وبلاگ تخصصی مکانیک-کامپیوتر-الکترونیک

روشهای جدید برای اندازه گیری دقیق زمان
 

كسانی كه فكر می كنند «نانو» نمادی از كوچك ترین هاست باید در عقاید خود تجدیدنظر كنند. نانوی هر كمیتی یك میلیاردم همان كمیت است. اما اخیراً دو موضوع جدید پژوهشی به اندازه گیری كمیت ها در حد آتو (یك میلیاردم نانو) اختصاص یافته است.فرانس كراوس (F.Krausz) از دانشگاه فناوری وین و همكارانش به اندازه گیری زمان در حد آتوثانیه روی آوردند. این پژوهشگران اخیراً مقاله ای در مجله نیچر (Nature) به چاپ رسانده اند و در آن به تشریح نحوه اندازه گیری كوتاه ترین فاصله زمانی ثبت شده كه فقط ۱۰۰ آتوثانیه است، پرداختند.در عین حال، هارولد كرایگهید (H.Craighead) و همكارانش در دانشگاه كورنل واقع در آن سوی اقیانوس اطلس مجموعه ای از ترازوها را ابداع كردند كه نسبت به كسری از یك نانو ثانیه نیز حساس است. نتیجه فعالیت این پژوهشگران در شماره آینده نشریه اپلاید فیزیكس (Applied Physics) منتشر می شود. دستاوردهای دكتر كراوس محصول فرعی بررسی های او در مورد اربیتال های الكترونی موجود در اطراف هسته های اتمی است.تئوری های كوانتومی پیشگویی های دقیقی در مورد انرژی این اربیتال های اتمی انجام می دهد و دكتر كراوس سرگرم بازنگری در مورد صحت این پیشگویی ها است و در نتیجه این پژوهش ها مشخص شد كه پیشگویی ها صحت دارد.وی برای اندازه گیری انرژی این اربیتال ها از دو پالس نورلیزر متوالی كه طول عمر هر كدام ۲۵۰ آتوثانیه بود، استفاده كرد. اولین پالس نور كه به اربیتال ها برخورد كرد، باعث شد كه الكترون ها از اربیتال جدا شود. پالس دوم نور این الكترون های جدا شده را متفرق ساخت.پدیده تفرق باعث شد كه اندازه حركت الكترون های تفرق یافته تغییر كند كه این تغییر در اندازه حركت به اربیتال الكترونی اولیه مربوط می شود. اندازه حركت (momentum) به صورت حاصلضرب جرم در سرعت تعریف می شود، اما از آنجایی كه تمام الكترون ها جرم برابر دارند، اندازه گیری سرعت حركت الكترون ها كفایت می كند.هر چند فقط اندازه گیری سرعت الكترون ها برای محاسبه انرژی كافی است، اما همین اندازه گیری سرعت نیز بسیار دشوار است. وی برای انجام این اندازه گیری ها زمان رسیدن الكترون های مختلف را با استفاده از ابزاری كه آشكارساز صفحه ای چند كاناله (multi channel plate detector) نامیده می شود، استفاده كرد. برای اجتناب از ثبت دو الكترون به جای یكی، لازم بود كه با دقت هر چه تمام تر الكترون ها جدا از یكدیگر آشكارسازی شوند. در این مورد به خصوص «با دقت هر چه تمام تر» به معنی اندازه گیری در مقیاس ۱۰۰ آتوثانیه است و این گفته به آن معنی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ محدودیت های فراوانی ایجاد می كند (اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می گوید دقت در اندازه گیری زمان توسط دقت اندازه گیری انرژی محدود می شود.)و وی می تواند با اندازه گیری دقیق پالس های تفوق یافته به هدف خود یعنی اندازه گیری زمان در محدوده اصل عدم قطعیت دست یابد.دكتر كریكهید و همكارانش اهداف عینی تری در سر داشتند كه البته انجام آن نیز بسیار دشوار است: تشخیص ویروس ها با توزین آنها. انواع مختلف ویروس ها وزن های متفاوتی دارند، اما وزن یك نوع ویژه از ویروس ها با هم برابر است.دكتر كریكهید ترازو های دقیق خود را از بلور های سیلیسیم ساخته است. آنان با استفاده از پرتو های الكترونی بلور ها را به گونه ای تراش دادند كه زائده ای از سطح بلور بیرون بیاید (چاقویی را در نظر بگیرید كه تیغه آن در سطح چوب فرو رفته باشد.) جسمی را در انتهای این زائده قرار دهید. مشاهده می كنید كه زائده خم می شود.در این حالت زائده به ارتعاش درمی آید كه فركانس ارتعاش آن به وزن جسمی كه به آن متصل شده است بستگی دارد. گروه كریكهید فركانس ارتعاش ها را اندازه گیری كرد. البته در این آزمایش ها دكتر كریكهید به جای اندازه گیری وزن ویروس های واقعی، وزن ذره های كوچكی از طلا را اندازه گیری كرد. كوچك ترین این ذرات حدود ۳۹/۰ آتوگرم وزن داشت كه تقریباً برابر با وزن ده هزار اتم است. این سطح از حساسیت برای تشخیص ویروس ها كافی است، اما دكتر كریكهید اندازه گیری ها را در این سطح متوقف نكرده است. وی انتظار دارد با اصلاح بیشتر این سیستم اندازه گیری، بتواند یك زپتو گرم را كه برابر است با یك هزارم آتوگرم اندازه گیری كند. به نظر می رسد دانش بشری از نانوتكنولوژی نیز فراتر رفته و دوره زپتو تكنولوژی فرارسیده است.

