در جست وجوي "تک قطبي ها"
نويسنده: يوجين ساموئل رايش
ترجمه: مرتضي علي محمدي
ترجمه: مرتضي علي محمدي
هميشه فکر مي کرديم آهن رباها جادو مي کنند. يکي از جذاب ترين بازي هاي دوران کودکي بسياري از ما، کار با آهن ربا بوده است. هميشه دو آهن ربا را در دست مي گرفتيم و در فاصله اي نزديک به هم رها مي کرديم تا در کسري از ثانيه به هم بچسبند اما وقتي يکي را بر عکس مي کرديم، ديگر ربايش در کار نبود و هر چقدر تلاش مي کرديم، آهن رباها به جاي جذب هم، يکديگر را دفع مي کردند.
همه مي دانند که آهن رباها دو قطب دارند، قطب جنوب و قطب شمال، هيچ آهن ربايي وجود ندارد که قانون دوقطبي بودن را زير پا بگذارد و اين قاعده در مورد تمام آهن رباها، از يک آهن رباي کوچک آزمايشي گرفته تا آهن رباهاي عظيم موجود در قلب سياره ما، زمين صدق مي کند. اگر آهن ربايي را به دو قسمت تقسيم کنيم، هر کدام از تکه ها، دو قطب مجزا براي خود به وجود مي آورد. پس به نظر مي رسد، هيچ قطب آهن ربايي بدون قطب متناظرش معنا ندارد، يا به عبارت ديگر آهن رباي تک قطبي اصلاً وجود ندارد. اما اين قانون مدت ها ذهن دانشمندان فيزيک را به خود مشغول کرده و مدت هاست بسياري تمام گوشه و کنار زمين را گشته اند تا شايد نمونه اي از آهن رباي تک قطبي را پيدا کنند. شايد دليل اصلي براي اين کنکاش هميشگي، پاسخ به اين سوال باشد که جهان ماه و سيارات و کهکشان هاي موجود چگونه در کنار هم قرار گرفته اند و نحوه آرايش موجود حاکي از اين است که تک قطبي ها وجود دارند، اگر چه هنوز به چشم ديده نشده اند. از ديگر دلايل جذابيت تک قطبي ها براي دانشمندان تقارني است که در اين بين وجود دارد و باعث شده بسياري نظرات متفاوت و مهمي را ابراز کنند. بيش از يک قرن تصور بشر اين بوده که مغناطيس و الکتريسيته دو روي يک نيرو يعني نيروي الکترومغناطيسي هستند و ميادين الکتريکي، ميدان هاي مغناطيسي را توليد مي کند و بالعکس. به همين ترتيب، نظريه سنتي الکترومغناطيس که در اواخر قرن نوزدهم تدوين شد، نگرشي متقارن به الکتريسيته و مغناطيس دارد. با اين حال اگر چه بار مثبت و منفي الکتريکي مي توانند در ميدان الکتريکي آزادانه حرکت کنند، اما حرکت بار مثبت و منفي در ميدان مغناطيسي به دو قطب شمال و جنوب بستگي دارد. به اين دليل است که مي گويند قطب تنها اساساً وجود ندارد. چرا که حرکت آزادانه بار مغناطيسي عملي نيست.
اما در سال 1931، اين عدم تقارن سوال برانگيز توجه "پل ديراک"، فيزيکدان برجسته کوانتومي را به خود جلب کرد. او قائل به اين بود که نظريه کوانتومي امکان وجود تک قطبي ها را انکار نمي کند بلکه بالعکس، اين تک قطبي ها در صورت وجود نمي توانند منافع بسياري نيز داشته باشند. محاسبات او بر اين اساس بود که تک قطبي هاي موجود در جهان مي توانند اين نکته را روشن کنند که چرا بارهاي الکتريکي هميشه با کميتي يکسان و غير قابل تغيير حرکت مي کنند. در آن دوران، بحث تک قطبي ها خيلي فراگير نشده بود و صرفاً يک کنجکاوي بود و نبود شواهد کافي باعث مي شد اشتياق دانشمندان براي کشف آنها فروکش کند. اما اين روند در دهه 60 پذيرش عام نظريه مه بانگ دستخوش تحول شد و مسير ديگري پيدا کرد. بر مبناي نظريه مه بانگ، جهان گلوله آتشي بوده که تنها از طريق يک نيروي محاط بر آن کنترل مي شد و پس از انفجار اين نيرو به نيروهاي بنيادين تبديل شده که امروزه در اختيار ماست.
