فيزيك‌دانان هسته‌اي در آستانه كشف جزيره ثبات

 

پژوهشگران توانسته‌اند سنگين‌ترين هسته اتمي را با دقتي عالي، همانند تعيين جرم انسان 100 كيلوگرمي به دقت ميلي‌گرم، وزن كنند. با بهبود روش‌هاي تعيين جرم مي‌توان به كشف عناصر سنگين جزيره پايداري اميد داشت.

مجيد جويا: با دقيق‌تر شدن اندازه‌گيري جرم در مقادير بسيار ناچيز، مي‌توان به كشف عناصر سنگيني اميد داشت كه نيمه عمر كوتاهي نداشته باشند.

به گزارش نيچر، پژوهش‌گران به تازگي توانسته‌اند با استفاده از يك تله ويژه، 3 ايزوتوپ از عنصر بسيار سنگين نوبليوم را به دام بياندازند و جرم آن را نيز اندازه‌گيري كنند. نوبليوم، سنگين‌ترين عنصري است كه تاكنون وزن آن به طور مستقيم اندازه‌گيري شده است.

اين اندازه‌گيري‌ها، يك گام بسيار مهم رو به جلو در مسير كشف «جزيره پايداري» به شمار مي‌روند؛ عبارتي كه به كلاس كوچكي از عناصر سنگين‌وزن هنوز كشف‌نشده‌اي اشاره دارد كه فيزيك‌دانان اميدوارند بتوانند به مدت چند دقيقه، يا چند روز، و يا حتي چندين سال پايدار بمانند. نتايج اين تحقيق كه به سرپرستي مايكل بلاك، فيزيك‌دان اتمي و عضو هيات‌علمي مركز پژوهش‌هاي يون‌هاي سنگين هلمهولتز جي.‌اس.‌آي واقع در دارمشتات آلمان انجام شده و مشروح آن، هفته گذشته در نيچر منتشر شد؛ هم‌چنين به اصلاح تعاريف فعلي از سنگين‌ترين اتمي كه تاكنون ساخته شده نيز كمك خواهد كرد.

تعيين جرم دقيق اتمي يك عنصر فوق سنگين به هيچ وجه كار آساني نيست، فيزيك‌دانان تاكنون تنها مي‌توانستند جرم عناصر سنگين را به طور غير مستقيم تخمين بزنند. هسته‌هاي سنگين معمولا به‌سرعت شكسته مي‌شوند و هسته‌هاي فرزند و نوه‌اي به وجود مي‌آورند كه با افزودن جرم و انرژي آنها، مي‌توان جرم و انرژي هسته اوليه را تعيين كرد.

ولي جرم يك هسته سنگين، چيزي بيشتر از مجموع جرم اجزاي آن است. دليل اين امر هم اين است كه انرژي پيوندي كه پروتون‌ها و نوترون‌هاي هسته را در كنار هم قرار مي‌دهد، با جرم آن مرتبط است. همان‌طور كه آلبرت اينشتين در فرمول معروف E = mc² پيش‌بيني كرده بود، اين دو قابل تبديل به هم هستند. تخمين‌هاي غيرمستقيم از جرم اتم، معمولا نمي‌توانند اين انرژي پيوند را به درستي محاسبه كنند.

رويكرد شاتگان!
بلاك و همكارانش براي اندازه‌گيري مستقيم جرم اين عناصر فوق سنگين، ابتدا نياز داشتند كه آنها را توليد كنند. براي اين كار، آنها از يك شتاب‌دهنده استفاده كردند كه اتم‌هاي كلسيوم را به هدفي از جنس سرب شليك مي‌كرد. در موارد نادري، اين هسته‌هاي اتمي با هم برخورد مي‌كردند و طي فرآيند همجوشي هسته‌اي، هسته‌اي سنگين‌تر را مي‌ساختند. تقريبا يك بار در هر ثانيه، شتاب‌دهنده يك ايزوتوپ از اتم نوبليوم را توليد و آن‌را آشكار مي‌كرد. اين اتم مصنوعي بسته به تعداد نوترون‌هايي كه داشته باشد، مي‌تواند تنها به مدت چند هزارم ثانيه، و يا براي دقايق متمادي دوام بياورد.

هنگامي كه پژوهشگران نوبليوم را توليد كردند، بايد به سرعت آن را از هزاران ميليارد اتم ديگري كه از هدف سربي عبور كردند، جدا كنند. براي انجام اين كار، گروه از يك تركيب ويژه ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي استفاده كرد كه به نوبليوم اجازه مي‌داد بدون مشكل عبور كند، در حالي كه ديگر اتم‌هاي سبك‌تر و سريع‌تر از منحرف مي‌كرد. سپس با عبور اتم سنگين نوبليوم از سلول‌هايي كه با گاز نجيب هليم پر شده بودند، از سرعت آن كاسته مي‌شد. در نهايت، جرم نوبليوم در درون يك تله پنينگ اندازه‌گيري مي‌شد، ابزاري است كه از ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي استفاده مي‌كند تا اتم نوبليوم را در مداري دايروي به حركت وادارد. با اندازه‌گيري شعاع و سرعت دوران اتم، مي‌توان به طور مستقيم جرم اتم را اندازه‌گيري كرد.

