنجش پذير را در يك سيستم مورد مطالعه تغيير ندهد، مي گوييم در سيستم تقارن وجود دارد.

به عنوان مثال يك دانه ي برف تحت دوران 60 درجه (يا مضارب درستي از 60 درجه) هيچ تغييري را نشان نمي دهد. اما در دوران مثلاً 50 يا 40 درجه تغييرات مشاهد خواهد شد. هنگامي كه يك برهم كنش، تحت شرايطي خاص، پديده اي ايجاد مي كند كه تقارن آن شكسته مي شود، مي گوييم كه تقارن در گير، بطور خود بخودي شكسته شده است.

به عنوان مثال يك قطعه آهن را در نظر بگيريد. اتمهاي آهن موجود در اين قطعه، نيروهايي به يكديگر وارد مي كنند كه هيچ جهت خاصي را در فضا بر نمي گزينند. ولي هنگامي كه اتم هاي آهن تشكيل آهنربا مي دهند، برهم كنش بين اتمهاي آهن، داراي جهت خاصي (شمال - جنوب ) هستند. برهم كنش اتمها در قطعه ي آهن داراي تقارني پنهان است كه بر ناظر آشكار نيست. اما هنگامي كه قطعه ي آهن تبديل به آهنربا مي شود (مثلاً توسط يك سيم پيچ كه از آن جريان الكتريكي عبور مي كند) تقارن برهم كنش بين اتمها شكسته مي شود. در اين صورت مي گوييم كه تقارن درگير، خود بخودي شكسته شده است. در اين نوشته سعي مي شود انواع تقارن مورد بررسي قرار گيرد و سرانجام خواهيم ديد كه بر خلاف روش مرسوم در فيزيك نظري، بجاي آنكه از تقارن به ابر تقارن برسيم، بايستي از ابر تقارن به تقارن رسيد.

نقش تقارن در فيزيك

فيزيك معاصر همواره بطور قراردادي نمي انديشد و روشهاي مختلفي را براي بررسي پديده ها بكار مي گيرد. يكي از تغييرات بزرگي كه در قرن بيستم ايجاد شد، نقشي است كه به مفهوم تقارن نسبت داده شد و روز به روز بر اهميت آن نيز افزوده مي شود. تقارن از مطاله ي جامدات تا كامل شدن يك نظريه ميدان وحدت يافته بكار گرفته مي شود.

ساختارهاي متقارن فراواني در طبيعت وجود دارد كه دانه ي برف يكي از نمونه هاي آن است. اگر يك دانه برف را 60 يا 120 يا 180 درجه يا بطور كلي مضرب درستي از 60 درجه دوران دهيم، شكل حاصل، از شكل قبلي غير قابل تشخيص خواهد بود. در اين صورت مي گوييم كه شكل دانه ي برف تحت دوران هايي كه مضرب درستي از 60 درجه هستند تغيير ناپذير (ناوردا) است .

روش مناسب رياصي براي توصيف چنين تقارني در رياضيات، استفاده از گروه ها است. نظريه گرو ها بخوبي مي تواند تقارن فيزيكي را توصيف كند. يك رياضيدان مثال برف را تحت گروه C(6) ناوردا مي نامند .

مثال ها

مثال يك

يك مخزن كروي محتوي آب يا هوا را در نظر بگيريد. يك ناظر در مركز چنين مخزني، در هر سو كه بچرخد، همواره همان تصوير قبلي از محتويات مخزن را مشاهده خواهد كرد. گوييم كه موقعيت ناظر تحت دوران در هر يك از سه بعد، تغيير ناپذير است. زيرا تا جاييكه به ناظر مربوط مي شود، همه ي جوانب هم ارزند. گروه مورد نياز را بصورت O(3) نشان مي دهند و آن را گروه دوران در سه بعد مي نامند. توجه شود كه مخزن آب نسبت به دانه ي برف درجه ي تقارن بالاتري دارد .

بنابراين مي توان تقارن را چنين نيز تعريف كرد. تقارن هنگامي موجود است كه ايجاد يك نوع تغيير خاص، هيچ اثر سنجش پذيري بر سيستم مورد مطالعه ايجاد نكند .

مثال دو - نيروي گرانش

مي دانيم كه نيروي گرانش به جهت دو جسم بستگي ندارد، فقط به فاصله ي بين آنها و جرمشان بستگي دارد. بنابراين اگر دو جسم موقعيت جديدي نسبت به يكديگر داشته باشند بطوريكه فاصله ي بين آنها تغيير نكند، نيروي گرانشي كه به هم وارد مي كنند، هيچ تغييري نخواهد كرد.

چون هيچ دوراني نيروي گرانش را تغيير نمي دهد، گوييم كه گرانش تحت دوران در سه بعد، ناوردا است.

مثال سه

نيروي اعمال شده توسط يك آهنربا تحت دوران در سه بعد، ناوردا نيست. چرا؟

در مثال هاي بالا تنها تقارن هايي در نظر گرفته شدند كه از نظر هندسي متقارن بودند، ولي مفهوم تقارن در فيزيك بسيار كلي تر از اين است كه بيان شد.

مثال چهار

دو بار الكتريكي مثبت (دو پروتون) را در نظر بگيريد كه بر يكديگر نيروي الكتريكي دافعه وارد مي كنند. اگر هر دو بار را به منفي تبديل كنيم (بجاي پروتون، الكترون قرار دهيم) نيرو همچنان دافعه بوده و همان مقدار قبلي را خواهد داشت. حال اگر آزمايش را با دو بار غير همنام (يك پروتون و يك الكترون) انجام دهيم، با عكس كردن بارها ( به جاي پروتون، الكترون و به جاي الكترون، پروتون قرار دهيم) باز هم نيرو تغيير نخواهد كرد. نتيجه مي گيريم كه تقارني اساسي در قوانين الكتريسيته وجود دارد كه مي گويد اگر در هر جاي سيستم كه باري ظاهر مي شود، هر بار را با قرينه اش جايگزين كنيم، اثرات الكتريكي بدون تغيير باقي خواهد ماند. اين تقارن را نيز مي توان با استفاده از گروه ها به آن برخورد كرد.

مثال پنچ

مي دانيم كه در هسته ي اتم يك ذره ي تبادلي به نام مزون، عامل برهم كنش اجزاي هسته ( پروتونها و نوترونها ) است. اگر تنها برهم كنش قوي را در نظر داشته باشيم، تغيير پروتونها با نوترونها اهميتي ندارد.

نظريه هاي پيمانه اي

يك نوع ديگر از تقارن، زماني مورد توجه قرار گرفت كه فيزيكدانان در باره ي حالاتي كه در آنها مقياس هاي طولي يك سيستم را مي توان تغيير داد به تفكر پرداختند. يكي از اين موقعيت ها اين است فرض كنيم جهاني روي يك صفحه ي لاستيكي قرار دارد كه در آن جمع شدگي يا كشيدگي لاستيك مي تواند فاصله هاي بين نقاط را تغيير دهد. معلوم شد كه بعضي از نظريه ها تحت اين نوع تبديل تغيير ناپذيرند، يعني پيش بيني هاي آنها به كشيده شدن يا نشدن لاستيك بستگي ندارد. از آنجا كه فاصله را با يك پيمانه ( مقياس) مي سنجند، اين نظريه ها را تحت تبديلات پيمانه اي تغيير ناپذير مي نامند.

تقارن پيمانه اي جهاني

مثال شش

اگر يك جسم يك كيلوگرمي را از كنار دريا به اندازه ي ده متر بالا ببريم چه مقدار انرژي لازم است؟ حال اين جسم را روي قله ي كوهي كه از سطح دريا 3000 متر بالاتر است، به اندازه ده متر بالا ببريد. با فرض اينكه شدت گرانش ثابت باشد، مقدار انرژي لازم در هر دو مرحله برابر خواهد بود. آنچه در اينجا مهم است اختلاف دو سطح است كه جسم را جا بجا مي كنيم. اين نوع تبديل كه به تعريف مجدد سطح ارتفاع يا پتانسيل صفر بستگي دارد، ساده ترين نوع تبديل پيمانه اي يا تبديلات پيمانه اي مي نامند .

اين نوع تبديلات كه به تعريف مجدد مفهوم سطح ارتفاع يا پتانسيل صفر منجر مي گردد، ساده ترين نوع تبديل پيمانه اي است. چيزي كه فيزيكدانان يك تقارن جهاني Global Symmetry مي نامند .

اين نوع تقارن در واقع معرف بينش عميقي است كه ما در باره ي طبيعت داريم. هيچ چيز در طبيعت نبايد به حالت ذهني فردي كه آنرا مشاهده مي كند، بستگي داشته باشد. ارتفاعي كه ما به عنوان صفر انتخاب مي كنيم، كاملاً اختياري است و اين است كه هر ناظر بايد صرف نظر از نحوه ي تعريف ارتفاع صفر، نيروي گرانش يكساني را ببيند. در ضمن هيچ چيز در طبيعت نمي تواند به تعاريف دلخواهي كه ممكن است از ناظري به ناظر ديگر تغيير كند وابسته باشد.

اين تبديلات كه در بالا بيان شد تقارن پيمانه اي جهاني هستند.

نكته اصلي در اين بحث اين است كه نيروي الكتريكي و گرانشي كه بين اجسام وارد مي شود، مستقل از انتخاب مبدا (يا سطح پتانسيل صفر) توسط ناظر است. انتخاب ناظر نيروي الكتريكي يا گرانشي عمل كنند بر هيچ جسمي را تغيير نمي دهد.

مكانيك كوانتومي، يعني دانشي كه مختص به توصيف رفتار ذرات بنيادي است، بايد توصيف تقارن پيمانه اي را نيز شامل شود. توصيف تقارن پيمانه اي كه در بالا عرضه شد، بايد بطريقي در تبادل فوتون ها بين ذرات باردار منعكس شود.

تقارن پيمانه اي محلي

نظريه اي كه داراي يك تقارن پيمانه اي محلي باشد، به تعاريف اختياري يك ناظر خاص، وابسته نيست. و تعريف يك ناظر مستقل از تعريف ناظر ديگري است. فرض كنيد بتوان سيستمي ايجاد كرد كه در آن مجاز باشيم صرف نظر از آنچه كه در همسايگي يك نقطه انجام شده است، آن نقطه را بعنوان نقطه صفر انتخاب كنيم. اگر بتوان چنين نظريه اي را بنا نهاد، آنگاه اين نظريه از يك تقارن پيمانه اي محلي، بجاي تقارن جهاني تبعيت مي كند. واضح است كه گرانش و الكترومغناطيس نظرياتي نيستند كه شامل تقارن محلي باشند.

مثال هفت - الكتريسيته به تنهايي يك تقارن محلي از خود بروز نمي دهد. ولي اگر ارتباط نزديك الكتريسيته و مغناطيس را بياد آوريم، مي توانيم سئوال ديگري مطرح كنيم: آيا ممكن است در جهان، تغييرات ناشي از يك تبديل پيمانه اي محلي براي الكتريسيته با تغييراتي كه توسط انجام همين تبديل در مورد مغناطيس ايجاد مي شود، جبران گردد؟ بعبارت ديگر، آيا ممكن است كه الكتريسيته و مغناطيس كه هيچيك به تنهايي تقارن پيمانه اي محلي نشان نمي دهند، چنان هم پيمان شوند كه در نظريه جديد تقارن محلي را بروز دهند؟

مهم ترين نتيجه اي كه از اين بحث گرفته مي شود، آن است كه در حاليكه نه الكتريسيته و نه مغناطيس به تنهايي يك تقارن محلي از خود بروز نمي دهند، اما نظريه وحدت يافته الكترومغناطيسي متضمن چنين تقارني است. زيرا در اين نظريه قسمت هايي از اثرات الكتريكي كه تقارن را نقض مي كنند توسط اثرات مغناطيسي خنثي مي شوند و بالعكس.

راه ديگر نگرش به تقارن پيمانه اي توجه به اين نكته است كه تنها چيزي كه واقعاً در يك آزمايش مي توانيم ببينيم تغيير در حالت حركتي كميتي از ماده است. بعبارت ديگر، فقط مي توانيم حضور نيروها را بهنگام عمل آنها مشاهده كنيم، نه چيز ديگري را. اگر راهي وجود داشته باشد كه بتوانيم سيستمي را بدون تغيير نيروهاي آن دگرگون سازيم، يعني وصفي كه در آزمايشگاه خيالي خود با آن مواجه مي شويم، تغيير در سيستم توسط هيچ آزمايشي قابل مشاهده نخواهد بود . بنابراين روي دادن يا ندادن تغيير، چيزي را در طبيعت عوض نمي كند، نظريه هاي ما بايد چنان باشد كه اين حقيقت را منعكس كنند.

ذرات تبادلي

در مورد نيروي توليد شده توسط يك تبادل، دو چيز مي تواند تغيير كند. يكي، توصيف مكانيك كوانتومي ذراتي است كه نيرو بر آنها اعمال مي گردد، ديگري توصيف مكانيك كوانتومي از ذره اي است كه مبادله مي شود. مي توان مساله تقارن پيمانه اي محلي در يك نظريه توصيف كننده ي ذرات را چنين مطرح كنيم: آيا هيچ راهي وجود ندارد كه تغيير در توصيف ذرات باردار و ذرات تبادلي اثر يكديگر را خنثي كنند و براي ما نظريه اي باقي بگذارند كه از تقارن پيمانه اي محلي برخوردار است؟

ثابت مي شود كه فقط در صورتي چنين پديده اي امكان پذير است كه ذره ي مبادله شده، داراي جرم صفر و اسپين يك باشد. البته ذره اي با اسپين يك و جرم صفر، فوتون است.

