القصة

شكل جديد من المادة تم إنشاؤه بواسطة العلماء باستخدام الضوء


عندما نتحدث عن المادة ، عادة ما يكون في أذهاننا شيئًا جوهريًا يمكننا لمسه والاحتفاظ به. ومع ذلك ، فقد شكك العلماء في هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في معتقداتنا حول المادة والطريقة التي ندرك بها الضوء من خلال اكتشاف طريقة يمكن من خلالها استخدام الفوتونات (جسيم يمثل كمية من الضوء) لتشكيل الجزيئات.

هذا الاكتشاف وفقًا للبروفيسور ميخائيل لوكين من جامعة هارفارد يتعارض مع ما تم قبوله لقرون حول طبيعة الضوء ، وهو أن الفوتونات هي جسيمات أولية ليس لها كتلة ولا تتفاعل مع بعضها البعض.

تمكن الفريق العلمي من إنشاء وسيط تتفاعل فيه الفوتونات بطريقة قوية بحيث تشكل الجزيئات وتخلق الكتلة.

يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف العديد من التطبيقات في المستقبل بمجرد فهم آلياته بطريقة أفضل. ستكون المساعدة الكبيرة الأولى في أجهزة الكمبيوتر الكمومية حيث قد تكون قادرة على معالجة الفوتونات وإجراء عمليات منطقية على المستوى الجزيئي. لمزيد من ذلك في المستقبل ، قد يكون من الممكن إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة مثل البلورات خارج الضوء تمامًا.

هناك الكثير من الأبحاث التي يتعين إجراؤها حول هذا الموضوع الجديد. بعد كل شيء ، إنه شكل جديد من أشكال المادة لم نواجهه من قبل. كما قال البروفيسور لوكين: "نقوم بهذا من أجل المتعة ، ولأننا ندفع حدود العلم".

يبدو أن السيف الخفيف في حرب النجوم قد يصبح حقيقة بعد كل شيء ...


    تاريخ البحث على الضوء

    لقد تولى العديد من الباحثين عبر العصور التحدي المتمثل في اكتشاف & ldquo ما هو الضوء؟ & rdquo
    تُعرف البصريات بأنها أقدم تخصص إلى جانب الميكانيكا.
    تم إحراز تقدم في دراسة الضوء من قبل العلماء العظماء من مختلف المجالات التي تم تقديمها هنا بينما كانوا يقودون تخصصات أخرى ويشاركون بشكل وثيق في نمو الصناعة والثقافة.


    محتويات

    لا يمكن صياغة قانون حفظ الكتلة إلا في الميكانيكا الكلاسيكية عندما تكون مقاييس الطاقة المرتبطة بنظام معزول أصغر بكثير من mc 2 > ، حيث m هي كتلة a كائن نموذجي في النظام ، يُقاس في الإطار المرجعي حيث يكون الكائن في حالة راحة ، و c < displaystyle c> هي سرعة الضوء.

    يمكن صياغة القانون رياضيًا في مجالات ميكانيكا الموائع وميكانيكا الاستمرارية ، حيث يتم التعبير عن حفظ الكتلة عادةً باستخدام معادلة الاستمرارية ، المعطاة في شكل تفاضلي مثل

    حيث ρ هي الكثافة (الكتلة لكل وحدة حجم) ، t هي الوقت ، ∇ ⋅ هي التباعد ، و v > هو مجال سرعة التدفق. تفسير معادلة الاستمرارية للكتلة هو كما يلي: بالنسبة لسطح مغلق معين في النظام ، يكون التغيير في وقت الكتلة المحاطة بالسطح مساويًا للكتلة التي تجتاز السطح ، موجبًا إذا دخلت المادة وسالب إذا يخرج الأمر. بالنسبة للنظام المعزول بأكمله ، يشير هذا الشرط إلى أن الكتلة الكلية M < textstyle M> ، مجموع كتل جميع المكونات في النظام ، لا تتغير بمرور الوقت ، أي

    حيث د V > V> هو التفاضل الذي يحدد التكامل على الحجم الكلي للنظام.

    معادلة الاستمرارية للكتلة هي جزء من معادلات أويلر لديناميكا الموائع. تصف العديد من معادلات الحمل والانتشار الأخرى حفظ وتدفق الكتلة والمادة في نظام معين.

    في الكيمياء ، يتم حساب كمية المادة المتفاعلة والمنتجات في تفاعل كيميائي ، أو قياس العناصر المتفاعلة ، على أساس مبدأ الحفاظ على الكتلة. يشير المبدأ إلى أنه أثناء تفاعل كيميائي ، تكون الكتلة الإجمالية للمواد المتفاعلة مساوية للكتلة الإجمالية للمنتجات. على سبيل المثال ، في رد الفعل التالي

    حيث جزيء واحد من الميثان (CH
    4 ) واثنين من جزيئات الأكسجين O
    2 يتم تحويلها إلى جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون (CO
    2 ) واثنين من الماء (H
    2 س). يمكن اشتقاق عدد الجزيئات الناتجة عن التفاعل من مبدأ حفظ الكتلة ، حيث توجد في البداية أربع ذرات هيدروجين و 4 ذرات أكسجين وذرة كربون واحدة (وكذلك في الحالة النهائية) ، ثم عدد جزيئات الماء يجب أن يكون الناتج اثنين بالضبط لكل جزيء من ثاني أكسيد الكربون المنتج.

    يتم حل العديد من المشكلات الهندسية باتباع التوزيع الشامل في وقت نظام معين ، وتعرف هذه الممارسة باسم توازن الكتلة.

