و كثافة بوز-آينشتاين هو حالة من الأمر الذي يحدث في بعض الجسيمات في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. لفترة طويلة كان يُعتقد أن الحالات الثلاث الوحيدة الممكنة لتجميع المادة هي الحالة الصلبة والسائلة والغازية.
ثم تم اكتشاف الحالة الرابعة: حالة البلازما. ومكثفات بوز-آينشتاين تعتبر الحالة الخامسة. الخاصية المميزة هي أن الجسيمات في الكُثافة تتصرف كنظام كمي كبير وليس كما تفعل عادةً (كمجموعة من الأنظمة الكمية الفردية أو كمجموعة من الذرات).
بعبارة أخرى ، يمكن القول أن المجموعة الكاملة من الذرات التي تشكل مكثف بوز-آينشتاين تتصرف كما لو كانت ذرة واحدة.
الأصل
مثل العديد من الاكتشافات العلمية الحديثة ، تم استنتاج وجود المكثف نظريًا قبل وجود دليل تجريبي على وجوده.
وهكذا ، كان ألبرت أينشتاين وساتيندرا ناث بوز هما من تنبأ نظريًا بهذه الظاهرة في منشور مشترك في عشرينيات القرن الماضي ، وقد فعلوا ذلك أولاً مع الفوتونات ثم للذرات الغازية الافتراضية.
لم يكن إثبات وجودها الحقيقي ممكنًا إلا قبل بضعة عقود ، عندما كان من الممكن تبريد عينة إلى درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية للتحقق من صحة ما توقعته المعادلات.
ساتيندرا ناث بوز
الحصول
تم الحصول على مكثف بوز-آينشتاين في عام 1995 من قبل إريك كورنيل وكارلو ويمان وولفجانج كيترل الذين ، بفضله ، سينتهي بهم المطاف بالمشاركة في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2001.
لتحقيق التكثيف ، لجأ بوز-آينشتاين إلى سلسلة من تقنيات الفيزياء الذرية التجريبية ، والتي تمكنوا من خلالها من الوصول إلى درجة حرارة تبلغ 0.00000002 درجة كلفن فوق الصفر المطلق (درجة حرارة أقل بكثير من أدنى درجة حرارة لوحظت في الفضاء الخارجي).
استخدم إريك كورنيل وكارلو وايمان هذه التقنيات على غاز مخفف مكون من ذرات الروبيديوم. من جانبه ، قام ولفجانج كيترل بتطبيقها بعد ذلك بوقت قصير على ذرات الصوديوم.
البوزونات
تم استخدام اسم بوزون تكريما للفيزيائي الهندي المولد ساتيندرا ناث بوس. يُنظر في نوعين أساسيين من الجسيمات الأولية في فيزياء الجسيمات: البوزونات والفرمينات.
ما يحدد ما إذا كان الجسيم بوزونًا أم فرميونًا هو ما إذا كان الدوران عددًا صحيحًا أم نصف صحيح. في النهاية ، البوزونات هي الجسيمات المسؤولة عن نقل قوى التفاعل بين الفرميونات.
يمكن فقط للجسيمات البوزونية أن تمتلك هذه الحالة من تكاثف بوز-آينشتاين: إذا كانت الجسيمات التي يتم تبريدها فرميونات ، فإن ما يتم تحقيقه يسمى سائل فيرمي.
هذا لأن البوزونات ، على عكس الفرميونات ، لا يجب أن تفي بمبدأ استبعاد باولي ، الذي ينص على أن جسيمين متطابقين لا يمكن أن يكونا في نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت.
جميع الذرات هي نفس الذرة
في تكاثف بوز-آينشتاين جميع الذرات متماثلة تمامًا. بهذه الطريقة ، تكون معظم الذرات في الكُثافة على نفس المستوى الكمومي ، وتنخفض إلى أدنى مستوى طاقة ممكن.
من خلال مشاركة هذه الحالة الكمومية نفسها وجميعها تمتلك نفس الطاقة (الدنيا) ، لا يمكن تمييز الذرات وتتصرف مثل "ذرة عظمى" واحدة.
الخصائص
حقيقة أن جميع الذرات لها خصائص متطابقة تفترض سلسلة من الخصائص النظرية: الذرات تحتل نفس الحجم ، فإنها تشتت الضوء من نفس اللون ويتم تكوين وسط متجانس ، من بين خصائص أخرى.