وحدت الكتروضعيف

در دهه ي 1950 يك انديشه پنهان در فيزيك نظري جريان داشت كه احتمال مي داد نوعي ارتباط عميق بين برهم كنش هاي الكترومغناطيسي و ضعيف وجود دارد، عمدتاً به اين دليل كه هر دو تبادل ذرات با اسپين يك را در بر دارند. مشخص گشته بود كه گردآوري (ساختن ) نظريه اي كه تقارن پيمانه اي گروه SU(2) محلي امكان پذير است، مفهوم اين موضوع آن است كه شما مي توانيد نظريه اي مطرح كنيد كه طبق آن در يك نقطه از فضا، نوتروني را به يك پروتون يا بالعكس تبديل نمود و سپس به نقطه ي ديگري در فضا رفت و بدون توجه به آنچه در نقطه ي اول انجام شده است، همين عمل را مجدداً تكرار كرد. اين موضوع گسترش نسبتاً وسيع بينش تقارن پيمانه اي را در بر دارد. نيروي قوي بين پروتون ها و نوترون ها را مي توان ناشي از تبادل يك مزون تصور كرد. در اين گونه تبادل، چندان تفاوتي وجود ندارد كه ذرات موجود پروتون باشند يا نوترون، نيروي قوي در هر حال يكسان خواهد بود. بنابراين تبديل متقابل پروتون ها و نوترون ها در يك هسته متناظر با دوران شاخص 180 درجه است. بدنبال اين دوران تمام پروتون ها به نوترون و تمام نوترون ها به پروتون تبديل مي شوند. چنانچه جهان در اثر اين تبديل بدون تغيير بماند، بمعني تعريف مجدد بار الكتريكي در همه جاي فضا مي باشد، گوئيم كه طبيعت تحت يك تقارن اسپين ايزوتوپي، جهاني تغيير ناپذير است. به زبان رياضي چنين نظريه اي، تقارن پيمانه اي جهاني SU(2) را به نمايش مي گذارد .

ثابت مي شود كه نظريه اي شامل پروتون ها و نوترون ها، زماني داراي تقارن پيمانه اي SU(2) خواهد بود كه نيروها از طريق تبادل خانواده اي از چهار ذره ي بي جرم با اسپين يك (كه بعضي از آنها حامل بار هستند) توليد شوند. در اين حالت مانند الكترومغناطيس، تغيير در توصيف ذرات كه از تبديل ناشي مي شود دقيقاً توسط تغييراتي در اشيا مبادله شده، خنثي مي شود و همه چيز در اين نظريه، بهمان صورت كه در آغاز بود، باقي مي ماند.

مي دانيم گروهي از اتم هاي آهن در دماهاي پائين در جهتي معين رديف مي شوند، و بر هم كنش بين اتم ها هيچ جهت مرجحي در فضا ندارد. هنگام انجام اين عمل، اتمها انرژي معيني به دست مي آورند و ما براي شكستن اين به خط شدگي و ديدن تقارن، ناگزيريم به سيستم انرژي (مثلاً گرما) بيفزاييم. در مورد برهم كنش هاي ضعيف، نظريه پيشگويي مي كند كه تقارن درگير، چنان است كه چهار ذره مبادله شده براي توليد اين نيرو بايد بدون جرم باشند.

واينبرگ و عبدالسلام

در سال 1967 واينبرگ و تقريباً همزمان با وي عبدالسلام نشان دادند كه نظريات پيمانه اي كه تا كنون بررسي كرده ايم در صورتي مي توانند جهان واقعي را توصيف كنند كه آثار شكسته شدن خود بخودي تقارن در نظر گرفته شود. نظريه پيشگويي مي كند كه تقارن درگير، چنان است كه چهار ذره مبادله شده براي توليد اين نيرو بايد بدون جرم باشند. اما واينبرگ و عبدالسلام نشان دادند كه در انرژي هاي پائين، تقارن بطور خود بخودي مي شكند و سه تا از چهار ذره ي تبادلي جرم دار مي شوند، در حاليكه چهارمي بدون جرم باقي مي ماند. اين موضوع مشابه حالت آهنربا است كه در آن به خط شدگي اتم ها، به سيستم انرژي مي دهد كه اگر تقارن شكسته نمي شد، آن را كسب نمي كرد. در مورد ذرات، اين انرژي افزوده شده شكل يك جرم را براي ذرات مبادله شده بخود مي گيرد.

با اين ديدگاه به يكي از ايرادهاي مهم نظريه ي پيمانه اي پاسخ داده شد. اين نظريه ديگر وجود چهار ذره ي بدون جرم با اسپين يك را در انرژي ها و دماهاي طبيعي پيشگويي نمي كند. لذا اين نظريه پيش بيني مي كند كه ما بايد يك ذره ي بي جرم با اسپين يك (كه مي توانيم آنرا فوتون بناميم) و سه ذره ي پر جرم با اسپين يك را مشاهده كنيم. دو تا از سه ذره ي پر جرم بايد حامل بارالكتريكي باشند و ما مي توانيم آنها را با بوزون هاي برداري معمولي يكي بدانيم كه بصورت W+, W- نشان مي دهيم. سومين ذره سنگين از نظر الكتريكي خنثي است و معرف نوع جديدي از ذرات موجود در برهم كنش هاي صعيف بنام بوزون برداري Z خنثي نشان داده مي شود .

نتيجه ي نهايي نظريه واينبرگ - عبدالسلام اين است كه ديگر لازم نيست نيروهاي ضعيف و الكترومغناطيسي را متمايز و مجزا تلقي كنيم. زيرا اينك مي دانيم كه اين نيروها به تبادل يك خانواده از ذرات وابسته اند و تفاوت هاي آشكار بين آنها، نتيجه ي شكسته شدن خودبخودي تقارن است. لذا تعداد نيروهاي بنيادي را مي توان از چهار به سه تقليل داد. نيروي جديدي كه ناشي از تبادل ذرات با اسپين يك مي باشد را برهم كنش الكترو - ضعيف مي نامند و جرم آنها در حدود 80 تا 100 گيگا الكترون ولت است .

تا چند سال بعد از انتشار مقالات واينبرگ و عبدالسلام اين نظريات ناديده گرفته مي شدند. نشريه اي تحت عنوان فهرست نقل قول علمي وجود دارد كه تعداد دفعاتي را كه محققان به مقاله معيني ارجاع مي دهند، شمارش مي كند. در سالهاي بين 1967 تا 1971 كلاً پنج بار به اين مقالات استناد شد. ولي از سال 1971 به بعد تاييد هاي اين نظريه به طور چشمگيري افزايش يافت.

وحدت بزرگ

پس از تاييد نظريه الكترو - ضعيف و كاهش تعداد نيروهاي اساسي از چهار به سه، از اوائل دهه ي 1970 نظريه پردازان اين سئوال را مطرح كردند كه كه آيا با استفاده از همين روش مي توان تعداد نيروها را به دو يا يك كاهش داد؟

مي دانيم كه نيروي قوي بين كواركها عمل مي كند و كوارك ها علاوه بر بار الكتريكي معمولي كه دارند، نوع ديگري بار را حمل مي كنند كه آنرا بار-رنگ مي نامند. نظريه اي كه برهم كنش موجود بين بارهاي الكتريكي ذرات را از طريق مبادله يك فوتون تصيف مي كند، الكترديناميك كوانتومي ناميده مي شود. اصطلاح كوانتوم به ما مي گويد كه با ذرات سرو كار داريم و اصطلاح الكتروديناميك نشان مي دهد كه با پديده هاي الكترومغناطيسي مواجه هستيم. بطور مشابه، نظريه اي به منظور توصيف برهم كنش قوي، بر اساس برهم كنشي شامل بار رنگي كوارك ها پايه ريزي شده است كه آنرا كروموديناميك كوانتومي Quantum Chromodynamic , QCD مي نامند، كه كرومو به رنگ اشاره دارد.

اين نظريه به الكترومغناطيس شبيه بوده ولي پيچيده تر از آن است و به وحدت نهائي نيروي قوي با الكتروضعيف سهولت مي بخشد.

مي دانيم كه ذرات الكتريكي (ذرات باردار) خود را در ساختارهايي دسته بندي مي كنند كه از نظر الكتريكي خنثي هستند. در بار رنگي كوارك ها نيز پديده ي مشابهي رخ مي دهد. در كوارك ها به جاي دو بار، سه بار وجود دارد كه آنها را قرمز، آبي و سبز مي نامند. توجه شود كه منظور از بار - رنگي اين است كه كوارك نوعي بار حمل مي كند و هيچ ارتباطي به رنگ فيزيكي ندارد. وقتي مي گوييم سبز منظور اين است كه بار كوارك مثبت است.

قوانين حاكم بر بار - رنگي، به دليل وجود سه نوع بار به جاي دو نوع، تا اندازه اي پيچيده ترند. ولي به نظر مي رسد كه تنها در دو حالت، نيروي رنگي از نوع جاذبه است. نيروي بين يك كوارك حامل يك رنگ معين و پاد كوارك حامل پاد رنگ آن، از نوع جاذبه است و نيروي بين سه كوارك، كه هيچ دو تاي آن همرنگ نباشند، نيز جاذبه است. هر تركيب ديگر به نيروي دافعه منجر مي شود.

تركيب كواركها

حالت اول - كوارك به اضافه ي پاد كوارك، همان چيزي است كه مزون مي ناميم .

حالت دوم - سه كوارك متناظر با يك باريون است .

لذا، اين حقيقت كه تنها ذراتي برهم كنش قوي دارند كه مزون يا باريون باشند، نيرو نيز بر حسب بار - رنگي منعكس مي گردد. با اين وجود قانون حاكم بر نيروي بين كوارك ها ساده مي گردد، كوارك ها تنها در صورتي در يك جا گرد مي آيند كه رنگ حاصله سفيد باشد. (قاعده تركيب رنگها را به ياد آوريد. تشابه كاملي بين بار -رنگ و بار الكتريكي به وجود مي آيد .

ديديم كه راه توليد يك نظريه پيمانه اي برهم كنش هاي ضعيف، بررسي تقارن هايي است كه در بر دارنده ي تغيير بارهاي الكتريكي در نقاط محتلف فضا هستند. نوع مشابهي از تقارن در ارتباط با كوارك ها به جاي بارهاي الكتريكي، بارهاي رنگي را در بر مي گيرد. متعاقب روش تدوين شده توسط واينبرگ و عبدالسلام، لازم است كه وقتي يك سيستم را پس از تغيير رنگ تصادفي كواركها بررسي مي كنيم، هيچ كميت سنجش پذيري تغيير نكند.

بايد تغييرات ناشي از اين عمل در خواص مكانيك كوانتومي كوارك ها، با تغييرات جبراني در خواص مكانيك كوانتومي ذرات مبادله شده بين كوارك ها، يعني ذراتي كه گلوئون ناميده مي شوند، خنثي گردند.

براي اينكه چنين خنثي شدني روي دهد، بايد هشت ذره از اين نوع وجود داشته باشد. همه اين ذرات بدون جرم و داراي اسپين يك مي باشند و در حالي كه از نظر الكتريكي خنثي هستند، بار رنگي حمل مي كنند. هر گلوئون حامل يك رنگ و يك پاد رنگ است، هرچند لزوماً نيازي نيست كه اين رنگ و پاد رنگ اعضاي زوج متناظري باشند. به عنوان مثال گلوئوني وجود دارد كه بار قرمز و پاد سبز را حمل مي كند و ديگري حامل آبي و پاد قرمز است.

تبادل گلوئون ها بين كوارك ها، ذرات بنيادي را يكپارچه و در كنار هم نگه مي دارد، همانگونه كه تبادل فوتون بين الكترونها و پروتونها، اتم را منسجم نگاه مي دارد. تنها اختلاف واقعي آن است كه تبادلات براي برهم كنش هاي قوي، اندكي پيچيده تر است.

پس كروموديناميك كوانتومي، نظريه اي براي برهم كنش كواركي فراهم مي آورد كه در اصل تقارن پيمانه اي، به همان شكل كه در مورد بار رنگي بكار گرفته شد، صدق مي كند.

وحدت برهم كنش قوي و الكتروضعيف

پرسشي كه اكنون مي توان مطرح كرد اين است كه آيا مي توان اين برهم كنش را با استفاده از روشي كه در بالا تشريح شد، با نيروي الكتروضعيف وحدت بخشيد؟

پاسخ مثبت و طرح كلي آن آسان است. برهم كنش در بر گيرنده ي هر سه نيرو (قوي، الكترومغناطيسي و صعيف ) يك تقارن پيمانه به نمايش مي گذارد كه ما را مجاز مي دارد تا بارهاي الكتريكي و رنگي را به ميل خود، در نقاط مختلف فضا تغيير دهيم. از آنجا كه از تركيب برهم كنش هاي ضعيف و قوي سخن مي گوييم، الزاماً بايد اين تقارن را تعميم دهيم و اين امكان را فراهم آوريم كه تبديل كوارك ها به لپتونها به روش مشابهي صورت مي گيرد. جهت جبران كردن اين تبديلات، بايد خانواده اي از ذرات موجود باشند كه تبادل آنها، عاملي براي نيروي وحدت يافته باشد. تغيير در اين ذرات تبادلي، تغيير در ذرات اصلي را بطور كامل خنثي خواهد كرد و نظريه حاصل را تغيير ناپذير خواهد نمود. در سيماي متقارن نظريه، كليه ذرات تبادلي بدون جرمند. ولي به دليل پديده ي شكسته شدن خود بخودي تقارن، بعضي از اين ذرات تبادلي در واقع پر جرم مي شوند. همانگونه كه بوزون هاي برداري در وحدت نيروهاي الكترومغناطيسي و ضعيف چنين بودند.

نيروي بنيادي عامل در اين نظريه ي وحدت يافته بزرگ به وساطت خانواده اي از بيست و چهار ذره ي بدون جرم با اسپين يك ايجاد مي گردد. اين ذرات در وحدت بزرگ، همان نقشي را ايفا مي كنند كه چهار ذره ي بدون جرم با اسپين يك در وحدت الكتروضعيف بر عهده دارند.

در واقع چهار تا از اين ذرات با چهار بوزون الكتروصعيف معادلند، در حالي كه هشت تاي ديگر معادل گلوئون هاي عامل نيروي قوي هستند. دوازده ذره ي باقيمانده با حرف X نشان داده مي شوند ومعرف مجموعه ي جديدي از ذراتند. ذرات X حامل بار رنگي و بار الكتريكي هستند. ذرات X داراي اين خاصيت اند كه وقتي توسط يك كوارك جذب مي شوند، آن را به يك لپتون تبديل مي كنند و بالعكس. پس، اين ذرات مهم ترين پيش بيني نظريه هاي وحدت يافته بزرگ، يعني ناپايداري پروتون را نتيجه مي دهند.