مشكلات سنگين‌وزن
بلاك مي‌گويد: «با استفاده از اين روش، ما توانستيم دقت اندازه‌گيري جرم را تا حد خيلي زيادي ارتقا بخشيم. اين تله مي‌تواند جرم يك اتم را با دقتي برابر با اندازه‌گيري جرم يك انسان صد كيلوگرمي در ابعاد ميلي‌گرم اندازه بگيرد. در مورد يك ايزوتوپ، يعني نوبليوم 253، اندازه‌گيري اخير تا پنج برابر دقيق‌تر از تخمين‌هاي قبلي است».

رالف ديتمار هرزبرگ، دانشمند فيزيك هسته‌اي در دانشگاه ليورپول انگلستان، تا حدي تحت تاثير اين روش اندازه‌گيري قرار گرفته كه نتايج آن را از ديوار آزمايشگاهش آويزان كرده ست. او مي‌گويد: «قطعا اين يك كار خيلي خيلي خوب است».

اندازه‌گيري دقيق جرم عناصر شناخته‌شده‌اي مانند نوبليوم مي‌تواند دانشمندان را قادر سازد تا پژوهش‌هاي خود را براي يافتن عناصر سنگين‌تر بهبود ببخشند، مانند آنهايي كه تصور مي‌شود جزو مجموعه جزيره پايداري باشند. اين محدوده از جدول هسته‌اي (كه در آن به جاي تعداد پروتون‌ها تعداد نوترون‌ها نوشته شده است)، جاي عناصري است كه خيلي خيلي سنگين‌تر از هر چيز ديگري است كه تاكنون ديده شده است. كار اخير دانشمندان را قادر مي‌سازد تا چنين اجرامي را بدون روبرو شدن با مشكلات محاسبه جرم هسته‌هاي «فرزند» و «نوه» هسته اصلي، خيلي دقيق‌تر محاسبه كنند.

تصور مي‌شود كه برخي از هسته‌ها در جزيره پايداري براي چندين سال و يا حتي بيشتر از آن نيز پايدار بمانند، كه به اين معني است كه آنها را مي‌توان براي مدت‌هاي طولاني ذخيره كرد؛ امري كه در صورت تحقق آن مي‌توان آينده‌اي را متصور شد كه در آن سوخت‌هاي هسته‌اي بسيار كارامد براي سفر به اعماق فضا در دسترس بشر قرار گيرد.

ولي هرزبرگ بر اين باور است كه اين كار حتي براي آينده نزديك باارزش است. به گفته او، نظريه كنوني هسته‌اي نمي‌تواند به طور دقيق اجرام ساختارهاي هسته‌اي سنگين‌ترين عناصر را پيش‌بيني كند. اندازه‌گيري مستقيم به بهبود آن كمك مي‌كند و براي مثال مي‌تواند با مشخص كردن ساختار هسته‌هاي در حال فروپاشي، به يافتن روش‌هاي كارامدتر براي خلاص شدن از شر زباله‌هاي هسته‌اي هم كمك كند.

منبع:خبرآنلاين

ديدن اجسام پشت ديوار هم امكان‌پذير شد

ديدن اجسام از پشت موانع، يكي از آرزوهاي بشر در طول تاريخ محسوب مي‌شود. به تازگي فيزيك‌دانان موفق شده‌اند با پيش‌بيني الگوي پراكندگي پرتوهاي نور عبوري از مواد مات، تصوير اجسام پشت آنها را بازسازي كنند.

بهنوش خرم‌روز: شايد فكر كنيد فناوري تازه رويت اجسام از پشت اجسام كدر همان استفاده از پرتوهاي ايكس باشد، اما اين طور نيست. اين روش، راه تازه‌اي است كه براي انتقال تصاوير ساده از ميان اشيا كدر با استفاده از نور معمولي پيدا شده است. فيزيكدانان از اين روش براي انتقال تصوير از ميان شيشه‌اي كه با رنگ پوشانده شده استفاده مي‌كنند.

هر جسمي يا شفاف است، يا كدر محسوب مي‌شود،‌ يعني ما نمي‌توانيم از پشتش چيزي ببينيم؛ و يا كمي مات است و مي‌تواند بعضي نورها را از خود عبور بدهد. با اين حال،‌ نور هنگام عبور از شبكه‌بندي اتمي اين مواد مات، پراكنده مي‌شود و فيزيكدانان معتقدند همين مسئله،‌ نكته كاربردي براي ديدن اشيا از پشت اجسام كدر است.

