فیزیک کوانتوم و دستاوردهای برگزیده جایزه مصطفی(ص) زیر ذره­ بین کافه­ علم

به گزارش گروه اجتماعی خبرگزاری برگزیده های ایران، بیست و هفتمین رویداد کافه علم با حضور و سخنرانی مهدی کارگریان، دانشیار دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف و شماری از دانشجویان و علاقه‌مندان عصر چهارشنبه (هشتم مرداد) در کافه ­ای در شهر تهران برگزار شد.

این رویداد علمی در مورد بیان چیستی و ماهیت فیزیک کوانتوم، ذرات توپولوژیک و تشریح دستاوردهای محمد زاهد حسن دانشمند بنگلادشی ­الاصل ساکن آمریکا و برگزیده جایزه مصطفی^(ص) در سال 1400 بود.

کارگریان در این نشست ابتدا به بیان تاریخچه‌ای از علم فیزیک پرداخت و گفت که فیزیک‌پیشه‌ها به دو دلیل یعنی ارضای حس کنجکاوی و پیشبرد زندگی از روی طبیعت (که بعد به فناوری تبدیل می‌شود) به دنبال فهم پدیده‌های طبیعی هستند و مهم‌تر اینکه اگر قانونی را در طبیعت بشناسیم می‌توانیم بر آن غلبه کنیم.

وی ادامه داد: بشر اواخر قرن شانزدهم و بعد از اسحاق نیوتن به فرمول‌بندی خوبی در مورد همه پدیده‌ها رسیده بود که به آن قوانین نیوتنی گفته می‌شود. همچنین کلارک مکسول در قرن نوزدهم قوانین الکترومغناطیس یا نورشناختی را به طور کامل و جامع بیان کرد. قوانین ترمودینامیک (تبدیل گرما به کار) هم به دلیل اهمیتی که در دوران صنعتی داشت، نظریه ­پردازی شد.

دانشیار دانشگاه صنعتی شریف نتیجه گرفت: بنابراین هر پدیده‌ای را در عالم طبیعت اواخر قرن نوزدهم، با همین قوانین می‌شد توصیف کرد؛ اما اوایل قرن بیستم مشاهداتی رخ داد که با این قوانین متفاوت بود. برای نمونه دانشمندان متوجه ناپایداری اتم به عنوان ذرات کوچک ماده شده بودند و هیچ قانونی در فیزیک کلاسیک این ناپایداری را توضیح نمی‌داد. در مثالی دیگر پدیده‌ای موسوم به تابش جسم سیاه و توزیع انرژی در این جسم با هیچ پدیده دیگری در فیزیک کلاسیک سازگار نبود.

کوانتوم از کجا شروع شد؟

کارگریان توضیح داد: بنابراین مکانیک کوانتوم از جایی شروع شد که به نظر آمد باید در دیدگاه‌های مبتنی بر فیزیک تجدیدنظر کنیم. ماکس پلانک دانشمندی که اوایل قرن بیستم پدیده تابش جسم سیاه را کشف کرد، به این نتیجه رسید که تابش در جسم سیاه گسسته است و اگر در فرمول‌هایی که می‌نویسد یک عامل گسسته به جای عامل پیوسته بگذارد، به کوانتوم می‌رسد. تا قبل از این هر چه در فیزیک می‌دانستیم پیوستگی بود. بنابراین مکانیک کوانتوم ابتدا با فرض‌های خام و با اضافه کردن فرض گسستگی آغاز و به‌تدریج به فرمول‌بندی جدید رسید.

این دانشمند فیزیک در ادامه و با چند آزمایش ساده و حضوری با نوار موبیوس (نواری که دو لبه آن بر هم قرار گرفته و حلقه‌ای را به وجود می‌آورد، لبه انتهایی قبل از اتصال به لبه دیگر نیم دور چرخانده می‌شود) همراه با علاقه‌مندان به معرفی مواد توپولوژیک و نظم توپولوژیک پرداخت و نشان داد در سیستم‌های توپولوژیک همه اجزا و پیکره در هم تنیده است و اگر روی یک بخش عملیاتی انجام شود، کل سیستم بهم می‌ریزد. سپس به موضوع حوزه‌های مغناطیسی و آهن‌رباها اشاره کرد و گفت که آنها اساس ساخت دستگاه‌های ذخیره اطلاعات مانند انواع رایانه‌ها و حافظه‌ها هستند. همچنین توضیحی در مورد پدیده بیت‌های صفر و یک داد و اضافه کرد مبنای رایانه‌های کوانتومی، سیستم‌هایی است که بیت‌های صفر و یک به طور موضعی یکسان ولی کل سیستم متفاوت است. بنابراین رایانه‌های کوانتومی توپولوژیک از جهت پردازش، رایانه‌های بهتری بوده و پایدارتر هستند.