    كانت إحدى الأفكار المهمة في الفلسفة اليونانية القديمة هي أن "لا شيء يأتي من لا شيء" ، لذا فإن ما هو موجود الآن كان موجودًا دائمًا: لا يمكن لأي مادة جديدة أن تظهر حيث لم تكن موجودة من قبل. تم العثور على بيان صريح لهذا ، إلى جانب المبدأ الإضافي القائل بأن لا شيء يمكن أن يزول إلى لا شيء ، في Empedocles (القرن الرابع قبل الميلاد): "لأنه من المستحيل أن يأتي أي شيء مما هو غير موجود ، ولا يمكن أن يتم إحضارها أو سماعها عن ما يجب تدميره تمامًا ". [4]

    تم ذكر مبدأ آخر للحفظ من قبل أبيقور حوالي القرن الثالث قبل الميلاد ، الذي وصف طبيعة الكون ، وكتب أن "مجمل الأشياء كانت دائمًا كما هي الآن وستظل كذلك دائمًا". [5]

    تنص فلسفة جاين ، وهي فلسفة غير خلقية تستند إلى تعاليم مهافيرا (القرن السادس قبل الميلاد) ، [6] على أن الكون ومكوناته مثل المادة لا يمكن تدميرها أو خلقها. ينص نص جاين Tattvarthasutra (القرن الثاني الميلادي) على أن المادة دائمة ، لكن أنماطها تتميز بالخلق والتدمير. [7] كما ذكر نصير الدين الطوسي (حوالي القرن الثالث عشر الميلادي) مبدأ الحفاظ على المادة. لقد كتب أن "جسم المادة لا يمكن أن يختفي تمامًا. إنه يغير فقط شكله وحالته وتكوينه ولونه وخصائصه الأخرى ويتحول إلى مادة معقد أو مادة أولية مختلفة". [8]

    الاكتشافات في الكيمياء تحرير

    بحلول القرن الثامن عشر ، تم استخدام مبدأ الحفاظ على الكتلة أثناء التفاعلات الكيميائية على نطاق واسع وكان افتراضًا مهمًا أثناء التجارب ، حتى قبل وضع التعريف رسميًا ، [9] كما يمكن رؤيته في أعمال جوزيف بلاك وهنري كافنديش و جين ري. [10] كان ميخائيل لومونوسوف أول من حدد المبدأ في عام 1756. وربما يكون قد أوضح ذلك بالتجارب وبالتأكيد ناقش المبدأ في عام 1748 بالتراسل مع ليونارد أويلر ، [11] على الرغم من أن ادعائه حول هذا الموضوع يتعرض للطعن في بعض الأحيان. [12] [13] وفقًا للفيزيائي السوفيتي ياكوف دورفمان:

    صاغ Lomonosov القانون العالمي على أساس الاعتبارات المادية الفلسفية العامة ، ولم يتم التشكيك فيه أو اختباره من قبله ، بل على العكس من ذلك ، خدمه كموقف انطلاق قوي في جميع الأبحاث طوال حياته. [14]

    أجرى أنطوان لافوازييه سلسلة أكثر دقة من التجارب في وقت لاحق ، حيث عبر عن استنتاجه عام 1773 ونشر مبدأ الحفاظ على الكتلة. دحضت مظاهرات المبدأ نظرية فلوجستون التي كانت شائعة آنذاك والتي ادعت أن الكتلة يمكن اكتسابها أو فقدها في عمليات الاحتراق والحرارة.

    كان الحفاظ على الكتلة غامضًا لآلاف السنين بسبب تأثير الطفو في الغلاف الجوي للأرض على وزن الغازات. على سبيل المثال ، تزن قطعة من الخشب أقل بعد حرقها ، ويبدو أن هذا يشير إلى اختفاء بعض كتلتها ، أو تحولها أو فقدها. لم يتم دحض ذلك حتى تم إجراء تجارب دقيقة حيث سمح بحدوث تفاعلات كيميائية مثل الصدأ في أمبولات زجاجية محكمة الغلق ووجد أن التفاعل الكيميائي لم يغير وزن الحاوية المغلقة ومحتوياتها. لم يكن من الممكن وزن الغازات باستخدام المقاييس حتى اختراع مضخة التفريغ في القرن السابع عشر.

    بمجرد فهمه ، كان الحفاظ على الكتلة ذا أهمية كبيرة في التقدم من الكيمياء إلى الكيمياء الحديثة. بمجرد أن أدرك الكيميائيون الأوائل أن المواد الكيميائية لم تختف أبدًا ولكنها تحولت فقط إلى مواد أخرى بنفس الوزن ، تمكن هؤلاء العلماء لأول مرة من الشروع في دراسات كمية لتحولات المواد. فكرة الحفظ الشامل بالإضافة إلى التخمين بأن بعض "المواد الأولية" لا يمكن أيضًا تحويلها إلى مواد أخرى عن طريق التفاعلات الكيميائية ، أدت بدورها إلى فهم العناصر الكيميائية ، فضلاً عن فكرة أن جميع العمليات والتحولات الكيميائية (مثل الاحتراق والتفاعلات الأيضية) هي تفاعلات بين كميات أو أوزان ثابتة لهذه العناصر الكيميائية.

    بعد العمل الرائد للافوازييه ، دعمت التجارب الشاملة لجان ستاس اتساق هذا القانون في التفاعلات الكيميائية ، [15] على الرغم من أنها نُفِّذت بنوايا أخرى. أشار بحثه [16] [17] إلى أنه في تفاعلات معينة لا يمكن أن يكون الخسارة أو المكسب أكثر من 2 إلى 4 أجزاء في 100000. [18] الاختلاف في الدقة التي استهدفها وحققها لافوازييه من جهة ، ومورلي وستاس من جهة أخرى ، هائل. [19]

    تحرير الفيزياء الحديثة

    تم تحدي قانون الحفاظ على الكتلة مع ظهور النسبية الخاصة. في إحدى أوراق Annus Mirabilis لألبرت أينشتاين عام 1905 ، اقترح التكافؤ بين الكتلة والطاقة. تضمنت هذه النظرية العديد من التأكيدات ، مثل فكرة أن الطاقة الداخلية لنظام ما يمكن أن تساهم في كتلة النظام بأكمله ، أو أن الكتلة يمكن تحويلها إلى إشعاع كهرومغناطيسي. ومع ذلك ، كما أشار ماكس بلانك ، فإن التغيير في الكتلة نتيجة لاستخراج أو إضافة الطاقة الكيميائية ، كما تنبأت نظرية أينشتاين ، صغير جدًا بحيث لا يمكن قياسه بالأدوات المتاحة ولا يمكن تقديمه كاختبار للنسبية الخاصة. تكهن أينشتاين بأن الطاقات المرتبطة بالنشاط الإشعاعي المكتشف حديثًا كانت كبيرة بدرجة كافية ، مقارنة بكتلة الأنظمة التي تنتجها ، لتمكين قياس تغير الكتلة ، بمجرد إزالة طاقة التفاعل من النظام. ثبت لاحقًا أن هذا ممكن بالفعل ، على الرغم من أنه كان في النهاية أول تفاعل تحويل نووي اصطناعي في عام 1932 ، والذي أظهره كوكروفت والتون ، والذي أثبت أول اختبار ناجح لنظرية أينشتاين فيما يتعلق بفقدان الكتلة مع فقدان الطاقة.