به گزارش نيوساينتيست، در سال 2007/ 1386 آزمايشي براي تمركز نور و عبور آن از پوست تخم‌مرغ و دندان انسان ترتيب داده شد كه نشان داد چنين كاري عملي نيست. اما اين بار فيزيكداني به نام سيلوين گيگان با همكارانش در موسسه فيزيك و شيمي صنعتي پاريس،‌ موفق شده براي اولين بار تصاوير ساده را از اجسام كدر عبور دهد به طوري كه در طرف ديگر بتوان تصوير را ديد.

رسيدن به تصوير
اين گروه با معكوس كردن فرايند پراكنده شدن نور،‌ توانستند از نوري كه از لايه‌هاي رنگي و كدر عبور كرده بود، تصوير را بازسازي كنند. فرايند پراكندگي نور پيچيده است، ‌اما پيش‌بيني‌پذير هم هست،‌ چون يك موج نوري مشخص هميشه يكسان پراكنده مي‌شود.

نحوه‌اي كه هر شي نور را پراكنده مي‌كند به عنوان ماتريس انتقال آن شي شناخته مي‌شود. به گفته گيگان، اگر لايه رنگ را به عنوان يك ماز براي نور در نظر بگيريم،‌ آن وقت مي‌توان ماتريكس انتقال شي را به صورت نقشه در نظر گرفت.

گروه گيگان با 1000 بار تاباندن باريكه‌هاي ليزر ضعيف،‌ توانستند ماتريكس انتقال شيشه رنگ‌شده خودشان را به دست بياورند،‌ بدين صورت كه شكل باريكه ليزر را هر بار با استفاده از يك تعديل‌كننده نور فاصله‌اي تغيير مي‌دادند.

تعديل‌كننده نور فاصله‌اي همان دستگاهي است كه براي كنترل نور خروجي ويدئو پروژكتور به كار مي‌رود. در طرف ديگر شيشه كدر هم يك دوربين‌ ديجيتال الگوهاي متفاوت پراكندگي نوري كه در هر زمان توليد مي‌شود را تشخيص مي‌دهد. با مقايسه آن‌چه دوربين با اعمال تغييرات روي باريكه ليزر مي‌بيند، ماتريكس انتقال شي با رنگي كه دارد محاسبه مي‌شود.

تصوير نامرئي
بدين ترتيب،‌ اگر يك تصوير ساده به شيشه رنگي تابانده شود، يك فرد عادي مي‌تواند تنها درخششي را در آن حس كند. اما با دانستن ماتريس انتقال، اين گروه مي‌توانند كد رد كم‌نور و نامشخصي كه به دوربين ديجيتال مي رسد را شناسايي كنند و به تصوير مورد نظر برسند.

گيگان در اين مورد مي‌گويد: « وقتي ماتريس انتقال شناخته شده باشد، بازسازي تصوير به سرعت عملي مي‌شود. بدين ترتيب ما مي‌توانيم به تصويري را كيفيت برسيم.»

با اين حال تصاويري كه در اين آزمايش‌ها مورد استفاده قرار گرفتند بسيار ساده بودند و هنوز تا رسيدن به امكان انتقال تصاوير جالب زمان زيادي مانده است. تصاوير به كار رفته 256 پيكسلي بودند و با بالا بردن پيكسل‌ها،‌ كيفيت تصوير بازسازي شده به سرعت كاهش مي‌يابد چون نسبت سيگنال به نويز كاهش مي‌يابد. با اين وجود به گفته گيگان هنوز جا براي پيشرفت با مطالعات بيشتر در اين زمينه وجود دارد.

كساني كه آزمايش 2007/ 1386 را ترتيب داده بودند، الارد موسك و همكارش ولكوپ در هلند، بسيار تحت تاثير نتايج اين مطالعه قرار گرفته‌اند. آن‌ها مي‌گويند:‌ » ما مي‌توانيم ببينيم كه اين مطالعه آغاز راهي بلند و جذاب است.» موسك هم در تاييد نظر گيگان مي‌گويد: « با اين كه در حال حاضر اين تكنيك براي تصاوير 256 پيكسلي جواب مي‌دهد،‌ اما گروه‌هاي ديگر در سراسر جهان مي‌توانند با الهام از اين كار تصاوير بزرگ‌تر و پيچيده‌تري را از اجسام كدر عبور بدهند.»

 

منبع: خبرآنلاين

 

سنگ‌ريزه‌اي كه ديوار صوتي را شكست

خيلي‌ها فكر مي‌كنند دست‌يابي به سرعت‌هاي مافوق‌صوت به هنگام شليك گلوله يا پرواز جنگنده‌ها مي‌تواند روي دهد، اما حتي سنگ‌ريزه‌اي كه در آب فرو مي‌افتد، هوا را به سرعت‌ بيشتر از 340 متر بر ثانيه مي‌رساند.

ابوالفضل كريمي: اگر تصور مي‌كنيد اين تصوير يك هواپيما يا يك پرنده است، در اشتباهيد. اين تصوير سنگي در حال فرو رفتن در آب است. شايد اين منظره معمولي به‌نظر برسد، اما نكته جالب اين واقعه آن است كه دانشمندان تخمين مي‌زنند جريان هوايي كه از اين برخورد به وجود مي‌آيد، از سرعت يك گلوله نيز بالاتر است.