تشبه هذه الخصائص خصائص الليزر المثالي ، الذي ينبعث ضوءًا متماسكًا (مكانيًا وزمانيًا) وموحدًا وأحادي اللون ، حيث تكون جميع الموجات والفوتونات متماثلة تمامًا وتتحرك في نفس الاتجاه ، من الناحية المثالية لا. تبدد.
التطبيقات
الاحتمالات التي توفرها هذه الحالة الجديدة للمادة كثيرة ، بعضها مدهش حقًا. من بين التطبيقات الحالية أو قيد التطوير ، أكثر التطبيقات إثارة للاهتمام من مكثفات بوز-آينشتاين هي ما يلي:
- استخدامه مع الليزر الذري لإنشاء هياكل نانوية عالية الدقة.
- الكشف عن شدة مجال الجاذبية.
- تصنيع ساعات ذرية أكثر دقة واستقرارًا من تلك الموجودة حاليًا.
- محاكاة صغيرة لدراسة بعض الظواهر الكونية.
- تطبيقات السوائل الفائقة والموصلية الفائقة.
- التطبيقات المشتقة من الظاهرة المعروفة باسم الضوء البطيء أو الضوء البطيء ؛ على سبيل المثال ، في النقل عن بعد أو في المجال الواعد للحوسبة الكمومية.
- تعميق المعرفة بميكانيكا الكم ، وإجراء تجارب أكثر تعقيدًا وغير خطية ، وكذلك التحقق من بعض النظريات التي تمت صياغتها مؤخرًا. توفر المكثفات إمكانية إعادة إنشاء الظواهر التي تحدث في المختبرات بسنوات ضوئية.
كما يمكن رؤيته ، يمكن استخدام مكثفات بوز-آينشتاين ليس فقط لتطوير تقنيات جديدة ، ولكن أيضًا لتحسين بعض التقنيات الموجودة بالفعل.
ليس عبثًا أنها توفر دقة وموثوقية كبيرة ، وهو أمر ممكن بسبب تماسك طورها في المجال الذري ، مما يسهل التحكم الكبير في الوقت والمسافات.
لذلك ، يمكن أن تكون مكثفات بوز-آينشتاين ثورية كما كان الليزر نفسه من قبل ، نظرًا لأن لديهم العديد من الخصائص المشتركة. ومع ذلك ، فإن المشكلة الكبرى لحدوث ذلك تكمن في درجة الحرارة التي يتم فيها إنتاج هذه المكثفات.
وبالتالي ، تكمن الصعوبة في مدى تعقيد الحصول عليها وفي تكلفة صيانتها. لكل هذه الأسباب ، تركز معظم الجهود حاليًا بشكل أساسي على تطبيقه على البحث الأساسي.
مكثفات بوز-آينشتاين وفيزياء الكم
قدم إثبات وجود مكثفات بوز-آينشتاين أداة جديدة مهمة لدراسة الظواهر الفيزيائية الجديدة في مناطق متنوعة للغاية.
ليس هناك شك في أن تماسكها على المستوى العياني يسهل دراسة وفهم وإثبات قوانين فيزياء الكم.
ومع ذلك ، فإن حقيقة أن درجات الحرارة القريبة من الصفر المطلق ضرورية لتحقيق هذه الحالة من المادة هي عيب خطير للاستفادة بشكل أكبر من خصائصها المذهلة.
المراجع
- مكثف بوز - أينشتاين (بدون تاريخ). على ويكيبيديا. تم الاسترجاع في 6 أبريل 2018 ، من es.wikipedia.org.
- تكثيف بوز - أينشتاين. (الثانية) في ويكيبيديا. تم الاسترجاع في 6 أبريل 2018 ، من en.wikipedia.org.
- إريك كورنيل وكارل وايمان (1998). مكثفات بوز-أينشتاين ، "البحث والعلوم".
- أ. كورنيل و سي ويمان (1998). "مكثف بوز - أينشتاين". Scientific American.
- بوسون (بدون تاريخ). على ويكيبيديا. تم الاسترجاع في 6 أبريل 2018 ، من es.wikipedia.org.
- بوسون (بدون تاريخ). على ويكيبيديا. تم الاسترجاع في 6 أبريل 2018 ، من en.wikipedia.org.