    أخيرًا تم إبطال قانون حفظ الكتلة والقانون المماثل للحفاظ على الطاقة من خلال مبدأ أكثر عمومية يُعرف باسم معادلة الكتلة والطاقة. تعيد النسبية الخاصة أيضًا تعريف مفهوم الكتلة والطاقة ، والتي يمكن استخدامها بالتبادل وتكون مرتبطة بالإطار المرجعي. كان لابد من تحديد العديد من التعاريف لتحقيق الاتساق مثل الراحة من جسيم (كتلة في بقية إطار الجسيم) و الكتلة النسبية (في إطار آخر). عادة ما يكون المصطلح الأخير أقل استخدامًا.

    تحرير النسبية الخاصة

    في النسبية الخاصة ، لا ينطبق الحفاظ على الكتلة إذا كان النظام مفتوحًا وتهرب الطاقة. ومع ذلك ، فإنه يستمر في التطبيق على الأنظمة المغلقة تمامًا (المعزولة). إذا لم تستطع الطاقة الهروب من النظام ، فلا يمكن أن تنخفض كتلتها. في نظرية النسبية ، طالما يتم الاحتفاظ بأي نوع من الطاقة داخل النظام ، فإن هذه الطاقة تظهر الكتلة.

    أيضًا ، يجب التمييز بين الكتلة والمادة ، حيث يمكن للمادة ليس يتم حفظها بشكل مثالي في أنظمة منعزلة ، على الرغم من أن الكتلة محفوظة دائمًا في مثل هذه الأنظمة. ومع ذلك ، يتم حفظ المادة تقريبًا في الكيمياء لدرجة أن انتهاكات الحفاظ على المادة لم يتم قياسها حتى العصر النووي ، ويظل افتراض الحفاظ على المادة مفهومًا عمليًا مهمًا في معظم الأنظمة في الكيمياء والدراسات الأخرى التي لا تنطوي على الطاقات العالية النموذجية النشاط الإشعاعي والتفاعلات النووية.

    الكتلة المرتبطة بكميات الطاقة الكيميائية صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها

    التغيير في كتلة أنواع معينة من الأنظمة المفتوحة حيث لا يُسمح للذرات أو الجسيمات الضخمة بالهروب ، ولكن يُسمح لأنواع أخرى من الطاقة (مثل الضوء أو الحرارة) بالدخول أو الهروب أو الاندماج ، لم يلاحظها أحد خلال القرن التاسع عشر ، لأن التغير في الكتلة المرتبط بإضافة أو فقدان كميات صغيرة من الطاقة الحرارية أو الإشعاعية في التفاعلات الكيميائية صغير جدًا. (من الناحية النظرية ، لن تتغير الكتلة على الإطلاق للتجارب التي أجريت في أنظمة معزولة حيث لا يُسمح بدخول الحرارة والعمل أو الخروج منه).

    يظل الحفاظ على الكتلة صحيحًا إذا لم يتم فقد الطاقة

    يتضمن الحفاظ على الكتلة النسبية وجهة نظر مراقب واحد (أو وجهة نظر من إطار واحد بالقصور الذاتي) حيث أن تغيير الإطارات بالقصور الذاتي قد يؤدي إلى تغيير إجمالي الطاقة (الطاقة النسبية) للأنظمة ، وهذه الكمية تحدد الكتلة النسبية.

    المبدأ القائل بأن كتلة نظام من الجسيمات يجب أن تكون مساوية لمجموع كتل سكونها ، على الرغم من صحتها في الفيزياء الكلاسيكية ، قد يكون خاطئًا في النسبية الخاصة. السبب في عدم إمكانية إضافة كتل الراحة ببساطة هو أن هذا لا يأخذ في الاعتبار أشكالًا أخرى من الطاقة ، مثل الطاقة الحركية والطاقة الكامنة ، والجسيمات عديمة الكتلة مثل الفوتونات ، والتي قد (أو لا) تؤثر على الكتلة الكلية لـ الأنظمة.

    لتحريك الجسيمات الضخمة في نظام ما ، فإن فحص الكتل الباقية للجسيمات المختلفة يرقى أيضًا إلى إدخال العديد من إطارات المراقبة بالقصور الذاتي المختلفة (وهو أمر محظور إذا كان يجب الحفاظ على طاقة النظام الكلية والزخم) ، وأيضًا عندما تكون في إطار واحد. الجسيم ، يتجاهل هذا الإجراء عزم الجسيمات الأخرى ، والتي تؤثر على كتلة النظام إذا كانت الجسيمات الأخرى تتحرك في هذا الإطار.

    بالنسبة للنوع الخاص من الكتلة المسمى الكتلة الثابتة ، فإن تغيير إطار القصور الذاتي للمراقبة لنظام مغلق بالكامل ليس له أي تأثير على قياس الكتلة الثابتة للنظام ، والتي تظل محفوظة وثابتة (غير متغيرة) ، حتى بالنسبة للمراقبين المختلفين الذين يشاهدون النظام بأكمله. الكتلة الثابتة هي مزيج نظام من الطاقة والزخم ، وهو أمر ثابت لأي مراقب ، لأنه في أي إطار بالقصور الذاتي ، تضيف طاقات وعزم الجسيمات المختلفة دائمًا إلى نفس الكمية (قد يكون الزخم سالبًا ، لذا فإن الإضافة تضيف إلى طرح). الكتلة الثابتة هي الكتلة النسبية للنظام عند عرضها في مركز إطار الزخم. إنها الحد الأدنى من الكتلة التي قد يعرضها النظام ، كما يتم عرضها من جميع الإطارات بالقصور الذاتي الممكنة.

