تنهای سرگردان هم جفت شد

کشف ساختار مولکولی جدید مهر تایید دیگری است بر تئوری کوانتوم

دانشمندان خبر از کشف مولکول جدیدی دادند که تا پیش از این تنها در تئوری امکان وجود چنین ساختاری وجود داشت. این مولکول موسوم به مولکول «ریدبرگ» (Rydberg)، در واقع بر اثر پیوند شیمیایی بسیار ضعیف و بی‌نهایت ناپایداری میان دو اتم ساخته می‌شود. این نوع جدید پیوند که کشف آن در شماره اخیر نشریه «نیچر» گزارش شده است، زمانی تشکیل می‌شود که یکی از دو اتم سازنده مولکول، تک الکترونی با فاصله بسیار دور از هسته اتم داشته باشد. کشف اخیر باعث تقویت تئوری‌های بنیادی در فیزیک کوانتوم از جمله تئوری‌های مربوط به چگونگی رفتار و برهمکنش میان الکترون‌ها می‌شود که توسط انریکو فرمی (E.Fermi)، فیزیکدان برنده جایزه نوبل بسط یافت. این مولکول‌های ریدبرگ مورد بحث، از دو اتم عنصر روبدیوم ساخته شده‌اند که یکی از آنها اتم عادی و دیگری اتم ریدبرگ است. یکی از مدل‌هایی که می‌تواند حرکت و موقعیت الکترون‌ها درون یک اتم را توضیح دهد مدل اوربیتالی است که بر اساس آن الکترون‌ها در لایه‌های الکترونی مختلفی به دور هسته اتم می‌چرخند و این لایه‌ها به تدریج از هسته اتم فاصله می‌گیرند. با توجه به این مدل، اتم ریدبرگ یک نمونه استثنایی به شمار می‌رود چرا که در این اتم یک الکترون وجود دارد که به تنهایی و در دورترین مدار ممکن به دور هسته می‌چرخد. در واقع در مقیاس اتمی می‌توان گفت که فاصله این تک‌الکترون تا هسته بسیار دور است.

در سال ۱۹۳۴ انریکو فرمی پیش‌بینی کرده بود که اگر اتم دیگری در مجاورت اتم ریدبرگ قرار بگیرد و بتواند این الکترون تنها و سرگردان را بیابد، ممکن است برهمکنشی میان‌شان رخ دهد. کریس گرین (C.Greene)، فیزیکدان نظری دانشگاه کلورادو که وجود مولکول‌های ریدبرگ را برای نخستین بار پیش‌بینی کرده بود، در این باره می‌گوید: «با اینکه فرمی پیش‌بینی کرده بود برهمکنشی میان این الکترون و اتم مجاورش رخ خواهد داد، اما هرگز تصور نمی‌کرد که این مولکول‌ها بتوانند شکل بگیرند.» گرین در ادامه افزود: «ما در خلال تحقیقات‌مان در دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ به این نتیجه رسیدیم که امکان به وجود آمدن نوعی «میدان نیرو» (Forcefield) میان اتم ریدبرگ و اتم حالت پایه (اتم عادی)، وجود دارد.»

