به نقل از «ایران اکونومیست»

مفهوم «تونل‌زنی کوانتومی» به فضا می‌رود

تاریخ انتشار: ۱۸ تیر ۱۴۰۲ | کد خبر: ۳۸۱۷۷۵۸۵

یکی از شگفت‌انگیزترین پدیده‌هایی که از زمان ظهور مکانیک کوانتومی کشف شده، «تونل‌زنی کوانتومی» است. پژوهشگران قصد دارند از جدیدترین یافته‌های خود پیرامون این پدیده، برای کشف نحوه تونل‌زنی کوانتومی در سرمای فضا استفاده کنند.

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از ادونسد ساینس نیوز، «تونل‌زنی کوانتومی»(Quantum tunneling)، توانایی یک ذره را برای غلبه کردن بر مانع نشان می‌دهد که ذره در فیزیک کلاسیک از عهده آن برنمی‌آید زیرا انرژی لازم را ندارد.

بیشتر بخوانید: اخباری که در وبسایت منتشر نمی‌شوند!

این پدیده به دلیل «اصل عدم قطعیت»(Uncertainty Principle) مطرح‌شده توسط «ورنر هایزنبرگ»(Werner Heisenberg) به وجود می‌آید که به زبان ساده می‌گوید سرعت و موقعیت یک سیستم کوانتومی را نمی‌توان هم‌زمان به طور دقیق شناخت.

توصیف یک ذره به عنوان موج احتمال به این معناست که همیشه احتمال کمی وجود دارد که ذره بتواند در طرف دیگر یک مانع غیر قابل عبور ظاهر شود. هنگامی که ذره این کار را انجام می‌دهد، از مانع جهش نکرده، بلکه تونل‌زنی کوانتومی را از میان آن انجام داده است که بر خلاف تونل‌زنی سنتی، تأثیری بر خود مانع ندارد.

به عنوان قیاس، کودکی را در حال پرتاب کردن توپ به سوی یک دیوار بلند تصور کنید. کودک انرژی لازم را برای برداشتن دیوار ندارد اما توپ به طرف دیگر دیوار راه می‌یابد. باد قدرت بیشتری را به توپ نداده و هیچ سوراخی نیز در دیوار وجود ندارد که توپ از آن عبور کرده باشد اما با وجود این، توپ در طرف دیگر دیوار ظاهر شده است.

این مفهوم ممکن است مبهم به نظر برسد اما تونل‌زنی کوانتومی برای وجود خود حیات ضروری است. اگر هسته‌های هیدروژن نتوانند از آن برای غلبه بر دافعه الکترومغناطیسی که آنها را از هم دور نگه می‌دارد استفاده کنند، فرآیندهای هم‌جوشی گرماهسته‌ای که انرژی خورشید و هر ستاره دیگری را در کیهان تامین می‌کنند، امکان‌پذیر نخواهند بود. بدون تونل‌زنی کوانتومی، نور ستاره وجود نخواهد داشت و جهان مکانی سرد، تاریک و خالی خواهد بود. این جنبه غیر شهودی طبیعت در مقیاس‌های کوچک، مانند نیمه‌رساناها و محاسبات کوانتومی، کاربردهای فراوانی را در فیزیک، شیمی و فناوری دارد.

علاوه بر این، درک تونل‌زنی کوانتومی می‌تواند به توسعه مواد و فناوری‌های جدید براساس اصول مکانیک کوانتومی کمک کند. حتی می‌توان از آن در حوزه پزشکی برای درمان سرطان استفاده کرد و این پدیده را برای دارورسانی و هدف قرار دادن سلول‌های تومور به کار برد.

آزمایش تونل‌زنی کوانتومی

جای تعجب نیست که پژوهشگران برای درک بهتر تونل‌زنی کوانتومی، تلاش بسیاری می‌کنند. پژوهش جدیدی که توسط پژوهشگران بخش دینامیک سطوح در «موسسه علوم چندرشته‌ای ماکس پلانک»(MPI for multidisciplinary sciences) انجام شده است، شکلی از این پدیده کوانتومی را بررسی می‌کند که «تونل‌زنی فاز متراکم تقویت‌شده با رزونانس» نام دارد.

