پلاسمای غباری یکی از اجزای همه جا حاضر جهان

فیزیک پلاسمای غباری موضوعی است که اهمیت آن رو به افزایش است و علاقه مندی به آن طی چند سال اخیر بیشتر و بیشتر شده است. این موضوع بر روی بخش های مختلف فیزیک نظیر اختر فیزیک جدید، تکنولوژی نیم رساناها، وسایل گداخت، شیمی پلاسما، فیزیک کریستال، بیوفیزیک و … تاثیر بسزایی داشته است.

بنابراین امروزه شناخت پلاسما موضوع حائز  اهمیتی است که می تواند افق های علمی جدیدی را پیش روی ما قرار دهد.

خورشید یک کُرهٔ کامل است که از پلاسمای داغ ساخته شده‌است و در میانهٔ آن میدان مغناطیسی برقرار است.
خورشید یک کُرهٔ کامل است که از پلاسمای داغ ساخته شده‌است و در میانهٔ آن میدان مغناطیسی برقرار است.

پیش زمینه تاریخی

حدود 80 سال پیش تانکس و لانگمیر (1929) اولین کسانی بودند که اصطلاح پلاسما را ابداع کردند تا ناحیه ی درونی (دور از مرزها) یک گاز یونیزه شده ی برافروخته، که به وسیله ی تخلیه ی الکتریکی در یک لوله تولید شده بود، را توصیف کنند. اصطلاح پلاسما نشان داد که یک گاز خنثای  ماکروسکوپیکی شامل تعداد زیادی فعل و انفعالات بین ذرات باردار (الکترون ها و یون ها) و خنثی است.

همانطور که می دانیم 99% ماده در جهان ما (که غبار یکی از اجزای همه جا حاضر آن است) در فرم یک پلاسما است; بنابراین در بیشتر موارد با یک پلاسما با  ذرات غباری مواجه هستیم. اندازه ی این ذرات ممکن است به بزرگی یک میکرون باشد. این ذرات خنثی نیستند، اما مثبت یا منفی بودن بارشان به محیط اطراف پلاسما بستگی دارد.

یک ترکیب از غبار باردار یا میکرو ذرات، الکترون ها، یون ها و ذرات خنثی ها شکل هایی از یک پلاسمای غباری هستند.

تاریخچه ی پلاسمای غباری به سال 1997 بر می گردد. مشاهدات پیشینینان ما نشان می دهد که یک ستاره ی دنباله دار روشن می تواند یک آزمایشگاه کیهانی مناسب برای مطالعه ی فعل و انفعالات پلاسمای غباری و نتایج دینامیکی و فیزیکی آن ها باشد. نمونه هایی از پلاسماهای غباری سنگین که توسط پیشینینان ما مشاهده شده است عبارت است از: نور منطقه البروج، سحابی جبار و … .

در گذشته مشاهده ی پلاسماهای غباری در آزمایشگاه های زمینی نیز قابل دسترس بوده است، به عنوان مثال یک شعله ی معمولی نیز به عنوان یک پلاسما در نظر گرفته می شود. هنگامی که نور زرد به وسیله نوعی شعله ی هیدروکربنی (به نام شمع) منتشر می شود، باعث سفید شدن  ذرات کوپکی می شود که به خوبی تا دمای بالای 1000 درجه سلسیوس گرم شده اند، گسیل گرما یونی حاصل از الکترون ها درجه ی یونش شعله را چندین مرتبه بالا می برد که توسط معادله ی ساها در آن دما داده می شود.

این شگفت آور است که پیشینینان ما آتش را به عنوان چهارمین حالت ماده می دانستند، در حالی که این طرح از پلاسما را فقط حدود 80 سال پیش بدست آورده ایم.

پلاسماهای غباری در آزمایشگاه ها برای مطالعه ی پایه ی فرآیندهای جامع، پلاسمای کریستال و مواردی مشابه این به وجود می آیند.

مثال های زیادی از پلاسماهای غباری سنگین در محیط های زمینی وجود دارد مانند اگزوزهای موشک و شاتل فضایی و شهاب های گرما هسته ای. فرآیندهای پلاسما در ساخت وسایل نیز، مانند میکرو تراشه ها در کامپیوترها، مورد استفاده قرار می گیرند.

6a00d8341bf67c53ef0147e0d871ad970b-800wi

مشخصه های پلاسماهای غباری

یک پلاسمای غباری به طور ساده به عنوان یک پلاسمای الکترون-یونی معمولی با یک مولفه ی باردار اضافی که اندازه ی ذرات آن میکرون (یا زیر میکرون) است، تعریف می شود. این مولفه ی اضافی باعث پیچیده تر شدن سیستم می شود; به همین دلیل از پلاسمای غباری به عنوان پلاسمای پیچیده یاد می شود.

دانه های غباری خیلی بزرگ هستند (بیلیون ها مرتبه بزرگ تر از پروتون ها) و رنج اندازه ی آنها در حدود نانومتر تا میلی متر است. دانه های غباری ممکن است فلزی و رسانا باشند و یا از ذرات یخ ساخته شده باشند. در هر صورت می توان آن ها را وقتی که از دور دیده می شوند به عنوان یک بار نقطه ای در نظر گرفت.