سفر در زمان چطور انجام ميشود؟

یکی از جالبترین افکار بشر، ایده جابجایی در بعد زمان است.
البته اگر از يک بعد دیگر به قضیه نگاه کنیم همه ما مسافر زمان هستیم. همین الان که شما اين را ميخوانيد، زمان در حول و حوش و به پیش میرود و آینده به حال و حال به گذشته تبدیل میشود. نشانه اش هم رشد موجودات است. ما بزرگ میشويم و میمیریم. پس زمان در جریان است.
آلبرت اینشتین با ارائه نظریه نسبیت خاص نشان داد که این کار از نظر تئوری شدنی است. بر طبق این نظریه اگه شیئی به سرعت نور نزدیک شود گذشت زمان برايش آهسته تر صورت میگیرد. بنابراین اگر بشود با سرعت بیش از سرعت نور حرکت کرد، زمان به عقب برگردد .

. مانع اصلی این است که اگر جسمی به سرعت نور نزدیک بشود جرم نسبی ان به بینهایت میل میکند لذا نمیشود شتابی بیش از سرعت نور پيدا کرد. اما شاید یه روز این مشکل هم حل شود. بر خلاف نویسنده ها و خیالپردازها که فکر میکنند سفر در زمان باید با يک ماشین انجام شور، دانشمندان بر این عقیده هستند که اینکار به کمک يک پدیده طبیعی صورت میگیرد. در این خصوص سه پدیده مد نظر است: سیاهچاله های دوار، کرم چاله ها و ریسمانهای کیهانی.

سیاهچاله ها: اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا که يک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده میشود و يک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست میکند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمیتواند از ان فرار کند.
http://www.samir.persiangig.com/image/fig4.gif
اما این حفره ها بر دو نوع هستد. یه نوعشان نمی چرخند لذا انتهای قیف يک نقطه است. در انجا هر جسمی که به حفره مکش شده باشه نابود ميشود. اما یه نوع دیگر سیاهچاله نوعی است که در حال دوران است و برا همین ته قیف یه قاعده داره که به شکل حلقه اس. مثل يک قیف واقعی است که تهش باز است. همین نوع سیاهچاله است که میتواند سکوی پرتاب به آینده یا گذشته باشد. انتهای قیف به يک قیف دیگر به اسم سفیدچاله میرسد که درست عکس ان عمل میکند. یعنی هر جسمی را به شدت به بیرون پرتاب میکند. از همین جاست که میتوانیم پا به زمانها و جهان های دیگر بگذاریم.