«دیرک شوارتزر»(Dirk Schwarzer) از پژوهشگران این پروژه گفت: در فاز متراکم، مولکول‌های واکنش‌دهنده در «چاه‌های پتانسیل»(Potential wells) قرار می‌گیرند که توسط موانع از یکدیگر جدا شده‌اند. برای سیستم‌های کوانتومی ذرات محدود، تنها حالت‌های انرژی گسسته خاصی وجود دارند. اگر دو حالت در چاه‌های پتانسیل همسایه انرژی یکسان داشته باشند، به آن رزونانس می‌گویند. اگرچه پدیده تونل‌زنی رزونانس برای انتقال الکترون از موانع در ساختارهای چاه-کوانتوم به خوبی شناخته شده اما پیشتر هرگز در مورد ذرات سنگین حاضر در یک واکنش شیمیایی فاز متراکم مشاهده نشده است.

پژوهشگران در این پروژه، «همپاری» یا «ایزومریزاسیون»(Isomerization) یک مولکول مونوکسید کربن متصل به یک سطح کریستالی کلرید سدیم را بررسی کردند.

تونل‌زنی کوانتومی، با احتمال یافتن یک ذره در طرف مقابل یک مانع تعریف می‌شود. پژوهشگران با آزمایش‌های خود، به طور کاملا تصادفی دریافتند که این احتمال در سیستم‌های رزونانس در مقایسه با سیستم‌هایی که در رزونانس نیستند، افزایش می‌یابد. آنها یک کشف شگفت‌آور دیگر را نیز به دست آوردند.

شوارتزر گفت: در پایدارترین پیکربندی، مولکول مونوکسید کربن با اتم کربن خود به یون سدیم روی سطح متصل می‌شود. ما متوجه شدیم که یک پیکربندی وارونه ناپایدار با اکسیژن متصل به یون سدیم نیز وجود دارد. ما یاد گرفتیم که حالت وارونه را آماده کنیم. سپس، سرعت واکنش برگشتی را در مقابل دما اندازه‌گیری کردیم و از همه مهم‌تر اینکه جرم واکنش‌دهنده را با تبادل ایزوتوپی تغییر دادیم.

وی افزود: سرعت واکنش اندازه‌گیری‌شده توسط گروه ما، یک وابستگی غیرمنتظره قوی را نشان می‌دهد که تنها با فرض تونل‌زنی رزونانس قابل توضیح دادن است.

فرار از چاه کوانتومی

امواج مرتبط با ذرات که «امواج مادی» یا «امواج دوبروی»(de Broglie waves) نامیده می‌شوند، امواجی هستند که با کاهش جرم ذرات، اندازه آنها افزایش می‌یابد. به همین دلیل است که اشیای روزمره، رفتارهای کوانتومی و موج‌مانند را از خود نشان نمی‌دهند. جرم آنها خیلی زیاد است و امواج دوبروی آنها خیلی کوچک هستند.

یک بار دیگر، توپی را تصور کنید که کودکی بدون انرژی لازم برای برداشتن دیوار، آن را پرتاب می‌کند. توپ نمی‌تواند تونل کوانتومی را به سمت دیگر بکشد زیرا جرم آن، موج احتمالی بسیار کوچکی را ایجاد می‌کند که نمی‌تواند به طرف دیگر مانع برود. تئوری‌های کوانتومی رایج پیش‌بینی می‌کنند که هر چه جرم یک ذره کمتر باشد، موج دوبروی آن بزرگ‌تر است و احتمال تونل‌زنی کوانتومی ذره از میان یک مانع بیشتر می‌شود.

این بدان معناست که وقتی تعداد زیادی ذرات سبک‌تر و ذرات سنگین‌تر و سد کوانتومی دارید، هر دو ذره تونل‌زنی می‌کنند اما ذرات سبک‌تر، تونل‌زنی کوانتومی را سریع‌تر از ذرات سنگین انجام می‌دهند. آنچه شوارتزر و همکارانش دریافتند، این بود که رابطه بین تونل‌زنی کوانتومی، در واقع بیش از آنچه پیشتر تصور می‌شد آشفته است.