یک پلاسما با دانه های غباری می تواند اصطلاح های “غبار در یک پلاسما” یا “یک پلاسمای غباری” را بپذیرد، که این نام گذاری بر اساس ویژگی های زیر است:

شعاع دانه ی غباری (R)

میانگین فاصله ی دانه ی درونی (a)

طول دبای پلاسما (λ)

دیمانسیون پلاسمای غباری

اصطلاح “ذرات در یک پلاسما” در موقعیتی به کار می رود که λ > a > R باشد. یعنی ذرات غباری باردار در رفتار جمعی شرکت می کنند.

زمانی که ما یک پلاسما با دانه های غباری ایزوله را فرض می کنیم (a > λ) بایستی پلاسمای موضعی غیزهمگن را در نظر بگیریم، و وقتی که موقعیت مخالف آن یعنی (a < λ) را در نظر می گیریم، ما بایستی با دانه های غبار به عنوان ذرات باردار زیادی شبیه به تکثیر کردن یون ها با بار منفی و مثبت رفتار کنیم. در هر صورت در مطالعه ی رفتار جمعی پلاسماهای غباری، بایستی فرآیندهای باردار کردن ذرات غباری را نیز در نظر بگیریم.

فعل و انفعالات بین دانه ای غباری به وسیله ی زمینه ای از یون ها و الکترون ها محافظت شده است. حضور دانه ی غباری باردار فقط با امواج موجود با فرکانس پایین تغییر نمی کند، اما علاوه بر آن نوع جدیدی از امواج وابسته ی غباری با فرکانس پایین را تولید می کند و با بی ثباتی همراه می شود.

می توان برای درک درست و دقیق ویژگی های یک پلاسمای غباری بعضی از ویژگی های پایه مانند خنثایی میکروسکوپی، حفاظ دبای، مشخصه های فرکانسی، پارامتر جفت گیری کولنی و … را دوباره مورد بررسی قرار داد.

پلاسمای غباری در فضا

پلاسماهای غباری در همه جای فضا حضور دارند. سیستم های شناخته شده ای مانند ابرهای واقع در اطراف و میان ستارگان و منظومه ی شمسی در فضا وجود دارند که حضور ذرات غباری باردار در آنها برای مدت طولانی است که به خوبی ثابت شده است. فضای بین ستارگان با گستره ی وسیعی از غبار و گاز پر شده است.

محتویات گاز فضای بین ستارگان که برای پیدایش ستارگان جدید در طی واپاشی ابرهای ابر ذره ای شکل می گیرند، دائما با زمان کاهش می یابد.  در پس این واپاشی و خرد شدن ابرهای، ابر ذره ای خوشه های ستاره ای شکل می گیرند.

دانه های غباری در فضای بین ستارگان یا ابرهای اطراف فضای ستارگان دی الکتریک (یخ و سیلیکات ها و …) و فلزات (گرافیت و مغناطیس و …) هستند.

ویژگی های فیزیکی (مانند اندازه، جرم، پگالی، بار و …) دانه های غباری به شدت به مبدا تشکیل آن ها و محیط اطرافشان بستگی دارد.

پلاسمای غباری در آزمایشگاه

ادبیات وسیع روی غبار در فضا و اختر فیزیک پلاسما نقطه ی آغازین مهیبی برای درک پلاسماهای غباری آزمایشگاهی است. دو جنبه ی مشخص در پلاسماهای غباری آزمایشگاهی وجود دارد که آن ها را به طور قابل توجهی از پلاسماهای غباری و اخترفیزیکی متفاوت می سازد;

اول: تخلیه ی الکتریکی

دوم: گردش خارجی که پلاسمای غباری را محفوظ نگه می دارد و شرایط مرزی وابسته به فضا و زمان را روی تخلیه ی الکتریکی غباری با اهمیت نشان می دهد.

غبار ممکن است در وسایل آزمایشگاهی خصوصا در جریان مستقیم (dc)،  تخلیه ی الکتریکی فرکانس رادیویی (rf)، راکتورهای فناوری پلاسما، تولیدات حاصل از احتراق سوخت جامد و وسایل گداخت پلاسما ایجاد شود.

تولید پلاسماهای غباری

برای تولید پلاسماهای غباری در آزمایشگاه ها، شماری از تکنیک های پیشرفت یافته در سال های اخیر وجود دارد که بعضی از این شیوه ها عبارتند از:

Q ماشین اصلاح شده، تخلیه ی الکتریکی dc، تخلیه ی الکتریکی rf و حفاظ الکتریکی.

در ادامه با توجه به اهمیت موضوع به بیان تحقیقاتی که روی کریستال پلاسما (یکی از انواع پلاسماهای غباری) و پلاسماهای پیچیده صورت گرفته است، می پردازیم.

کریستال پلاسما تحت شرایط مشخصی در یک پلاسمای پیچیده تشکیل می شود. بار ذرات غباری به وسیله ی جریان برق در یک شبکه ی کریستالی ماکروسکوپیکی مرتب می شود که این نوع نظم گیری، تحقیق روی ویژگی های ماده ی متراکم را در بیشترین سطح اساسی که سطح انرژی جنبشی است، ممکن می سازد.