هنگامي كه انرژي موجود در برخوردهاي بين ذرات از 10^15 GeV تجاوز مي كند، اين حقيقت كه X پر جرم است و گلوئون ها چنين نيستند، بي معني مي شود و تقارن هاي زمينه سيستم، در طبيعت آشكار مي شود. هنگامي كه انرژي به پائين تراز اين مقدار تنزل مي كند، آثار شكسته شدن خود بخودي تقارن پيدار خواهد گشت و نيروي قوي، از لحاظ منش، بسيار متفاوت با نيروي الكتروصعيف بنظر خواهد رسيد. به عنوان مرجح 10^15 GeV جرم وحدت بزرگ و انرژي متناظر، انرژي وحدت بزرگ ناميده مي شود.

ابر تقارن، ابر گرانش و ابر وحدت

Super Symmetry, Super Gravitation and Super Unification

كاري كه بايد انجام شود، مشتمل بر دو قسمت است. نخست بسط يك نظريه گرانش كوانتومي بر مبناي تبادل ذرات و ديگري تركيب كردن اين نظريه با وحدت بزرگ است. وضعيتي كه در اينجا با آن مواجهيم، مشابه چيزي است كه در مورد وحدت بخشيدن و يكي كردن نيروي قوي با لكتروضعيف ديديم. نخست به نظريه اي در مورد برهم كنشهاي قوي نياز داشتيم (كروموديناميك كوانتومي) سپس بايد راهي مي يافتيم تا آن نظريه را با نظريه واينبرگ - عبدالسلام يكي كرده و به يك نظريه وحدت بزرگ Grand Unified Theor, GUT مي رسيم. روشي كه شرح داده شد، امروز ابر تقارن ناميده مي شود و نظريه هاي گرانش كوانتومي كه از ابر تقارن استفاده مي كنند، نظريه هاي ابر گرانشي خوانده مي شوند.

نظريه هاي ابر تقارن بقسمي عمل مي كنند، كه تمايز بين بوزنها و فرميونها محو مي شود. سيماي كلي يك نظريه ابر گرانش، وحدت نيروي گرانشي با نيروهاي بنيادين ديگر و معرفي برهم كنشهايي است كه در آنها فرميونها و بوزونها مي توانند جاي خود را با يكديگر عوض كنند و به سيستمي منتهي شوند كه در آن فقط يك نوع فوق ذره وجود دارد. در وراي اين سيماي كلي، و اين ديدگاه كه وحدت بايد در زمان پلانك رخ دهد، در حال حاضر در اين باب هيچ نظريه محكمي وجود ندارد.

توضيح: زمان پلانك ده بتوان منهاي سي و پنج ثاتيه نخست از آغاز بيگ بنگ است كه در طول اين مدت همه ذرات موجود در جهان از يك نوع بودند .

راه حل

براي رسيدن به يك نظريه ابر تقارن و به دست آوردن يك نظريه ابر وحدت، بايستي نگرش خود را از ذرات كوانتومي به ذرات زير كوانتومي تعميم دهيم. مبدا حركت براي رسيدن به چنين نظريه اي بايستي جايي شروع باشد كه كل دستگاه فيزيك را متاثر قرار دهد. اين همان كاري است كه در نظريه سي. پي. اچ. انجام شده و با تعريف جديدي از انرژي و گرانش تلاش شده هم ارز سازي نيرو و انرژي يا به عبارت ديگر فرميونها و بوزونها را مطرح كند. با چنين ديدگاهي امواج الكترومغناطيسي و نحوه ي توليد آنها، توليد ماده و پاد مورد بررسي قرار مي گيرد. در واقع نظريه سي. پي. اج. روشي متفاوت از نظريه هاي رايج دارد. در نظريه هاي رايج تلاش مي شود از تقارن و وحدت سازي به ابر گرانش و ابر وحدت برسند، در حاليكه در نظريه سي. پي. اچ. از ابر تقارن شروع مي شود و بتدريج با شكسته شدن تقارن ها به شرايط موجود مي رسيم. به همين دليل بحث را با زير كوانتوم كروموديناميك Sub Quantum Chromo Dynamic, SQCD آغاز مي كنيم. كسانيكه به مطالعه ي بيشر در مورد نظريه سي. پي اچ. علاقه دارند مي توانند به سايت سي. پي. اچ. مراجعه كنند.

زير كوانتوم كرومودايناميك

Sub Quantum Chromo dynamics

يك زير كوانتوم كرومودايناميك چيست؟

براي يافتن پاسخ اين سئوال بايد توجه كرد كه همه ي ذرات مورد مطالعه ي فيزيكدانان در نهايت به دو دسته فرميونها و بوزنها تقسيم مي شوند. فرميونها نظير الكترون و كواركها سنگ بناي ماده را تشكيل مي دهند . بوزونها حامل نيرو هاي اساسي طبيعت هستند. اما سئوال اساسي اين است كه آيا بوزونها و فرميونها از يك ذره ي واحدي ساخته شده اند يا دو چيز كاملاً متفاوتي هستند؟

در نظريه سي. پي. اچ. همه ي ذرلت شناخته شده و ناشناخته موجود در جهان از ذره ي واحدي به نام سي. پي. اچ. ساخته شده اند. اگر به رابطه جرم-انرژي E=mc2 توجه كنيم، همه ي اجسام قابل تبديل به انرژي هستند. اين اجسام در نهايت از اتمها ساخته شده اند كه شامل فرميونها و بوزونها هستند. از طرف ديگر نوسان يك ذره ي باردار موجب انتشار امواج الكترومغناطيسي مي شود كه اين موج خود حامل دو ميدان الكتريكي و مغناطيسي با خواص مختلف است. اين ميدانها هر يك شامل تعداد زيادي ذره ي فوق العاده كوچكي هستند كه ميدان الكتريكي و مغناطيسي را شكل مي دهند. اما اين ذرا بقدري كوچك هستند كه نمي توانند بعنوان يك ذره ي باردار قابل مشاهده يا يك آهنربا بتشند. بنابراين آنها را بار-رنگ و مغناطيس-رنگ مي ناميم كه همه ي كوانتومهايي كه داراي خواص الكتريكي يا مغناطيسي هستند، از آنها ساخته مي شوند. بهمين دليل آنها را زير كوانتوم كروموديناميك مي ناميم. بهمين دليل زير كوانتوم كرموديناميك ذراتي هستند كه ميدانهاي الكتريكي و ميغناطيسي از جمله بار-رنگها را توليد مي كنند.
نقل از هوپا

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه بیست و چهارم فروردین 1390  |
 10 درس شگفت‌انگیز از زندگی انیشتین


پیگیری کنجکاوی شما رازی است برای رسیدن به موفقیت.

به گزارش ایسنا،10 درس شگفت انگیز از زندگی انیشتین چنین آمده است: 1- کنجکاوی را دنبال کنید "من هیچ استعداد خاصی ندارم؛ فقط عاشق کنجکاوی هستم"

چگونه کنجکاوی خودتان را تحریک می‌کنید؟ من کنجکاو هستم. مثلا پیدا کردن علت اینکه چگونه یک شخص موفق است و شخص دیگری شکست می‌خورد، به همین دلیل است که من سال‌ها وقت صرف مطالعه موفقیت کرده‌ام. شما بیشتر در چه مورد کنجکاو هستید؟! پیگیری کنجکاوی شما رازی است برای رسیدن به موفقیت.

2- پشتکار گرانبهاست"من هوش خوبی ندارم، فقط روی مشکلات زمان زیادی می‌گذارم" تمام ارزش تمبر پستی توانایی آن به چسبیدن به چیزی است تا زمانی که آن را برساند. مانند تمبر پستی باشید؛ مسابقه‌ای که شروع کرده‌اید را به پایان برسانید؛ با پشتکار می‌توانید به مقصد برسید.

3- تمرکز بر حال " پدرم به من می‌گفت نمی‌توانی در یک زمان بر دو اسب سوار شوی من دوست داشتم بگویم تو می‌توانی هر چیزی را انجام بدهی اما نه همه چیز. یاد بگیرید که در حال باشید. تمام حواستان را بدهید به کاری که در حال حاضر انجام می‌دهید؛ انرژی متمرکز، توان افراد است و این تفاوت پیروزی و شکست است.

4- تخیل قدرتمند است "تخیل همه چیز است می‌تواند باعث جذاب شدن زندگی شود. تخیلی به مراتب از دانش مهم تر است" آیا شما از تخیلات روزانه استفاده می‌کنید؟ تخیل از دانش مهم تر است! تخیل شما پیش نمایش آینده شما است. نشانه واقعی هوش، دانش نیست بلکه تخیل است.

آیا شما هر روز ماهیچه‌های تخیلتان را تمرین می‌دهید؟ اجازه ندهید چیزهای قدرتمندی مثل تخیل به حالت سکون دربیایند.

5- اشتباه کردن " کسی که هیچ وقت اشتباه نمی‌کند هیچ وقت هم چیز جدید یاد نمی‌گیرد" هرگز از اشتباه کردن نترسید اشتباه شکست نیست.اشتباهات شما را بهتر، زیرک تر و سریع تر می‌کند. اگر شما از آنها استفاده مناسب کنید قدرتی که منجر به اشتباه می‌شود را کشف می‌کنید؛ اگر می خواهید به موفقیت برسید اشتباهاتی که مرتکب می شوید را سه برابر کنید.

6- زندگی در لحظه" من هیچ موقع در مورد آینده فکر نمی‌کنم خودش به زودی خواهد آمد" تنها راه درست آینده شما این است که در همین لحظه باشید. شما زمان حال را با دیروز یا فردا نمی‌توانید عوض کنید. بنابراین این از اهمیت فوق العاده برخوردار است که شما تمام تلاش خود را به زمان جاری اختصاص دارید. این تنها زمانی است که اهمیت دارد، این تنها زمانی است که وجود دارد.

7- خلق ارزش "سعی نکنید موفق شوید، بلکه سعی کنید با ارزش شوید" وقت خود را به تلاش برای موفق شدن هدر ندهید، وقت خود را صرف ایجاد ارزش کنید. اگر شما با ارزش باشید، موفقیت را جذب می‌کنید. استعدادها و موهبت‌هایی که دارید را کشف کنید، بیاموزید چگونه آن استعدادها و موهبت‌های الهی را در راهی استفاده کنید که برای دیگران مفید باشد. تلاش کنید تا با ارزش شوید و موفقیت شما را تعقیب خواهد کرد.

8- انتظار نتایج متفاوت نداشته باشید " دیوانگی، انجام کاری دوباره و دوباره و انتظار نتایج متفاوت داشتن" شما نمی‌توانید کاری را هر روز انجام دهید و انتظار نتایج متفاوت داشته باشید؛ نمی توانید همیشه کار یکسانی را انجام دهید و انتظار داشته باشید متفاوت به نظر برسید. برای اینکه زندگی تان تغیر کند، باید خودتان را تا سر حد تغییر افکار و اعمالتان متفاوت کنید که متعاقبا زندگی‌تان تغییر خواهد کرد.

9- دانش از تجربه می‌آید " اطلاعات به معنای دانش نیست. تنها منبع دانش تجربه است" دانش از تجربه می‌آید. شما می‌توانید درباره انجام یک کار بحث کنید، اما این بحث فقط دانش فلسفی از این کار به شما می‌دهد. شما باید این کار را تجربه کنید تا از آن آگاهی پیدا کنید. تکلیف چیست؟ دنبال کسب تجربه باشید! وقت خودتان را صرف یاد گرفتن اطلاعات اضافه نکنید دست به کار شوید و دنبال کسب تجربه باشید.

10- اول قوانین را یاد بگیرید بعد بهتر بازی کنید " اگر شما قوانین بازی را یاد بگیرید از هر کس دیگر بهتر بازی خواهید کرد" اولین گام این است که شما باید قوانین بازی که می‌کنید را یاد بگیرید، این یک امر حیاتی است. گام دوم اینکه شما باید بازی را از هر فرد دیگری بهتر انجام بدهید .اگر شما بتوانید این دو گام را انجام دهید موفقیت از آن شما می‌شود.

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در جمعه ششم اسفند 1389  |
 نانو فوتونیک
درباره نانوفوتونيک چه ميدانيم؟

درباره نانوفوتونيک چه ميدانيم؟

● نانوفوتونيک چيست ، چه مي کند و چه خواهد بود؟

▪ با نگاهي گذرا به زيرساخت

براي روشن شدن مفهوم و گستره نانوفوتونيک بالاجبار بايد تبييني مختصر از دو حوزه تشکيل دهنده آن يعني فوتونيک و فناوري نانو ارائه دهيم. ابتدا توضيح مختصري راجع به فوتونيک خواهيم داد.

اصولاً به علوم و فناوري هاي مربوط و به کار گيرنده نور و فوتون (ذره بنيادي نور) که به برهم کنش هاي بين نور و ماه مي پردازند فوتونيک گفته مي شود که ليزر، اپتيک، تصويري سازي نوري و الکترونيک نوري از حوزه هاي اصلي آن هستند.

● اما فناوري نانو چيست و تأثيرات آن بر فوتونيک چيست؟

دربارة تعاريف فناوري نانو، منابع و ادبيات آن چنان مفصلي وجود دارد که به سختي بتوان تعريف واحد و پذيرفته شده اي از آن ارائه کرد.
شکل ۱- ماهيت ميان رشته‌اي
[بزرگ‌نمايي تصوير]
شکل ۱- ماهيت ميان رشته‌اي

مثالي که براي نشان دادن اين تعدد تعاريف استفاده مي شود اين است که اگر از پنج صاحب نظر در حوزه نانو نظرخواهي شود، احتمالاً آنان پنج تعريف متفاوت از فناوري نانو ارائه خواهند کرد.

يکي از آنها به مواد و کاربردها، يکي به تجهيزاتي که دستکاري و تجسم اشيا و فرآيندها در سطح مولکولي را ممکن مي سازند و ديگري به تمايز بين نانومواد و نانوفرآيندهاي ساخت بشر و آنهايي که به طور طبيعي به وجود مي آيند، اشاره خواهد کرد.

يک مورد هم احتمالاً بيشتر به اين نکته که فناوري نانو چه چيزي نيست اشاره خواهد کرد تا اين که چه چيزي هست. به طور مثال يک فناور به اين نکته اشاره مي کند که فناوري نانو را نبايد به هر آن چه در سطح مولکولي اتفاق مي افتد اطلاق کرد در غير اين صورت بايد به فعاليت يک متصدي بار در آمريکا که براي توليد نوعي نوشيدني، مولکول هاي مخمر جو سياه را با مولکول هاي نوشيدني شيرين افسنطين ترکيب مي کند، فناوري نانو اطلاق کنيم.