به گزارش نيوساينتيست، زماني كه شيئي مانند يك سنگ داخل آب مي‌افتد ، حفره‌اي از هوا داخل آب توليد مي‌شود كه مي‌تواند هوا را با سرعتي مافوق سرعت صوت از داخل آب به بيرون بفرستد. اين كشف توسط استفان كگل و همكارانش از دانشگاه Twente واقع در هلند انجام گرفته است.

اين گروه با استفاده از تصويربرداري با سرعت بسيار بالا ، حفره‌اي از هوا را ثبت كردند كه به شكل يك ساعت شني در آب تشكيل مي‌شود. بالاي اين ساعت شني در حقيقت، سطح آبي است كه شيء با آن برخورد كرده و پايه آن را شيء در حال فرو رفتن در آب تشكيل مي‌‌دهد.

اين تيم تحقيقاتي براي اندازه‌گيري سرعت هوايي كه از بالاي سطح آب خارج مي‌شود، آب را به رنگ مشكي در آوردند. اما با وجودي كه دوربين آن‌ها مي‌توانست در هر ثانيه 15هزار تصوير ثبت كند، گروه تحقيقاتي باز هم موفق نشد اين سرعت را به طور مستقيم اندازه‌گيري كند. اين بدان معني بود كه سرعت هواي خروجي خيلي بيشتر از انتظار آنهاست. بنابراين آن‌ها تصميم گرفتند با استفاده از شبيه‌سازي ، رفتار آب و هواي خروجي را بررسي كنند.

با انجام اين كار، محققان متوجه شدند درست قبل از آن‌كه حفره تشكيل شده بسته شود، فشار هوا در انتهاي اين ساعت شني نسبت به گردنه آن بسيار بالاتر مي‌رود و اين تفاوت فشار، هوا را با سرعتي فراتر از سرعت صوت به بيرون مي‌فرستد.

 

منبع : Khabaronline.ir

راز ساختار غیربلوری شیشه کشف شد

راز ساختار غیربلوری شیشه کشف شد
فیزیکدانان بین المللی با هدف ساخت اشیای جدید فوق مقاوم کشف کردند که چگونه اتمها در داخل ساختار غیربلوری شیشه در کنار هم چیده می شوند.

به گزارش خبرگزاری مهر، شیشه نوعی ماده بی نظم و غیربلوری است که در آن اتمها با ساختارهای منظم از نوع بلور کنار هم چیده نمی شوند. این ماده کاملا جامد نیست و در واقع مایعی با بیشترین سطح چسبندگی است.

اکنون تیمی از محققان دانشگاه بریستول انگلیس در همکاری با محققان ژاپنی و استرالیایی موفق شدند نشان دهند که ذرات شیشه در مدت جامدشدگی در ساختارهایی به شکل بیست وجهی که مانع تشکیل بلور می شوند در کنار هم قرار می گیرند.

در حقیقت در تفاوت با بلورهای جامد که در آنها اتمها در میان خود با پیوندهای شیمیایی در ساختارهای هندسی منظم ثابت می مانند، شیشه تنها به این دلیل جامد به نظر می رسد که اتمهای نزدیک به هر ذره به طور فیزیکی از جنبش آن ممانعت می کند. به طوری که ذره جانبی مانع حرکت همسایه خود می شود.

این محققان با شبیه سازی تجربی، یک تئوری قدیمی 50 ساله را تائید کردند. این تئوری در خصوص بسیاری از ویژگیهای این ماده توضیح می دهد و می تواند در ساخت فلزات غیر بلوری که نسبت به فلزات سنتی بسیار مقاوم تر هستند کاربرد داشته باشد.

تاکنون عدم امکان مشاهده ساختارهای بسیار کوچک با میکروسکوپ مانع اصلی درک ساختار داخلی شیشه به شمار می رفت اما اکنون این دانشمندان که نتایج یافته های خود را در مجله "نیچر مواد" منتشر کرده اند از ذرات ویژه ای در یک محلول کلوئیدی استفاده کردند که رفتار اتمها را در مدت فرایند جامدشدگی نشان می دهد.

به گفته این محققان، برپایه این کشف اکنون امکان ساخت مواد نوآورانه ساخته شده از فلزاتی که ساختاری مشابه ساختار شیشه دارند فراهم می شود. موفقیت در ساخت این نوع فلز جدید به منزله ساخت اشیایی با مقاومت بسیار بالا است.