این بدان معنی است که فرآیندهای اصلی مانند ذوب، به وسیله ی مشاهده ی حرکت انفرادی ذرات دنبال می شود. گرانش نقش بسیار مهمی را در ساخت کریستال های پلاسما ایفا می کند. در آزمایش هایی که در آزمایشگاه های زمینی صورت می گیرد، اساسا کریستال های پلاسمای دو بعدی می توانند دیده شوند. کریستال های پلاسما در میکرو گرانش های بزرگ می توانند رشد پیدا کنند. موسسه ی ماکس پلانک روی کریستال های پلاسما تحت شرایط میکرو گرانشی کار می کنند.

کریستال های پلاسما در سال 1994 کشف شدند و از آن زمان به بعد، استفاده ی آنها در تحقیقات فضایی (تئوری و آزمایشگاهی) نیز افزایش یافت.

پلاسماهای پیچیده در آزمایشگاه

در کنار آزمایش در میکرو تراشه ها، MPE با اتاق های زیاد پلاسما بر اساس آزمایشگاه های زمینی کار می کند. یک آزمایشگاه پارامغناطیس و یک آزمایشگاه میدان بالا وجود دارد که روی پلاسماهای پیچیده با میدان مغناطیسی بالای 4 تسلا تحقیق می کنند.

منابع:

1- Intoduction to DustyPlasma Physics/ PK Shukla 2002

ST: M. A. Mohammadi/ Plasma Physics/ Tabriz University

2- Www.mpe.mpg.de

Www.mpa-garching-mpg.de

 

“کاری از انجمن فیزیک گروه علمی فرهنگی آدنیا”

قوانین حرکت نیوتن عبارت است از سه قانون فیزیکی که بنیان مکانیک کلاسیک را شکل می‌دهند. این قوانین ارتباط مابین نیروهای وارد آمده بر یک جسم و حرکت آن را به دست می‌دهد. این قوانین را می‌توان بدین صورت خلاصه کرد:

قانون اول: در یک دستگاه مرجع جسمی که تحت تأثیر یک نیروی خارجی نباشد یا ساکن است، یا با سرعت ثابت در حال حرکت است.

قانون دوم: شتاب یک جسم برابر است با مجموع نیروهای وارده بر جسم تقسیم بر جرم آن. فرمولی که از این قانون برمی‌آید ( ) به معادله بنیادین مکانیک کلاسیک، معروف است. اصول این معادله به این است که شتاب جسمی که تحت تأثیر نیرویی ایجاد شده، متناسب و در جهت حرکت آن است.

قانون سوم: هر گاه جسمی به جسم دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیرویی با همان اندازه و در جهت مخالف به جسم اول وارد می‌کند.

این قوانین نخستین بار در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی نیوتن در سال ۱۶۸۷ مطرح شدند.

قوانین نیوتون

قانون اول

فیلسوفان کهن بر این باور بودند که اجسام در حالت طبیعی ساکن هستند و برای اینکه یک جسم با سرعت یکنواخت به حرکت خود ادامه دهد، باید پیوسته نیرویی بر آن وارد شود در غیراین صورت به حالت «طبیعی» خود برمی‌گردد و ساکن می‌شود. اما نیوتن با بهره‌گیری از پژوهش‌های گالیله به این پندار درست رسید که اگر جسمی با سرعت یکنواخت به حرکت درآید و نیرویی بیرونی به آن وارد نشود تا ابد با شتاب صفر به حرکت خود ادامه خواهد داد. این ویژگی را نیوتن در نخستین قانون حرکت خود چنین بیان می‌کند:

اگر برآیند نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد، اگر جسم در حالت سکون باشد تا ابد ساکن می‌ماند، و اگر جسم در حال حرکت (با سرعت ثابت) باشد تا ابد با همان سرعت و در همان جهت به حرکتش ادامه می‌دهد. به این قانون، قانون لختی یا اینرسی – Inertia- هم می‌گویند.

قانون دوم

این قانون حدود ۳۵۰ سال پیش (۱۶۸۸ میلادی) در کتاب اصول ریاضی فلسفه طبیعی توسط نیوتن منتشر شد. این قانون به رابطه بین نیروهای وارد آمده به یک جسم و شتاب همان جسم می‌پردازد.که در آن شتاب مشتق مرتبه اول سرعت است . (مشتق شتاب جرک است)

 

بنا بر قانون اول نیوتن اگر بر جسمی نیرو وارد نشود جسم یا ساکن می‌ماند یا حرکت یکنواخت بر خط راست خواهد داشت. نتیجه آشکار قانون اول این است که اگر بر جسم نیرو وارد شود جسم ساکن نمی‌ماند و حرکت یکنواخت بر خط راست نیز نخواهد داشت، در این صورت وارد کردن نیرو بر جسم به آن شتاب می‌دهد. قانون دوم نیوتن در واقع رابطه شتاب با نیرویی که بر آن وارد می‌شود را بیان می‌کند. شتاب جسمی به جرم m که نیروی F بر آن وارد می‌شود هم جهت و متناسب با نیروی وارد بر آن است و با جرم جسم نسبت عکس دارد. این بیان را می‌توان به صورت زیر نوشت:

 

F برآیند نیروهایی است که به علت اثر اجسام دیگر روی جسم مورد نظر وارد می‌شود. a شتاب آن و m جرم جسم است. یکای نیرو در SI نیوتون (N) که از رابطهٔ بالا تعریف می‌شود. در رابطه جرم بر حسب کیلوگرم(kg)است؛ بنابراین واحد اندازه‌گیری شتاب می‌شود (N/KG).