حال به سراغ تعريفي مي رويم که کاربرد بيشتري دارد (احتمالاً نفر پنجم!) و به ما براي رسيدن اهداف مان در اين مقاله بيشتر کمک خواهد کرد:

به گفته بروس ويزمن، استاد دانشگاه رايس که اولين مرکز تحقيقاتي دانشگاه فناوري نانو در آمريکا را در سال ۱۹۹۳ تأسيس کرده است يک هم گرائي در جامعة علمي براي رسيدن به يک تعريف استاندارد شده وجود دارد که مي توان آن را اين گونه بيان کرد: دستکاري ماده در سطح مولکولي و اتمي براي به وجود آوردن ساختارهاي مهندسي شده براي کاربردهاي معين.

● تأثيرات فناروي نانو بر فناوري فوتونيک چقدر خواهد بود؟

به طور بالقوه بسيار زياد. بنابر گزارش منتشر شده در ژانويه ۲۰۰۵ به وسيله Business Communications (Norwalk)، بازار جهاني تجهيزات نانوفوتونيک از ۴۲۱ ميليون دلار در سال ۲۰۰۴ به ۳/۹ ميليارد دلار در سال ۲۰۰۹ خواهد رسيد که کاربردهايي کليدي، بين ديودهاي نورافشان و نور ميدان- نزديک متغير خواهد بود.

● حوزه هاي کاربردي نانوفوتونيک

يکي از گزارش هايي که امسال توسط شرکت Strategies با مسئوليت نامحدود در mountainview کانادا منتشر شده است، اشاره مي کند که کاربردهاي کوتاه مدت نانوفوتونيک به چهار دسته اصلي نمايشگرها، ديودها، نورافشان، سلول هاي خورشيدي (دريافت کننده هاي انرژي خورشيدي) و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهد شد و بازار نهايي آن از مسائل مربوط به امنيت و پزشکي تا هوش کنترل شده و فناوري اطلاعات و ارتباطات گسترده خواهد بود.

در حوزه فناوري هاي تواناساز سه فناوري که رشد بيشتري نسبت به ديگر فناوري هاي نانوفوتونيک داشته اند نقاط کوانتومي، نانولوله هاي کربني و بلور هاي فوتونيکي بوده اند.

نقاط کوانتومي در حجم وسيعي براي کاربردهايي چون زيست پزشکي توليد مي شوند. همين طور نانولوله هاي کربني کاربردهاي جديدي در خودرو، پزشکي، نمايشگرها و محاسبات مي يابند. بلور هاي فوتونيکي نيز به جهان نانو هجوم آورده اند. به طور مثال در IBM محققان از بلور هاي فوتونيک براي ساخت مدارهاي نانوفوتونيک استفاده مي کنند (که هم اکنون ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر هستند) که هدف نهايي آنها به وجود آوردن نانوفوتونيک با قابليت تطبيق پذيري با نيمه رساناهاي اکسيد فلزي يا همان CMOSها براي دستيابي به توليد انبوه مدار مجتمع هاي فوتونيکي و به طور تدريجي مدارهاي نانوئي ۱۰۰ نانومتري و کوچکتر است.

● شناسايي زيرساخت هاي حياتي براي توسعه نانوفوتونيک :

سؤالي که پيش آمد اين است که در صورتي که کشور ما بخواهد به توسعه نانوفوتونيک پرداخته و از کاربردهاي آن بهره مند گردد، کدام فناوري ها نقش حياتي تري را در اين راه ايفا خواهند کرد و در صورت عدم وجود آنها تلاش براي دسترسي به آنها در اولويت قرار خواهد گرفت که البته پاسخ به چنين سؤالي نياز به تحقيقات عميق و طولاني مدت دارد که از حوصلة اين مقاله خارج است ولي براي به دست آوردن يک پاسخ ابتدايي و نسبتاً منطقي مي توان از يک مدل ساده استفاده کرد.

ابتدا بايد کاربردهاي اصلي نانوفوتونيک و فناوري هاي مربوط به هر کدام را شناسايي نمود و بررسي کرد کدام فناوري ها به اکثر کاربردهاي مادر مربوط مي شوند که البته در اين راه بايد به دليل يافتن پاسخي قطعي تر براي کاربردهاي مختلف است ضريبي قائل شد. فناوري هايي که از اهميت کمتري برخوردارند و نمره بالائي کسب نکرده، مشخص شوند تا تلاش براي دسترسي به آنها باعث صرف منابع در زمينه هاي بدون اولويت نشود.

همان طور که ذکر کرديم کاربردهاي کوتاه مدت و سودآوري نانوفوتونيک به چهار دسته اصلي نمايشگرهاي ديود نورافشان، پيل هاي خورشيدي و حسگرهاي زيست شيميايي تقسيم خواهند شد، پس ما براي فناوري هاي مربوط به اين ۴ دسته ضريب ۲ قائل خواهيم شد.

● مراکز مهم تجاري نانوفوتونيک در جهان

مسأله بعدي يافتن راهکارهايي براي توسعه اين فناوري ها و در مرحله بعد تجاري سازي کالاهاي نانوفوتونيک است که به احتمال قوي و طبق نتايج به دست آمده تحقيقات مديريت راهبردي، يکي از مؤثرترين اين راهکارها همکاري با مؤسسات مهم تجاري و تحقيقاتي نانوفوتونيک دنيا است.

در اين مقاله ما به اختصار به معرفي مراکز پيشرو تجارت نانو فوتونيک در جهان مي پردازيم، ضمن اين که مراکز تحقيقاتي و دانشگاهي نانوفوتونيک در مقاله اي ديگر به طور جداگانه بررسي خواهند شد.

▪ در زمينه نانوذرات و نانوبلور ها شرکت ها Evident technology در نيويورک آمريکا و Nanosolutions در هامبورگ آلمان جزو مهمترين شرکت ها هستند.

▪ در زمينه استفاده از نانولوله در نمايشگرها شرکت DuPont در دلاوير آمريکا و Samsung در سئول کره جنوبي مهمترين مراکزند.

▪ شرکت هاي Konarka در ماساچوست آمريکا و STMicroelectronics در جنوا سوئيس فعالترين مراکز تجاري درباره سلول هاي خورشيدي هستند و بزرگترين شرکت هايي که درباره سيم ها و بلور هاي فوتونيکي فعال هستند. NanoOpto در نيوجرسي آمريکا و LittleOptics در مري لند آمريکا هستند.

● آينده و چالش هاي نانوفوتونيک

در طول سال ها، نانوفوتونيک از توسعه مواد در نيمه رساناها و مفاهيم توسعه در فيزيک اتمي و خود ساماني در علوم شيمي سود برده است و اين مسئله منجر به اين شده است که بازۀ وسيعي از مفاهيم و کاربردها زير چتر نانوفوتونيک قرار گرفته و راهي را به سوي فوتونيک مولکولي باز کرده اند که چشم انداز فوق العاده اي را به ما مي نماياند.

اگر چه هنوز اپتيک و ليزر ابزارهاي مقدماتي در تجارت نانو هستند، ولي جالب است ذکر کنيم که در حالي که فوتونيک بيشتر شامل تجهيزات سامانه ها و زيرسامانه ها است، نانوفوتونيک بيشتر به کاربردهاي فناوري هاي اپتيکي موجودبراي ساخت، دستکاري و تصويربرداري از اشياء در قطع هاي نانوئي و مولکولي مي پردازد.

در حقيقت يکي از کاربردهاي اصلي نانومقياس در فناوري هاي نوري تعيين مشخصات است، که در کاربرد فلوئورسانس و طيف نمائي نوري و تکنيک هاي مرتبط در تحقيقات براي تعيين مشخصات بهتر با ابزاري مانند مواد نانولوله اي و فرآيندهاي مولکولي شاخص ترين موارد هستند.

يشرفت هاي به دست آمده در تکنيک هاي نوري و غير نوري منجر به تصاوير با دقت بسيار بالا از اشياء بسيار ريز مي باشد.

محققان بيان مي کنند که در تمام تحقيقات نانوئي از روش هاي مشابهي از تعيين مشخصات به وسيله نور استفاده شده است ولي مشکل اصلي نانوساختارها مانند نانولوله ها، تفاوت هاي ساختاري فراوان آنها است که چالش هايي را فراروي "گزينش انتخابي" قرار داده است. محققان اين رشته بايد به طور مداوم با چنين مشکلي دست و پنجه نرم کنند.

حل اين مسأله براي توليد انبوه و در مقياس بالاي فناوري ها و تجهيزات نانوفوتونيک ي حياتي است. حتي نانولوله هاي کربني نيز که هم اکنون در حجم هاي تقريباً انبوه توسط بعضي توليد کنندگان ساخته مي شوند هنوز از عدم وجود استانداردهاي قابل اطمينان رنج مي برند که اين مسأله تأثير مهمي بر کارآئي بسياري از کاربردهايش دارد.

محققان در آزمايشگاه هاي مختلف از روش هاي مختلف استفاده مي کنند و اين گونه است که نتايج کار آنها مي تواند متفاوت باشد و توليد کنندگان نانولوله ها در کنترل ترکيبات محصول دچار مشکلاتي اساسي مي شوند که اين مسأله در حقيقت، تحقيقات و بعضي از جنبه هاي تجاري سازي را کند مي کند. با اين موضوع همچنين از بعضي از کاربردهاي بسيار ظريف که مي توانند از خواص نوري بسياري دقيق سود برند، جلوگيري مي کند. بنابر اين تلاش هاي بسياري براي توليد نانولوله هاي کربني با کنترل و گزينش بيشتر صورت مي گيرد.

از سوي ديگري تلاش ها به سمت کنترل تغييرات خواص مواد متمرکز شده است که در حين ساختار يافتن اشياء به کمک نور رخ مي دهد.

ديگر محققان نيز در حل کار بر روي نانومواد و نانوتجهيزاتي هستند که از لحاظ زيست محيطي و زيستي سازگارتر باشند. از سوي ديگر، هزينه بالا، زمان بر بودن و قابليت بالقوه تخريب طبيعي ديگر چالش هايي بوده اند که گروهي از محققان را واداشته است که براي استفاده از فرآيندهاي طبيعي نانوئي مانند خزه هاي دريايي و نوعي از غبار که فرآيندهاي نانوئي در آن رخ مي دهد در محصولات و سطوح ديگر تلاش هايي را صورت دهند.

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه چهارم اسفند 1389  |
 معمای سكه و كیسه

معمای سكه و كیسه

شخصی ۱۰ کیسه سکه دارد که درون هر کیسه ۱۰ سکه قرار گرفته.

تمام کیسه ها سکه های ۱۰ گرمی دارند الا یک کیسه که سکه های آن ۹ گرمی است.

(یعنی ۱۰ سکه ۹ گرمی و ۹۰ سکه ۱۰ گرمی).

این شخص یک ترازوی دیجیتال در اختیار دارد و می خواهد با یک بار وزن کردن کیسه ای که سکه هایش ۹ گرمی است را مشخص کند.

شما می توانید این کار را بکنید؟

راهنمائی: در کیسه ها باز است!!!!

