مكثفات بوز-آينشتاين، هي حالة من المادة توجد فيها جميع الجسيمات المكونة لها في أدنى مستويات طاقتها، يمنع مبدأ استبعاد باولي أكثر من إلكترون واحد (مثال على الفرميون) لكل حالة كمية، ومع ذلك، لا يتم فرض مثل هذا الحد على الجسيمات المعروفة بالبوزونات، مثل ذرات الهليوم -4، وفي هذا المقال سنوضح ما هو تكاثف بوز-أينشتاين
ما هو تكاثف بوز-أينشتاين
- من بين الحالات الخمس التي يمكن أن توجد فيها المادة ” الغازات، السوائل، والمواد الصلبة و البلازما” ربما يكون مكثف بوز-آينشتاين هو الأكثر غموضًا، حيث لم يتم إنشاء مكثفات بوز-آينشتاين في المختبر حتى التسعينيات.
- تكاثف بوز-آينشتاين هو مجموعة من الذرات المبردة داخل شعرة من الصفر المطلق، عندما تصل الذرات إلى هذه الدرجة، فإنها بالكاد تتحرك بالنسبة لبعضها البعض، ليس لديهم أي طاقة حرة تقريبًا للقيام بذلك.
- عند هذه النقطة، تبدأ الذرات في التكتل معًا وتدخل في نفس حالات الطاقة، وتصبحان متطابقتين، من وجهة نظر مادية، وتبدأ المجموعة بأكملها في التصرف كما لو كانت ذرة واحدة.
- لصنع مكثف بوز-آينشتاين، عليك أن تبدأ بسحابة من الغاز المنتشر، تبدأ العديد من التجارب بذرات الروبيديوم، ثم تقوم بتبريده باستخدام الليزر، باستخدام الحزم لسحب الطاقة من الذرات، بعد ذلك، لتبريدها أكثر، يستخدم العلماء التبريد التبخيري.
- مع مكثف بوز-آينشتاين، تبدأ من حالة مضطربة، حيث تكون الطاقة الحركية أكبر من الطاقة الكامنة، ثم تبردها، لكنها لا تشكل شبكة مثل الصلبة.
- بدلاً من ذلك، تقع الذرات في نفس الحالات الكمومية، ولا يمكن تمييزها عن بعضها البعض، عند هذه النقطة، تبدأ الذرات في الامتثال لما يسمى بإحصائيات بوز-آينشتاين، والتي تُطبق عادةً على الجسيمات التي لا يمكنك التمييز بينها، مثل الفوتونات.
اقرأ أيضا: ما هو النفق الكمومي
نظرية بوز -أينشتاين
- تم التنبؤ بمكثفات بوز-آينشتاين نظريًا لأول مرة من قبل ساتيندرا ناث بوز (1894-1974)، وهو عالم فيزياء هندي اكتشف أيضًا الجسيم دون الذري المسمى باسمه، البوزون.
- كان بوز يعمل على مسائل إحصائية في ميكانيكا الكم، وأرسل أفكاره إلى ألبرت أينشتاين، اعتقد أينشتاين أنها مهمة بما يكفي لنشرها.
- وعلى نفس القدر من الأهمية، رأى أينشتاين أن رياضيات بوز – التي عُرفت لاحقًا باسم إحصائيات بوز-آينشتاين – يمكن تطبيقها على الذرات وكذلك الضوء.
- ما وجده الاثنان هو أنه عادة، يجب أن تمتلك الذرات طاقات معينة – في الواقع، أحد أساسيات ميكانيكا الكم هو أن طاقة ذرة أو جسيم دون ذري آخر لا يمكن أن تكون عشوائية.
- هذا هو السبب في أن للإلكترونات، على سبيل المثال، “مدارات” منفصلة يجب أن تشغلها، ولماذا تعطي فوتونات ذات أطوال موجية محددة عندما تسقط من مدار، أو مستوى طاقة، إلى آخر، لكن برد الذرات إلى جزء من المليار من درجة الصفر المطلق، وتبدأ بعض الذرات في الانخفاض إلى نفس مستوى الطاقة، وتصبح غير قابلة للتمييز.
- هذا هو السبب في أن الذرات في مكثف بوز-أينشتاين تتصرف مثل “الذرات الفائقة”، وعندما يحاول المرء قياس مكان وجودهم، فبدلاً من رؤية الذرات المنفصلة، يرى أكثر من كرة ضبابية.
- جميع حالات المادة الأخرى تتبع مبدأ استبعاد باولي، الذي سمي على اسم الفيزيائي وولفغانغ باولي، والذي يقول إن الفرميونات – أنواع الجسيمات التي تتكون منها المادة – لا يمكن أن تكون في حالات كمومية متطابقة.