دستگاه‌های غیر لخت

این‌گونه دستگاه‌ها بر این اصل پایدارند که هیچ چیز در کره زمین در جای خود ثابت نمی‌باشد، به این دلیل که کرهٔ زمین دارای حرکت وضعی و انتقالی و… در فضا می‌باشد. این‌گونه دستگاه‌ها تکیه گاه یا همان مرجع حرکت جسم (زمین) را به صورت گردان برای ما ایجاد می‌کنند. از این‌گونه دستگاه‌ها در طراحی‌ها و آزمایش‌هایی استفاده می‌شود که لازم است تحت شرایط واقعی انجام شوند مانند:پرتاب موشک‌ها و ماهواره‌ها از زمین به فضا.

قانون سوم

سومین قانون حرکت نیوتون به این صورت بیان می‌شود که “هر عملی را عکس‌العملی است؛ مساوی آن و در جهت خلاف آن .. این قانون به قانون کنش و واکنش هم معروف می‌باشد.

یعنی که هرگاه جسمی به جسمی دیگر نیرو وارد کند جسم دوم نیز نیرویی به همان بزرگی ولی در خلاف جهت بر جسم اوّل وارد می‌کند.

باید توجّه داشت که این دو نیرو به دو جسم مختلف وارد می‌گردند و نباید آن‌ها را با هم برآیندگیری کرد. مثلاً هنگامی که شخصی بر دیوار نیرو وارد می‌کند دیوار نیز بر شخص نیرو وارد می‌کند اندازه این دو نیرو باهم برابر می‌باشد ولی نیروی اوّل به دیوار وارد می‌شود و نیروی دوم به شخص.

قانون سوم نیوتن معمولاً به دو شکل بیان می‌شود: شکل ضعیف و شکل قوی. در شکل ضعیف تنها به این اکتفا می‌شود که نیروی واکنش قرینه نیروی کنش است یعنی (شاخص‌های پایین معرف آن است که نیرو از جسم ۱ به جسم ۲ وارد می‌شود یا برعکس). اما در شکل قوی علاوه بر این فرض می‌شود که این نیروها در امتداد خط واصل میان دو ذره می‌باشند یعنی  .

قانون سوم همیشه در طبیعت صادق نیست مثلاً در مورد نیروهای الکترومغناطیسی وقتی که اجسام مؤثر برهم از یکدیگر بسیار دور باشند یا به تندی شتابدار شوند یا در مورد هر نیرویی که با سرعتهای معمولی از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود، صدق نمی‌کند. خوشبختانه در مکانیک کلاسیک از بسط‌های قانون سوم استفاده کمی می‌شود و مشکلات آن تأثیر چندانی در مکانیک کلاسیک ندارند.

مغلطه‌ای از قانون سوم نیوتن

بی دقتی در استفاده از قانون کنش و واکنش و مسئله تناقض: فرض کنید که اسبی کالسکه‌ای را می‌کشد طبق قانون سوم نیوتن کالسکه نیز با همان نیرو اسب را در جهت مخالف می‌کشد، پس اسب نمی‌تواند کالسکه را به حرکت درآورد؟ اشکال این استدلال به این صورت است: اگر می‌خواهیم بدانیم که آیا اسب می‌تواند حرکت کند یا نه، باید نیروهای وارد بر اسب را در نظر بگیریم. نیرویی که بر کالسکه وارد می‌شود هیچ ربطی به این مسئله ندارد.

اسب به این دلیل می‌تواند حرکت کند که نیرویی که با پاهایش وارد می‌کند بزرگتر از نیرویی است که کالسکه با آن اسب را به طرف عقب می‌کشد و کالسکه به این دلیل به حرکت در می‌آید که نیرویی که اسب با آن کالسکه را به طرف جلو می‌کشد بزرگتر از نیروهای اصطکاکی است که کالسکه را به طرف عقب می‌کشند. برای اینکه بدانیم یک جسم حرکت می‌کند باید نیروهای وارد بر آن را بررسی کنیم.

منابع

Engneering mechanics , dynamics, J.L.meriam and L.G.kraige,p6

ولاتکو وِدرالِ فیزیکدان می گوید: ما در حال ساخت ماشینی هستیم که به وسیله تونل زنی از میان تعداد زیادی از قوانین محکم و استوار طبیعت، عمل می کند. وی می گوید: چند سال پیش، ایده ای داشتم که ممکن است نشانه ی کمی جنون به شمار آید. با خودم فکر کردم که آیا راهی برای ساختن موتوری کارآمدتر وجود دارد؟ و آیا قوانین فیزیک این اجازه را می دهند؟

DbVoGfXkAIIDWCشما در ضمیر خودتان برای رد کردن این پیشنهاد تردیدی نخواهید داشت. همه می دانیم که بازدهی موتورها، تحت حاکمیت ترمودینامیک، یکی از ستون‌های بسیار محکم فیزیک است. این یکی از مجموعه قوانین طبیعی است که شما به وسیلۀ آن نمی توانید زیاد مانور دهید. با این حال، اگر من دفترم در دانشگاه آکسفورد را ترک کرده و به سمت پایین راهرو قدم بزنم، می توانم ماشینی را ببینم، که بی اعتنا به این قوانین کار می کند. این ماشینی با توان و پیچیدگی قابل توجه، به همراه لیزرهای سبز و یونها، به جای روغن و پیستون‌ها است. راهی طولانی در پیش است، اما من اعتقاد دارم، اختراعاتی از این دست، اَشکالی از تکنولوژی آینده خواهد بود.