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه چهارم اسفند 1389  |
 نظریات امام صادق (ع)
نظريه حضرت امام جعفرصادق(عليه السلام)راجع به مولكولهاي آب وتجزيه آنها
در محضر درس حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) براي ادراك قوانين علوم ،تجربه هم بكار مي رفت و طبيعي است كه نبايد فكر بكنيم كه در محضر درس آن دانشمند بزرگ آزمايشگاهي مانند يكي از آزمايشگاههاي بزرگ امروزي وجود داشته و در آنجا قوانين فيزيكي و شيميائي را مورد آزمايش قرار مي دادند .
آزمايشگاه محضر درس حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) متناسب با زمان بوده اما ثابت مي كند كه آن دانشمند بزرگ در علوم فقط به تئوري اكتفا نمي كرده و تا آنجا كه امكان داشته تئوري را به محك تجربه مي زده است .
ديديم كه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) متوجه شده بود كه هوا يك عنصر نيست و پي بردن باين موضوع بدون تجربه بعيد به نظر مي رسد .
براي شيعيان هيچ يك از علوم حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) غرابت ندارد . براي اينكه شيعيان وي را امام ميدانند و عقيده دارند كه او با علم امامت همه چيز را ميدانست و بر همين قياسي هيچ يك از معجزات حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) در نظر آن ها غرابت ندارد و تمام معجزاتي را كه در كتب مورخين شيعه به حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) نسبت داده اند بدون احتجاج مي پذيرند ولي مورخ بيطرف براي هر مورد علمي يا اعجاز احتجاج مي کند و نمي تواند بدون برهان بپذيرد . مورخ بي طرف وقتي مي شنود كه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) گفت : كه هوا يك عنصر بسيط نيست بلكه از چند قسمت بوجود آمده و يك قسمت از آن سبب مي شود كه اشياء بسوزد و هم بعضي از اشياء را فاسد مي نمايد مي خواهد بفهمد كه چگونه وي باين موضوع پي برده بود .
اعجاز حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) اين نبود كه كوه را بحركت در آورد ( كه از لحاظ عقلائي قابل قبول نيست بلكه اعجاز او اين است كه در دوازده قرن و نيم قبل از اين بوجود اكسيژن در هوا پي برد و نيز در همان موقع پي برد كه در آب چيزي هست كه مي سوزد و به همين جهت گفت كه آب مبدل به آتش مي شود .
آنهائي كه مي گويند بر جسته ترين اعجاز يك پيغمبر كلام اوست ، مثل اينكه حرف بي اساس نمي زنند . چون ما كه امروز در تاريخ مي خوانيم كه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) كوه ( صفا ) را بحركت درآورد و كوه به او نزديك گرديد و آنگاه دور شد نمي توانيم اين روايت را باور كنيم و نمي پذيريم . كه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) اين اعجاز را كرده باشد .
اما وقتي مي شنويم كه او در نيمه اول قرن دوم هجري بوجود اكسيژن و هم بوجود هيدروژن ( درآب ) پي برده بود و در قلب خود تصديق مي نمائيم كه اين اعجاز است مي گويند که حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) بوسيله پدرش که او هم مردي دانشمند بود بوجود هيدروژن در آب پي برد و بعد خود او فهميد كه در هوا اكسيژن وجود دارد .
متأسفانه ما نمي دانيم كه آيا او توانست اكسيژن و هيدروژن خالص بدست بياورد يا نه ؟
بظاهر پي بردن بوجود هيدروژن و اكسيژن خالص مستلزم اين است كه آنرا بدست بياورند و بدست آوردن هيدروژن خالص دشوارتر است از بدست آوردن اكسيژن خالص بود . چون اكسيژن بطور خالص در طبيعت ( درهوا ) هست اما هيدروژن بطور خالص در طبيعت نيست . بهمين جهت در ادوار اخير تا روزي كه آب را تجزيه نكردند نتوانستند هيدروژن خالص بدست بياورند .
انسان مبهوت مي شود كه چگونه حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) يا پدرش امام محمد باقر (عليه السلام) بوجود گاز هيدروژن كه خالص آن در طبيعت نيست . و رنگ و بو و طعم ندارد پي برد .
حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) يا پدرش نمي توانسته اند جز در آب بوجود هيدروژن پي ببرند و بدون تجزيه كردن آب نمي توانسته اند آنرا بشناسند .
تجزيه كردن آب هم مستلزم استفاده از جريان برق است زيرا بطور ديگر نمي توان آب را تجزيه نمود . و آيا يكي از آن دو توانسته بود از جريان برق براي تجزيه آب استفاده كند كه اين هم قابل قبول نيست و در اعصار جديد اولين كسي كه موفق به جداكردن هيدروژن از آب گرديد ( هانري - كاوانديش ) انگليسي است كه در سال 1810 ميلاي در سن هشتاد و يك سالگي زندگي را بدرود گفت .
او سالها براي تجزيه آب کوشش کرد و بعد از اينكه هيدروژن را بدست آورد اسمش را ( هواي قابل اشتعال ) گذاشت و اولين مرتبه كه هيدروژن را مشتعل كرد نزديك بود كه خود و خانه اش بسوزد .
كاوانديش در روز 27 ماه مه سال 1766 ميلادي شعله اي را بظرفي كه پر از گاز هيدروژن بود نزديك كرد و آن ظرف يك مرتبه مشتعل و منفجر شد و آتش باطراف پاشيد و دست ها و قدري از صورت دانشمند انگليسي سوخت و اگر اهل خانه بر اثر فرياد كاوانديش نمي دويدند و حريقي را كه بوجود آمده بود خاموش نمي كردند خانه و اثاث البيت مرد دانشمند مي سوخت و دانشمند انگليسي ، بدو علت اسم آن گاز را هواي قابل اشتعال گذاشت .
اولين اينكه با يك تجزيه تلخ بر او معلوم شد كه آن گاز مشتعل مي شود دوم اينكه قدما تصور مي كردند كه آب هواي مايع است آنها ميديدند كه وقتي آب حرارت مي بيند تبخير مي شود و به فضا مي رود و نيز ميديدند كه آب بشكل باران از فضا مي ريزد . و لذا فكر مي كردند كه آب چيزي نيست غير از هواي مايع . اين بود كه كاوانديش هم اسم آن گاز را هواي قابل اشتعال نهاد .
اسم هيدروژن به زبان عربي ( مولد الماء - بوجود آوردنده آب ) نامي است كه از طرف ( لاووازيه ) دانشمند معروف فرانسوي كه او را با گيوتين بقتل رسانيدند براي آن گاز انتخاب شد و تا وقتي ( لاووازيه ) آن اسم را وضع نكرد در كشورهاي اروپا آن گاز را ( هواي قابل اشتعال ) مي خواندند . گاز هيدروژن زماني كشف شد كه استفاده از نيروي برق آنقدر پيش رفته بود كه مي توانستند از آن براي تجزيه آب استفاده كنند .
اما در زمان حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) استفاده از نيروي برق در حدود همان استفاده از كهر با و کاه بود كه جنبه سرگرمي و بازي را داشت و قطعه اي از كهربار را به يك پارچه پشمي مي ماليدند و به كاه نزديك مي كردند و كهربا پرهاي كاه را جذب مي نمود .
آيا حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) يا پدرش امام محمد باقر (عليه السلام) براي جداكردن هيدروژن از آب بوسيله اي پي برده بودند كه هنوز دانشمندان از آن بي اطلاعي هستند ؟ و آنها توانسته بودند با وسيله اي غير از جريان برق ، هيدروژن را از آب جدا كنند ؟
از روزي كه كاوانديش براي اولين بار موفق شد كه هيدروژن را بدست بياورد تا امروز وسيله جدا كردن هيدروژن از آب غير از جريان برق نبوده است و تا كنون دانشمندان نتوانسته اند كه جز باين وسيله هيدروژن را از آب جدا نمايند .
در چند سال اخير كه بر اثر آلودگي فضاي زمين بخصوص در امريكا كه خيلي احتياج به انرژي دارد اين فكر بوجود آمده كه از هيدروژن استفاده نمايند مسئله بكار بردن روشي غير از استفاده از برق براي تجزيه آب مطرح مي باشد ، اما هنوز وارد مرحله تحقيق نشده است .
بنابراين امام محمد باقر (عليه السلام) يا پسرش حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) كه بوجود هيدروژن پي بردند از جريان برق استفاده كردند تا بدان وسيله آب را تجزيه كنند يا با روشي كه هنوز بر دانشمندان معلوم نشده است توانستند هيدروژن خالص بدست بياورند و حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) يا پدرش با فلسفه نمي توانستند بوجود هيدروژن پي ببرند .
اگر حضرت امام جعفر صادق (عليه السلام) از طرز تجزيه آب براي بدست آوردن هيدروژن آگاه بوده و از ابراز آن خودداري كرده بايد تصديق كرد كه كاري صواب كرده است زيرا مي بينيم كه جدا كردن هيدروژن از آب بجاي اينكه كمك به بهبود وضع زندگي بشر نمايد سبب اختراع بمب هيدروژني شده و اين سلاح چون اجل معلق بالاي سر نوع بشر ميباشد و هر لحظه ممکن است سقوط کند و منفجر شود و نوع بشر را نابود نمايد و اگر هيدروژن كشف نميشد بهتر از اين بود كه اين بلاي معلق براي نوع بشر بوجود بيايد .
|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در سه شنبه پانزدهم تیر 1389  |
 نظریه ی جهان ازلی علیه بیگ بنگ

نظریه ی جهان ازلی بیان می دارد که احتمالا فضا و زمان پس ازانفجار بزرگ آغاز نشده بلکه فضا و زمان همیشه وجود داشته است و یک چرخه ی بی پایان از انبساط و انقباض را انجام می دهد.پاول استینهارت ، فیزیکدان دانشگاه پرینستون و نیل توروک از دانشگاه کمبریج دو دانشمندی هستند که این نظریه را ابراز کرده اند.طبق این نظریه درهر چرخه ، جهان از ماده ی داغ و چگال انباشته می شود و پس از آن مرحله ی انبساط را آغازمی کند که طی آن جهان سرد می شود.تا این جا همه چیز شبیه تصویر ارائه شده در انفجار بزرگ است.بعد ازگذشت 14میلیارد سال جهان شتاب بیش تری به خود می گیرد.البته مشاهدات تجربی موید این نظریه می باشد.پس ازگذشت تریلیون ها سال ماده به طور کامل منتشر شده و به حداکثر انبساط خود می رسد.تابش نیز درسراسر جهان منتشرمی شود و به این ترتیب مرحله ی انبساط جهان متوقف می شود.در مرحله ی بعد یک میدان انرژی ، ماده و تابش های جدیدی تولید می کند و بنابراین این چرخه مجددا شروع می شود.این نظریه ی جدید پاسخ های محتملی را برای چندین مسئله که مدت های مدیدی در زمینه ی انفجار بزرگ در ذهن دانشمندان وجود داشت ، پاسخ می گوید.نظریه ی انفجار بزرگ طی چند دهه ی گذشته نظریه ی غالب در زمینه ی کیهان شناسی به شمار می رفت.از جمله پرسش هایی که درنظریه ی انفجار بزرگ بدون پاسخ مانده است ، می توان به پرسش زیر اشاره کرد : "چه چیزی برای اولین بار منفجر شده و چگونه قبل از آغاز زمان آن چیز وجود داشته است ؟ البته استینهارت از ارائه دهندگان این نظریه ، می گوید : "در این مرحله من نمی توانم هیچ یک از این نظریه ها را رد کنم.چیزی که برای من جالب است این است که ما در حال حاضر دونظریه داریم که از جهات اساسی فرق بسیاری با یکدیگر دارند و ما احتمالا تا چند سال آینده می توانیم به طور تجربی صحت این دو نظریه را بررسی کنیم." نظریه ی انفجار بزرگ حدود 60 سال پیش ارائه شده است و طی این مدت برای آن که بتواند مشاهدات تجربی را به نحو شایسته ای توجیه کند ، تغییراتی در آن صورت گرفته و تا حدودی توسعه یافته است.یک عنصربسیاراساسی که در دهه 1980 به آن افزوده شد مفهوم تورم است.تورم بیانگر دوره ی انبساط بسیارسریع است که درخلال اولین ثانیه های بعد از انفجاربزرگ رخ داده است.دوره ی تورم برای تشریح وضعیت یکنواختی و همگونی جهان که توسط ستاره  شناسان مشاهده شده عنصری مهم است.این مفهوم ضمنا می تواند توجیه کننده ی نحوه ی تشکیل کهکشان ها باشد.این دانشمندان بعدها مجبور شدند تا به نظریه ی انفجار بزرگ مفهوم

" انرژی تاریک " را نیز بیفزایند ، به این دلیل که توجیه گر مشاهده ی شتاب بیش تر درانبساط جهان باشد.اما در نظریه ی جدید صحبتی از تورم و انرژی سیاه به میان نمی آید و این دو مفهوم با نظریه ی میدان انرژی جایگزین شده است.طبق این نظریه میدان انرژی در حال نوسان است و به این ترتیب زمانی باعث انبساط جهان و زمانی باعث رکود آن می شود.در عین حال این نظریه تمام پدیده هایی که اخیرا مشاهده شده اند را به خوبی نظریه ی انفجار بزرگ توجیه می کند.استینهارت که یکی از پیشگامان نظریه ی تورم نیز به شمار می رود در این زمینه می گوید :" از آن جایی که نظریه ی جدید به مفروضات کم تری احتیاج دارد ، استفاده از آن آسان تر به نظر می رسد." حسن دیگر این نظریه این است که می تواند بدون افزودن مفروضات جدیدی آینده ی جهان را پیشگویی کند.اما در مقابل مفهوم تورم نمی تواند آینده ی دراز مدت جهان را پیشگویی کند.نظریه ی چرخه ای جهان بیانگر ترکیبی از مفاهیم استاندارد فیزیک و سایر مفاهیم پیشرفته فیزیکی است ، که نشان دهنده ی تلاش های مجدانه فیزیکدانان برای توسعه یک نظریه فراگیر که شامل تمام ذرات و نیروهای فیزیکی شناخته شده می باشد.گرچه این نظریات از ریاضیات پیشرفته ای استفاده می کنند ، در عین حال می توانند تصویری از نظریه چرخه ای جهان را نیز ارائه دهند.براساس این نظریات جهان باید شامل دو صفحه مواز ی بسیار بزرگ باشد.برای تجسم بهتر دو صفحه ی کاغذ را که فاصله ی آن ها بسیار کم است در نظر بگیرید.این فاصله به عنوان یک بعد دیگر یا بعد پنجم عمل می کند که البته تشخیص آن برای ما به طور عملی دشوار است.در مرحله ای از زمان که ما در آن به سر می بریم ، صفحات در تمام جهات منبسط می شوند و تمام انرژی و جرمی که دارند را در جهات مختلف منتشرمی کنند.بعد از گذشت تریلیون ها سال وقتی که جهان از جرم و انرژی خالی شد وارد مرحله ای جدید می شود.در این مرحله که رکود نامیده می شود ، انبساط متوقف می شود و درعوض صفحات شروع به حرکت به سمت یکدیگر می کنند و به این ترتیب بعد پنجم دچار انقباض می شود.هنگامی که صفحات منقبض می گردند کم کم به یکدیگر نزدیک شده تا در نهایت  به هم برخورد کنند.این برخورد باعث می شود که این صفحات انباشته از ماده ی چگال شوند و دمای آن ها به طور غیرمنتظره ای بالا رود.این قسمت پیش بینی ها با مفاهیم ارائه شده توسط انفجار بزرگ هم خوانی دارد.وقتی که مجددا این صفحات از یکدیگر دورمی شوند بار دیگر انبساط آغاز می گردد.نکته قابل ذکر آن است که این صفحات جهان های مختلف و موازی یک دیگر نیستند ، بلکه در حقیقت قسمت های مختلفی از یک جهان هستند.یک قسمت از این جهان یا یک صفحه آن شامل تمام ماده ی معمولی است که ماهیت آن برای ما آشنا است و صفحه دیگر شامل چیزی است که برای ما نا آشنا است.به عقیده استینهارت ، چیزی که ماده ی تاریک نامیده می شود و عقیده بر آن است که قسمت عمده ی جرم جهان را تشکیل می دهد در این قسمت از جهان قرار دارد.برهم کنش این دو صفحه فقط بر اساس جاذبه گرانشی است.یعنی اجرام موجود در یک صفحه جاذبه ی شدیدی به اجرام صفحه ی مقابل وارد می کنند.حرکت و خواص این صفحات از مفاهیم ریاضی که برای بیان آن ها به کار گرفته شده ناشی می شود.این امر بر خلاف مفهوم انفجار بزرگ است که انرژی تاریک بعدا به آن اضافه شد تا بتواند مشاهدات تجربی را توجیه کند.این ها موقعیت های جالبی هستند که ما را به سوی خود جذب می کنند.ممکن است در نظرهرکس یکی از این نظریات از دیگری جالب تر باشد ، اما طبیعت خود بهترین داور است و می تواند بگوید کدام نظریه صحیح و کدام غلط است. 