دانشمندان فيزيک از آنزمان تلاش کرده اند با تدوين نظريه اي جامع همه اين نيروها را در آن جمع کنند. در حال حاضر رويکردهاي مختلفي براي رسيدن به اين هدف وجود دارد و همه آنها در يک ويژگي عجيب مشترک هستند و مي گويند مجموعه بار مغناطيسي در کسري از يک نانو ثانيه در لحظه پيدايش جهان به وجود آمده است.
برخي چون ديراک در نظريه اول خود معتقدند که اين تک قطبي ها بسيار بزرگ و عظيمند و حجم آن 10 به توان 16 برابر يک پروتون است. برخي ديگر از نظريات حجم کمتري را براي اين هيولاي تک قطبي در نظر مي گيرند و معتقدند حجم آن چند هزار برابر يک پروتون است. اما همگي، در عين حال قائل به وجود اين تک قطبي ها هستند.
به اين ترتيب جست و جو براي يافتن تک قطبي ها اهميت فزاينده اي پيدا کرد و اگر چه احتمال نتيجه گرفتن از آن زياد نبود، اما اهميت آن براي تاييد يا رد بسياري از نظرات مطرح شده در فيزيک حياتي بود. برخي ديگر نيز چند قدم جلوتر رفته اند و گمان مي کنند تک قطبي ها درصد زيادي از همان ماده سياهي را تشکيل داده که دانشمندان معتقدند حجم عظيمي از جهان کهکشاني را به خود اختصاص داده است. بنابراين از چهل سال پيش تا به حال، علم فيزيک و دانشمندان اين رشته حجت و دليل لازم را براي جست وجوي اين تک قطبي ها به دست آورده اند و دلايل زيادي براي اثبات آنها در اختيار دارند. اما با همه اينها هنوز هيچ کس نتوانسته شواهدي از محل آنها به دست بياورد.
البته دلايلي نيز وجود دارد که براساس آن تقريباً قاطعانه مي توان گفت هيچ وقت نمي توان به شواهدي از تک قطبي ها دست پيدا کرد. برمبناي نظريه تورمي منشا جهان، که از دهه 80 به بعد طرفداران زيادي پيدا کرده، جهان در همان لحظات اول مه بانگ، آن چنان گسترش يافته و تک قطبي هاي حاصل اين گسترش آن چنان پرتاب شده اند که احتمالاً ديگر دسترسي به آنها ممکن نخواهد بود.
البته برخي نيز معتقدند اين تک قطبي ها از رگ گردن به ما نزديک ترند. در سال 1997، "مارک هريس"، استاد فيزيک دانشگاه آکسفورد و همکارانش، ادعا کردند شيء جامدي را به نام يخ دوراني يافته اند که شواهدي از اين مواد را با خود دارد. اصولاً مغناطيس و نيروي ربايش از محوري حاصل مي شود که جزئي اساسي از ساختار اتم و يون هاست.
اساساً اتم ها و يون ها حول يک محور دوران مغناطيسي دارند و محور مورد نظر غالباً به جهات مختلفي ميل مي کند. اما در ميدان هاي مغناطيسي اين محورها همه به يک راستا ميل مي کنند و دو قطب شمال و جنوب اين محور همان ميدان مغناطيسي را به وجود مي آورد.
در بسياري از مواد غير مغناطيسي، محور اين دوران تمايل زيادي به نظم دارد، اما در عمل اين انضباط اتفاق نمي افتد. براي مثال در تيتانيت هولميوم (holmium titanate) اين تمايل خيلي بيشتر مشاهده مي شود و مارک هريس و همکارانش نيز روي همين ماده تمرکز کرده بودند.