شوارتزر ادامه داد: ما در پژوهش‌های خود به ‌طور شگفت‌انگیزی نمونه‌هایی را پیدا کردیم که در آنها، میزان تونل‌زنی با افزایش جرم به واسطه جایگزینی ایزوتوپی افزایش می‌یابد. این مشاهدات، نشانه روشنی از رزونانس تونل‌زنی است که وقوع آن به صورت نامنظم به جرم بستگی دارد.

این گروه پژوهشی اکنون قصد دارند آموخته‌های خود را در مورد چگونگی تونل‌زنی در سرمای فضا، به ویژه در ابرهای گاز و غباری که بین ستاره‌ها وجود دارند، به کار بگیرند و پتانسیل آنها را برای ایجاد مولکول‌های پیچیده از طریق تونل‌زنی کوانتومی بررسی کنند.

شوارتزر توضیح داد: این امر به ویژه به واکنش‌های شیمیایی مرتبط است که در ابرهای بین‌ستاره‌ای سرد رخ می‌دهند. در آنجا دما و انرژی آن قدر پایین است که فرآیندهای «عبور از مانع» سرکوب می‌شوند و اعتقاد بر این است که تعیین بسیاری از واکنش‌ها کاملا توسط تونل‌زنی کوانتومی صورت می‌گیرد.

حتی پیش از این کاربرد نیز پژوهش حاضر نشان می‌دهد که تحقیقات کوانتومی از آغاز تا چه اندازه پیشرفت کرده‌اند و چگونه به کشف شگفتی‌ها ادامه می‌دهند.

این پژوهش، در مجله «Natural Sciences» به چاپ رسید.

 

منبع: خبرگزاری ایسنا برچسب ها: تونل‌زنی کوانتومی ، فضا ، عصر کوانتوم

منبع: ایران اکونومیست

کلیدواژه: فضا طرف دیگر یک ذره

درخواست حذف خبر:

«خبربان» یک خبرخوان هوشمند و خودکار است و این خبر را به‌طور اتوماتیک از وبسایت iraneconomist.com دریافت کرده‌است، لذا منبع این خبر، وبسایت «ایران اکونومیست» بوده و سایت «خبربان» مسئولیتی در قبال محتوای آن ندارد. چنانچه درخواست حذف این خبر را دارید، کد ۳۸۱۷۷۵۸۵ را به همراه موضوع به شماره ۱۰۰۰۱۵۷۰ پیامک فرمایید. لطفاً در صورتی‌که در مورد این خبر، نظر یا سئوالی دارید، با منبع خبر (اینجا) ارتباط برقرار نمایید.

با استناد به ماده ۷۴ قانون تجارت الکترونیک مصوب ۱۳۸۲/۱۰/۱۷ مجلس شورای اسلامی و با عنایت به اینکه سایت «خبربان» مصداق بستر مبادلات الکترونیکی متنی، صوتی و تصویر است، مسئولیت نقض حقوق تصریح شده مولفان در قانون فوق از قبیل تکثیر، اجرا و توزیع و یا هر گونه محتوی خلاف قوانین کشور ایران بر عهده منبع خبر و کاربران است.

خبر بعدی:

پانوپتیکون و کاربرد آن در شهرسازی مدرن چیست؟

پانوپتیکون (سراسربین) نوعی معماری است که در ابتدا برای طراحی زندان‌ها و با هدف بهبود رفتار زندانیان با تفکر «همیشه تحت‌نظر بودن» معرفی شد. این‌ رویکرد امروزه در قالب نظارت بر جوامع برای بهبود امنیت و سلامت، همچنین افزایش شفافیت عملکرد مقامات مورد استفاده قرار دارد.

به گزارش سرویس ترجمه خبرگزاری ایمنا، پانوپتیکون، نوعی معماری زندان محسوب می‌شود که در طول زمان تحت ایده‌ها و استفاده‌های جدید از مفهوم پیشگیری از خطاهای انسانی تکامل پیدا کرده است. این معماری در اصل روشی برای ایجاد ساختمان‌هایی است که به افراد داخل این حس را می‌دهد که قابل مشاهده هستند، بدون این‌که چگونگی آن را بدانند. پانوپتیکون نوعی ساختار زندان است که قدمت آن به قرن هجدهم بازمی‌گردد و در آن نگهبانان امنیتی زندانیان را از یک برج مرکزی تحت نظر قرار می‌دادند، بدون این‌که زندانیان بدانند این عمل چگونه انجام می‌گیرد.