ورا بندکوفسکی (V.Bendkowsky)، محقق دانشگاه اشتوتگارت آلمان که رهبری تحقیقات اخیر منجر به کشف مولکول ریدبرگ را بر عهده داشت، در باره این کشف می‌گوید: «اگرچه غیرقابل تصور بود اما شکل‌گیری این مولکول‌ها به دماهای بسیار سرد نیاز دارد.» به گفته بندکوفسکی «در واقع برای اینکه میدان‌های الکترونی دو اتم بتوانند همدیگر را بیابند و با هم برهمکنش داشته باشند، هسته‌های آنها باید در فاصله مناسب از هم قرار بگیرند. ما برای رسیدن به این منظور از یک ابرمافوق سرد روبیدیوم استفاده کردیم. وقتی گاز را تا به این حد سرد کنید، اتم‌های موجود در آن به هم نزدیک‌تر می‌شوند.» در دماهای بسیار نزدیک به صفر مطلق (۱۵/۲۷۳ درجه سانتیگراد زیر صفر) «فاصله بحرانی» میان اتم‌ها به حدود ۱۰۰ نانومتر (صد میلیونیم میلیمتر) می‌رسد. در چنین شرایطی اگر یکی از اتم‌ها اتم ریدبرگ باشد، پیوندی میان اتم‌ها شکل می‌گیرد که منجر به تولید مولکول ریدبرگ خواهد شد. در واقع این شکاف ۱۰۰ نانومتری موجود در مولکول ریدبرگ در مقایسه با آنچه در مولکول‌های عادی دیده می‌شود، یک دره پهناور به شمار می‌رود. پروفسور گرین در این باره می‌گوید: «الکترون ریدبرگ را می‌توان به سگ گله‌ای تشبیه کرد که با چرخیدن‌های سریعش در بیرونی‌ترین محیط دور گله سعی می‌کند آنها را باهم و در یک جا نگه دارد و با سقلمه زدن‌هایش به گوسفندهایی که قصد بیرون رفتن دارند، آنها را به سوی مرکز گله برمی‌گرداند.» هل دادن این الکترون در جهت دور شدن از هسته و به سوی محدوده تنهایی‌اش که باعث به وجود آمده اتم ریدبرگ می‌شود، نیازمند انرژی است. دکتر بندکوفسکی در این باره می‌گوید: «ما برای تحریک اتم‌ها به منظور رسیدن به حالت ریدبرگ از لیزر استفاده کردیم. در واقع اگر گازی با چگالی بحرانی داشته باشید که در آن دو اتم در فاصله‌ای از هم قرار داشته باشند که بتوانند با هم مولکولی را تشکیل دهند، می‌توان با تحریک یکی از اتم‌ها به حالت ریدبرگ، یک مولکول ریدبرگ به وجود آورد.» البته این آزمایش که در شرایط مافوق سرد انجام می‌شود، سرعت بسیار زیادی نیز دارد: پایدارترین مولکول ریدبرگ تشکیل شده در این آزمایش، عمری بیشتر از ۱۸ میکروثانیه (۱۸ هزارم ثانیه) نداشت. اگرچه عمر مولکول ریدبرگ در حد یک چشم بر هم زدن هم نیست اما این حقیقت که مولکول‌های ریدبرگ می‌توانند تشکیل شوند و مورد مشاهده قرار گفتند، منجر به تایید تئوری‌های اتمی دیرپایی در فیزیک کوانتوم شده است. هلن فیلدینگ (H.Fielding)، شیمی فیزیکدان دانشگاه کالج لندن در این باره می‌گوید: «مراحل منجر به این کشف، یکی از هیجان‌انگیزترین مجموعه آزمایش‌هاست. کشف مولکول ریدبرگ نشان می‌دهد که روش به کار رفته در این آزمایش‌ها، کاملا درست بوده است. آنچه در حال حاضر از خود این کشف نیز جذابیت بیشتری دارد این است که ببینیم با استفاده از این روش چه تئوری‌های بنیادی دیگری در فیزیک را می‌شود مورد آزمایش قرار داد.»

پیش‌بینی پروفسور گرین در مورد امکان وجود موکول‌های ریدبرگ در واقع با الهام از کارهای تحقیقاتی یکی دیگر از فیزیکدانان برنده جایزه نوبل بود. زمانی که در سال ۱۹۲۴ فیزیکدانی هندی به نام ساتیندرا ناث بوز (S.Nath Bose) برخی از محاسبات نظری‌اش را برای آلبرت آینشتاین ارسال کرد، این فیزیکدان بزرگ آلمانی یک پیش‌بینی مهم انجام داد، آینشتاین گفت: اگر گازی تا دماهای بسیار پایین سرد شود، تمام اتم‌های آن ناگهان تا «پایین‌ترین حالت انرژی ممکن»شان رمبش می‌کنند. به این ترتیب این اتم‌ها تقریبا منجمد می‌شوند و رفتارشان یکسان و کاملا قابل پیش‌بینی خواهد بود. این وضعیت به نوعی مشابه زمانی است که یک گاز به طور ناگهانی متراکم و به قطرات مایع تبدیل می‌شود. مدت‌ها پس از این پیش‌بینی آنشتاین، دانشمندان توانستند با سرد کردن و به دام انداختن اتم‌های فلزات قلیایی به مفهوم متراکم کردن بوز-آینشتاین دست یابند. بر اساس این یافته‌ها بود که پروفسور گرین دریافت فیزیک مافوق سرد می‌تواند برای تشکیل مولکول‌هایی مورد استفاده قرار گیرد که در سایر شرایط به سادگی به وجود نمی‌آیند.