اصولاً در خود هولميوم محور دوراني يون ها دو برابر خود يون ها به يك راستا ميل مي كنند، اما در تيتانيت هولميوم، اتم هاي اكسيژن شبكه اي به هم پيوسته را با يون هاي هولميوم در گوشه هاي ميدان تشكيل مي دهند.
نحوه آرايش محور دوراني در اين ماده نمايانگر شيوه اي است كه يون هاي هيدروژن در بلورهاي يخ آرايش پيدا مي كنند و به همين دليل مارك هريس و همكارانش اصطلاح يخ دوراني را براي اين وضعيت انتخاب كرده اند. در سال 2007 گروهي از دانشمندان مختلف در آلمان، انگلستان و ايالات متحده به اين نتيجه رسيدند كه وقتي دماي يخ دوراني بالا مي رود ، انرژي گرمايي اضافي وارد شده باعث مي شود برخي از يون ها به طور تصادفي محور دوراني خود را تغيير دهند همين مسئله باعث مي شود كه قطب هاي شمال و جنوب موجود در شبكه به هم بريزد و بار مغناطيسي آنها از بين برود. اگر اين دما زياد افزايش پيدا نكند و يخ آب نشود بي نظمي ايجاد شده به ديگر محورها نيز سرايت مي كند و زنجيره اي از قطب هاي نامتقارن به وجود مي آيد و قطب هاي شمال و جنوب از يكديگر جدا مي شوند و به عبارتي ديگر يك بار مغناطيسي آزاد روي شبكه به وجود مي آيد كه همان تك قطبي مغناطيسي است.
البته در اين آزمايش، تك قطبي ها بر اساس حرارت وارد شده،رفتارهاي متفاوتي داشته اند؛ گاهي مانند اتم هاي گاز حركتي واگرا داشتند و گاهي مانند مايعات هم گرا مي شده اند. پس در مجموع مي توان گفت هوا در حالت برانگيخته همانند وضعيتي كه در ستاره ها حاكم است، مي توانند تك قطبي ها را در درون خود داشته باشند.
پس از اين آزمايش ،بسياري از دانشمندان فيزيك به دنبال كشف و صيد تك قطبي ها به راه افتادند اخيراً نيز دو دانشمند فرانسوي مقاله اي را به چاپ رسانده اند و در آن اداعا كرده اند كه پس از اعمال حرارت پايين به يخ دوراني، محورهاي موجود در بازگشت به شرايط اوليه خود بسيار كند عمل مي كنند. اين دو دانشمند براساس اين ادعا چنين استدلال مي كنند كه اصولاً در دماهاي پايين، تك قطبي ها توان و انرژي لازم را براي حركت آزادانه از دست مي دهند و در نتيجه، واكنش مغناطيسي كل مجموعه بسيار پايين مي آيد.
اما نكته اي كه نبايد از نظر دور داشت، اين است كه تك قطبي هاي موجود در يخ دوراني اساساً متفاوت از تك قطبي هايي است كه بسياري از دانشمندان در كهكشان ها به دنبال آن مي گشتند. به عبارت ديگر، اين تك قطبي ها 8 هزار بار كوچك تر از تك قطبي هاي مورد نظر هستند و علاوه بر اين با بارهاي الكتريكي تناسبي ندارند و نمي توان از آنها در كشف راز ماده سياه استفاده كرد.
اما با همه اينها، كشف يخ دوراني و ميدان مغناطيسي خاص آن مي تواند منافعي نيز به همراه داشته باشد. امروزه حافظه بسياري از رايانه ها، اطلاعات خود را به صورت مغناطيسي ذخيره مي كنند و استفاده از بار مغناطيسي به جاي بار الكتريكي براي خواندن اين اطلاعات، مي توانند منافع بسيار زيادي به همراه داشته باشد. علاوه بر اين، تحقق ميداني سه بعدي نظير يخ دوراني در حافظه هاي رايانه اي، مي توانند توانايي آنها را در ذخيره اطلاعات بسيار افزايش دهند. در مجموع، به نظر مي رسد تلاش براي يافتن تك قطبي ها همچنان ادامه داشته باشد و دانش بشر در مورد مغناطيس و ميدان مغناطيس بيش از پيش دستخوش تحول شود.
