قانون چگالش بوز- اینشتین چیست

تئوری چگالش بوز اینشتین (BEC)، از نظریه پردازان آن، ساتیندرا نات بوز و آلبرت اینشتین، نام گرفته است. این نظریه، اثر سرمای بسیار زیاد بر حالت ماده را تعریف می‌کند. هنگامی که درجه‌ی حرارت به چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق می‌رسد، برخی عناصر حالت چگالش بوز- اینشتین را بروز می‌دهند.
در اوایل دهه‌ی 1900 تعداد زیادی از روشن فکران ظهور کرده و اختراعات و اکتشافات شگفت آوری را به ثبت رساندند. در میان آن‌ها فیزیک دانی به نام ساتیندرا نات بوز حضور داشت. وی به مطالعه در مورد رفتار نور و خواص آن می‌پرداخت. بررسی‌های او به این نتیجه رسید که نور از بسته‌هایی به نام کوانتوم یا فوتون تشکیل شده است. طبق استدلال بوز، رفتارهای متفاوت یا شبیه به هم این بسته‌ها به شرایط خاصی بستگی دارد. او مقالات خود را برای آلبرت اینشتین فرستاد؛ اینشتین کسی بود که آوازه‌ی اکتشافات علمی‌اش فرا گیر شده بود. اینشتن مقالات بوز را به همراه آن ‌چه که خود به آن‌ها افزوده بود، منتشر کرد. حالت جدیدی از ماده که از دیدگاه آن‌ها در درجه‌ی حرارت صفر مطلق قابل ایجاد بود، چگالش بوز- اینشتین نامیده شد.

چگالش اثری است که در بوزون‌ها (ذراتی که از آمار بوز- اینشتین تبعیت می‌کنند نه از اصل طرد پاولی) و به دنبال استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، مشاهده می‌شود. هنگامی که دما به نزدیکی درجه‌ی حرارت صفر مطلق می‌رسد، ماده تغییرات عجیبی از خود نشان می‌دهد. اتم‌ها شروع به تراکم و نزدیک شدن به یک‌ دیگر می‌کنند. این پروسه در دمای چند میلیاردم درجه صورت می‌گیرد، و در نتیجه‌ی تئوری BEC به انجام می‌رسد. اتم‌ها به شکل یک خوشه درآمده و همگی در یک فضای خاص جمع می‌شوند، به گونه‌ای که انگار یک واحد اتمی بزرگ هستند. از نظر ریاضی، موقعیت این اتم‌ها با معادلات موجی مخصوص به خودشان تعریف شده و به این ترتیب محل دقیق شان در فضا تعریف می‌شود. در حل این معادلات موجی، می‌توان به طور قطع ثابت نمود که هر اتم یک موجودیت واحد است و به زبان ساده‌تر می‌توان آن را به صورت حبابی واحد تحت شرایط خاص تعریف کرد. تئوری BEC از نظر علمی، توزیع آماری بوزون‌های مشابه و غیر قابل تشخیص از هم، در طول سطوح مختلف انرژی به دست آمده در تعادل گرمایی است.
برای درک بهتر تئوری BEC، مهم است که بدانیم بوزون‌ها و فرمیون‌ها چه هستند. الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و کوارک‌ها، همگی نمونه‌هایی از فرمیون‌اند. طبق اصول مکانیک کوانتومی این ذرات همواره در حال چرخش بوده و این حرکت چرخشی مضربی از ½ است. از سوی دیگر عدد چرخشی بوزون‌ها به صورت انتگرال (صحیح) است؛ از قبیل 0، 1، 2، 3 و غیره. بنابراین تمامی اسپین‌های (چرخش) نیمه صحیح، به فرمیون‌ها نسبت داده می‌شود. وقتی در ماده‌ای دو فرمیون به یک ‌دیگر متصل می‌شوند، رفتاری شبیه بوزون دارند؛ چرا که حرکت نیم چرخش یک فرمیون یا خنثی است (در صورتی که چرخش در جهت مخالف باشد)، و یا مجموع است (1/2+1/2 در صورتی که چرخش در یک جهت باشد). در هر دو مورد یک بوزون ایجاد می‌شود. از سوی دیگر در صورت اتصال بوزون‌ها به یک دیگر هموراه فقط بوزون ایجاد می‌شود، چرا که در صورت جمع یا تفریق اعداد صحیح همواره عددی صحیح حاصل می‌شود.
نکته این‌ جا است که فرمیون‌ها نمی‌توانند فضایی یک سان را اشغال کنند در حالی که بوزون‌ها می‌توانند؛ این امر مطابق اصل طرد پاولی است. دو الکترون با جهت چرخش یک سان نمی‌توانند به یک‌ دیگر نزدیک شوند و این شرایط هرگز در نقشه‌‌ی طبیعی موجودات رخ نمی‌دهد، در حالی که بوزون‌ها در واقع در حرکت قادر به هم‌ پوشانی یک‌ دیگر هستند. طبق نظریه‌ی موجی، موقعیت یک شیء همواره در منطقه‌‌ی خاصی از فضا ثابت است. با این حال در شرایط خاص حالتی ایجاد می‌شود که در آن، تشخیص موقعیت یک شیء نسبت به دیگران غیر ممکن است. موقعیتی را در نظر بگیرید که طی آن شما بر فراز یک صخره ایستاده‌ و دوست‌تان را در دامنه تماشا می‌کنید. از آن ارتفاع او همانند یک نقطه به نظر می‌رسد. اگر در نیم ساعت بعد، صدها نفر در منطقه‌ی مورد نظر جمع شوند شما قادر نخواهید بود از میان آن‌ها نقطه‌ی مورد نظر را که در واقع همان دوست‌تان است، تشخیص دهید.
این دقیقاً همان موقعیتی است که در چگالش بوز- اینشتین ایجاد می‌شود. هنگامی‌ که میلیون‌ها اتم متراکم می‌شوند، حالت منحصر به فردی از ماده پدید می‌آید که در آن اتم‌ها از یک ‌دیگر قابل تشخیص نیستند. در صورت چگالش حتی اگر هر کدام از اتم‌ها نشانه گذاری شده باشند، شما قادر به شناسایی یا انتخاب اتم مورد نظرتان نخواهید بود. در انتهای سال 2001، حدود 36 آزمایشگاه در دنیا وجود داشتند که قادر به فراهم نمودن این شرایط بوده و چگالش بوز- انیشتین را به انجام رساندند. این نظریه باعث دست‌ یابی به موفقیت‌های پژوهشی در زمینه‌های ابر رسانایی، مطالعات ابر شاره‌ها، یا ابداع تراشه‌های کامپیوتری بسیار ریز شد. بنا بر این نظریه‌ی BEC، دستاورد بزرگ و رویایی قرن بیستم است.