فشارسنج و آسمانخراش

توضيح دهيد که چگونه مي توان با استفاده از يک فشارسنج ارتفاع يک آسمان خراش را اندازه گرفت؟

سوال بالا يکي از سوالات امتحان فيزيک در دانشگاه کپنهاگ بود.
يکي از دانشجويان چنين پاسخ داد: "به فشار سنج يك نخ بلند مي بنديم. سپس فشارسنج را از بالاي آسمان خراش طوري آويزان مي کنيم که سرش به زمين بخورد. ارتفاع ساختمان مورد نظر برابر با طول طناب به اضافه‌ي طول فشارسنج خواهد بود."
پاسخ بالا چنان مسخره به نظر مي آمد که مصحح بدون تامل دانشجو را مردود اعلام کرد. ولي دانشجو اصرار داشت که پاسخ او کاملا درست است و درخواست تجديد نظر در نمره ي خود کرد. يکي از اساتيد دانشگاه به عنوان قاضي تعيين شد و قرار شد که تصميم نهايي را او بگيرد.
نظر قاضي اين بود که پاسخ دانشجو در واقع درست است، ولي نشانگر هيچ گونه دانشي نسبت به اصول علم فيزيک نيست. سپس تصميم گرفته شد که دانشجو احضار شود و در طي فرصتي شش دقيقه اي پاسخي شفاهي ارائه دهد که نشانگر حداقل آشنايي او با اصول علم فيزيک باشد.
دانشجو در پنج دقيقه ي اول ساکت نشسته بود و فکر مي کرد. قاضي به او يادآوري کرد که زمان تعيين شده در حال اتمام است. دانشجو گفت که چندين روش به ذهنش رسيده است ولي نمي تواند تصميم گيري کند که کدام يک بهترين مي باشد.
قاضي به او گفت که عجله کند، و دانشجو پاسخ داد: "روش اول اين است که فشارسنج را از بالاي آسمان خراش رها کنيم و مدت زماني که طول مي کشد به زمين برسد را اندازه گيري کنيم. ارتفاع ساختمان را مي توان با استفاده از اين مدت زمان و فرمولي که روي کاغذ نوشته ام محاسبه کرد."
دانشجو بلافاصله افزود: "ولي من اين روش را پيشنهاد نمي کنم، چون ممکن است فشارسنج خراب شود!"
"روش ديگر اين است که اگر خورشيد مي تابد، طول فشارسنج را اندازه بگيريم، سپس طول سايه ي فشارسنج را اندازه بگيريم، و آنگاه طول سايه ي ساختمان را اندازه بگيريم. با استفاده از نتايج و يک نسبت هندسي ساده مي توان ارتفاع ساختمان را اندازه گيري کرد. رابطه ي اين روش را نيز روي کاغذ نوشته ام."
"ولي اگر بخواهيم با روشي علمي تر ارتفاع ساختمان را اندازه بگيريم، مي توانيم يک ريسمان کوتاه را به انتهاي فشارسنج ببنديم و آن را مانند آونگ ابتدا در سطح زمين و سپس در پشت بام آسمان خراش به نوسان درآوريم. سپس ارتفاع ساختمان را با استفاده از تفاضل نيروي گرانش دو سطح بدست آوريم. من رابطه هاي مربوط به اين روش را که بسيار طولاني و پيچيده مي باشند در اين کاغذ نوشته ام."
"آها! يک روش ديگر که چندان هم بد نيست: اگر آسمان خراش پله ي اضطراري داشته باشد، مي توانيم با استفاده از فشارسنج سطح بيروني آن را علامت گذاري کرده و بالا برويم و سپس با استفاده از تعداد نشان ها و طول فشارسنج ارتفاع ساختمان را بدست بياوريم."
"ولي اگر شما خيلي سرسختانه دوست داشته باشيد که از خواص مخصوص فشارسنج براي اندازه گيري ارتفاع استفاده کنيد، مي توانيد فشار هوا در بالاي ساختمان را اندازه گيري کنيد، و سپس فشار هوا در سطح زمين را اندازه گيري کنيد، سپس با استفاده از تفاضل فشارهاي حاصل ارتفاع ساختمان را بدست بياوريد."
"ولي بدون شک بهترين راه اين مي باشد که در خانه ي سرايدار آسمان خراش را بزنيم و به او بگوييم که اگر دوست دارد صاحب اين فشارسنج خوشگل بشود، مي تواند ارتفاع آسمان خراش را به ما بگويد تا فشارسنج را به او بدهيم!"

این دانشجو کسی نیست جز نيلز بور، فيزيکدان دانمارکي.

 

عکس های زیبای فناوری نانو

 

First place winners Nano-Explosions Color-enhanced scanning electron micrograph of an overflowed electrodeposited magnetic nanowire array (CoFeB), where the template has been subsequently completely etched. It’s a reminder that nanoscale research can have unpredicted consequences at a high level

Image: Fanny Beron, École Polytechnique de Montréal, Montréal, Canada) Bamboos for Vibration Control Ni-Mn-Ga melt-extracted fibers with an approximate diameter of 100 µm showing a bamboo-type structure (imaged with a backscattered electron detector in an FEG-SEM). Melt-extraction is a unique and novel method to prepare single-crystalline particles for magnetic shape memory composites. (Image: Oliver Gutfleisch, IFW Dresden, Institute of Metallic Materials, Dresden, Germany)