محمد زاهد حسن چه کرد؟

کارگریان در ادامه به معرفی شخصیت و فعالیت‌های محمد زاهد حسن پرداخت و گفت که وی متولد بنگلادش بوده و تا سال 1990 هم در کشور خود زندگی کرده و بعد از مهاجرت به آمریکا در دانشگاه آستین ادامه تحصیل داد، سپس به دانشگاه استنفورد رفت و در سال 2002 در این دانشگاه مدرک دکتری خود را گرفت و استاد شد.

وی در مورد دستاوردهای زاهد حسن به عنوان یک دانشمند فیزیک کوانتوم توضیح داد و گفت: نگاه بشر به دنیای مواد مهم است ولی در تاریخ فیزیک مواد معمولا یا به صورت اتفاقی یا بر اثر خوش‌شانسی کشف شده‌اند؛ در حالیکه طی یکی دو دهه اخیر نگاه غالب عوض شده و بیشتر دانشمندان مایل هستند پیش‌بینی کنند امکان کشف چه ماده جدیدی وجود دارد یا حالت‌های مواد دلخواه را ابتدا روی کاغذ طراحی کنند و بعد دستورالعمل را به آزمایشگاه بدهند تا مواد ساخته شود. بخشی از مواد ابررسانا (ماده‌ای است با مقاومت صفر در برابر جریان الکتریکی) یا عایق‌های توپولوژیک به همین شکل کشف شدند و بخشی از این مواد را زاهد حسن و همراه با گروه تحقیقاتی خود در سال‌های  2015 و 2016 کشف کرد.

استاد دانشگاه صنعتی شریف ادامه داد:. اهمیت کار زاهد حسن این بود که از ساختار جدول تناوبی مندلیف استفاده کرد و با دانشی که نسبت به ساختار جدول داشت، موادی را یافت که هم پیش‌بینی تئوری‌های قبلی را اثبات کرده و هم سوالات جدیدی در مورد مواد مطرح کرد که دانشمندان فعال در بخش نظری بعد به آن پاسخ دادند.

وی سپس در مورد مواد ویل (weyl) توضیح داد و یادآور شد: اولین بار موضوع مواد ویل توسط این فیزیکدان آلمانی در سال 1929 مطرح شد. در دهه‌های اول ابداع مکانیک کوانتوم پژوهشگران به اتم‌ها و فیزیک ذرات و داخل هسته علاقه داشتند و چون انرژی داخل هسته خیلی بالاست مکانیک کوانتوم را باید با نسبیت ترکیب می‌کردند تا به این فرایندها پی ببرند، کاری که پل دیراک فیزیکدان انگلیسی انجام داد. یکی از نتایج معادله دیراک این بود که پیش‌بینی کرد گونه‌ای از ذرات در طبیعت دستیدگی یا کایرالیتی دارند (فقط به صورت راست‌گرد یا چپ‌گرد وجود دارند). اما این ذرات هرگز در طبیعت کشف نشدند و تصور می شد این ذرات اصلا وجود ندارند.

وی افزود: با وجود این، در سال 2015 زاهد حسن ماده‌ای را به نام سدیم بیسموتات معرفی کرد که شبیه ماده ویل بود و کشف مهم بعدی وی ماده دیگری بود که اگر به انرژی آن نگاه کنیم رفتار انرژی الکترون‌ها مانند مواد ویل است و دستیدگی دارند؛ یعنی برخی نقاط الکترون‌ها یا فقط راست یا فقط چپ هستند. در واقع کشف وی یک ذره در طبیعت نیست. زاهد حسن و گروه وی موادی را پیدا کردند که وقتی به انرژی الکترون‌های آنها نگاه می‌کنید شبیه مواد ویل هستند که 85 سال پیش از آن فیزیکدانان به لحاظ نظری آنها را پیش ­بینی کرده بودند. این مواد از جهت علم مواد، رسانش متناسبت با مواد مغناطیسی دارند و الکترون در راستای میدان مغناطیسی شتاب نمی‌گیرد.

کارگریان در پایان این نشست و بعد از ارائه توضیحات بیشتر در مورد دستاوردهای زاهد حسن بیان کرد که خود نیز در چه زمینه‌هایی تحقیق می‌کند و به سوالات علاقه‌مندان و دانشجویان حاضر در این نشست پاسخ داد.

کافه­ علم یکی از رویدادهای رصدخانه بنیاد علم و فناوری مصطفی^(ص) است که با هدف بیان موضوعات و مفاهیم علمی به زبانی ساده و در محیطی عمومی طراحی شده است. این برنامه گفتگومحور از بهار سال 1400 به طور پیوسته در شهرهایی همچون تهران، تبریز، اصفهان، زنجان و پردیس برگزار شده است.

/