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه پنجم خرداد 1389  |
 طوفان های مغناطیسی

همانند طرح یک فیلم علمی-تخیلی نوع ب، اتفاق عجیب غریبی در عمق زیر زمین در حال اتفاق افتادن است، جایی که چرخش پیوسته‌ی هسته‌ی مایع و فلزی زمین، میدان مغناطیسی نامرئی‌ای تولید می‌کند که سیاره‌ی ما را از تابش‌های مضر کیهانی محافظت می‌کند. این میدان، به آرامی در حال ضعیف‌تر شدن است. آیا ما به سمت رستاخیز غیرمغناطیسی شدنی به پیش می‌رویم که ما را در برابر اثرات مهلک بادهای خورشیدی و اشعه‌های کیهانی بدون دفاع باقی می‌گذارد؟ «طوفان مغناطیسی» برای آینده‌ی مبهم مغناطیسی ما محتمل به نظر می‌رسد. دانشمندانی که این مسأله را مورد بررسی قرار داده‌اند در همه‌جا به مطالعه پرداخته‌اند، از مریخ، که در چهار بیلیون سال پیش دچار یک بحران مغناطیسی شده است و از آن زمان به بعد عاری از هرگونه میدان مغناطیسی، جو قابل ملاحظه و محتملاً حیات شده است، گرفته تا آزمایشگاهی در دانشگاه مریلند، که تیمی به سرپرستی دن لاترپ فیزیکدان، دست به شبیه‌سازی هسته‌ی مذاب آهنی زمین با استفاده از 240 پوند سدیم مذاب به شدت قابل انفجار زده‌اند. واضح‌ترین نشانه‌های میدان مغناطیسی زمین شفق‌های قطبی هستند، که در اثر برهمکنش ذرات باردار کیهانی با جو زمین در هنگام فروافتادن در قطب شمال و جنوب مغناطیسی به وجود می‌آیند.


 


لیکن نشانه‌های تحلیل میدان مغناطیسی بسیار ظریف می‌باشند - اگرچه آن‌ها در هر ظرف سفالی‌ای که تا کنون در کوره پخته شده است آشکارند. در هنگام پخته شدن سفال‌ها در دمای بالا، ناخالصی‌های آهنی موجود در خاک رس حالت دقیق میدان مغناطیسی زمین را دقیقاً در آن لحظه به ثبت می‌رسانند. جان شاو زمین شناس از دانشگاه لیورپول انگلیس، با بررسی کوزه‌ها از عصر حجر تا زمان حال مدرن کشف کرده است که شدت تغییرات میدان مغناطیسی تا چه حد هیجان‌انگیز می‌باشد. او می‌گوید: «هنگامی که ما نمودار نتایج حاصل از سرامیک‌ها را رسم می‌کنیم، کاهش سریعی را با حرکت به سمت زمان حال مشاهده می‌کنیم. نرخ تغییرات در 300 سال اخیر از هر زمان دیگری در 5000 سال گذشته بیشتر است. میدان مغناطیسی از یک میدان قوی به سمت یک میدان ضعیف به پیش می‌رود، و این اتفاق به سرعت در حال افتادن است.»

با نرخ کنونی، میدان مغناطیسی زمین در عرض چندین قرن به طور کامل از بین می‌رود، و سیاره زمین در برابر جرقه‌های بی‌رحمانه‌ی ذرات باردار کیهانی بدون حفاظ می‌ماند با نتایجی غیر قابل پیشبینی برای جو زمین و حیات. احتمالات ممکن دیگر: میدان می‌تواند از ضعیف شدن دست بکشد و دوباره قوی بشود، و یا بعد از ضعیف شدن تا حد خاصی ناگهان جهت خود را تغییر دهد - یعنی این‌که قطب‌نماها سمت قطب جنوب را نشان می‌دهند. آثار قدیمی‌تری از نوسان میدان مغناطیسی زمین نسبت به آن‌چه از تحقیقات شاو حاصل شده است نتایجی بسیار پیچیده‌تر را نشان می‌دهد. گدازه‌های آتشفشانی کهن در جزیره هاوایی هم در مورد قدرت میدان مغناطیسی زمین با توجه به زمان سرد شدن گدازه‌ها و هم در مورد جهت قطب‌های شمال و جنوب مغناطیسی با توجه به جهت گدازه‌ها به ما اطلاعات می‌دهند. مایک فولر زمین‌شناس از دانشگاه هاوایی می‌گوید: «وقتی ما به 700,000 سال پیش بر‌می‌گردیم پدیده‌ی غیر قابل باوری را مشاهده می‌کنیم. جهت مغناطیسی صخره‌ها ناگهان در جهت معکوس قرار گرفته است. به جای آن‌که آن‌ها به سمت شمال مغناطیسه باشند- همانند چیزی که امروز مشاهده می‌کنیم - به سمت جنوب مغناطیسه شده‌اند.»

به نظر می‌رسد که چنان تغییر جهت میدان مغناطیسی‌ای به طور متوسط هر 250,000 سال یک‌بار به وقوع پیوسته است، که نتیجتاً هم اکنون برای جابه‌جایی دیگری در قطب‌های مغناطیسی خیلی هم دیر شده است. گری گلاتزمایر دانشمندی از دانشگاه سانتا کروز کالیفرنیا چنان جابه‌جایی‌هایی را بین دو قطب شمال و جنوب در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مشاهده کرده است (یکی از شبیه‌سازی‌ها را در این‌جا می‌بینید). این اتفاقات مجازی شباهت خیلی زیادی با رفتار کنونی میدان مغناطیسی زمین نشان می‌دهد ولذا می‌توان نتیجه گرفت که ما در آستانه‌ی تجربه یکی دیگر از جابه‌جایی‌های قطب‌های زمین قرار داریم، اگرچه تکمیل آن چندین قرن به طول می‌کشد.

برخی از محققان عقیده دارند که ما در حال حاضر هم در مرحله انتقالی قرار داریم، با توجه به توسعه نواحی‌ با رفتارهای غیر متعارف مغناطیسی - که خطوط میدان در جهت اشتباه حرکت می‌کنند - نشانه‌هایی از حالت ضعیف‌تر و آشوبناک‌تری برای سپر محافظ ما است.

راب کو زمین شناس از دانشگاه سانتا کروز کالیفرنیا، حتی ممکن است شواهدی در گدازه‌هایی در اُرگان پیدا کرده باشد که حاکی از ضربات مغناطیسی ناشی از دوره‌ی جابه‌جایی می‌باشد. تصویری که ایجاد می‌شود ممکن است به پرسروصدایی استانداردهای آبروریزی‌های هالیوودی نباشد، لیکن با توجه به این‌که تمدن بشری هیچ گاه در چنین موقعیتی قرار نداشته است، نسل بشر می‌تواند دوران جالب و پرمبارزه‌ای را در پیش رو داشته باشد.

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه پنجم خرداد 1389  |
 پلاسما
پلاسما ، PLASMA – حالتی از ماده است که در دمای خیلی بالا بوجود می آید و ساختارهای مولکولی مفهوم خود را در این وضعیت از دست می دهند . در حالت پلاسما اتم ها و ذرات زیر اتمی مانند مانند الکترون و پروتون و نوترون آزادانه در محیط حرکت می کنند و تغییر موقعیت می دهند . حالت ماده متشکله تمامی ستارگان ، پلاسما است .
پلاسما در فیزیک،یک محیط رسانای الکتریکی است که تعداد ذرات باردار مثبت و منفی آن تقریبا با هم برابرند و زمانی ایجاد می شود که اتم ها در گاز یونیزه شوند.
گاهی به پلاسما‏‎ حالت‌‏‎ چهارم ماده اطلاق می شود که از حالتهای سه گانه جامد،مایع،گاز متمایز است.


هر الکترون دارای یک واحد بار منفی است.
بار مثبت توسط اتمها یا مولکولهایی که این الکترونها را از دست داده اند حمل میشود در موارد نادر اما جالب ، الکترونهایی که از یک نوع اتم یا مولکول جدا شده اند به ترکیب دیگری متصل میشوند و منجر به تولید پلاسما میشوند که هر دو یون مثبت و منفی را دارا است.

توضیح کامل تری از پلاسما:

گازهایی که تا حد زیادی یونیده هستند رساناهای خوبی برای الکتریسیته هستند. علاوه بر آن حرکت ِ ذرات باردار ِ گازها هم می تواند میدان الکترومغناطیسی تولید کند. (تابش موج). وقتی گاز یونیده تحت تأثیر یک میدان الکتریکی ِ ساکن قرار بگیرد حاملهای بار در این گاز به سرعت طوری مجددا توزیع می شوند که قسمت ِ اعظم ِ گاز در مقابل ِ میدان محافظت می شود. لانگ مویر ( Langmuir ) در سال 1929 در مجله ی فیزیکال ریویو لترز Physical Review letters شماره ی 33 صفحه ی 954 ناحیه ای از گازها را که نسبتا خالی از میدان است و محافظت شده است و در آن بارهای مثبت و منفی در توازن اند پلاسما نامید و نواحی محافظ روی مرز ِ پلاسما را پوشینه نامید.
از مهمترین خواص پلاسما اینست که می کوشد از لحاظ الکتریکی خنثی بماند.
در ابتدا پلاسما در ارتباط با تخلیه ی الکتریکی در گازها و قوسهای الکتریکی و شعله ها مورد نظر بود اما اینک در اخترفیزیک نظری، مسأله ی گداخت و راکتورهای هسته ای گرمایی و مهار ِ یونها هم مورد اهمیت است. برای تشکیل پلاسما نیازمند ِ دمای بالایی هستیم تا توانایی تفکیک الکترونها را از یونهای مثبت در گازها داشته باشیم. جایی که الکترونش یک طرف و یونهای مثبتش یک طرف دیگر باشد را پلاسما می گویند. برای ایجاد پلاسما از راکتور گرمایی استفاده می شد اما جدیدا از لیزر و مواد جامد هم استفاده می شود.

اطلاعات بیشتر iPN:


سه شیوه ی مختلف برای بررسی پلاسما وجود دارد :

نظریه ی جنبشی تعادل

نظریه مدار

نظریه ی هیدرومغناطیسی ماکروسکوپی

نظریه ی تعادل مبنی بر آمار بولتزمن است و نشان می دهد که اگر بار خارجی q در پلاسما قرار داشته باشد در فاصله ای موسوم به طول دبی توسط پلاسما محافظت می شود. یعنی پتانسیل کولنی حفاظت نشده ی q/4pi*epsilon*r با فرمول زیر عوض می شود:

(phi (potential) = ( q / 4*pi*epsilon*r ) * exp (-r/h
(h= sqr ( epsilon*k*T/2N0e2
e = بار الکتریکی
h= طول دبی

نظریه مدار یا حرکت ذرات در میدان مغناطیسی هم بحث آینه های مغناطیسی را ایجاد می کند. برای نگه داشتن پلاسما نیاز به ظرف داریم ولی این ظرف چیزی بجز کاسه ای فرضی که دیواره هایش میدان مغناطیسی است نمی باشد. این ظرف مغناطیسی در واقع باعث پیچ خوردن و دایره ای شدن حرکت ذرات در پلاسما می شود. ظرف مغناطیسی میدانی نایکنواخت و همگرا اطراف پلاسماست که هرچه از پلاسما دور می شود مقدارش قوی تر می شود . اگر ذره ی بارداری در پلاسما را تصور کنیم که حرکت پیچشی حول محور مغناطیسی مذکور داشته باشد شعاع حرکتش همان شعاع لارمور است که از رابطه ی نیروی وارد بر ذره ی متحرک به جرم m و سرعت v و بار q با میدان مغناطیسی خارجی B ناشی می شود :

 (~F = q(~v*~B
~F=m. ~a -> F=mv2/R
=> Rلارمور = m vعمود / q.B

پس هر چه دورتر از پلاسما می شویم با افزایش قدرت میدان مغناطیسی شعاع چرخش دوران کم می شود و کم کم سرعت ذره کاهش می یابد. پس مارپیچ تنگ تر و حرکت محوری کندتری توسط ذرات طی می شود تا اینکه مثل اینکه به آینه برخورد کرده باشند بر می گردند. به این پدیده «آینه ی مغناطیسی» می گویند.

نظریه هیدرو مغناطیسی یعنی قانون نیروی ماکروسکوپی برای حجم واحد یا بازی با شارها (flows). میدان مغناطیسی که حکم ظرف را برای پلاسما دارد فشاری معادل با press = B^2/2.mu اعمال می کند. این اثر را تنگش مغناطیسی گویند.


اسپری پلاسما :


در روش پلاسما اسپری گازتشکیل دهنده پلاسما که درمرحله شروع قوس آرگن یا هلیم است و پس ازبرقراری قوس پایدار به ترکیبی از آرگن یا هلیم با هیدروژن یانیتروژن تبدیل می شود از بین کاتد و آند عبورکرده و بر اثر تخلیه الکتریکی این ناحیه یونیزه می گردد. مقدارانرژی صرف شده برای یونیزه کردن گاز، درناحیه ای درخارج گذرگاه مابین کاتد و آند آزاد شده و به گرما تبدیل می کردد و بدین ترتیب دمایی درحدود 15000 درجه سانتیگراد حاصل خواهد شد و مولکولهای منبسط شده گاز با سرعتی نزدیک به صوت ذرات ماده پوشش بصورت پودر را که ذوب شده اند، به سمت سطح قطعه خواهند راند و بدین ترتیب پوششی متراکم باچسبندگی بالا حاصل خواهد شد.