    ينطبق حفظ كل من الكتلة النسبية والثابتة حتى على أنظمة الجسيمات التي تم إنشاؤها بواسطة إنتاج الأزواج ، حيث قد تأتي الطاقة للجسيمات الجديدة من الطاقة الحركية للجسيمات الأخرى ، أو من واحد أو أكثر من الفوتونات كجزء من نظام يتضمن جسيمات أخرى إلى جانب الفوتون. مرة أخرى ، لا الكتلة النسبية ولا الكتلة الثابتة للأنظمة المغلقة تمامًا (أي المعزولة) تتغير عند تكوين جسيمات جديدة. ومع ذلك ، سيختلف مراقبو القصور الذاتي المختلفون على قيمة هذه الكتلة المحفوظة ، إذا كانت الكتلة النسبية (أي الكتلة النسبية محفوظة ولكنها ليست ثابتة). ومع ذلك ، يتفق جميع المراقبين على قيمة الكتلة المحفوظة إذا كانت الكتلة التي يتم قياسها هي الكتلة الثابتة (أي ، يتم الحفاظ على الكتلة الثابتة وثابتة).

    تعطي معادلة معادلة الكتلة والطاقة تنبؤًا مختلفًا في الأنظمة غير المعزولة ، لأنه إذا سُمح للطاقة بالهروب من النظام ، فإن كل من الكتلة النسبية والكتلة الثابتة ستهرب أيضًا. في هذه الحالة ، تتنبأ صيغة معادلة الكتلة والطاقة بأن يتغيرون في كتلة نظام يرتبط بـ يتغيرون في طاقتها بسبب الطاقة المضافة أو المطروحة: Δ م = Δ E / ج 2. .> كان هذا النموذج الذي يتضمن التغييرات هو الشكل الذي قدم فيه أينشتاين هذه المعادلة الشهيرة. بهذا المعنى ، يتم شرح التغييرات الجماعية في أي نظام ببساطة إذا تم أخذ كتلة الطاقة المضافة أو التي تم إزالتها من النظام في الاعتبار.

    تشير الصيغة إلى أن الأنظمة المقيدة لها كتلة ثابتة (كتلة الراحة للنظام) أقل من مجموع أجزائها ، إذا تم السماح لطاقة الربط بالهروب من النظام بعد ربط النظام. قد يحدث هذا عن طريق تحويل الطاقة الكامنة للنظام إلى نوع آخر من الطاقة النشطة ، مثل الطاقة الحركية أو الفوتونات ، التي تتسرب بسهولة من نظام مرتبط. الاختلاف في كتل النظام ، والذي يسمى عيب الكتلة ، هو مقياس لطاقة الربط في الأنظمة المقيدة - وبعبارة أخرى ، الطاقة اللازمة لتفكيك النظام. كلما زاد عيب الكتلة ، زادت طاقة الربط. يجب إطلاق طاقة الربط (التي لها كتلة بحد ذاتها) (كضوء أو حرارة) عندما تتحد الأجزاء لتشكل النظام المرتبط ، وهذا هو سبب انخفاض كتلة النظام المرتبط عندما تغادر الطاقة النظام. [20] يتم الحفاظ فعليًا على الكتلة الثابتة الكلية ، عندما يتم أخذ كتلة طاقة الربط التي هربت في الاعتبار.

    تحرير النسبية العامة

    في النسبية العامة ، ستنخفض الكتلة الثابتة الكلية للفوتونات في حجم متسع من الفضاء ، بسبب الانزياح الأحمر لمثل هذا التوسع. وبالتالي ، فإن الحفاظ على كل من الكتلة والطاقة يعتمد على تصحيحات مختلفة للطاقة في النظرية ، بسبب تغير طاقة الجاذبية الكامنة لهذه الأنظمة.


    يكتشف العلماء كيفية تحويل الضوء إلى مادة بعد 80 عامًا من البحث

    اكتشف الفيزيائيون الإمبراطوريون كيفية إنشاء المادة من الضوء - وهو إنجاز اعتقد أنه مستحيل عندما تم وضع النظرية لأول مرة قبل 80 عامًا.

    في يوم واحد فقط على عدة فناجين من القهوة في مكتب صغير في مختبر إمبريال آند رسكوس بلاكيت للفيزياء ، توصل ثلاثة علماء فيزيائيون إلى طريقة بسيطة نسبيًا لإثبات نظرية ماديًا ابتكرها العلماء بريت وويلر لأول مرة في عام 1934.

    اقترح Breit and Wheeler أنه ينبغي أن يكون من الممكن تحويل الضوء إلى مادة عن طريق تحطيم جسيمين فقط من الضوء (الفوتونات) معًا ، لإنشاء إلكترون وبوزيترون - أبسط طريقة لتحويل الضوء إلى مادة تم التنبؤ بها على الإطلاق. تم العثور على الحساب ليكون سليمًا من الناحية النظرية ، لكن Breit و Wheeler قالا إنهما لم يتوقعا أبدًا أن يقوم أي شخص بإثبات تنبؤاتهما جسديًا. لم يتم ملاحظته مطلقًا في المختبر والتجارب السابقة لاختباره تطلبت إضافة جزيئات ضخمة عالية الطاقة.

    يُظهر البحث الجديد ، الذي نُشر في مجلة Nature Photonics ، لأول مرة كيف يمكن إثبات نظرية Breit و Wheeler & rsquos عمليًا. سيكون هذا المصادم & lsquophoton-فوتون & rsquo ، والذي من شأنه تحويل الضوء مباشرة إلى مادة باستخدام التكنولوجيا المتوفرة بالفعل ، نوعًا جديدًا من تجارب الفيزياء عالية الطاقة. ستعيد هذه التجربة إنشاء عملية كانت مهمة في أول 100 ثانية من الكون والتي شوهدت أيضًا في انفجارات أشعة جاما ، والتي تعد أكبر الانفجارات في الكون وواحدة من أعظم ألغاز الفيزياء التي لم يتم حلها.

    كان العلماء يحققون في مشاكل غير ذات صلة في طاقة الاندماج عندما أدركوا أن ما كانوا يعملون عليه يمكن تطبيقه على نظرية بريت ويلر. تم تحقيق هذا الاختراق بالتعاون مع زميل فيزيائي نظري من معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية ، والذي تصادف أنه كان يزور إمبريال.

    إن إظهار نظرية Breit-Wheeler سيوفر قطعة بانوراما نهائية من أحجية فيزيائية تصف أبسط الطرق التي يتفاعل بها الضوء والمادة (انظر الصورة). القطع الست الأخرى في هذا اللغز ، بما في ذلك نظرية ديراك ورسكووس 1930 حول إبادة الإلكترونات والبوزيترونات ونظرية أينشتاين ورسكووس 1905 حول التأثير الكهروضوئي ، كلها مرتبطة بالبحث الحائز على جائزة نوبل (انظر الصورة).