- وهذا هو السبب في أنه عندما يكون إلكترونان في نفس المدار، يجب أن يكون دورانهما معاكسين بحيث يصل مجموعهما إلى الصفر، وهذا بدوره هو أحد أسباب عمل الكيمياء بالطريقة التي تعمل بها، وأحد أسباب عدم تمكن الذرات من شغل نفس المساحة في نفس الوقت، ولكن تكسر مكثفات بوز-آينشتاين هذه القاعدة.
كيف تم اكتشاف مكثف بوز-آينشتاين
- في الأيام الأولى لفيزياء الكم، في أوائل القرن العشرين، أعاد الفيزيائي الهندي وعالم الرياضيات ساتيندرا ناث بوس، تفسير الإحصاءات المتعلقة بالعلاقة بين الضوء ودرجة الحرارة، من خلال تطبيق التطورات الحديثة في نظرية الكم.
- عند التحقق من تفكيره مع ألبرت أينشتاين، أصبح تفسير بوز الجديد معروفًا باسم إحصائيات بوز أينشتاين، وهو مفهوم أصبح أساسيًا في الرياضيات، والذي يسمح لنا بتمييز بعض الجسيمات عن بعضها البعض عندما تكون في هذه السحابة فائقة الجسيمات. ما هو تكاثف بوز-أينشتاين
- ارتبط اسم بوز أيضًا إلى فئة من الجسيمات تسمى البوزونات، والتي تشمل أعضاء حاملة للقوة من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، مثل الفوتونات والغلونات.
- قام أينشتاين بتوسيع إحصائيات بوز ليس فقط لوصف موجات الضوء، ولكن الذرات، مما أدى إلى تنبؤات بأن مجموعات من البوزونات الفردية يمكن أن تشترك في الحالات الكمومية مع انخفاض درجة الحرارة.
- لوحظ هذا أخيرًا في عام 1995 عندما تم تبريد مجموعة من ذرات الروبيديوم 87 -، وهي جزيئات كبيرة مؤهلة للبوزونات – بنجاح إلى 170 نانوكلفن في تجربة.
- شارك الفيزيائيون إريك كورنيل وولفغانغ كيتيرل وكارل وايمان في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2001 عن عملهم.
اقرأ أيضا: ما هي اللبتونات
أهمية نظرية بوز وأينشتاين
- لم يزودنا تكاثف بوز-آينشتاين شكلاً جديدًا من المادة الكمومية فحسب، بل قدم لنا أيضًا مصدرًا فريدًا للذرات شديدة البرودة.
- جعل التبريد التبخيري درجات حرارة النانو كلفن في متناول المجربين، ومع مزيد من التحسين، يجب أن يكون من الممكن إنتاج مكثفات من 10 8 ذرات في نطاقات زمنية تتراوح من 5 إلى 10 ثوانٍ.
- معدل الإنتاج هذا مشابه لأداء مصيدة الضوء القياسية، ويشير إلى إمكانية أن يحل تكثيف بوز محل المصيدة المغناطيسية الضوئية كمصدر ساطع قياسي للذرات شديدة البرودة، لإجراء تجارب دقيقة وقياس تداخل موجة المادة.
- لقد درست التجارب حتى الآن بعض الخصائص الأساسية للتكثيف، ووجدت توافقًا جيدًا مع النظرية، وتعتبر ملاحظة تماسك الطور في مكثف بوز خطوة مهمة فتحت الباب للعمل مع حزم ذرية متماسكة.
- ومع ذلك، لا يزال هناك عدد من الأسئلة الأساسية التي يمكن معالجتها من خلال التجارب، لا سيما فيما يتعلق بديناميات غازات بوز، مثل تكوين الدوامات والسيولة الفائقة.
- اتجاه مهم آخر هو استكشاف أنظمة ذرية أخرى، حيث اتخذ العمل في رايس مع الليثيوم الخطوات الأولى نحو فهم غازات بوز ذات أطوال تشتت سالبة.
- في الآونة الأخيرة في بولدر تم إنتاج نوعين مختلفين من المكثفات في نفس المصيدة عن طريق “التبريد الودي”، في هذا المخطط، تم تبريد سحابة من ذرات الروبيديوم في حالة طاقة واحدة بالطريقة المعتادة مع التبخر، بينما تم تبريد سحابة ثانية من الذرات، في حالة طاقة مختلفة في وقت واحد فقط، عن طريق التلامس الحراري مع السحابة الأولى.
- مثل هذا التبريد لنوع من نوع آخر، سيجعل درجات الحرارة شديدة البرودة متاحة للذرات غير المناسبة للتبخر، مثل الذرات الفرميونية التي يتلاشى معدل التشتت المرن عند درجات حرارة منخفضة، أو النظائر النادرة التي لا يمكن احتجازها إلا بأعداد صغيرة.
المراجع