Dirty Dice Self-assembled 200 micron size nickel dice, imaged using scanning electron microscopy in the lower secondary electron (LEI) mode. The dice were colorized using Adobe Photoshop. (Image: Timothy Leong, The Johns Hopkins University, Baltimore, USA) Second place winners

Beauty of Nature SEM image of CuInSe2 film with Cu2Se (plates) and InSe (needles) crystals on the surface. (Image:

Olga Volobujeva, Tallinn University of Technology, Tallinn, Estonia) Layered steps in Lanthanum Cobaltite The picture shows a colored image of the layered steps formed inside closed pores of La0.8Ca0.2CoO3, which were revealed due to fracture of the material. (Image: Siddhartha Pathak, Drexel University

Philadelphia, USA) Red Planet Combined 3-D representation of two images taken by scanning tunneling microscopy. The land is from an STM image of one monolayer of HATNA deposited on Au(111), and the sky is from an image of THAP/Au(111) exposed to a high background pressure of cobaltocene. (Image: Sieu Ha, Princeton University, Princeton, USA)

__________________

لرزش ديوارها هم برق توليد مي كند

تلويزيون ، يخچال و ساير لوازم برقي منزلتان را تصور كنيد كه نيروي خود را از انرژي توليد شده از لرزش پنجره و ديواره هاي ساختمان مسكوني شما مي گيرد.

فكر مي كنيد چنين چيزي تا چه حد عملي باشد؟ ماسايوكي ميازاكي كه يكي از محققان آزمايشگاه مركزي توكيوست ، براي رسيدن به چنين هدفي تلاشهاي فراواني كرده است.

او بتازگي توانسته است يك ژنراتور در حال حاضر خيلي كوچك بسازد كه مي تواند حركات ساختمان ها را به الكتريسيته تبديل كند و نيروي راه انداختن يك سنسور حرارتي يا نوري را كه يك بار در هر ساعت كار مي كند؛ تامين نمايد.

گرچه خروجي اين ژنراتور بسيار كوچك و فقط در حد 10ميكرووات است ؛ اما دانشمندان آينده اي خوب را براي آن پيش بيني مي كنند و اميدوارند كه در دهه هاي آينده ، اين ژنراتور بتواند بازدهي خوبي داشته باشد.
به طوري كه بتوان سيستم هاي رايانه اي بدون باتري را به كمك آن راه اندازي كرد.
كار ميازاكي در واقع قسمتي از يك جنبش رو به رشد ميان دانشمندان است كه هدف آن يافتن ، خلق كردن و كسب منابع انرژي جايگزين ولو در مقادير كوچك ، يعني بسيار كمتر از يك وات است. اين دانشمندان اميدوارند كه بتوانند انرژي را از هر چيزي ، از لرزش ديوارها و پنجره ها گرفته تا حركات هوا و بدن انسان ها برداشت كنند.
در حالي كه منابع جايگزين انرژي به تنهايي نخواهند توانست الكتريسيته بيشتري را توليد كنند؛ اما مي توانند وسايل كوچكي از قبيل تراشه هاي رايانه اي ، شبكه هاي حسگر بي سيم و يا تلفنهاي همراه را به راه اندازند. ايده اين كار نيز بسيار ساده است.

درست همانند برخي از ساعتهاي مچي كه نيروي خود را از حركات اتفاقي دست يك شخص مي گيرند، اين وسايل نيز انرژي خود را از حركات اتفاقي ديگر چيزها كسب مي كنند

يك باطري آبي

در يك تلاش ديگر از اين دست لاري كاستيوك از دانشگاه آلبرتاي كانادا در حال كار روي يك نوع باتري است كه نيروي خود را از آب مي گيرد، يعني توليد الكتريسيته به طور مستقيم از آب ، اما در مقياس بسيار كوچك.

در حال حاضر نيز واژه اي با نام هيدروالكتريسيته يا همان برق آبي وجود دارد و بيشتر افراد نيز با آن آشنا هستند.
در هيدروالكتريسيته ، آب از ارتفاعي به پايين مي ريزد و توربين ها را چرخانده و به اين ترتيب الكتريسيته توليد مي كند؛ اما روشي اين دانشمند باارزش كه ذكر شد، كاملا فرق دارد.

وي آب را تحت فشار قرار مي دهد و آنها را از كانال هاي ميكروسكوپي و بسيار بسيار ريز كه درون يك لوله شيشه اي قرار دارند، رد مي كند و به اين ترتيب مستقيما برق را از آب مي گيرد.

با عبور آب از سطح كانال ها، يونهاي آب به سطوح جامد ماليده مي شوند و شارژ الكتريكي شده و به كمك الكترودهايي كه در انتهاي هر يك از كانال ها قرار مي گيرند، انرژي الكتريكي استخراج مي شود.
گرچه جريان توليد شده در اين روش نيز بسيار كم و در حد 4 ميكرووات است ؛ اما اگر ميليون ها كانال با خصوصيات ذكر شده به يكديگر ملحق شوند، مي توان خروجي را افزايش داد و به اين ترتيب نيروي كافي خلق يك باتري آبي را به دست آورد.