    قال البروفيسور ستيف روز من قسم الفيزياء في إمبريال كوليدج لندن: "على الرغم من قبول جميع الفيزيائيين للنظرية على أنها صحيحة ، عندما اقترح بريت وويلر النظرية لأول مرة ، قالوا إنهم لم يتوقعوا أبدًا عرضها في المختبر. اليوم ، بعد ما يقرب من 80 عامًا ، أثبتنا أنهم مخطئون. ما كان مفاجئًا لنا هو اكتشاف كيف يمكننا إنشاء مادة مباشرة من الضوء باستخدام التكنولوجيا التي لدينا اليوم في المملكة المتحدة. نظرًا لأننا منظرين ، فإننا نتحدث الآن مع الآخرين الذين يمكنهم استخدام أفكارنا لإجراء هذه التجربة التاريخية. & rdquo

    نظريات تصف تفاعلات الضوء والمادة. الائتمان: أوليفر بايك ، إمبريال كوليدج لندن

    تتضمن تجربة المصادم التي اقترحها العلماء خطوتين رئيسيتين. أولاً ، سيستخدم العلماء ليزرًا شديد القوة وعالي الكثافة لتسريع الإلكترونات إلى ما دون سرعة الضوء. ثم يطلقون هذه الإلكترونات في لوح من الذهب لتكوين شعاع من الفوتونات أقوى بمليار مرة من الضوء المرئي.

    تتضمن المرحلة التالية من التجربة علبة ذهبية صغيرة تسمى hohlraum (تعني كلمة & lsquoempty room & rsquo). يطلق العلماء ليزرًا عالي الطاقة على السطح الداخلي لعلبة الذهب هذه ، لإنشاء مجال إشعاع حراري ، ويولد ضوءًا مشابهًا للضوء المنبعث من النجوم.

    ثم يقومون بعد ذلك بتوجيه شعاع الفوتون من المرحلة الأولى من التجربة عبر مركز العلبة ، مما يتسبب في اصطدام الفوتونات من المصدرين وتشكيل الإلكترونات والبوزيترونات. سيكون من الممكن بعد ذلك اكتشاف تكوين الإلكترونات والبوزيترونات عند خروجها من العلبة.

    قال الباحث الرئيسي أوليفر بايك الذي يكمل حاليًا درجة الدكتوراه في فيزياء البلازما: & ldquo على الرغم من أن النظرية بسيطة من الناحية المفاهيمية ، إلا أنه كان من الصعب جدًا التحقق منها تجريبياً. تمكنا من تطوير فكرة المصادم بسرعة كبيرة ، لكن التصميم التجريبي الذي نقترحه يمكن تنفيذه بسهولة نسبية وبتكنولوجيا موجودة. في غضون ساعات قليلة من البحث عن تطبيقات hohlraums خارج دورها التقليدي في أبحاث طاقة الاندماج ، اندهشنا عندما وجدنا أنها توفر الظروف المثالية لإنشاء مصادم الفوتون. بدأ السباق لإجراء التجربة وإكمالها! & rdquo

    المرجعي: بايك ، يا ، جيه وآخرون. 2014. & lsquoA الفوتون و ndashphoton مصادم في فراغ hohlraum و rsquo. Nature Photonics ، 18 مايو 2014.


    ماذا ستكون أهمية تكوين ثقب أسود في مصادم الهادرونات الكبير؟

    إن إنشاء ثقب أسود في LHC من شأنه أن يؤكد النظريات القائلة بأن كوننا ليس رباعي الأبعاد (3 فضاء زائد 1 أبعاد زمنية) ، ولكنه في الواقع يستضيف أبعادًا أخرى. ستكون نتيجة فلسفية مذهلة! بنفس الطريقة التي أحدثت بها نظرية النسبية أو ميكانيكا الكم ثورة في طريقة تفكيرنا ، فإن اكتشاف وجود أبعاد إضافية سيكون معلمًا رئيسيًا جديدًا في فهمنا للكون.

    لا يوجد تطبيق واضح لمعرفة هذا. سيبدأ العديد من الناس في التكهن باستخدام هذه الأبعاد الإضافية للسفر عبر الزمن والمكان ، أو كمصدر للطاقة النظيفة ، ومن يدري ماذا أيضًا. [سيرن]

    اشترك الآن في هذه المدونة للحصول على المزيد من الأخبار الرائعة المنسقة خصيصًا لك مباشرة في صندوق الوارد الخاص بك على أساس يومي (هنا مثال على رسالتنا الإخبارية الجديدة).

    يمكنك أيضًا متابعتنا على Facebook و / أو Twitter. وبالمناسبة ، يمكنك أيضًا التبرع من خلال Paypal. شكرا لك!

    يجب عليك حقًا الاشتراك في QFiles. ستحصل على معلومات مثيرة جدًا للاهتمام حول الأحداث الغريبة حول العالم.


    شكل جديد من المادة تم إنشاؤه بواسطة العلماء باستخدام الضوء - التاريخ

    لويس دي بروجلي ، المادة والضوء: الفيزياء الجديدة، العابرة. جونستون (Allen & amp Unwin ، 1937) قدم في Heisenberg ، مفهوم الفيزيائي عن الطبيعة, 176-178.

    . أدت الأبحاث المختبرية خلال السنوات القليلة الماضية إلى نتائج ذات أهمية قصوى كل يوم تقريبًا. لكن الفيزياء النظرية أيضًا ، التي تتمثل وظيفتها في توفير ضوء إرشادي للفيزياء التجريبية ، لم تظل مكتوفة الأيدي.

