الرئيسية » مقالات علمية » مقالات في الفيزياء » تكاثف بوز اينشتاين حالة المادة في درجة حرارة منخفضة

تكاثف بوز اينشتاين حالة المادة في درجة حرارة منخفضة

تكاثف بوز اينشتين Bose-Einstein Condensate حالة المادة في درجة حرارة منخفضة







من ضمن الحالات الخمسة للمادة التي يمكن ان تتواجد فيها حالة تعرف باسم تكاثف بوز اينشتاين Bose-Einstein condensate وهي في الاغلب اكثر الحالات غموضا.  الحالات الاربعة الاخرى وهي الحالة الغازية والحالة السائلة وحالة المادة الصلبة والبلازما درست بالتفصيل منذ عقود من الزمن اذا لم يكن منذ عدة قرون، لكن حالة تكاثف بوز اينشتاين لم تكن معروفة عمليا الا في التسعينات من القرن العشرين.  تكاثف بوز وأينشتاين هو عبارة عن تكاثف تنبأ به كل من الفيزيائي الهندي  ساتيندرا ناث بوز سنة 1924 وألبرت أينشتاين بين عامي 1924 و1925، وأثبت بالتجربة سنة 1995 أي بعد 70 عاما من التكهن بوجود هذه الظاهرة.

تكاثف بوز اينشتين هي مجموعة من الذرات عند درجة حرارة قريبة جدا من الصفر المطلق. بالقرب من درجة الصفر المطلق تصبح حركة الذرات بالنسبة لبعضها البعض شبه معدومة، كما انها لا تمتلك اي طاقة. عند هذه النقطة تبدأ الذرات في التجمع مع بعضها البعض وتدخل في نفس حالة الطاقة. تصبح كل الذرات متماثلة تماما من وجهة نظر فيزيائية، وكل المجموعة تسلك سلوك ذرة واحدة.

عملية يمكن ان نحصل على حالة تكاثف بوز اينشتاين من خلال غاز وفي اغلب التجارب العلمية استخدمت ذرات غاز الروبيديوم rubidium. ومن ثم تبدأ عملية التبريد بواسطة الليزر حيث يكون التبريد مفاجئ وبالتالي لا تتحول من الحالة الغازية ومن ثم إلى الحالة الصلبة كما يحدث في التبريد العادي، حيث يتم استخدام الليزر لسحب الطاقة من الذرات عن طريق تصادم كمية كبيرة من فوتونات الضوء وارتداده عن الذرات مما يعمل على اكتساب طاقة الذرات ويقلل بذلك من حركتها. بعد ذلك يتم تعريضها للمزيد من التبريد باستخدام التبخير وهنا لا تتحول الذرات إلى الحالة الصلبة المعروفة.  بل ان كل الذرات تصبح في نفس المستوى الكمي للطاقة ولا يمكن تمييزها عن بعضها البعض. عند هذه النقطة تبدأ الذرات في الخضوع إلى حالة تكاثف بوز اينشتاين.

 

النظرية والاكتشاف Theory & discovery

تكاثف بوز اينشتين Bose-Einstein Condensate حالة المادة في درجة حرارة منخفضةجاءت التسمية تكاثف بوز وأينشتاين لان من تنبأ بحدوث هذا التكاثف كلا من الفيزيائي الهندي  ساتيندرا ناث بوز Satyendra Nath Bose سنة 1924 وهو العالم الذي تنبأ بوجود جسيمات تحت ذرية واعطيت اسمه وهي البوزونات boson. وقد عمل بوز على حل مشكلة احصائية في مجال ميكانيكا الكم وارسل فكرته إلى البرت اينشتين. وقد وجد اينشتين ان المعلومات في غاية الاهمية ونشر معا بحثا حول الموضوع. لقد رأي اينشيتن في رياضيات بوز والتي عرفت فيما بعد باحصائيات بوز اينشتين بانه بالامكان تطبيقها على الذرات وكذلك الضوء.

ما وجده العالمين هو ان الذرات العادية تمتلك طاقات محددة وهي احد اساسيات ميكانيكا الكم حيث ان طاقة الذرة او الجسيمات التحت ذرية لا يمكن ان تكون حرة. لهذا السبب فان الالكترونات على سبيل المثال تمتلك مدارات محددة يمكن ان تتواجد فيها، وتحرر فوتونات باطوال موجية محددة عندما تنتقل من مدار اعلى إلى مدار اقل. لكن تبريد الذرات إلى اجزاء من المليار من الصفر المطلق تبدأ الذرات في الانتقال إلى نفس مستوى الطاقة وتصبح غير متميزة.

لهذا السبب تتصرف الذرات في حالة تكاثف بوز اينشتاين مثل الذرات الفائقة super atoms. فعندما يحاول احد قياس وتحديد مكان تواجدها فانه يجد كرة ضبابية بدلا من ذرات منفصلة.

جميع حالات المادة الاخرى تخضع لمبدأ باولي للاستبعاد Pauli Exclusion Principle والذي ينص على ان الفيرميونات fermions (الجسيمات التي تشكل المادة مثل الكواركات quarks والليبتونات leptons) لا يمكن ان تتواجد في نفس الحالة الكمومية.  لهذا السبب لا يمكن ان يتواجد الكترونين في نفس المدار الا اذا كان لهما غزل spins مختلف. وهذا من احد الاسباب التي تعمل بها الكيمياء على النحو الذي نعرفه وايضا من اسباب عدم امكانية ان تشغل الذرات نفس المكان في نفس الوقت. الا ان حالة تكاثف بوز اينشتين تشذ عن هذه القاعدة.

تنص النظرية على ان وجود حالة تكاثف بوز اينشتاين يجب ان تكون موجودة وكان ذلك في العام ١٩٢٤،  وقد حاز قصب السبق في برهنتها معمليا كل من كارل ويمان Carl E. Wieman وإيريك ألين كورنيل Eric A. Cornell من جامعة كولورادو في بولدر في معامل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وبعيدهما بفترة ولفجانج كيترلي Wolfgang Ketterle في معهد ماساتشوستس للتقنية وكلا الفريقين برهنها سنة 1995 واستحق الفريقان بموجب ذاك جائزة نوبل في الفيزياء لسنة 2001 بالتشارك فيما بينهما.




فيلم وثائقي يشرح موضوع تكاثف بوز اينشتين التي تحدثنا عنها اعلاه

فيديو مترجم يشرح التجربة التي تنوي وكالة ناسا القيام بها لدراسة حالة تكاثف بوز اينشتاين

 

ان تكاثف بوز اينشتاين هو ظاهرة طبيعية ويتوقع انها لعبت دورا اساسيا في تطور الكون عندما تشكلت الجسيمات والقوى. ولا تزال هذه الحالة جديدة بالنسبة للعلماء لمعرفة الفوائد والتطبيقات المتوقعة منها. الا ان التشابه بين حالة تكاثف بوز اينشتاين والليزر قد يمكن العلماء من تصنيع اجهزة جديدة فائقة الحساسية وانظمة حاسوبية.

معلومات اخرى حول نفس المجال:

كم هي عدد حالات المادة

حالات المادة الخمسة وعمليات التحول من حالة إلى اخرى

البلازما plasma حالة من حالات المادة والفرق بينها وبين الغاز




تعليقات

تعليقات

عن الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر - غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي | ومركز الترجمة العلمي | وقناة الفيزياء التعليمي على اليوتيوب | ورئيس تحرير مجلة الفيزياء العصرية | Email skhazem@gmail.com

تفضل بزيارة صفحتي
تصفح كل مقالاتي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.