● نابغه هندی

ساتیندرا ناث بوز (۱۹۷۴ – ۱۸۹۴) فیزیکدانی هندی از ایالت بنگتای شرقی بود که در فیزیک ریاضیاتی تخصص داشت. بیشتر او را به خاطر کارهایش در زمینه مکانیک کوانتوم که در دهه ۱۹۲۰ انجام داد، می‌شناسند. کارهای ارزشمند این فیزیکدان پایه گذار آمار بوزینشتاین و تئوری تراکم بوز-آینشتاین شد. پس از مرگ او فیزیکدانان ذرات بنیادی، «بوزون» (Boson) را به به پاس کارهای ارزنده او نامگذاری کردند. اگرچه کارهای تحقیقاتی بعدی در زمینه‌های بوزون، آمار بوز-آینشتاین و تراکم بوز-آینشتاین منجر به اعطای جایزه نوبل به بسیاری از دانشمندان شد، خود بوز هرگز مفتخر به دریافت این جایزه نشد. بوز علاوه بر تبحر در ریاضیات فیزیکی، استعدادهای دیگری نیز داشت که از آن جمله می‌توان به توانایی او در صحبت کردن به چند زبان و نواختن سازی هندی موسوم به «اسراج» که چیزی شبیه به ویلن است نیز اشاره کرد. در کتابی از بوز با عنوان «مرز علمی» یادداشتی از فیزیکدانی به نام جایانت نارلیکار (J.Narlikar) آمده است که در آن نوشته شده: «کار بوز روی آمار ذره‌ای در سال ۱۹۲۲ که باعث روشن شدن علت رفتار فوتون‌ها همچنین باز شدن در جدید به سوی ایده‌های نوین در زمینه آمار میکروسیستم‌های تابع قوانین تئوری کوانتوم شده است، یکی از ۱۰ دستاورد برتر قرن بیستم به شمار می‌رود و بی‌شک می‌توان آن را در ردیف کارهای مستحق دریافت جایزه نوبل طبقه‌بندی کرد.»

● دستانی که به بمب هسته‌ای آلوده اند

انریکو فرمی (۱۹۵۴ - ۱۹۰۱) فیزیکدان آمریکایی ایتالیایی‌الاصلی است که بیشتر او را به خاطر زحمات و کارهای ارزنده‌اش در مساله «واپاشی بتا» می‌شناسند. طراحی نخستین رآکتور هسته‌ای همچنین گسترش نظریه کوانتومی نیز از دیگر افتخارات فرمی به شمار می‌رود. فرمی در سال ۱۹۳۸ به خاطر کارهای ارزنده‌اش در زمینه رادیواکتیو موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد. فرمی بی‌شک یکی از بزرگ‌ترین فیزیکدانان هسته‌ای قرن بیستم به شمار می‌رود. فرمی در ۱۷سالگی بود که تحصیل فیزیک را در دانشگاه پیزا در ایتالیا آغاز کرد و در سال ۱۹۲۲ با دریافت درجه دکترا از همان دانشگاه فارغ‌التحصیل شد. رساله دکترای فرمی در مورد پراکندگی امواج ایکس یود. فرمی تابستان ۱۹۴۴ به همراه خانواده‌اش به آزمایشگاه لوس‌آلاموس در نیومکزیکو رفت و به عنوان مشاور روبرت اوپنهایمر نقش انکارناپذیری در اختراع و ساخت بمب اتمی داشت. او تا روزهای آخر عمرش در ایلینوی سکونت داشت و کرسی استادی دانشگاه شیکاگو را نیز بر عهده گرفت. بعد از دریافت جایزه نوبل سال ۱۹۳۸ فرمی در سال ۱۹۵۴ موفق به کسب مدال ماکس پلانک نیز شد. به نام فرمی و به پاس تلاش‌ها ارزنده او در فیزیک، گاز فرمی (گازهای الکترونی)، فرمیون‌ها (گروهی از ذرات بنیادی)، عنصر فرمیوم همچنین آزمایشگاه فرمی(میزبان تواترون، قوی‌ترین شتاب‌دهنده جهان پیش از راه‌اندازی LHC) نامگذاری شده‌اند. کمیسیون انرژی اتمی آمریکا به یادبود این دانشمند بزرگ، جایزه انریکو فرمی را به ارزش ۳۷۵۰۰۰ دلار پایه‌گذاری کرد که هر ساله اعطا می‌شود.