کامپیوترهای بهتر و کارآ تر از راه خواهند رسید. و اینچنین موتورهایی، طلایه‌دار دوران نوین علم هستند. برای ساختن این موتورها، ما در حال کشف حوزه‌ای هستیم که “ترمودینامیک کوانتومی” نامیده می شود. مجموعه‌ای بازنویسی شده از نظرات‌مان در مورد چیستی و در واقع سرشت حیات، کیهان و همه چیز. ترمودینامیک، نظریه‌ای است که اثر متقابل میان دما و حرارت، انرژی و کار را توصیف می کند. لذا خیلی از چیزها از مغز تا عضلات شما گرفته تا موتور ِ خودروها و ماشین مخلوط کن آشپزخانه و همچنین ستاره‌ها تا اختروش‌ها را به خوبی تنظیم می کند. ترمودینامیک بستری را از آنچه می توانیم حل کنیم شامل ِ انواع چیزهایی که می توانند یا نمی توانند در کیهان رخ دهند، فراهم می کند. اگر یک برگر بخورید، یا باید کالری آن را بسوزانید یا چاق‌تر شوید. قهوه تا زمانی که روی میز قرار دارد، هرگز خود به خود گرم نمی شود. کیهان همان طور که گسترش می یابد، سردتر شده، و بطور بی‌رحمانه‌ای به سوی مرگ گرمایی در آینده‌ای دور هدایت می شود. همۀ اینها حقایق گریزناپذیر قابل ارجاع به ترمودینامیک هستند. در واقع این حقایق، از دو قانون اصلی آن می آیند، که به طور خلاقانه‌ای قوانین اول و دوم نامیده شده‌اند.

این قوانین مسیری طولانی در پیشینه خود دارند. یکی از داستان‌های مورد علاقۀ من در مورد ایجاد آنها، ماجرای درگیر شدن پزشک آلمانی “جولیوس فون مایر” با این مباحث است. پزشکی که عشق واقعی‌اش فیزیک بود. این ماجرا به دهه ۱۸۴۰ میلادی باز می گردد. زمانی که مایر بعنوان جراح در کشتی در سفری دریایی به جاکارتای اندونزی مشغول به کار شد. در طی این سفر، او متوجۀ چیزی نادر شد: نزدیک مدار استوا، خون در رگ های ملوانان، آبی به نظر نمی رسید همانطور که در بازگشت به خانه‌شان در آلمان، باید قرمز تیره باشد. مایر این فرضیه را ارائه داد که خون قرمزتر به علت کمبود غذایی است که برای حفظ حرارت بدن در آب و هوای گرم تر استفاده شده است. او با تفکر در مورد دادن و گرفتن در خِلال سوخت و ساز و دما و حرارت تولید شده در بدن، ماهیت قانون اول را روشن ساخت: انرژی نمی تواند ایجاد شده یا از بین برود، بلکه تنها به اطراف منتقل می شود.

پیدایش آنچه که قانون دوم نامیده می شود به حدود ۲۰ سال قبل از سوار شدن مایر به کشتی‌اش بر می گردد. در آن زمان، موتورهای بخار اروپا را تغییر داده بودند. کوره‌ها و پیستون‌های آنها، کارخانه‌ها و ماشین‌های انقلاب صنعتی را به حرکت در آورده بودند. مهندس فرانسوی “سَدی کارنو” از این موضوع ناراحت بود که هیچکس درک درستی از چگونگی کار این موتورها ندارد. لذا شخصا دست به کار شد. بینش عمیق او این بود که فارغ از نوع دستگاه، چیزهای داغ، همیشه حرارت را به محیط اطرافشان منتشر می کنند. بعنوان مثال، هنگامی که آب در موتورهای بخار گرم می شود، همیشه مقداری از حرارت به هوای بیرون نشت می کند. بنابراین این موتورها، هرگز به طور کامل کارآ نیستند. در سال ۱۸۲۴، او تنها کتاب خود را جهت عمومی کردن این ایده منتشر کرد. این کتاب نشان می دهد که هیچ موتوری نمی تواند از محدودۀ معینی که به عنوان “بازدهی کارنو” شناخته می شود، فراتر رود. این بازدهی، به تفاوت دمایی مابین منبع حرارتی (کوره) و چاه حرارتی (هوای بیرون) بستگی دارد.