    في تاريخ الفيزياء النظرية ، إذن ، خلال الثلاثين عامًا الماضية ، هناك معلمان عظيمان: نظرية النسبية ونظرية الكم ، مذهبان على نطاق أوسع ، بينما نظرية النسبية أقل ارتباطًا بتقدم نظرية النسبية. الفيزياء الذرية هي الأكثر دراية لرجل الشارع. يكمن أصله في بعض ظواهر انتشار الضوء التي لا يمكن تفسيرها بالنظريات القديمة ولكن من خلال الجهد الفكري الذي سيحتل دائمًا مكانة بارزة في سجلات العلوم ، أزال أينشتاين الصعوبة من خلال إدخال أفكار جديدة تمامًا حول طبيعة الزمان والمكان وترابطهما. ومن هنا أصل تلك النظرية الرائعة للنسبية ، والتي حققت فيما بعد نطاقًا أكثر عمومية من خلال تزويدنا بمفهوم جديد تمامًا للجاذبية. صحيح أن بعض التحققات التجريبية للنظرية كانت ولا تزال موضع نقاش ، لكن من المؤكد تمامًا أنها توفر لنا وجهات نظر جديدة وخصبة للغاية. لأنه أظهر كيف أن إزالة بعض الأفكار المسبقة ، التي تم تبنيها من خلال العادة بدلاً من المنطق ، جعلت من الممكن التغلب على العقبات التي تعتبر لا يمكن التغلب عليها وبالتالي اكتشاف آفاق غير متوقعة بالنسبة للفيزيائيين ، كانت نظرية النسبية تمرينًا رائعًا في التغلب على الجمود العقلي .

    إن نظرية الكم وتطوراتها ، إن لم تكن مألوفة بشكل عام ، لها نفس القدر من الأهمية بالتأكيد على الأقل ، لأنه من خلال هذه النظرية أصبح من الممكن الاستفادة من اكتشافات الفيزياء التجريبية لتشكيل علم الظواهر الذرية. عندما شعر أنه من الضروري تقديم وصف أكثر دقة لهذه الظواهر ، فإن الحقيقة الأساسية التي أصبحت واضحة هي أنه من الضروري إدخال مفاهيم جديدة تمامًا لم تكن معروفة تمامًا للفيزياء الكلاسيكية. لأنه من أجل وصف العالم الذري ، لا يكفي نقل الأساليب والصور الصالحة على الإنسان ، أو على النطاق الفلكي ، إلى نطاق آخر أصغر بكثير. رأينا أنه ، وفقًا لبوهر ، نجح العلماء في تخيل الذرات لتكون أنظمة شمسية مصغرة تلعب فيها الإلكترونات دور الكواكب ، وفي تتبع مداراتها حول شمس مركزية تحمل شحنة موجبة. ولكن إذا كانت هذه الصورة ستعطي نتائج قيّمة حقًا ، فقد أصبح من الضروري الافتراض ، بالإضافة إلى ذلك ، أن النظام الشمسي الذري يطيع قوانين الكم وأن هذه كانت مختلفة تمامًا عن القوانين التي تحكم الأنظمة التي يتعامل معها علم الفلك. كلما تم النظر في هذا الاختلاف بعناية ، مرة أخرى ، كلما بدأ تقدير نطاقه الواسع وأهميته الأساسية لتدخل الكوانتا الذي أدى إلى إدخال عدم الاستمرارية في الفيزياء الذرية ، وهذه المقدمة لها أهمية أساسية ، لأنه بدونها ستصبح الذرات تكون غير مستقرة ولا يمكن أن توجد المادة.

    لقد رأينا أن اكتشاف الطبيعة المزدوجة للإلكترونات ، كما هو الحال في آن واحد من الجسيم والتموج ، تبعه تغيير في نظرية الكم ، بحيث تم إعطاء هذا شكلاً جديدًا ، منذ بضع سنوات ، يسمى ميكانيكا الموجة. لاقى الشكل الجديد نجاحًا متنوعًا ، وأدت ميكانيكا الموجة إلى فهم وتنبؤ أفضل لتلك الظواهر التي تعتمد على وجود حالات ثابتة كميّة للذرات. استفاد كل فرع من فروع العلم ، بما في ذلك الكيمياء ، من الزخم الناجم عن النظرية الجديدة ، لأن هذا جلب معه طريقة جديدة وممتعة تمامًا لتفسير التوليفات الكيميائية.

    بعد ذلك ، أجبر تطور ميكانيكا الموجات الفيزيائيين على إعطاء نطاق أوسع وأوسع لمفاهيمهم. لأنه وفقًا للمبادئ الجديدة ، لم تعد قوانين الطبيعة تتمتع بالصفة الصارمة التي تحملها في الفيزياء الكلاسيكية: فالظواهر (بعبارات أخرى) لم تعد تخضع لحتمية صارمة ، فهي تخضع فقط لقوانين الاحتمالات. يعطي مبدأ عدم اليقين الشهير الذي قدمه هايزنبرغ صياغة دقيقة لهذه الحقيقة. حتى مفهومي السببية والفردية كان عليهما الخضوع لتدقيق جديد ، ويبدو من المؤكد أن هذه الأزمة الكبرى ، التي تؤثر على المبادئ التوجيهية لمفاهيمنا المادية ، ستكون مصدر النتائج الفلسفية التي لا يمكن تصورها بوضوح حتى الآن.


    كان أينشتاين محقًا: يمكنك تحويل الطاقة إلى مادة

    بشكل أساسي ، تقول المعادلة أن الكتلة والطاقة مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. تعتبر القنابل الذرية والمفاعلات النووية أمثلة عملية على الصيغة التي تعمل في اتجاه واحد ، وتحول المادة إلى طاقة.

    ولكن حتى الآن لا توجد طريقة للقيام بالعكس ، وتحويل الطاقة إلى مادة. ما يجعل الأمر صعبًا بشكل خاص هو ذلك ج 2 المصطلح ، سرعة الضوء تربيع. إنها تمثل الكميات الهائلة من الطاقة المنبعثة في التفاعلات النووية ، والكمية الهائلة التي تحتاج إلى حقنها لتحويل الطاقة إلى مادة.

    كانت التجارب السابقة تتطلب دائمًا قدرًا ضئيلًا من الكتلة ، حتى لو كانت قيمة الإلكترون فقط.

    صيغة ألبرت أينشتاين الشهيرة تنتصر مرة أخرى (مصدر الصورة: DonkeyHotey)

    لكن العلماء في إمبريال كوليدج لندن (بما في ذلك الفيزيائي الزائر من معهد ماكس بلانك الألماني للفيزياء النووية) يعتقدون أنهم توصلوا إلى كيفية تحويل الطاقة مباشرة إلى مادة.

    اقترح أوليفر بايك وفيليكس ماكنروث وإدوارد هيل وستيف روز طريقة لتحويل زوج من الفوتونات وجزيئات الضوء إلى إلكترون وجسيمه المضاد ، بوزيترون.