منبع :دانشمند شماره 552
همه مي دانند که آهن رباها دو قطب دارند، قطب جنوب و قطب شمال، هيچ آهن ربايي وجود ندارد که قانون دوقطبي بودن را زير پا بگذارد و اين قاعده در مورد تمام آهن رباها، از يک آهن رباي کوچک آزمايشي گرفته تا آهن رباهاي عظيم موجود در قلب سياره ما، زمين صدق مي کند. اگر آهن ربايي را به دو قسمت تقسيم کنيم، هر کدام از تکه ها، دو قطب مجزا براي خود به وجود مي آورد. پس به نظر مي رسد، هيچ قطب آهن ربايي بدون قطب متناظرش معنا ندارد، يا به عبارت ديگر آهن رباي تک قطبي اصلاً وجود ندارد. اما اين قانون مدت ها ذهن دانشمندان فيزيک را به خود مشغول کرده و مدت هاست بسياري تمام گوشه و کنار زمين را گشته اند تا شايد نمونه اي از آهن رباي تک قطبي را پيدا کنند. شايد دليل اصلي براي اين کنکاش هميشگي، پاسخ به اين سوال باشد که جهان ماه و سيارات و کهکشان هاي موجود چگونه در کنار هم قرار گرفته اند و نحوه آرايش موجود حاکي از اين است که تک قطبي ها وجود دارند، اگر چه هنوز به چشم ديده نشده اند. از ديگر دلايل جذابيت تک قطبي ها براي دانشمندان تقارني است که در اين بين وجود دارد و باعث شده بسياري نظرات متفاوت و مهمي را ابراز کنند. بيش از يک قرن تصور بشر اين بوده که مغناطيس و الکتريسيته دو روي يک نيرو يعني نيروي الکترومغناطيسي هستند و ميادين الکتريکي، ميدان هاي مغناطيسي را توليد مي کند و بالعکس. به همين ترتيب، نظريه سنتي الکترومغناطيس که در اواخر قرن نوزدهم تدوين شد، نگرشي متقارن به الکتريسيته و مغناطيس دارد. با اين حال اگر چه بار مثبت و منفي الکتريکي مي توانند در ميدان الکتريکي آزادانه حرکت کنند، اما حرکت بار مثبت و منفي در ميدان مغناطيسي به دو قطب شمال و جنوب بستگي دارد. به اين دليل است که مي گويند قطب تنها اساساً وجود ندارد. چرا که حرکت آزادانه بار مغناطيسي عملي نيست.
اما در سال 1931، اين عدم تقارن سوال برانگيز توجه "پل ديراک"، فيزيکدان برجسته کوانتومي را به خود جلب کرد. او قائل به اين بود که نظريه کوانتومي امکان وجود تک قطبي ها را انکار نمي کند بلکه بالعکس، اين تک قطبي ها در صورت وجود نمي توانند منافع بسياري نيز داشته باشند. محاسبات او بر اين اساس بود که تک قطبي هاي موجود در جهان مي توانند اين نکته را روشن کنند که چرا بارهاي الکتريکي هميشه با کميتي يکسان و غير قابل تغيير حرکت مي کنند. در آن دوران، بحث تک قطبي ها خيلي فراگير نشده بود و صرفاً يک کنجکاوي بود و نبود شواهد کافي باعث مي شد اشتياق دانشمندان براي کشف آنها فروکش کند. اما اين روند در دهه 60 پذيرش عام نظريه مه بانگ دستخوش تحول شد و مسير ديگري پيدا کرد. بر مبناي نظريه مه بانگ، جهان گلوله آتشي بوده که تنها از طريق يک نيروي محاط بر آن کنترل مي شد و پس از انفجار اين نيرو به نيروهاي بنيادين تبديل شده که امروزه در اختيار ماست.