نظریه پانوپتیکون چیست؟

تئوری پانوپتیکون معتقد است که افراد زمانی می‌توانند کنترل شوند که خود را تحت نظارت دائمی می‌بینند، حتی اگر کسی نظاره‌گر نباشد. این تئوری از تأثیر تحت نظر قرار داشتن توسط یک برج نگهبانی مرکزی در یک زندان ناشی شده است که همه زندانیان حتی در صورت حضور نداشتن نگهبان با دیده نشدن وی، می‌توانند آن را ببینند. از آنجا که زندانیان برج را می‌بینند، به این فرض که تحت نظر هستند بهترین رفتار خود را دارند. قلب واقعی ایده پانوپتیکون این است که فعالیت‌های خاصی وجود دارد که با نظارت، بهتر انجام می‌شوند.

تاریخچه و استفاده از پانوپتیکون

پانوپتیکون در اصل ایده ساموئل بنتام برای کارخانه‌های قرن هجدهم بود، اما برادرش جرمی بنتام پتانسیل آن را برای ساخت زندان درک کرد و به این ترتیب ده‌ها زندان با استفاده از این مفهوم ساخته شد. این معماری برای قرن‌ها به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت، زیرا امکان نظارت بر تعداد قابل‌توجهی از زندانیان را با حداقل تعداد نگهبان فراهم می‌کرد. هدف از این طرح ایجاد احساس حضور «دانایی» نامرئی بود که جوامع انضباطی آن را پذیرفتند.

این مفهوم فیلسوف میشل فوکو را در سال ۱۹۷۵ مجذوب خود کرد، زیرا پانوپتیکون زندانیان را مجبور می‌کرد بهتر رفتار کنند و به کمک آن «تحمیل هر رفتاری بر هر کثرت انسانی» آسان بود. به عبارت دیگر القای یک رفتار از طریق فرم بنا امکان‌پذیر بود.

وی پانوپتیکون را به‌عنوان راهی برای نشان دادن تمایل جوامع انضباطی برای تحت تاثیر قرار دادن شهروندان خود استفاده کرد، زیرا همان‌طور که زندانی از ترس مجازات، رفتار خود را کنترل می‌کند، شهروندان نیز از ترس جریمه درست رفتار خواهند کرد.

پانوپتیکون در دنیای دیزنی

پارک موضوعی دنیای دیزنی در آمریکا نمونه‌ای از بهره‌گیری شرکت‌های مدرن از معماری پلیسی پانوپتیکون و توسعه این رشته شهرسازی بود، با این حال مفهوم آن از نگهبانانی که به‌زور زندانیان را ملزم به درست رفتار کردن می‌کنند، به نگهبانانی تغییر کرد که مراجعه‌کنندگان را به هیچ اقدامی مجبور نمی‌کنند، اما از درگیری یا استفاده نادرست از فضا جلوگیری به عمل می‌آورند. این مفهوم امروزه در شهرهای سراسر جهان استفاده می‌شود که افسران مجری قانون با پای پیاده یا دوچرخه به گشت‌زنی در شهرها می‌پردازند و حضور صرف آن‌ها منطقه را امن‌تر می‌کند. دادن این فرصت برای اطلاع‌رسانی شهروندان به مقامات از تخلف شخص دیگری نیز مؤثر است.

محیط پانوپتیکونی در نقش پلیس شهری

طراحی پانوپتیکون در سال ۲۰۲۰ برای کنترل همه‌گیری کووید -۱۹ نیز مورد استفاده قرار گرفت. پلیس یکی از نقش‌های کلیدی همه سیستم‌های بهداشت عمومی است و در طول همه‌گیری ویروس کرونا از طریق دستگاه‌هایی مانند نظارت دیجیتال، سازمان‌های مجری قانون و حتی پلیس غیررسمی از میان ساکنان جوامع به کنترل بیماری پرداخت.

پلیس غیررسمی در اصل نوعی پانوپتیکون محسوب می‌شود که مفهوم آن در سال ۱۹۶۱ با انتشار کتاب «مرگ و زندگی شهرهای بزرگ آمریکا» گسترش پیدا کرد که بر اهمیت پلیس غیررسمی در خیابان‌ها، پیاده‌روها و پارک‌ها، همچنین بر رابطه مثبت بین این نوع پلیس و امنیت شهری تأکید می‌کرد.