کرم چاله : يک سکوی دیگر گذر از زمان است که میتواند در عرض چند ساعت ما را چندین سال نوری جابجا کند. فرض کنيد دو نفر دو طرف يک ملافه رو گرفته اند و میکشند. اگر يک توپ تنیس بر روی ملافه قرار دهيم يک انحنا در سطح ملافه به سمت توپ ایجاد میشود.
http://www.samir.persiangig.com/image/embeding.gif
اگر يک تیله به روی این ملافه قرار دهيم به سمت چاله ای که ان توپ ایجاد کرده است میرود. این نظر اینشتین است که کرات آسمانی در فضا و زمان انحنا ایجاد میکنند؛ درست مثل همان توپ روی ملافه. حالا اگه فرض کنیم فضا به صورت يک لایه دوبعدی روی یه محور تا شده باشد و بین نیمه بالا و پایین ان خالی باشد و دو جرم هم اندازه در قسمت بالا و پایین مقابل هم قرار گیرد، آن وقت حفره ای که هر دو ایجاد میکنند میتواند به همدیگر رسیده و ایجاد يک تونل کند. مثل اين که يک میانبر در زمان و مکان ایجاد شده باشد. به اين تونل میگويند کرم چاله.
http://www.samir.persiangig.com/image/time-travel-wormhole2.jpg
این امید است که يک کهکشانی که ظاهرا میلیونها سال نوری دور از ماست، از راه يک همچین تونلی بیش از چند هزار کیلومتر دور از ما نباشئ. در اصل میشود گفت کرم چاله تونل ارتباطی بین يک سیاهچاله و یه سفیدچاله است و میتواند بین جهان های موازی ارتباط برقرار کند و در نتیجه به همان ترتیب میتواند ما را در زمان جابجا کند. آخرین راه سفر در زمان ریسمانهای کیهانی است. طبق این نظریه يک سری رشته هایی به ضخامت یه اتم در فضا وجود دارند که کل جهان را پوشش میدهند و تحت فشار خیلی زیادی هستند. اینها هم یه نیروی جاذبه خیلی قوی دارند که هر جسمی را سرعت میدهند و چون مرزهای فضا زمان را مغشوش میکند لذا میشود از انها برای گذر از زمان استفاده کرد.
http://samir.persiangig.com/image/10.jpg
( تونل زمان : واقعيت يا خيال ؟ )

حالا اینها رو گفتیم ولی چند اشکال در اين کار است. اول اینکه اصلا نفس تئوری سفر در زمان يک پارادوکس است. پارادوکس یا محال نما یعنی چیزی که نقض کننده(نقيض) خودش در درونش است. يک مثال :اگه خدا میتواند هر کاری را انجام دهد پس آیا میتواند سنگی درست کند که خودش هم نتواند تکانش دهد؟ این يک پارادکس است چون اگر بگوييم آری پس انوقت با اینکه خدا هرکاری را میتواند انجام دهد متناقض است و اگر بگوييم نه باز هم همان میشود یعنی خدا هر کاری را نمیتواند انجام دهد. يک مثال دیگر اين است که اگر من در زمان به عقب برگردم , به تاریخی که هنوز بدنیا نيامده بودم پس چطور میتوانم انجا باشم. یا مثلا اگر برگردم و پدربزرگ خودم را بکشم پس من چطور بوجود اومده ام؟ يک راه حلی که برای این مشکل پیدا شده است، نظریه جهانهای موازی است. طبق این نظريه امکان دارد چندین جهان وجود داشته باشد که مشابه جهان ماست اما ترتیب وقایع در انها فرق میکند. پس وقتی به عقب برمیگردیم در يک جهان دیگر وجود داريم نه در جهانی که در ان هستیم. طبق این نظريه بینهایت جهان موازی وجود دارد و ما هر دستکاری که در گذشته انجام بدهیم يک جهان جدید پدید می اید.
منبع : ملاصدرا

زمان صفر:

زمان گذشته تر از گذشته

بنابه نظريه انفجار بزرگ ، گسترش جهان از يك انفجار آتشين آغاز شده و تا امروز ادامه يافته است و احتمال دارد اين گسترش تا بينهايت ادامه داشته باشد. ولي ما يقينا مي‌خواهيم بدانيم پيش از اين انفجار اوليه وضع از چه قرار بوده است. اما براي فهميدن اين موضوع بايد از ديوار زمان صفر عبور كنيم. نه تنها در عرصه فيزيك ، بلكه حتي در عرصه منطق نيز دشواريهاي زيادي در اين سير وجود دارد.

ما نمي‌توانيم تاريخ كائنات را از زمان صفر يعني درست لحظه آفرينش فضا و زمان آغاز كنيم ولي قادريم آن را از لحظه‌هاي بسيار كوتاه و غير قابل تصور يعني 43- ^10 ثانيه پس از انفجار بزرگ آغاز كنيم. قوانين بنيادي فيزيك توانسته‌اند از امروز تا آن لحظه كه كائنات بسيار بسيار كوچك ، داغ و غليظ بوده ، استواري خود را حفظ كنند.