    لقد توصلوا إلى الفكرة في أقل من يوم ، على عدة فناجين من القهوة في مختبر إمبريالز للفيزياء.

    بدأوا الحديث عن الاندماج ، لكنهم أدركوا أن عملهم يمكن تطبيقه على مشكلة سابقة ، وهي فكرة اقترحها عالمان أمريكيان ، جريجوري برايت وجون ويلر ، في عام 1934.

    اعتقد بريت وويلر ، اللذان انضما للعمل في مشروع مانهاتن الأمريكي لبناء أول قنبلة ذرية ، أنه من الممكن نظريًا تحطيم فوتونين معًا لإنتاج إلكترون وبوزيترون.

    قال البروفيسور روز: "على الرغم من قبول جميع الفيزيائيين لصحة النظرية ، عندما اقترح بريت وويلر النظرية لأول مرة ، قالوا إنهم لم يتوقعوا أبدًا عرضها في المختبر". "اليوم ، بعد ما يقرب من 80 عامًا ، أثبتنا أنهم مخطئون."

    مقالتهم في الضوئيات الطبيعة يقترح بناء نوع جديد من المصادم ، الذي يحطم الفوتونات بدلاً من البروتونات ، كما هو الحال في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن حيث تم اكتشاف بوزون هيغز العام الماضي.

    إن إنجازهم له تداعيات هائلة ، فهو لا يثبت مرة أخرى جانبًا من نظريات أينشتاين فحسب ، بل إنه يعيد إنشاء "عملية كانت مهمة في أول 100 ثانية من الكون والتي تُرى أيضًا في انفجارات أشعة جاما ، والتي تعد أكبر الانفجارات. قال إمبريال.

    ستكون الخطوة الأولى هي تسريع الإلكترونات باستخدام ليزر عالي الطاقة إلى ما يقل قليلاً عن سرعة الضوء (300000 كيلومتر / ثانية) وتحطيمها في لوح من الذهب ، مما سيخلق شعاعًا من الضوء أقوى بمليار مرة من الضوء. ضوء من الشمس.

    هذا من شأنه أن يستهدف قشرة ذهبية مجوفة تسمى أ هولروم (الألمانية للغرفة الفارغة). سوف يتم تحفيز القشرة بواسطة ليزر آخر لإنشاء مجال إشعاع حراري ينبعث منه ضوء شبيه بضوء النجوم.

    عندما يتقاطع مصدرا الضوء ، سيصطدم البعض ويخلق الإلكترونات وجزيئات المادة المضادة المقابلة لها ، البوزيترونات ، والتي يمكن اكتشافها عند مغادرتها للضوء. هولروم. لقد حسبوا أن التجربة يجب أن تنتج 100000 زوج من الجسيمات.

    قال روز: "ما كان مفاجئًا لنا هو اكتشاف كيف يمكننا إنشاء المادة مباشرة من الضوء باستخدام التكنولوجيا التي لدينا اليوم". “As we are theorists we are now talking to others who can use our ideas to undertake this landmark experiment.”

    Pike, the lead author on the paper, said: "Although the theory is conceptually simple, it has been very difficult to verify experimentally. We were able to develop the idea for the collider very quickly, but the experimental design we propose can be carried out with relative ease and with existing technology. Within a few hours of looking for applications of hohlraums outside their traditional role in fusion energy research, we were astonished to find they provided the perfect conditions for creating a photon collider. The race to carry out and complete the experiment is on."

    Among candidate locations for the experiment are the Omega laser in Rochester, New York and the Orion laser at Aldermaston, the UK atomic weapons facility in Berkshire.


    Artificial life breakthrough after scientists create new living organism using synthetic DNA

    In a major step toward creating artificial life, US researchers have developed a living organism that incorporates both natural and artificial DNA and is capable of creating entirely new, synthetic proteins.

    The work, published in the journal طبيعة سجية, brings scientists closer to the development of designer proteins made to order in a laboratory.

    Previous work by Floyd Romesberg, a chemical biologist at the Scripps Research Institute in La Jolla, California, showed that it was possible to expand the genetic alphabet of natural DNA beyond its current four letters: adenine(A), cytosine(C), guanine (G) and thymine(T).

    In 2014, Romesberg and colleagues created a strain of E. coli bacteria that contained two unnatural letters, X and Y.

    موصى به

    In the latest work, Romesberg’s team has shown that this partially synthetic form of E. coli can take instructions from this hybrid genetic alphabet to make new proteins.

    “This is the first time ever a cell has translated a protein using something other than G, C, A or T,” Romesberg said.

    Although the actual changes to the organism were small, the feat is significant, he said in a telephone interview. “It’s the first change to life ever made.”

    It’s a goal Romesberg has been working toward for the past 20 years. Creating new forms of life, however, is not the main point. Romesberg is interested in using this expanded genetic alphabet to create new types of proteins that can be used to treat disease.

    In 2014, he formed a company called Synthorx Inc, which is working on developing new protein-based treatments.

    موصى به

    “A lot of proteins that you want to use as drugs get cleared in the kidney very quickly,” Romesberg said. The new system would allow scientists to attach fat molecules to drugs to keep them in the body longer.

    Romesberg is aware that the creation of semi-synthetic organisms might raise concerns of hybrid life forms spreading beyond the lab, but the system they used makes such an escape unlikely.

    For example, in natural DNA, base pairs are attracted to each other through the bonding of hydrogen atoms. Romesberg’s X and Y bases are attracted through an entirely different process, which prevents them from accidentally bonding with natural bases.


    Scientists Create Solid Light

    On a late summer afternoon it can seem like sunlight has turned to honey,਋ut could liquid—or even solid—light be more than a piece of poetry? Princeton University electrical engineers say not only is it possible, they’ve already made it happen.

    في Physical Review X, the researchers reveal that they have locked individual photons together so that they become like a solid object.

    "It&aposs something that we have never seen before," says Dr. Andrew Houck, an associate professor of electrical engineering and one of the researchers. "This is a new behavior for light."

    The researchers constructed what they call an 𠇊rtificial atom” made of 100 billion atoms engineered to act like a single unit. They then brought this close to a superconducting wire carrying photons. In one of the almost incomprehensible behaviors unique to the quantum world, the atom and the photons became entangled so that properties passed between the 𠇊tom” and the photons in the wire. The photons started to behave like atoms, correlating with each other to produce a single oscillating system.

