شناسایی ناهنجاری گرانشى بر روی زمین

فیزیک نوین ما را به مفاهیم دور از عقل و عجیبِ «واقعیت» عادت داده است؛ به ویژه فیزیک کوانتومی که به گذاشتن اشیا در حالات «برهم‌نهی» شهرت دارد. برای مثال، نمی‌توان در مورد زنده یا مرده بودن گربه شرودینگر با قطعیت تصمیم گرفت. اما مکانیک کوانتومی می‌تواند در برخی مواقع نافذ و حتی مخرب باشد.

فیزیکدانان همواره در جستجو و بررسی تقارن بوده‌اند. تقارن یا قرینگى به این معنا است که می‌توان یک شئی را به روشی تغییر شکل داد که همچنان پایدار و بدون تغییر باقی بماند. برای نمونه، توپی کاملاً گِرد می‌تواند به زاویه‌ای دلخواه بچرخد، اما همواره یکسان بنظر می‌رسد. به گفته‌ی فیزیکدانان، این توپ در زیر چرخش‌ها از حالتی متقارن برخوردار است. به محض شناسایی تقارن سیستمی فیزیکی، پیش‌بینی ویژگی‌های دینامیکی آن امکان‌پذیر می‌شود. اما گاهی اوقات قوانین مکانیک کوانتومی باعث نابودی تقارنى می‌شوند که بدون مکانیک کوانتومی بی‌هیچ دردسری در دنیا وجود دارد. حتی این امر برای خود فیزیکدانان نیز عجیب به‌نظر می‌رسد؛  به طوری که نام «ناهنجاری» را بر این پدیده نهاده‌اند.

در بازه‌ای بسیار طولانی‌مدت از تاریخ، این ناهنجاری‌های کوانتومی به دنیای فیزیک ذرات محدود شده بودند و در آزمایشگاه‌های شتاب‌دهنده‌ی بزرگ از قبیل «برخورد دهنده بزرگ هادرونى» در مرکز سرن سوئیس بررسی می‌شدند. اما حالا نوع جدیدی از مواد به نام «شبه فلزهای ویل» به ما اجازه می‌دهند تا شرایط را برای کارکرد «ناهنجاری کوانتومی نابودکننده تقارن» در پدیده‌های روزمره از قبیل جریان الکتریکی فراهم کنیم. در این مواد عجیب و غریب، الکترون‌ها به‌طور موثر و بسیار شبیه به ذرات بنیادی مطالعه شده در شتاب دهنده‌های پُرانرژی رفتار می‌کنند. یکی از ویژگی‌های عجیب این ذرات آن است که نمی‌توانند در حالت آسایش بمانند و همواره با سرعت ثابتی حرکت می‌کنند. آن‌ها ویژگی دیگری به نام «اسپین» دارند؛ مثل آهنربای کوچکی است که به ذرات متصل باشد. اسپین می‌تواند موافق یا مخالف جهت حرکت، عمل نماید.

گروهی بین المللی از دانشمندان وجود اثری بنیادی را در بلور تایید کرده‌اند که قبلاً تصور می‌شد در جهان ژرف قابل مشاهده باشد. نوعی ناهنجاری کوانتومی در آزمایش‌ها به تایید رسیده که قبلاً بررسی آن به سختی انجام می‌گرفت. نتایج بدست آمده در مجله Nature منتشر شده است. وقتی صحبت از ذرات راست یا چپ دستی می‌شود، منظورمان پدیده‌ی «دستسانی» است. درحالت عادی، دو گونه‌ی مختلف از ذرات می‌توانند تقارن‌های مجزایی داشته باشند و تعداد آن‌ها به‌طور جداگانه حفظ شود. اما ناهنجاری کوانتومی می‌تواند همزیستی مسالمت‌آمیز آن‌ها را از بین برده و ذره‌ی راست دستی را به ذره‌ی چپ دستی و بالعکس تبدیل کند.

گروهی بین‌المللی از فیزیکدانان اعم از دانشمندان ماده و نظریه‌پردازان ریسمان که مقاله خود را در مجله‌ی Nature منتشر کردند، موفق به شناسایی چنین ماده‌ای شده‌اند؛ اثری از عجیب‌ترین ناهنجاری کوانتومی که قبلاً تصور میشد به‌واسطه‌ی انحنای فضا-زمان پدید آمده باشد. در نظریه‌ی نسبیت انیشتین هم به این مساله اشاره شده است. اما در کمال ناباوری، دانشمندان دریافتند که این اثر در ویژگی‌های فیزیک حالت جامد نیز وجود دارد؛ قسمت عمده‌ای از صنعت محاسبات بر پایه آن قرار دارد، یعنی از ترانزیستورهای کوچک گرفته تا مراکز داده اَبری.

دکتر «ژوهانس گوث» دانشمند مرکز تحقیقات IBM و نویسنده‌ی ارشد مقاله گفت: «ما این ناهنجاری کوانتومی اساسی را برای نخستین بار به‌صورت آزمایشی در زمین مشاهده کردیم که اهمیت بسیار فوق العاده‌ای در درک ما از جهان دارد. اکنون ما می‌توانیم دستگاه‌های حالت جامد نوینی بر پایه این ناهنجاری بسازیم که قبلاً هرگز تصور نمی‌شد برخی از مسائل موجود در وسایل الکترونیکی کلاسیک را دور بزنند.»

محاسبات جدید با استفاده از روش‌های نظریه‌ی ریسمان نشان داد که ناهنجاری گرانشى زمانی در ایجاد جریان نقش دارد که همزمان به اعمال میدان مغناطیسی، میزان دمای ماده نیز افزایش یابد. پروفسور «کارل لندستاینر» یکی از نویسندگان مقاله و نظریه‌پرداز ریسمان در موسسه‌ی فیزیک نظری UAM/CSIC خاطر نشان کرد: «این کشفی باورنکردنی است. ما می‌توانیم به روشنی نتیجه‌گیری کنیم که شکست تقارن یکسانی در هر سیستم فیزیکی قابل مشاهده است؛ چه در آغاز جهان اتفاق افتاده باشد و چه اینک در زمین درحال وقوع باشد.» به پیش‌بینی دانشمندان IBM، این اکتشاف به طیف وسیعی از پیشرفت‌ها در حوزه‌ی حسگرها، کلیدها، دستگاه‌های برقی و سایر وسایل نیازمند به انرژی منجر خواهد شد. همچنین، میزان مصرف نیرو بهبود خواهد یافت.