انتروپی گریزناپذیر

کارنو چند سال بعد فوت کرد و کتابش برای دهه‌ها نادیده گرفته شد. تا اینکه فیزیکدان آلمانی، رُدُلف کلازیوس به آن پرداخت. کارنو حرارت را به عنوان یک ماده بی وزن می پنداشت، اما کلازیوس حرارت را در واقع مربوط به چگونگی حرکت سریع اتم‌ها یا مولکول‌ها مربوط می دانست. که این امر او را قادر ساخت ایده‌های کارنو را بر حسب ترم‌های اندازه‌گیریِ بی نظمی که “اِنتروپی” نامید، اصلاح نماید. تصور کنید جعبه‌ای دارید که دارای ذراتی داغ با حرکت سریع و ذراتی سرد با حرکت کُند است. این یک چینش منظم است، زیرا همه ی ذرات در مجموع دارای انرژی های مشابه هستند. اما کلازیوس عنوان کرد که کیهان شبیه حالت‌های انتروپی پایین نیست. اگر شما جعبه‌ها را باز کنید، ذرات درهم هستند. این مساله، او را به سوی قانون دوم آنچنان که ما امروزه می دانیم سوق داد: انتروپی به صورت طبیعی افزایش می یابد، مگر اینکه شما مقداری کار برای توقفش به کار ببرید.

با پیروی از منطق ِ این دو قانون، شما در نهایت به توصیفی پولادین در مورد آنچه در کیهان رخ می دهد، دست خواهید یافت. اخترفیزیکدان “آرتور اِدینگتون” یک بار گفت: «اگر نظریه خود را بر خلاف قانون دوم ترمودینامیک یافتید، من نمی توانم هیچ امیدی به شما بدهم؛ برای نظریه شما هیچ چیزی جز فروافتادن در ورطۀ سرشکستگی وجود ندارد.» پس ایدۀ من برای یک موتور که قوانین را زیر پا می گذارد، چه می شود؟ به نظر می رسد پا در هوا می ماند. در واقع، ما نامی برای موتوری که جدای از ترمودینامیک کار می کند، داریم. ما آن را “ماشین حرکت دائمی” می نامیم، که ضرب‌المثلی برای چارچولک بازی علمی است. اما ماشین پایین راهرو از این نوع نیست. این ماشین، زیرکانه اما مشروع به کار انداخته می شود: از طریق فیزیک کوانتومی.

entropy fractalترمودینامیک از تئوری کوانتومی قدیمی تر است و در واقع؛ مسئول تولد آن است. در سال ۱۹۰۰ میلادی فیزیکدان آلمانی، “ماکس پلانک” کوشش می کرد خصوصیات اشیائی فرضی را که “جسم سیاه” نامیده می شد و همۀ اشعه‌هایی که به آن می تابید را جذب کرده و سپس دوباره بازمی تاباند را بفهمد. بهترین فیزیک در آن زمان پیشنهاد می کرد که باید تعداد نامحدودی از طول موج ها وجود داشته باشد. لذا جسم سیاه باید مقدار انرژیِ بی نهایت را بیرون می داد. که چیزی مزخرف بود. پلانک مساله را با فرض اینکه انرژی فقط می تواند تکه تکه منتشر شود، حل کرد. او این تکه‌ها را “کوانتا” نامید.

این جهش، برای توضیح بسیاری از پرسش‌های آزاردهنده در فیزیک کمک شایانی کرد. اما هنگامی که ما شروع به مطالعۀ اشیائی که طبق نمایشنامه کوانتومی، به ایفای نقش می پردازند می کنیم، در می یابیم که آنها چیزهای خارق‌العاده‌ای انجام می دهند. یکی از بهترین و شناخته شده‌ترین مثال‌ها، “درهم تنیدگی” است. هنگامی که دو ذره در هم بافته می شوند به طوری که تداخل با یکی از آنها، فورا خصوصیات دیگری را تغییر می دهد. مثال دیگر این است که یک اتم می تواند به طور همزمان در حالت انرژی بالا و پایین وجود داشته باشد. که به “برهم نهی” مشهور است.

این رفتارها، همۀ قوانین معمول در دینامیک را زیر پا می گذارند. آیا دلیلی وجود دارد که فکر کنیم ترمودینامیک مستثنی است؟ فقط در طی پنج سال گذشته یا بیشتر است که ما ابزارهایی برای تحقیق در مورد این پرسش در اختیار داریم. کار “توبیاس اسکاتس” در موسسه مطالعات پیشرفتۀ فرایبورگ آلمان را در سال ۲۰۱۶ در نظر بگیرید. او آزمایشی را برای نگاه کردن به یون های درون کریستال ترتیب داد. او به آنها مقداری انرژی داد و سپس به نظاره نشست که آنها چگونه سرد می شوند. برخلاف فنجان قهوه که رفته رفته سرد می شود، به نظر می رسید یون‌ها برای مدتی انرژی خود را از دست داده ولی به طور ناگهانی به حالت قبل پرش می کرد. این اثباتی است بر آنچه ما نسبت به آن بدگمان شده بودیم: قوانین ترمودینامیک کلاسیک، همیشه در جهان کوانتومی کار نمی کنند.

