ساخت سیالی با جرم منفی در محیط آزمایشگاه!

جرم منفی یکی از پدیده‌های عجیب تئوری است و اکنون به نظر می‌رسد که پژوهشگران برای ساخت آن در دنیای واقعی هم گام‌هایی برداشته‌اند.

کد خبر: ۵۹۷۵۵۳

پنجشنبه - ۲۴ فروردين ۱۳۹۶ / April 13, 2017

به گزارش گروه فضای مجازی خبرگزاری دانشجو، گروهی از پژوهشگران در ایالات متحده اعلام کرده‌اند که موفق به ساخت سیالی با جرم منفی در آزمایشگاه شده‌اند و این ماده دقیقا به اندازه‌ی نامی که دارد، شگفت‌آور به نظر می‌رسد.

اگر بخواهیم کمی روی تعبیر جرم منفی دقیق‌تر شویم، می‌توانیم چنین اشاره کنیم که در سیال اخیر، بر خلاف تقریبا هر جسم فیزیکی شناخته شده‌ی دیگر، هنگامی که شما به آن فشاری وارد کنید، سیال به جای حرکت به سوی جلو، به سمت عقب شتاب‌ خواهد گرفت. چنین پدیده‌ی عجیبی می‌تواند دانشمندان را در پی بردن به سازوکار برخی از فرایندهای عجیبی که در سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی اتفاق می افتد، کمک کند.

اما بهتر است در اینجا یک گام به عقب بازگردیم؛ پرسش اصلی این است که ماده چگونه می‌تواند دارای جرم منفی باشد؟ در حالت فرضی، ماده باید قادر به داشتن جرم منفی به همان شیوه‌ای باشد که یک بار الکتریکی طبق آن عمل می‌کند و می‌تواند صورت منفی یا مثبت باشد.

تحلیل فوق روی کاغذ منطقی به نظر می‌رسد؛ اما هنوز در جهان علم روی این موضوع بحث وجود دارد که آیا اشیا واقعا می‌توانند بدون اینکه قوانین فیزیکی موجود را نقض کنند، دارای جرم منفی باشند؟ این سوال از چیزهایی است که ما انسان‌های کم‌اهمیت و ناچیز در این جهان بی‌پایان هنوز نتوانسته‌ایم به طور مطمین و دقیق در موردش به نتیجه‌ی یا توجیه قانع‌کننده‌ای برسیم.

بر پایه‌ی قانون دوم نیوتن که آن را اغلب با فرمول F = MA بیان می‌کنند، نیرو برابر است با حاصلضرب جرم جسم در شتاب آن. اگر ما آن را به صورتی بازنویسی کنیم که در آن شتاب برابر با نیروی مورد نظر تقسیم بر جرم جسم باشد و در این رابطه مقدار جرم را منفی قرار دهیم، در آن صورت نتیجه‌ی ما شتاب منفی خواهد بود. برای این حالت می‌توانید یک لیوان در حالت حرکت روی میز را تصور کنید که شما برای لحظه‌ای دستتان را در مسیرش قرار می‌دهید و در آن لحظه یک نیرو به دست شما وارد می‌شود.

با این حال، تنها به خاطر اینکه این پدیده برای ما عجیب به نظر می‌رسد، نمی‌توان نتیجه گرفت که وقوع آن ناممکن است. این در حالی است که در تحقیقات نظری انجام شده در گذشته هم برخی شواهد اولیه مبنی بر اینکه جرم منفی می‌تواند در جهان ما بدون نقض کردن نظریه‌ی نسبیت عام وجود داشته باشد، ارایه داده شده است.

علاوه بر آن، بسیاری از فیزیکدانان بر این باروند که جرم منفی می‌تواند با برخی از پدیده‌های عجیبی که ما در جهان شناسایی کرده‌ایم نیز ارتباط داشته باشد؛ پدیده‌هایی مانند انرژی تاریک، سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی.

به عنوان یک نتیجه از گفته‌های فوق می‌توان گفت که محققان فعالانه در تلاشند تا جرم منفی را در آزمایشگاه بازسازی کنند و در این مسیر به برخی موفقیت‌های اولیه نیز رسیده‌اند.