پوشش های پلاسمااسپری، جهت محافظت سطح قطعات دربرابرعواملی مانند دمای بالا، خوردگی داغ، خوردگی دمای محیط و فرسایش مورد استفاده قرارمی گیرند، این پوشش ها درصنایع مختلف ازجمله صنایع نفت، نساجی، فولاد، نیروگاهی، شیمیایی و … کاربردفراوان دارند. بعنوان نمونه می توان موارد زیر راذکر کرد:


1- کاربید تنگستن و کاربید کرم : مقاوم دربرابرسایش
2- اکسید آلومینیم : مقاوم دربرابر دمای بالا وسایش
3- اکسید زیرکنیم : پوشش سپر حرارتی
4- آلیاژهای پایه نیکل : مقاوم دربرابر خوردگی
5- اکسیدکرم : مقاوم دربرابر سایش

اخباری درباره پلاسما:


پلاسمای سرد باکتری ها را از بین می برد:
محققین در یو اس با استفاده از پلاسمای سرد روش جدیدی برای نابود کردن باکتریها کشف کردند. این روش توسط مونیر لاروس در دانشگاه ویرجینیا و دانشکده های کالیفرنیا در ساندیاگو کشف شد. پلاسما شامل ذرات باردار -الکترونها و یونها- و ذرات بدون بار مانند اتمهای برانگیخته و مولکولها می باشد.
بیشتر پلاسما هها در فشار معمولی داغ هستند - در حدود چندین هزار درجه سانتیگراد- بنابر این کنترل آنها مشکل است.
لاروس و همکارانش با استفاده از مانع مقاوم بدون بار در دما و فشار اتاق پلاسما ی سرد تولید کردند.آنها برای این کار گاز مخلوطی شامل 97% هلیوم و 3% اکسیژن را بین دو الکترود مسطح وارد کردند،سپس ولتاژی در حدود چندکیلوولت با فرکانس 60 هرتز اعمال کردند.
مزیت این روش در توان ورودی کم - بین 50 تا 300 وات - و تولید مقدار زیادی پلاسما می باشد.
این تیم دو نوع باکتری - با غشای بیرونی و بدون غشای بیرونی- را در معرض پلاسما ی سرد قرار دادند و با میکروسکوب الکترونی تاثیرات پلاسما را روی آنها بررسی کردند.بعد از گذشت ده دقیقه دیدند که هر دو نوع باکتری بوسیله اشعه فرا بنفش و قسمتهای آزاد پلاسما، از بین رفتند.
ذرات باردار در حدود چند میکروثانیه آسیب شدیدی به پوسته سلول باکتری وارد می کنند،زیرا کشش الکتروستاتیکی وارد بر پوسته بیرونی سلول باکتری از نیروی کشش پوسته بیشتر می شود.
لاروس و همکارانش معتقدند که پلاسمای سرد، باکتریها و ویروسهای مهلک را از بین می برد و برای استریلیزه کردن سریع و مطمئن تجهیزات دارویی می تواند بجای روشهای سمی بکار برود.
لاروس میگوید:“امیدواریم این روش را بتوانیم برای قسمتهای زیرسلولی نیز بکار ببریم و تاثیرات بیوشیمی آن را نیز بدست آوریم.“

دیدگاه های شما:

دوست عزیزی(به نام آقا داوود) به بنده لطف نموده و طی دو کامنت گفته اند:(سلام ، تووي گوگل زدم "صدرا" و اين وبلاگ رو پيدا كردم ... اينكه چرا "صدرا" رو جستجو كردم قصش مفصله ... خلاصش اينه كه ، تقريبا" همه زندگيم صدرا س ، سرم درد ميكنه و حوصله خوندن مطالب رو ندارم ... ولي آدرس وبلاگ رو save كردم .... فعلا"BYE)(كاش وقت داشتم و میشد همه مطالب وبلاگت رو ميخوندم ... از آرشيو گرفته تا .... اما فعلا" فقط ميتونم بيام عكساشو ببينم ...)

در پاسخ به ابراز لطف این دوست عرض می کنم که این خاصیت فیزیک است که اغلب افرادی را که مطالعاتی در این زمینه دارند را مجذوب خود می کند و من هم که مشغول به تحصیل در این زمینه هستم از این قاعده مستثنی نیستم... این وبلاگ چند سالی از عمرش می گذرد و در این دوره مطالب گوناگونی به فراخور زمانی منتشر نموده ام... امیدوارم در راه آشنایی اذهان عموم مردم با عظمت دستگاه الهی توانسته باشم موثر بوده باشم...

 

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه پنجم خرداد 1389  |
 سفر در زمان

سفر در زمان که درحال حاضر تنها در فیلم های علمی تخیلی امکان پذیر است می تواند در آینده و با کمک قوانین فیزیک به واقعیت تبدیل شود.

         یک فیزیکدان ایتالیایی مدل تئوریکی ساخته است که از طریق یکتایی های خام که در کهکشان ها قرار دارند، پرش به گذشته را پیش بینی می کند.


          فرناندود فلیشچه، استاد فیزیک دانشگاه پادوا در ایتالیا در زمره دانشمندانی است که تئوری های پرش در فضا زمان کهکشان ها را با استفاده از یک ماشین زمان فرضی توسعه داده اند. این فیزیکدان با بررسی پدیده های مختلف کیهانی و فرمول های ریاضی، مدل تئوریکی را ساخته است که پرش به گذشته را از طریق یکتایی های عریان که در  کهکشان  ها پیدا  می شوند ، امکان  پذیر  می کند.

          این فیزیکدان در خصوص یکتایی عریان توضیح داد : وقتی یک سیاه چاله برای فروپاشی ستاره ای که در میدان گرانش آن قرار گرفته شکل می گیرد، در داخل سیاه چاله یک یکتایی به وجود می آید. یکتایی درحقیقت منطقه ای از سیاه چاله است که موقعیت های غیرعادی را ایجاد می کند. نوری که سیاه چاله از یک ستاره بدست می آورد مانع مشاهده یکتایی می شود. اما گروهی دیگر از یکتایی ها وجود دارد که به آنها یکتایی عریان گفته می شود. نور، این یکتایی ها را نمی پوشاند و بنابراین قابل رویت هستند. از یکتایی های عریان می توان اطلاعاتی درباره میدان گرانشی سیاه چاله به دست آورد. درحقیقت در داخل این میدان گرانشی پدیده ها به طرز استثنایی تغییر می کنند که وارونگی زمانی یکی از این تغییرات عجیب است.

          به اعتقاد این دانشمند در یکتایی، ذرات نسبت به زمان وارونه حرکت می کنند، همانطور که پیش از این تئوری، نسبیت انیشتن این پدیده را پیش بینی کرده بود. در واقع اگر در زندگی ما ثانیه ها به صورت ۱،۲،۳ جلو می روند برای کسی که دریکتایی عریان  زندگی می کند ، نسبت  به مشاهده گری که از خارج به آن نگاه می کند، بصورت ۱- ، ۲- ، ۳- پیش می روند.

          این دانشمند در این خصوص اظهار داشت: سفر به آینده می تواند در لابراتوار بازسازی شود. ذراتی که با سرعت نور سفر می کنند، در یک هزارم ثانیه مخفی می شوند و می میرند، اما ما وجود این ذرات را در ۱۰ ثانیه مشاهده می کنیم. این مسئله نشان می دهد که زندگی این ذرات طولانی شده و این درست شبیه به پرش به آینده است.

          پرش به آینده با پارادکس های دوقلوها بهتر توضیح داده می شود. درحقیقت اگر دو انسان دوقلو جدا از هم یکی روی زمین و دیگری در یک فضاپیما که با سرعت نور بین ستارگان حرکت می کند، زندگی کنند، وقتی پس از ۲۰ سال نجومی همدیگر را پیدا کنند، این زمان به سالهای زمینی برابر با ۲۰۰ سال می شود. یعنی اگر این دوقلوها هنگام جدا شدن یکسال داشته باشند، پس از این مدت زمان برادر زمینی ۲۰۱ ساله و برداری که در فضا با سرعت نور سفر می کرد، ۲۱ سال خواهد داشت.

          درواقع می توان گفت که برادری که با سرعت نور سفر کرده است، به آینده برادر ساکن زمین پرش کرده است.

          این دانشمند در پاسخ به این سوال که اگر این یکتایی به جای اینکه در کهکشان ساخته شود، در لابراتوار بازسازی شود، چه اتفاقی می افتد، توضیح داد: دراینصورت محاسبه جرم این یکتایی به سختی امکان پذیر خواهد شد. دانشمندان مطمئن نیستند که بتوانند تولید مصنوعی یک سیاه چاله کوچک و یکتایی آن را در لابراتوار سازماندهی کنند. درواقع براساس قوانین کلاسیک فیزیک امکان شکل دادن سیاه چاله های مصنوعی وجود ندارد.

          دراین حال شاید ماهواره گلاست (Glast) ناسا که سال آینده با هدف اندازه گیری لامپ های نوری با انرژی بالا در فضا، در مدار قرار می گیرد، بتواند تئوری فلیچه را مورد استفاده قرار دهد

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه پنجم خرداد 1389  |
 اگر کسی بگوید فیزیک کوانتوم را فهمیده، پس چیزی نفهمیده است

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.

گام دوم: تقسیم انرژی

بیایید ایده‌ی تقیسم کردن را در مورد چیزهای عجیب تری به کار ببریم، یا فکر کنیم که می توان به کار برد یا نه. مثلاً در مورد صدا. البته منظورم این نیست که داخل یک قوطی جیغ بکشیم و در آن را ببندیم و سعی کنیم جیغ خود را نصف ـ نصف بیرون بدهیم. صوت یک موج مکانیکی است که می تواند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شود. چشمه های صوت معمولاً سیستم های مرتعش هستند. ساده ترین این سیستم ها، تار مرتعش است ــ که در حنجره‌ی انسان هم از آن استفاده شده است. به‌راحتی(!) و بر اساس مکانیک کلاسیک می توان نشان داد که بسیاری از کمّیت های مربوط به یک تار کشیده‌ی مرتعش، از جمله فرکانس، انرژی، توان و... گسسته (کوانتیده) هستند. گسسته بودن در مکانیک موجی پدیده ای آشنا و طبیعی است (برای مطالعه‌ی بیشتر می توانید به فصل‌های 19 و 20 «فیزیک هالیدی» مراجعه کنید). امواج صوتی هم مثال دیگری از کمّیت های گسسته (کوانتیده) در فیزیک کلاسیک هستند. مفهوم موج در مکانیک کوانتومی و فیزیک مدرن جایگاه بسیار ویژه و مهمی دارد که جلوتر به آن می رسیم و یکی از مفاهیم کلیدی در مکانیک کوانتوم است.

پس گسسته بودن یک مفهوم کوانتومی نیست. این تصور که فیزیک کوانتومی مساوی است با گسسته شدن کمّیت های فیزیکی، همه‌ی مفهوم کوانتوم را در بر ندارد؛ کمّیت های گسسته در فیزیک کلاسیک هم وجود دارند. بنابراین، هنوز با ایده‌ی تقسیم کردن و سعی برای تقسیم کردن چیزها می‌توانیم لذت ببریم!

گام سوم: مولکول نور

خوب! تا اینجا داشتم سعی می کردم توضیح دهم که مکانیک کوانتومی چه چیزی نیست. حالا می رسیم به شروع ماجرا:

فرض کنید به جای رشته‌ی ماکارونی، بخواهیم یک باریکه‌ی نور را به طور مداوم تقسیم کنیم. آیا فکر می کنید که دست آخر به چیزی مثل «مولکول نور» (یا آنچه امروز فوتون می‌نامیم) برسیم؟ چشمه های نور معمولاً از جنس ماده هستند. یعنی تقریباً همه‌ی نورهایی که دور و بر ما هستند از ماده تابش می‌کنند. ماده هم که ساختار ذره ای ـ اتمی دارد. بنابراین، باید ببینیم اتم ها چگونه تابش می کنند یا می توانند تابش کنند؟

گام چهارم: تابش الکترون

در سال 1911، رادرفورد (947-1871) نشان داد که اتم ها، مثل میوه‌ها، دارای هسته‌ی مرکزی هستند. هسته بار مثبت دارد و الکترون‌ها به دور هسته می چرخند. اما الکترون های در حال چرخش، شتاب دارند و بر مبنای اصول الکترومغناطیس، «ذره‌ی بادارِ شتابدار باید تابش کند» و در نتیجه انرژی از دست بدهد و در یک مدار مارپیچی به سمت هسته سقوط کند. این سرنوشتی بود که مکانیک کلاسیک برای تمام الکترون ها /c1/پیش‌بینی و توصیه(!)



طیف تابشی اتم‌ها، بر خلاف فرضیات فیزیک کلاسیک گسسته است. به عبارت دیگر، نوارهایی روشن و تاریک در طیف تابشی دیده می‌شوند.
 
می کرد و اگر الکترون ها به این توصیه عمل می کردند، همه‌ی‌ مواد ــ از جمله ما انسان‌ها ــ باید از خود اشعه تابش می کردند (و همان‌طور که می‌دانید اشعه برای سلامتی بسیار خطرناک است)! ولی می‌بینیم از تابشی که باید با حرکت مارپیچی الکترون به دور هسته حاصل شود اثری نیست و طیف نوریِ تابش‌شده از اتم ها به جای اینکه در اثر حرکت مارپیچی و سقوط الکترون پیوسته باشد، یک طیف خطی گسسته است؛ مثل برچسب های رمزینه‌ای (barcode) که روی اجناس فروشگاه ها می زنند. یعنی یک اتم خاص، نه تنها در اثر تابش فرو نمی‌ریزد، بلکه نوری هم که از خود تابش می‌کند، رنگ ها ــ یا فرکانس های ــ گسسته و معینی دارد. گسسته بودن طیف تابشی اتم ها از جمله علامت سؤال های ناجور در مقابل فیزیک کلاسیک و فیزیکدانان دهه‌‌ی 1890 بود.

گام پنجم: فاجعه‌ی فرابنفش

برگردیم سر تقسیم کردن نور.

ماکسول (1879-1831) نور را به صورت یک موج الکترومغناطیس در نظر گرفته بود. از این رو، همه فکر می کردند نور یک پدیده‌ی موجی است و ایده‌ی «مولکولِ نور»، در اواخر قرن نوزدهم، یک لطیفه‌ی اینترنتی یا SMS کاملاً بامزه و خلاقانه محسوب می شد. به هر حال، دست سرنوشت یک علامت سؤال ناجور هم برای ماهیت موجی نور در آستین داشت که به «فاجعه‌ی فرابنفش» مشهور شد:

یک محفظه‌ی بسته و تخلیه‌شده را که روزنه‌ی کوچکی در دیواره‌ی آن وجود دارد، در کوره ای با دمای یکنواخت قرار دهید و آن‌قدر صبر کنید تا آنکه تمام اجزا به دمای یکسان (تعادل گرمایی) برسند.

در دمای به اندازه‌ی کافی بالا، نور مرئی از روزنه‌ی محفظه خارج می‌شود ــ مثل سرخ و سفید شدن آهن گداخته در آتش آهنگری.

در تعادل گرمایی، این محفظه دارای انرژی تابشی‌ای است که آن را در تعادل تابشی ـ گرمایی با دیواره ها نگه می‌دارد. به چنین محفظه‌ای «جسم سیاه» می‌گوییم. یعنی اگر روزنه به اندازه‌ی کافی کوچک باشد و پرتو نوری وارد محفظه شود، گیر می‌افتد و نمی‌تواند بیرون بیاید.