منبع : khschool.ir

چه موقع اولين هواپيما، پرواز كرد؟

چه موقع اولين هواپيما، پرواز كرد؟

افسانه هاي قديمي نقل مي كنند كه بشر هميشه سعي مي كرده، به نحوي عمل پرواز را انجام دهد. براي مثال، «ايكاروس» و «دائه دالوس» از جمله كساني بودند كه سعي كردند با بال هائي كه از پر و موم ساخته بودند پرواز كنند. ولي اين آزمايش مدت صدها سال، مرگ بسياري را كه خواستند دوباره آزمايش را امتحان كنند، فراهم آورد. يعني وقتي بال هاي شكننده ساخته شده را با دست بر پشتشان مي بستند و از ارتفاعات بلندي خود را پرتاب مي كردند موجب مرگشان مي شد. بدين ترتيب كم كم بشر متوجه اين نكته شد كه انسان هرگز نمي تواند با تقليد از طرز پرواز پرندگان، در هوا به پرواز درآيد.

بنابراين يك وسيله جديدي بايد اختراع يا درست مي شد و تا آنجائي كه مي دانيم «راجر بيكن» اولين كسي بود كه پيشنهاد كرد: «ممكن است با ساختن موتوري كه يك نفر هدايت آن را بر عهده داشته باشد، به اين آرزوي ديرينه جامه عمل بپوشاند يعني عمل پرواز در هوا را انجام دهد.»!!

در قرن هفدهم، توجه بشر به پروازهاي «سبك تر از هوا» معطوف گرديد. بنابراين اولين پرواز با بالون هائي كه از هواي گرم و هيدروژن پر مي شدند انجام گرفت. گر چه يكي از معايب بزرگ بالون اين بود كه ساكنين بالون كاملاً در اختيار و دستخوش تغييرات هوا بودند و دائماً به وسيله باد اين طرف و آن طرف برده مي شدند. به اين ترتيب، بشر هنوز براي رسيدن به يك پرواز واقعي راه زيادي در پيش داشت.

اولين ماشين پرواز، سنگين تر از هوا، يك هواپيماي بي موتوري ساده بود كه در سال 1804 ساخته شد. ظرفيتش، 154 اينچ مربع بود كه روي يك ميله نصب شده بود و داراي دُمي هم در عقب بود. در سال 1848، «جان استرينگ فلو»، اولين كسي بود كه هواپيماي يك باله را كه به وسيله نيروي بخار به حركت در مي آمد، ساخت. طول اين هواپيما سي پا بود. پس از اين كه آزاد مي شد، به تدريج بالا مي رفت و با يك وسيله ساده اي هم كه روي آن نصب كرده بودند مي توانستند صعود آن را متوقف كرده و فرود ايند.

روسها ادعا مي كنند كه يك نفر روسي به نام الكساندر موژائيسكي، در سال 1882 اولين كسي بوده كه با يك هواپيماي بخاري، پرواز كرده است. در 1896 دكتر «ساموئل پيريونت لنگلي» توانست يك پرواز موفقيت آميز انجام دهد. بدين معني كه توانست 3250 پا با سرعت 25 ميل در ساعت پرواز كند. بال هواپيماي او، 16 پا طول داشت.

در 17 دسامبر 1903، «اوريل رايت» شروع به ساختن يك موتور براي هواپيماي خود كرد يعني با قدرت خود هواپيما را به هوا برد. البته اين يك پرواز با استاندارد امروزي نبود و فقط 120 پا با سرعت 31 ميل در هر ساعت، ارتفاع مي گرفت. ولي همين هم كافي بود كه آوريل و برادرش ويلبر را مصمم سازد كه براي اولين بار هواپيمائي ساخته و پرواز دهند و پرواز آن به وسيله نيروي بخار نباشد، بلكه با قدرت خود هواپيما، به پرواز در آيد.

بالاخره معروفست كه يك نفر به نام « پرستون واتسون» پرواز موفقيت آميزي را در سال 1902 با يك هواپيماي دو باله اي كه موتور در آن كار گذاشته بودند، انجام داد. ولي اين ادعا تا به حال رسماً تأييد نگرديده است.

منبع : jadidtarin.com

آیا شیطان وجود دارد؟

استاد دانشگاه با این سوال ها شاگردانش را به یك چالش ذهنی کشاند.

آیا خدا هر چیزی که وجود دارد را خلق کرد؟

شاگردی با قاطعیت پاسخ داد:"بله او خلق کرد"

استاد پرسید: "آیا خدا همه چیز را خلق کرد؟"

شاگرد پاسخ داد: "بله, آقا"

استاد گفت: "اگر خدا همه چیز را خلق کرد, پس او شیطان را نیز خلق کرد. چون شیطان نیز وجود دارد و مطابق قانون که کردار ما نمایانگر صفات ماست , خدا نیز شیطان است"

شاگرد آرام نشست و پاسخی نداد. استاد با رضایت از خودش خیال کرد بار دیگر توانست ثابت کند که عقیده به مذهب افسانه و خرافه ای بیش نیست.