متاسفانه، چسباندن قوانین ترمودینامیک کلاسیک در کاربردهای کوانتومی، فریب کارانه است. به این دلیل که، معادل کوانتومیِ مفاهیم ترمودینامیک کلاسیک نظیر حرارت و اِنتروپی، هنوز روشن نیست. این مفاهیم محصول نهایی حرکتِ دسته جمعی ذرات هستند؛ لذا هنگامی که با یک یا دو ذره سروکار دارید، چگونه می توانید در مورد نظایر این مفاهیم فکر کنید؟

بگذریم. با خود فکر کردم به هر حال باید نسخه ی کوانتومیِ موتور حرارتی را بسازم. این موتور متفاوت‌تر از هر چیزی خواهد بود که کارنو با آن آشنایی داشت، اما با اصولی مشابه. ایده این بود که یک جفت مولکول آلی را ایجاد کرده و با تاباندن نورِ درخشان بر رویشان، آنها را به سطح انرژی بالا رساند. با انجام آزمایش فقط از سمت چپ، با بازنشر نور با فرکانس‌های مختلف، مولکول‌ها اندکی به سطح انرژی پایین‌تر برخواهند گشت.

بخش مهم کار این است که اگر آزمایش را صرفا از سمت راست برپا کنیم، نور منتشر شده هیچ اطلاعاتی حمل نمی کند که بتواند بگوید از کدام دو مولکول آمده است. طبق تئوری کوانتومی، این نیروها به آنها درهم تنیده شده و لذا هنگامی که یک مولکول به سطح انرژی پایین تر می پرد، دیگری هم به طور خودکار همین کار را می کند. این عمل توسط ِ هر دو نور منتشره، و در راستای فرآیندی موسوم به “اَبَر رسانایی” انجام می شود. من انتظار داشتم که این موتور کوانتومی باز هم تحت نشتی‌های انرژی به همان شیوه‌ای که کارنو نزدیک به ۲۰۰ سال پیش مشخص کرد باشد. اما به دلیل ابررسانایی، این موتور، باید انرژی را سریعتر انتقال داده و کارآ تر از موتور غیرکوانتومی باشد.

من سال گذشته با کمک دو همکار آزمایشگر خود، تریستان فارو و روبرت تیلر، کنترل آزمایش را در حالی که مولکول ها درهم تنیده نبودند، کامل کردم. ولی همان طور که در حال تنظیم نسخۀ نهایی جذابی برای ارائه بودیم، از دیگران پیشی گرفتیم. در اکتبر ۲۰۱۷، همکاران آکسفوردی‌ام، آن وامسلی و تیمش، آزمایشی مشابه با آنچه که ما انتظار داشتیم، توصیف کردند. در این موتور، مولکول‌های آلی عمل جذب و انتشار را انجام نمی دادند، بلکه اتم‌ها درون یک حفره مشخص در الماس به دام افتادند. اتم‌ها درهم تنیده نبودند، اما به صورت برهم نهی از حالات انرژی بالا و پایین بودند. و با اطمینان کافی، وامسلی و تیمش مشاهده کردند که نور سریعتر از آنچه قوانین کلاسیک ترمودینامیک پیش بینی می کند، تولید شد. هنوز کاملا روشن نیست که چرا اینچنین است. و قطعا درجه ی خطا کوچک است. با این وجود، اولین اثبات قاطعی است بر اینکه موتور حرارتیِ کوانتومی می تواند قوانین پولادین را بشکند.

من انتظار دارم این ماشین تکمیل شود. و در مورد آیندۀ ماشین‌های حرارتیِ کوانتومی هیجان‌زده هستم. چیزی که در ابتدا مرا به این بازی کشاند، کارم روی کامپیوترهای کوانتومی بود. بحث‌های زیادی وجود دارد در مورد طرز کار این ماشین‌های آتی با استفاده از بیت‌ها یا کیوبیت های کوانتومی و اینکه باید بتوانند همۀ محاسبات دشوار را حل کنند. اما به کارگیری آنها در گرو سرد کردن سخت افزارشان به دماهای بسیار پایین است. و این امر مستلزم مقادیر عظیمی از انرژی است. اَخلاف ماشین وامسلی می توانند به این مهم کمک کنند. با این همه، موتور حرارتی، حرارت را به کار مستقیم تبدیل می کند. برای مثال در موتور بخار، حرارت موجب حرکت پیستون می شود. اگر این فرآیند را معکوس کنید می توانید از کار مستقیمِ پمپِ حرارتی استفاده کنید که نتیجه‌اش یخچال کوانتومی است. گِلِب ماسِنیکُف از دانشگاه ملی سنگاپور و همکارانش، قبلا روی یخچال‌های کوانتومی با نشانه‌هایی نویدبخش از اینکه ممکن است نسبت به همتایان کلاسیک شان کارآ تر باشند، آزمایشاتی انجام دادند.

این تنها کامپیوترهای کوانتومی نیستند که باید از این فرآیند سود ببرند. یکی از موانع بزرگ بر سر راهِ خیلی کوچک کردن مدارهای معمولی این است که اگر سعی کنیم اجزایشان را فشرده‌تر کنیم، بسیار داغ می شوند. سرد کردن آنها دقیقا چیزی است که به آن نیاز داریم. اگر در مورد یک یخچال کوانتومی در دسترس فکر می کنید، اجازه دهید باتری‌های کوانتومی را به شما معرفی کنم. دانشجوی سابقم، فلیکس بایِندِر، اکنون در دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور، نشان داده است که باتری‌های کوانتومی می توانند نسبت به موارد معمولی خیلی سریعتر شارژ شوند.