فرض کنید میزان انرژی تابشی در واحد حجمِ محفظه (یا چگالی انرژی تابشی) در هر لحظه U باشد. سؤال: چه کسری از این انرژی تابشی که به شکل امواج نوری است، طول موجی بین 546 (طول موج نور زرد) تا 578 نانومتر (طول موج نور سبز) دارند. جوابِ فیزیک کلاسیک به این سؤال برای بعضی از طول موج‌ها بسیار بزرگ است! یعنی در یک محفظه‌ی روزنه دار که حتماً انرژی محدودی وجود دارد، مقدار انرژی در برخی طول موج‌ها به سمت بی نهایت می‌رود. این حالت برای طول موج‌های فرابنفش شدیدتر هم می‌شود.
گام ششم: رفتار موجی ـ ذره‌ای

در سال 1901 ماکس پلانک (Max Planck: 1947-1858) اولین گام را به سوی مولکول نور برداشت و با استفاده از ایده‌ی تقسیم نور، جواب جانانه‌ای به این سؤال داد. او فرض کرد که انرژی تابشی در هر بسامدِ ? ــ بخوانید نُو ــ به صورت مضرب صحیحی از ?h است که در آن h یک ثابت طبیعی ــ معروف به «ثابت پلانک» ــ است. یعنی فرض کرد که انرژی تابشی در بسامد ? از «بسته های کوچکی با انرژی ?h» تشکیل شده است. یعنی اینکه انرژی نورانی، «گسسته» و «بسته ـ بسته» است. البته گسسته بودن انرژی به‌تنهایی در فیزیک کلاسیک حرفِ ناجوری نبود‌ (همان‌طور که قبل‌تر در مورد امواج صوتی دیدیم)، بلکه آنچه گیج‌کننده بود و آشفتگی را بیشتر می‌کرد، ماهیتِ «موجی ـ ذره‌ای» نور بود. این تصور که چیزی ــ مثلاً همین نور ــ هم بتواند رفتاری مثل رفتار «موج» داشته باشد و هم رفتاری مثل «ذره»، به طرز تفکر جدیدی در علم محتاج بود

ماکس پلانک، از بنیانگذاران فیزیک کوانتوم

ذره چیست؟ ذره عبارت است از جرم (یا انرژیِ) متمرکز با مکان و سرعتِ معلوم. موج چیست؟ موج یعنی انرژی گسترده‌شده با بسامد و طول موج. ذرات مختلف می‌توانند با هم برخورد کنند، اما امواج با هم برخورد نمی‌کنند، بلکه تداخل می‌کنند . نور قرار است هم موج باشد هم ذره! یعنی دو چیز کاملاً متفاوت.

|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه پنجم خرداد 1389  |
 نظریه ریسمان(قسمت سوم)

به ‌لحاظ تاريخي نظريه‌ي ريسمان به ‌عنوان توضيحي براي رابطه‌ي مشاهده شده بين جرم و اسپين ذرات ويژه‌اي به‌ نام هادرون (hadron) كه شامل پرتن و نوترن است پيشنهاد شد. اين‌جا نظريه‌ كار نمي‌كرد ولي سرانجام الكتروديناميك كوانتومي (Quuantum Electrodynamics) – نظريه‌اي كه برهم‌كنش ‌هاي ميان كوارك‌ها و برهم‌كنش‌هاي ميان پرتن‌ها و نوترن‌ها را در چارچوب نظريه‌ي كوانتم توصيف مي‌كند- نظريه‌ي بهتري براي هادرون‌ها اثبات كرد.
همان‌طور كه پيش‌تر ديديم اگر نظريه‌ي كوانتومي‌ خوبي براي گرانش موجود باشد، گراويتون مي‌تواند  جرم صفر و اسپين 2 داشته باشد. اين موضوع  پيش‌گامان نظريه‌ي ريسمان را بر آن ‌داشت كه اين نظريه را نه‌تنها براي توصيف رفتار هادرون‌ها بلكه به‌عنوان يك نظريه‌ي گرانش كوانتومي (همان آرزوي ديرين فيزيك نظري)  در تلفيق گرانش و ذرات  معرفي كنند.



بالاخره نظريه‌ي ريسمان چيست!؟




گيتاري را در نظر بگيريد. حتماً مي‌دانيد كه آلات موسيقي زهي زماني صداي خوبي خواهند داشت كه كوك شده باشند. يعني تاحد مشخصي كشيده شده باشند. بسته به اين ‌كه اين تارها چه‌قدر كشيده شوند و چه‌مقدار تنش را تحمل كنند، نت‌هاي موسيقي متفاوتي توليد مي‌شود كه اين نت‌ها را مي‌توان حالت‌هاي برانگيخته‌ي تار كشيده شده‌ي گيتار دانست.

بقیه ی مطلب را در ادامه ی مطلب مشاهده نمایید...


ادامه مطلب
|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه بیست و پنجم فروردین 1389  |
 نظریه ی ریسمان(قسمت دوم)

در قسمت قبل  فهميديم كه اگر يك نظريه‌ي بنيادي از تمام برهم‌كنش‌ها نظريه‌ي همه چيز ناميده شود، مدل استاندارد نظريه‌ي 4/3 همه چيز!! است. چون شامل 3 برهم‌كنش از 4 برهم ‌كنش ممكن است و 3 نيرو از 4 نيروي ممكن را توصيف مي‌كند. و نيز گفتيم كه با استفاده از دوگانه‌گي موج_ذره در طبيعت همه‌چيز را و از جمله نور وگرانش را مي‌توان برحسب ذرات توضيح داد. اين ذرات داراي خاصيتي هستند به‌نام اسپين (spin). تمامي ذرات جهان را مي‌توان به دو قسمت تقسيم كرد: ذرات با اسپين نيم صحيح (2/1 و2/3 و...) كه تشكيل‌دهنده‌ي ماده‌اند و ذرات با اسپين صحيح( 0و1و2 و...) كه منشاء نيروهاي بين ذرات ماده‌اند.


اصل طرد پاولي


كوانتم مكانيك به ما آموخته است ذرات مادي از اصل طرد پاولي پيروي مي‌كنند. اين اصل در سال 1925 به‌وسيله‌ي يك فيزيك‌دان اتريشي به‌نام ولفگانگ پاولي كشف شد و جايزه‌ي نوبل فيزيك در 1945  به همين خاطر به او تعلق گرفت. برطبق اين اصل  دوذره‌ي همانند، در يك حالت نمي‌توانند وجود داشته باشند. يعني نمي‌توانند در محدوده‌اي كه به‌وسيله‌ي اصل عدم قطعيت مشخص مي شود داراي وضعيت و سرعت يكسان باشند. اصل طرد در پايداري ماده در طبيعت اهميت زيادي دارد و علت فرونپاشيدن ماده زير تأثير نيروهاي ناشي از ذرات با اسپين صفر(فوتون) و يك(گلوئون) ودو(گراويتون) را توضيح مي دهد: اگر ذرات مادي وضعيت‌هاي يكساني داشته باشند، بايد سرعت‌هايشان باهم فرق داشته باشد يعني نمي‌توانند براي مدت زيادي در يك جا قرار بگيرند. اگر اصل طرد پاولي بر جهان حاكم نبود كوارك‌ها، نوترن‌ها و پروتن‌هاي جداگانه و مشخص ومعيني وجود نداشتند واين‌ها هم به‌نوبه‌ي خود به‌همراه الكترون‌ها  اتم‌هاي مجزا و مشخصي را ايجاد نمي‌كردند. بلكه همگي فرومي‌پاشيدند و شورباي متراكم و يكنواختي را به‌وجود مي‌آوردند.


تعبير برهم‌كنش ذرات مادي به‌كمك ذرات حامل نيرو


در كوانتم مكانيك فرض براين است كه نيروها يا واكنش‌هاي بين ذرات مادي همگي به‌وسيله‌ي ذرات با اسپين صحيح   «0 و 1 و 2» انجام مي‌گيرد. آن‌چه اتفاق مي‌افتد اين است كه يك ذره‌ي مادي- مثل يك الكترون يا كوارك- يك ذره‌ي  حامل  نيرو را گسيل مي‌كند. پس‌زدن ناشي از اين گسيل سرعت ذره‌ي مادي را تغيير مي‌دهد. ذره‌ي حامل نيرو سپس با يك ذره‌ي مادي ديگر برخورد مي‌كند و جذب مي‌شود. اين برخورد سرعت ذره‌ي دوم را تغيير مي‌دهد (درست مثل آن‌كه بين دو ذره‌ي مادي نيرويي اعمال شده‌است).


ذرات حامل نيرو از اصل طرد پيروي نمي‌كنند...


ويژگي‌ي مهم ذرات حامل نيرو اين است كه از اصل طرد پيروي نمي‌كنند. يعني هيچ محدوديتي براي تعداد ذرات رد و بدل شده  وجود ندارد واين خود عامل شكل‌گيري نيروهاي قوي است. اما اگر ذره‌هاي حامل نيرو جرم زيادي داشته باشند،

برای مطالعه ی بقیه ی ماجرا به بخش ادامه ی مطلب بروید...

ما را در ادامه ی این مسیر همراهی کتید....


ادامه مطلب
|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه بیست و پنجم فروردین 1389  |
 نظریه ی ریسمان به زبان ساده

جهان از چه چيزي ساخته شده است ؟
اين پرسش چه‌قدر براي شما آشناست ؟ تا کنون چه‌قدر به اين موضوع فکر کرده ايد؟
شايد باور نکنيد اين پرسش ظاهراً ساده بيش ترين زمان ها و خلاق ترين ذهن ها را در طول تاريخ  به خود مشغول کرده است .
نظريه ريسمان آخرين تلاش انسان براي  يافتن پاسخ اين پرسش ساده است.
پيش از آن‌که ببينيم اين نظريه چيست و چه ادعايي دارد خوب است اطلاعاتمان را درمورد ماده مرور کنيم:
علوم راهنمايي يادتان هست؟ آن جا ياد گرفتيم  ماده از اتم ساخته شده است .و اتم يعني تجزيه ناپذير. حتماً يادتان هست که دموکريتوس فيلسوف يوناني اين نظريه را نخستين بار ارائه کرده بود. وقتي بزرگ تر شديم در فيزيک دبيرستان آموختيم که اتم نيز به نوبه خود از سه جزء اصلي تشکيل شده است : پروتون ، نوترون و الکترون .
نوترون ها و پروتون ها در هسته اند ، در حالي که الکترون ها به دور هسته مي چرخند. اما اين روند تا کجا ادامه خواهد داشت؟
آيا الکترون ها ، پروتون ها و نوترون ها نيز خود از ذرات کوچک تري تشکيل شده اند؟
دانش کنوني ما درباره ي ترکيب زير اتمي جهان در نظريه اي به نام مدل استاندارد ذرات مادي (standard model) خلاصه مي شود.
    اين مدل هم اجزاي بنيادي ماده که جهان از آن ها ساخته شده را توصيف مي کند و هم نيروهايي که از طريق آن ها اين ذرات با يکديگر بر هم کنش دارند.
بر طبق اين مدل الکترون واقعاً يک ذره ي بنيادي است . يعني يکي از ذراتي است که سنگ بناي آفرينش است و خود از اجزاي کوچک تري تشکيل نشده است . اما نوترن ها و پروتن ها ذرات بنيادي نيستند و از ذرات کوچکتري به نام کوارک تشکيل شده اند. تا جايي که مي دانيم کوارک ها ذرات بنيادي هستند. در واقع طبق مدل استاندارد ذرات مادي 12 ذره بنيادي در طبيعت وجود دارند. يعني 12 نوع ذره که سنگ بناي آفرينش اند. و ماده در طبيعت از آن ها ساخته شده است . 6 تا از اين ذرات بنيادي کوارک هستند . اين کوارک ها نام هاي جالبي دارند:
بالا(up)، پايين(down) ،  عجيب(strange)، عفريت(charm) ، سر(top) و ته(bottom).
براي مثال يک پروتون از 2 کوارک بالا و يک کوارک پايين تشکيل شده است . 6 ذره ي بنيادي ديگر لپتون‌ها هستند. لپتون ها شامل الکترون و دو هم خانواده ي سنگين تر او يعني ميوئون (muon) و تاون (taun) و نيز 3 نوترينو(nutrinos) با طعم هاي مختلف هستند .
اگر‌چه نور ازامواج تشكيل شده است فرضيه‌ي كوانتم پلانك مي‌گويد كه از جهات معيني رفتار نور چنان است كه گويي مجموعه اي از ذرات است: نور تنها به‌صورت بسته‌هاي خاص يا كوانتم‌ گسيل يا جذب مي‌شود. از سوي ديگر، اصل عدم قطعيت هايزنبرگ متضمن آن است كه ذرات از پاره‌اي جهات چونان امواج رفتار مي‌كنند: آن‌ها وضعيت معيني ندارند بلكه با توزيع احتمال معيني در فضا پخش مي‌شوند. نظريه‌ي كوانتم مكانيك برنوع كاملاً جديدي از رياضيات استوار است كه ديگر جهان را به فراخور نياز با مدل مناسب توصيف مي‌كند. بنا براين ميان توصيف يك شي‌ء اعم از نور يا ماده برمبناي مدل ذره‌اي وتوصيف آن برمبناي مدل موجي يك دوگانگي وجود دارد. به اين توصيف دوگانه، دوگانگي موج- ذره گفته مي‌شود.
در طبيعت 4 نيروي بنيادي وجود دارد: گرانش ، الکترومغناطيسي، نيروي ضعيف هسته اي و نيروي قوي هسته‌اي
گرانش و الکترو مغناطيس دور برد هستند و به همين دليل است که اين دو نيرو مدت ها است شناخته شده‌اند. دو نيروي هسته اي کوتاه برد هستند و بنابر اين در مقياس فاصله هايي كه در زندگي روزمره با آن سر وكار داريم عموماً مشاهده نمي شوند.
نيروهاي هسته اي صرفاً در اين قرن شناخته شده اند . نيروي قوي هسته اي همان نيرويي است كه مسئول به هم بستن پروتن ها و نوترن ها براي ساخت هسته اتم است. اما نيروي ضعيف هسته اي  نيرويي  کاملاً  متمايز است و تنها در پديده هايي همچون واپاشي پرتوزا پديدار مي شود. اين نيرو تنها نيرويي است که از قانون تقارن راست و چپ يا پاريته (هم پايه گي )  پيروي نمي‌كند. 

سری هم به ادامه ی مطلب بزنید...

امیدوارم به موضوع علاقمند شده باشید... اگر مایل به ادامه ی این داستان هستید با ما همراه باشید....


ادامه مطلب
|+| نوشته شده توسط حمیدرضا عرب بافرانی در چهارشنبه بیست و پنجم فروردین 1389  |
 
 
بالا