دانشمندان فيزيک از آنزمان تلاش کرده اند با تدوين نظريه اي جامع همه اين نيروها را در آن جمع کنند. در حال حاضر رويکردهاي مختلفي براي رسيدن به اين هدف وجود دارد و همه آنها در يک ويژگي عجيب مشترک هستند و مي گويند مجموعه بار مغناطيسي در کسري از يک نانو ثانيه در لحظه پيدايش جهان به وجود آمده است.
برخي چون ديراک در نظريه اول خود معتقدند که اين تک قطبي ها بسيار بزرگ و عظيمند و حجم آن 10 به توان 16 برابر يک پروتون است. برخي ديگر از نظريات حجم کمتري را براي اين هيولاي تک قطبي در نظر مي گيرند و معتقدند حجم آن چند هزار برابر يک پروتون است. اما همگي، در عين حال قائل به وجود اين تک قطبي ها هستند.
به اين ترتيب جست و جو براي يافتن تک قطبي ها اهميت فزاينده اي پيدا کرد و اگر چه احتمال نتيجه گرفتن از آن زياد نبود، اما اهميت آن براي تاييد يا رد بسياري از نظرات مطرح شده در فيزيک حياتي بود. برخي ديگر نيز چند قدم جلوتر رفته اند و گمان مي کنند تک قطبي ها درصد زيادي از همان ماده سياهي را تشکيل داده که دانشمندان معتقدند حجم عظيمي از جهان کهکشاني را به خود اختصاص داده است. بنابراين از چهل سال پيش تا به حال، علم فيزيک و دانشمندان اين رشته حجت و دليل لازم را براي جست وجوي اين تک قطبي ها به دست آورده اند و دلايل زيادي براي اثبات آنها در اختيار دارند. اما با همه اينها هنوز هيچ کس نتوانسته شواهدي از محل آنها به دست بياورد.
البته دلايلي نيز وجود دارد که براساس آن تقريباً قاطعانه مي توان گفت هيچ وقت نمي توان به شواهدي از تک قطبي ها دست پيدا کرد. برمبناي نظريه تورمي منشا جهان، که از دهه 80 به بعد طرفداران زيادي پيدا کرده، جهان در همان لحظات اول مه بانگ، آن چنان گسترش يافته و تک قطبي هاي حاصل اين گسترش آن چنان پرتاب شده اند که احتمالاً ديگر دسترسي به آنها ممکن نخواهد بود.
البته برخي نيز معتقدند اين تک قطبي ها از رگ گردن به ما نزديک ترند. در سال 1997، "مارک هريس"، استاد فيزيک دانشگاه آکسفورد و همکارانش، ادعا کردند شيء جامدي را به نام يخ دوراني يافته اند که شواهدي از اين مواد را با خود دارد. اصولاً مغناطيس و نيروي ربايش از محوري حاصل مي شود که جزئي اساسي از ساختار اتم و يون هاست.
اساساً اتم ها و يون ها حول يک محور دوران مغناطيسي دارند و محور مورد نظر غالباً به جهات مختلفي ميل مي کند. اما در ميدان هاي مغناطيسي اين محورها همه به يک راستا ميل مي کنند و دو قطب شمال و جنوب اين محور همان ميدان مغناطيسي را به وجود مي آورد.
در بسياري از مواد غير مغناطيسي، محور اين دوران تمايل زيادي به نظم دارد، اما در عمل اين انضباط اتفاق نمي افتد. براي مثال در تيتانيت هولميوم (holmium titanate) اين تمايل خيلي بيشتر مشاهده مي شود و مارک هريس و همکارانش نيز روي همين ماده تمرکز کرده بودند.
اصولاً در خود هولميوم محور دوراني يون ها دو برابر خود يون ها به يك راستا ميل مي كنند، اما در تيتانيت هولميوم، اتم هاي اكسيژن شبكه اي به هم پيوسته را با يون هاي هولميوم در گوشه هاي ميدان تشكيل مي دهند.