خصوصيات كائنات در زمان صفر

در 43- ^10 ثانيه پس از انفجار بزرگ ، كائنات بيش از 35 - ^ 10 متر قطر نداشته و ده ميليون ميليارد ميليارد بار كوچكتر از يك اتم هيدروژن بوده است. در اين زمان عالم چنان جوان است كه نور نمي‌تواند به دورها سفر كند و افق كيهاني كه كائنات قابل ديد را در بر مي‌گيرد، بسيار نزديك است. در اين زمان حرارت به 32 ^ 10 كلوين ميرسد. كائنات بسيار غليظ و فشرده (96 ^ 10 برابر غلظت آب) و انرژي آن غير قابل اندازه گيري است. چنانچه اگر بخواهيم چنين نيرويي توليد كنيم بايد دستگاههاي تسريع كننده ذرات اوليه‌اي بسازيم كه چندين سال نوري قطر داشته باشند.

زمان صفر يا زمان پلانك

در 43- ^10 ثانيه پس از انفجار ، كائنات چنان فشرده و غلظت چنان انباشته است كه نيروي جاذبه ، كه در حالت معمولي در مقياس ميكروسكوپي قابل اغماض است، مانند نيروها از قبيل نيروهاي هسته‌اي قوي و ضعيف نيروي الكترومغناطيسي ، بسيار قوي مي‌باشد. ولي ما نمي‌توانيم رفتار و مشخصات اتمها و نور را در جاذبه بسيار قوي دريابيم. اين مساله نخستين بار در آغاز قرن حاضر توسط "ماكس پلانك" مطرح شد. به همين دليل زمان 43- ^10 ثانيه را "زمان پلانك" مي‌گويند. كه در آن فيزيك از توضيح عاجز مي‌شود و مرز آگاهي‌ها به نهايت مي‌رسد.

جاذبه سد زمان صفر

براي پشت سر گذاشتن زمان پلانك به نظريه‌اي‌ كوانتيك از جاذبه نياز است كه در آن قوه جاذبه بتواند با ساير نيروها متحد شود. فيزيكدانان در تلاشند تا يك نظريه جامع طبيعت بيابند كه در آن چهار نيروي حاكم بر جهان بصورت يك نيروي واحد عمل كنند. و تا كنون موفق شده‌اند شرايط گرد آمدن نيروهاي هسته‌اي قوي و ضعيف و نيروي الكترومغناطيسي را بدست آورند. ولي نيروي جاذبه همچنان با اتحاد با اين نيروها مخالفت مي‌كند. اين نيرو كه بر دنياي بينهايت بزرگها حاكم است از هر گونه اتحاد با دنياي بينهايت خردها سرباز مي زند.

پيوند و اتحاد مكانيك كوانتومي با نسبيت در حال حاضر همچنان سدي غير قابل عبور است و حتي اينشتين كه در سي سال آخر عمر خود ، سر سختانه در اين زمينه به كار پرداخت، نتوانست از اين سد بگذرد. تا وقتي مقاومت و استقامت جاذبه شكسته نشود، فراتر از زمان پلانك را در يافتن ، كاري غير ممكن است. اين زمان مرز و حد نهايي آگاهي و شناخت ما است. در پشت ديوار پلانك واقعيتي هنوز دست نيافتني پنهان است كه در آن جفت فضا ـ زمان كائنات چهار بعدي ما مي‌تواند كاملا متفاوت باشد با ديگر وجود نداشته باشد.

پشت ديوار پلانك

فيزيكدانهايي كه شكافهاي كوتاه و گذرايي در پشت ديوار پلانك وارد كرده‌اند، مي‌گويند كه با كائنات پرآشوبي كه ده يا حتي بيست و شش بعد دارد، برخورد كرده‌اند، كه در آن قوه جاذبه چنان قوي است كه فضا را به كلي دگرگون كرده است و در آن ، فضا ، تحت تاثير جاذبه به تعداد بيشماري سوراخ سياه ميكروسكوپيك تبديل شده است كه گذشته ، حال و آينده و حتي زمان در آن معنا ندارد. هر كدام از اين سوراخها صد ميليارد ميليارد بار كوچكتر از يك پروتون هستند، كه با حرارت 32 ^10 كلوين در فاصله 43- ^10 ثانيه تبخير مي‌شوند، ناپديد مي‌شوند و دوباره ظاهر مي‌شوند.

زمان مرجع

سالها كوشش و مطالعه طاقت فرسا لازم است تا ديوار پلانك سوراخ شود و تا رسيدن به آن روز ما بايد "زمان پلانك" را به منزله "زمان صفر" بپذيريم. بنابرين ، وقتي از مبدا و آغاز خلقت كائنات گفتگو مي‌كنيم، زمان مرجع ما زمان پلانك خواهد بود.

منبع : دانشنامه رشد