به جای حرکت یون‌ها به اطراف، که در باتری‌های سنتی انجام می شد، این دستگاه‌ها دارای بیت‌های الکترونیکی مشابه با بیت کامپیوتر هستند. بیت‌هایی که یا شارژ هستند یا نه. بر اساس ترمودینامیک کلاسیک، مقدار انرژی مورد استفاده برای شارژ باتری به صورت خطی با تعداد بیت‌ها افزایش می یافت. اما بایندر نشان داد که اگر بیت ها را درهم تنیده کنیم، مقدار انرژی مورد نیاز برای شارژ کامل، با ریشه ی دوم تعداد آنها متناسب خواهد بود. این بدان معناست که یک باتری کوانتومی با یک میلیون بیت، در  همان زمانی که برای شارژ ۱۰۰۰ بیت از باتری کلاسیک طول می کشد، به طور کامل شارژ خواهد شد. ویتوریو پِلِگرینی از موسسه فناوری جِنووای ایتالیا، پژوهشگری است که امیدوار است یک چنین “اَبَرباتری” ای را در عرض چند سال آینده بسازد.

خانه‌ای نامرتب

“ترمودینامیک کوانتومی ممکن است بدین معنا باشد که زمان می تواند در دو جهت تیک تاک کند.” ما نباید فکر کنیم که ترمودینامیک کوانتومی فقط محدود به ساخت ابزار است. بلکه روی ژرف ترین تمایزات انگشت می گذارد: زندگی و مرگ. موجودات زنده همواره می کوشند برخلاف قانون دوم ترمودینامیک، با مکیدن انرژی، نظم درون سلول‌های خود را حفظ کنند. توان تولیدی برای این کار توسط اندام‌هایی تامین می شود که مشابه موتور حرارتی هستند و “میتوکُندری” نامیده می شوند. لذا این پرسش جذاب خواهد بود: با اینکه انتخاب طبیعی به تقویت کارآیی تمایل دارد، آیا زیست شناسی موتورهای حرارتی کوانتومی را تکامل بخشیده است؟ این یک بحث داغ است در مورد اینکه چقدر اثرات کوانتومی در زیست شناسی دارای اهمیت هستند. اما به عقیدۀ من کسی که فکر کند تکامل، کارآ ترین موتورهای ممکن را تولید کرده است، دیوانه نیست.

حتی جریان زمان ممکن است به وسیله ی ترمودینامیک کوانتومی از نو قالب ریزی شود. به جز قانون دوم ترمودینامیک، هیچ قانونی در فیزیک وجود ندارد که دلیلی ارائه دهد در مورد اینکه چرا هیچ یک از فرآیندهای طبیعی نمی توانند به عقب برگردند. پافشاری بر این که انتروپی باید افزایش یابد، بسیاری از فیزیکدانان را به سمتی هدایت کرده است که گمان کنند زمان به طریقی از تغییر انتروپی برمی خیزد.

به بیان کلاسیک، انتروپی یک حس غریزی برای ما به وجود می آورد. بعنوان مثال، ترمودینامیک کلاسیک می گوید که بی نظمی در کیهان باید دست کم مشابه با بی نظمی در بخش‌های مختلفش باشد. این امر شبیه این است که بگوییم: میزان کل درهم برهمی یک خانه، می تواند به عنوان مقدار انرژی لازم برای مرتب کردن آن محاسبه شود. این مقدار نمی تواند از درهم برهمی خانۀ نامرتب کمتر باشد.

اگر گیتی از قوانین ترمودینامیک کوانتومی پیروی کند، تصویر آن به طور اساسی متفاوت خواهد بود. ما دقیقا هنوز نمی دانیم که این قوانین چه هستند. اما از معادلات نظریه کوانتومی می دانیم که مقدار کل بی نظمی در گیتی باید ثابت باقی بماند. پس انتروپی چه چیزی زیاد می شود؟ عدم قطعیت کوانتومی ما را از به دست آوردن اطلاعات کامل در مورد حالات بخش‌های منحصر به فرد گیتی باز می دارد. این بدان معناست که بعضی از بخش‌های کیهان می توانند بی نظمی بیشتری از کل مجموعه داشته باشند.

این یعنی اگر شما به گیتی به عنوان یک کل نگاه کنید، انتروپی تغییر نخواهد کرد و لذا در آن زمان هم وجود نخواهد داشت. اما با نگاه کردن به تکه‌های کوچک است که انتروپی تغییر کرده و زمان شروع به تیک تاک می کند. زیرا چیزها همیشه و در همه جا، چیزی برای عرضه ندارند. حتی ممکن است که پیکان زمان در بخش‌های مختلفی از کیهان در جهات متفاوتی جریان یابند. این کاوشی دقیق در بنیان‌ ترمودینامیک است که به وسیلۀ آن می فهمیم، تصویری که از واقعیت به ما نشان می دهد چقدر درست است. این است که موتورهای حرارتی کوانتومی برای ما اینچنین جذاب هستند. من نمی توانم از گفتن در مورد آنها تعلل کنم زیرا آنها سرعت زیادی دارند.

نوشته: وِلاتکو وِدرال/ فیزیکدان دانشگاه آکسفورد انگلستان و دانشگاه ملی سنگاپور
ترجمه: سیدامین مهناپور/ عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی در گروه مکانیک

منبع: مجلۀ نیوساینتیست، آوریل ۲۰۱۸