نحوه آرايش محور دوراني در اين ماده نمايانگر شيوه اي است كه يون هاي هيدروژن در بلورهاي يخ آرايش پيدا مي كنند و به همين دليل مارك هريس و همكارانش اصطلاح يخ دوراني را براي اين وضعيت انتخاب كرده اند. در سال 2007 گروهي از دانشمندان مختلف در آلمان، انگلستان و ايالات متحده به اين نتيجه رسيدند كه وقتي دماي يخ دوراني بالا مي رود ، انرژي گرمايي اضافي وارد شده باعث مي شود برخي از يون ها به طور تصادفي محور دوراني خود را تغيير دهند همين مسئله باعث مي شود كه قطب هاي شمال و جنوب موجود در شبكه به هم بريزد و بار مغناطيسي آنها از بين برود. اگر اين دما زياد افزايش پيدا نكند و يخ آب نشود بي نظمي ايجاد شده به ديگر محورها نيز سرايت مي كند و زنجيره اي از قطب هاي نامتقارن به وجود مي آيد و قطب هاي شمال و جنوب از يكديگر جدا مي شوند و به عبارتي ديگر يك بار مغناطيسي آزاد روي شبكه به وجود مي آيد كه همان تك قطبي مغناطيسي است.
البته در اين آزمايش، تك قطبي ها بر اساس حرارت وارد شده،رفتارهاي متفاوتي داشته اند؛ گاهي مانند اتم هاي گاز حركتي واگرا داشتند و گاهي مانند مايعات هم گرا مي شده اند. پس در مجموع مي توان گفت هوا در حالت برانگيخته همانند وضعيتي كه در ستاره ها حاكم است، مي توانند تك قطبي ها را در درون خود داشته باشند.
پس از اين آزمايش ،بسياري از دانشمندان فيزيك به دنبال كشف و صيد تك قطبي ها به راه افتادند اخيراً نيز دو دانشمند فرانسوي مقاله اي را به چاپ رسانده اند و در آن اداعا كرده اند كه پس از اعمال حرارت پايين به يخ دوراني، محورهاي موجود در بازگشت به شرايط اوليه خود بسيار كند عمل مي كنند. اين دو دانشمند براساس اين ادعا چنين استدلال مي كنند كه اصولاً در دماهاي پايين، تك قطبي ها توان و انرژي لازم را براي حركت آزادانه از دست مي دهند و در نتيجه، واكنش مغناطيسي كل مجموعه بسيار پايين مي آيد.
اما نكته اي كه نبايد از نظر دور داشت، اين است كه تك قطبي هاي موجود در يخ دوراني اساساً متفاوت از تك قطبي هايي است كه بسياري از دانشمندان در كهكشان ها به دنبال آن مي گشتند. به عبارت ديگر، اين تك قطبي ها 8 هزار بار كوچك تر از تك قطبي هاي مورد نظر هستند و علاوه بر اين با بارهاي الكتريكي تناسبي ندارند و نمي توان از آنها در كشف راز ماده سياه استفاده كرد.
اما با همه اينها، كشف يخ دوراني و ميدان مغناطيسي خاص آن مي تواند منافعي نيز به همراه داشته باشد. امروزه حافظه بسياري از رايانه ها، اطلاعات خود را به صورت مغناطيسي ذخيره مي كنند و استفاده از بار مغناطيسي به جاي بار الكتريكي براي خواندن اين اطلاعات، مي توانند منافع بسيار زيادي به همراه داشته باشد. علاوه بر اين، تحقق ميداني سه بعدي نظير يخ دوراني در حافظه هاي رايانه اي، مي توانند توانايي آنها را در ذخيره اطلاعات بسيار افزايش دهند. در مجموع، به نظر مي رسد تلاش براي يافتن تك قطبي ها همچنان ادامه داشته باشد و دانش بشر در مورد مغناطيس و ميدان مغناطيس بيش از پيش دستخوش تحول شود.
منبع :دانشمند شماره 552