    As some of the photons leaked into the surrounding environment, the oscillations slowed and at a critical point started producing quantum divergent behavior. In other words, like Schroedinger&aposs Cat, the correlated photons could be in two states at once.

    "Here we set up a situation where light effectively behaves like a particle in the sense that two photons can interact very strongly," said co-author Dr. Darius Sadri. "In one mode of operation, light sloshes back and forth like a liquid in the other, it freezes."

    As cool as it is to produce solidified light, the team was not acting out of curiosity alone. When connected together the photons of light behave like subatomic particles, but are in some ways easier to study. Consequently, the team is hoping to use the solid light to simulate subatomic behavior.

    Attempts to model the behavior of large numbers of particles usually use statistical mechanics, and often simplify by assuming no interaction between particles and a system at equilibrium. However, in a point we can all relate to, Houck and his colleagues note, “The world around us is rarely in equilibrium.” The solidified light offers a chance to observe a subatomic system as it starts to diverge from equilibrium, with potential for a basic understanding of how these systems operate.

    The system created so far is very simple, with the light entangled with the atom at two points. However, it should be possible to increase this, greatly expanding the complexity and range of possibilities of what is being constructed.

    As well as providing an easy-to-study model of atomic systems that actually exist, Houck and his team hope the frozen light could be made to behave like materials that do not exist, but have been hypothesised by physicists, allowing them to explore how these things would react if they were real.


    Something from Nothing? A Vacuum Can Yield Flashes of Light

    A vacuum might seem like empty space, but scientists have discovered a new way to seemingly get something from that nothingness, such as light. And the finding could ultimately help scientists build incredibly powerful quantum computers or shed light on the earliest moments in the universe's history.

    Quantum physics explains that there are limits to how precisely one can know the properties of the most basic units of matter&mdashfor instance, one can never absolutely know a particle's position and momentum at the same time. One bizarre consequence of this uncertainty is that a vacuum is never completely empty, but instead buzzes with so-called &ldquovirtual particles&rdquo that constantly wink into and out of existence.

    These virtual particles often appear in pairs that near-instantaneously cancel themselves out. Still, before they vanish, they can have very real effects on their surroundings. For instance, photons&mdashpackets of light&mdashcan pop in and out of a vacuum. When two mirrors are placed facing each other in a vacuum, more virtual photons can exist around the outside of the mirrors than between them, generating a seemingly mysterious force that pushes the mirrors together.

    This phenomenon, predicted in 1948 by the Dutch physicist Hendrick Casimir and known as the Casimir effect, was first seen with mirrors held still . Researchers also predicted a dynamical Casimir effect that can result when mirrors are moved, or objects otherwise undergo change. Now quantum physicist Pasi Lähteenmäki at Aalto University in Finland and his colleagues reveal that by varying the speed at which light can travel, they can make light appear from nothing.

    The speed of light in a vacuum is constant, according to Einstein's theory of relativity, but its speed passing through any given material depends on a property of that substance known as its index of refraction. By varying a material's index of refraction, researchers can influence the speed at which both real and virtual photons travel within it. Lähteenmäki says one can think of this system as being much like a mirror, and if its thickness changes fast enough, virtual photons reflecting off it can receive enough energy from the bounce to turn into real photons. "Imagine you stay in a very dark room and suddenly the index of refraction of light [of the room] changes," Lähteenmäki says. "The room will start to glow."

    The researchers began with an array of 250 superconducting quantum-interference devices, or SQUIDs&mdashcircuits that are extraordinarily sensitive to magnetic fields. They inserted the array inside a refrigerator. By carefully exerting magnetic fields on this array, they could vary the speed at which microwave photons traveled through it by a few percent. The researchers then cooled this array to 50 thousandths of a degree Celsius above absolute zero. Because this environment is supercold, it should not emit any radiation, essentially behaving as a vacuum. "We were simply studying these circuits for the purpose of developing an amplifier, which we did," says researcher Sorin Paraoanu, a theoretical physicist at Aalto University. "But then we asked ourselves&mdashwhat if there is no signal to amplify? What happens if the vacuum is the signal?"

    The researchers detected photons that matched predictions from the dynamical Casimir effect. For instance, such photons should display the strange property of quantum entanglement&mdashthat is, by measuring the details of one, scientists could in principle know exactly what its counterpart is like, no matter where it is in the universe, a phenomenon Einstein referred to as "spooky action at a distance." The scientists detailed their findings online February 11 in Proceedings of the National Academy of Sciences.

    "This work and a number of other recent works demonstrate that the vacuum is not empty but full of virtual photons," says theoretical physicist Steven Girvin at Yale University, who did not take part in the Aalto study.

    Another study from physicist Christopher Wilson and his colleagues recently demonstrated the dynamical Casimir effect in a system mimicking a mirror moving at nearly 5 percent of the speed of light. "It's nice to see further confirmation of this effect and see this area of research continuing," says Wilson, now at the University of Waterloo in Ontario, who also did not participate in the Aalto study. "Only recently has technology advanced into a new technical regime of experiments where we can start to look at very fast changes that can have dramatic effects on electromagnetic fields," he adds.

    The investigators caution that such experiments do not constitute a magical way to get more energy out of a system than what is input. For instance, it takes energy to change a material's index of refraction.

    Instead, such research could help scientists learn more about the mysteries of quantum entanglement, which lies at the heart of quantum computers&mdashadvanced machines that could in principle run more calculations in an instant than there are atoms in the universe. The entangled microwave photons the experimental array generated "can be used for a form of quantum computation known as 'continuous variable' quantum information processing,&rdquo Girvin says. &ldquoThis is a direction which is just beginning to open up.&rdquo

    Wilson adds that these systems &ldquomight be used to simulate some interesting scenarios. For instance, there are predictions that during cosmic inflation in the early universe, the boundaries of the universe were expanding nearly at light-speed or faster than the speed of light. We might predict there'd be some dynamical Casimir radiation produced then, and we can try and do tabletop simulations of this."

    So the static Casimir effect involves mirrors held still the dynamical Casimir effect can for instance involve mirrors that move.


    شاهد الفيديو: فيزياء الصف الثاني الثانوي - خواص الضوء الجزء 2 (ديسمبر 2021).