در یکی از مثال‌های واقعی کتاب، مردی در تلاش بود تا کودکی را از خیابان برباید که جمعیت کوچکی متشکل از ساکنان و صاحبان فروشگاه‌های آن منطقه مانع او شدند. اما لحظاتی بعد معلوم شد که این مرد پدر او بوده است، اما این نوع پلیس غیررسمی از آدم‌ربایی احتمالی جلوگیری کرد. در این نمونه، در واقع مجموع انسان‌ها و محیط طراحی‌شده پارک، یک فظای نظارتی غیر معمول را فراهم آورد که مانع از بروز یک جرم شد. فضای باز و محیط خانواده‌دوست پارک که فقط برای حضور کودکان و والدین طراحی شده بود و نه برای حضور افراد بی‌هدف، همگی به ساختار ضددزدی کمک کرد.

فضای خانواده‌دوست، منظور ترکیب وسایل بازی و میز وصندلی‌های چندنفری برای حضور والدین بود. گاهش زمین‌های بازی فقط شامل سرسره و تاب و سایر وسایل بازی می‌شود و والدین باید تنها نظاره‌گر کودکان باشند، در این شرایط ممکن است در اثر یک غفلت اتفاق ناخوشایندی رخ دهد. در بعضی از پارک‌ها نیز زمین بازی کودکان در کنار فضاهای باز بی‌سروته قرار گرفته که ممکن است پتانسیل حضور افراد متجاوز را به راحتی فراهم بیاورد و به همین دلیل نوع ساختار یک پارک که حالت نظارتی داشته باشد، به‌راحتی می‌تواند مانع از وقوع جرم باشد.

پانوپتیکون در عصر نظارت دیجیتال

پانوپتیکون به‌عنوان یک اثر معماری به یک نگهبان اجازه می‌دهد تا ساکنان را بدون این‌که ساکنان بدانند تحت نظر هستند یا نه مشاهده کند و در نیمه دوم قرن بیستم به‌عنوان راهی برای ردیابی گرایش‌های نظارتی جوامع انضباطی مطرح شد. ساختار اصلی این معماری یک برج مرکزی بود که توسط چندین سلول احاطه شده است. این برج دیده‌بانی از بسیاری جهات الگویی برای دوربین‌هایی است که به ساختمان‌ها متصل شده‌اند؛ دستگاه‌هایی که از روی عمد قابل مشاهده هستند و چشمان نظارت‌گر انسان‌ها را از دید پنهان می‌کنند. این نظارت امروزه در سطحی وسیع و در قالب اینترنت اشیا نیز صورت می‌گیرد.

بخش زیادی از زندگی بشر امروز در دنیای آنلاین می‌گذرد که در آن داده‌های زیادی بدون مالکیت فیزیکی و احساس صریح قرار گرفتن در معرض دید، به اشتراک گذاشته می‌شود. با این حال داده‌ها نه‌تنها توسط دولت‌ها، بلکه توسط شرکت‌هایی تحت‌نظارت هستند که مبالغ هنگفتی روی آن‌ها سرمایه‌گذاری می‌کنند.

اتصال متقابل بین اشیا در خانه‌ها، اتومبیل‌ها و شهرها که عموماً به آن اینترنت اشیا گفته می‌شود، نظارت دیجیتال را به‌طور اساسی تغییر خواهد داد. در اصل ممکن است یک برج مرکزی وجود نداشته باشد، اما حسگرهای ارتباطی در نزدیک‌ترین اشیا به بشر وجود خواهد داشت. با ظهور سیستم‌های شبکه‌ای گسترده‌تر، همه چیز از ماشین لباسشویی گرفته تا اسباب‌بازی‌ها به‌زودی قادر به برقراری ارتباط خواهند بود و حجم وسیعی از داده‌ها را در زندگی ایجاد می‌کنند و این سیستم‌های نظارتی مرکزی هستند که باید در نقش پانوپتیکون امنیت تبادل اطلاعات را تامین کنند.

کد خبر 749228