اما در حال حاضر محققان دانشگاه ایالتی واشنگتن اعلام کرده‌اند که توانسته‌اند اتم‌های فوق سرد شده‌ی یک سیال را به شرایطی برسانند که رفتارهایی همانند مشخصه‌های جرم منفی از خود نشان دهد. آنها همچنین پیشنهاد داده‌اند که ماده‌ی اخیر در نهایت می‌تواند برای مطالعه‌ی برخی از پدیده‌های عجیبی که در اعماق کیهان روی می‌دهند نیز مورد استفاده قرار گیرد. مایکل فوربس، یکی از محققان در این باره می‌گوید:

آنچه که در اینجا برای اولین بار رخ داده، این است که ما کنترل مناسبی روی ماهیت این جرم منفی داریم؛ بدون اینکه پیچیدگی خاص دیگری پیش رویمان باشد.

تیم پژوهشی برای ایجاد این سیال عجیب، از لیزر برای خنک کردن اتم‌های روبیدیم تا دمای اندکی بالاتر از صفر مطلق استفاده کردند تا به این ترتیب فرایندی را صورت دهند که به نام چگالش بوز-اینشتین شناخته شده است.

در حالت فوق، ذرات به صورت فو‌ق‌العاده آرام حرکت کرده و به جای تبعیت از اصول فیزیک کلاسیک، از اصول عجیب مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند. پیروی از اصول مکانیک کوانتومی بدین معنی است که آنها شروع به نشان دادن رفتاری موج‌گونه از خود می‌کنند و مکان دقیق آنها در لحظه نیز به طور دقیق مشخص نمی‌شود.

ذرات همچنین تمایل به همگام‌سازی و حرکت به طور یکپارچه پیدا می‌کنند و در این روند، پدیده‌ای را تشکیل می‌دهند که از آن به عنوان ابرشاره یاد می‌شود. ابرشاره ماده‌ای است که بدون از دست دادن انرژی در اثر اصطکاک جریان می‌یابد.

این تیم از لیزر برای حفظ این ابرشاره در دماهای یخ‌زده و همچنین به منظور محبوس داشتن آن در یک میدان کوچک کاسه‌مانند با پهنای کمتر از ۱۰۰ میکرون استفاده کردند.

ابرشاره در آن فضا دارای جرم معمولی بوده و این حالت تا جایی که چگالش بوز-اینشتین روی می‌دهد نیز پابرجا بود. اما پس از آن مرحله تیم پژوهشی تصمیم به «گریز دادن» یا تحت فشار قرار دادن سیال کردند.

آنها با استفاده از مجموعه‌ی ثانویه‌ای از لیزرهای ویژه، اتم را به سمت جلو و عقب تحت ضربه‌هایی قرار دادند تا آنها را مجبور به تغییر چرخششان کرده و باعث شکستن میدان کاسه‌مانند شده و در نهایت حالتی را برای روبیدیوم به وجود آورند که با چنان شتابی از این میدان خارج شود که ما آن را دارای جرم منفی تلقی کنیم. فوربس می‌گوید:

هنگامی که شما به آن فشار وارد می‌کنید (آن را هل می‌دهید)، این ماده به سمت عقب شتاب می‌گیرد. به نظر می‌رسد که روبیدیم همانند یک دیوار نامرئی عمل می‌کند.

پژوهشگران همچنین اعلام کرده‌اند که یافته‌های آنها پیرامون جرم منفی، یافته‌های سایر گروه‌ها در پژوهش‌های گذشته را تایید می‌کند. در عین حال باید دید که آیا این ابرشاره‌ی فرار به اندازه کافی برای تست کردن برخی از پیشنهادات بسیار عجیب در مورد جرم منفی در آزمایشگاه قابل اعتماد و دقیق خواهد بود یا خیر؛ و قبل از اینکه ما بیش از حد هیجان‌زده شویم، بهتر است که منتظر بمانیم تا گروه‌های دیگر نیز موفق به تکرار نتایج فوق به طور مستقل شوند.

اما نتایج تحقیقات در حال حاضر در مجله‌ی تخصصی فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است و برای افرادی که بخواهند در  مورد آن بیشتر مطالعه کنند، در دسترس است. بنابراین امیدواریم که نتایج این آزمایش به زودی توسط سایر گروه‌ها هم تایید و تکرار شود.

به هر حال از یک چیز مطمینیم؛ اینکه فیزیک فقط در حال عجیب‌تر شدن است و ما  برای دیدن اینکه در آینده چه اتفاقی می‌افتد بسیار هیجان‌زده هستیم.