شاگرد دیگری دستش را بلند کرد و گفت: "استاد میتوانم از شما سوالی بپرسم؟"

استاد پاسخ داد: "البته"

شاگرد ایستاد و پرسید: "استاد, سرما وجود دارد؟"

استاد پاسخ داد: "این چه سوالی است البته که وجود دارد. آیا تا کنون حسش نکرده ای؟ "

شاگردان به سوال مرد جوان خندیدند.

مرد جوان گفت: "در واقع آقا, سرما وجود ندارد. مطابق قانون فیزیک چیزی که ما از آن به سرما یاد می کنیم در حقیقت نبودن گرماست. هر موجود یا شی را میتوان مطالعه و آزمایش کرد وقتیکه انرژی داشته باشد یا آنرا انتقال دهد. و گرما چیزی است که باعث میشود بدن یا هر شی انرژی را انتقال دهد یا آنرا دارا باشد. صفر مطلق (460- F) نبود کامل گرماست. تمام مواد در این درجه بدون حیات و بازده میشوند. سرما وجود ندارد. این کلمه را بشر برای اینکه از نبودن گرما توصیفی داشته باشد خلق کرد." شاگرد ادامه داد: "استاد تاریکی وجود دارد؟"

استاد پاسخ داد: "البته که وجود دارد"

شاگرد گفت: "دوباره اشتباه کردید آقا! تاریکی هم وجود ندارد. تاریکی در حقیقت نبودن نور است. نور چیزی است که میتوان آنرا مطالعه و آزمایش کرد. اما تاریکی را نمیتوان. در واقع با استفاده از قانون نیوتن میتوان نور را به رنگهای مختلف شکست و طول موج هر رنگ را جداگانه مطالعه کرد. اما شما نمی توانید تاریکی را اندازه بگیرید. یک پرتو بسیار کوچک نور دنیایی از تاریکی را می شکند و آنرا روشن می سازد. شما چطور می توانید تعیین کنید که یک فضای به خصوص چه میزان تاریکی دارد؟ تنها کاری که می کنید این است که میزان وجود نور را در آن فضا اندازه بگیرید. درست است؟ تاریکی واژه ای است که بشر برای توصیف زمانی که نور وجود ندارد بکار ببرد."

در آخر مرد جوان از استاد پرسید: "آقا، شیطان وجود دارد؟"

زیاد مطمئن نبود. استاد پاسخ داد: "البته همانطور که قبلا هم گفتم. ما او را هر روز می بینیم. او هر روز در مثال هایی از رفتارهای غیر انسانی بشر به همنوع خود دیده میشود. او در جنایتها و خشونت های بی شماری که در سراسر دنیا اتفاق می افتد وجود دارد. اینها نمایانگر هیچ چیزی به جز شیطان نیست."

و آن شاگرد پاسخ داد: شیطان وجود ندارد آقا. یا حداقل در نوع خود وجود ندارد. شیطان را به سادگی میتوان نبود خدا دانست. درست مثل تاریکی و سرما. کلمه ای که بشر خلق کرد تا توصیفی از نبود خدا داشته باشد. خدا شیطان را خلق نکرد. شیطان نتیجه آن چیزی است که وقتی بشر عشق به خدا را در قلب خودش حاضر نبیند. مثل سرما که وقتی اثری از گرما نیست خود به خود می آید و تاریکی که در نبود نور می آید.
 

نام مرد جوان یا آن شاگرد تیز هوش كسی نبود جز ، آلبرت انیشتن !

اثر زيمان

در حال حاضر مي‌دانيم كه اوربيتالهايي از قبيل از نظر انرژي برابرند و در غياب ميدان مغناطيسي نمي‌توان تفاوتي بين الكترونهايي كه اين اوربيتالها را اشغال كرده‌اند، قائل شد، ولي وقتي طيف نشري اتم هيدروژن در ميدان مغناطيسي مورد مطالعه قرار مي‌گيرد، وضعيت پيچيده‌تري پيدا مي‌كند. يعني هر خط طيفي حاصل از چندگانگي خطوط طيفي كه خارج از ميدان مغناطيسي بدست مي‌آيد، در ميدان مغناطيسي به چند خط طيفي فوق‌العاده نزديك به يكديگر تجزيه مي‌شود. مثلاً در مورد اتم سديم، همانطور كه در شكل نشان داده شـده است، اين رويداد موجب مي‌شود كه هر يك از دو خط طيفي اصلي آن به چندين خط تفكيك شود. چنين وضعيتي كه به ساختار ظريف خطوط طيفي موسوم است، اولين بار توسط زيمان (در سال 1896) مشاهده شد و اثر زيمان ناميده مي‌شود. اين اثر، با قبول دو درجه آزادي براي حركت الكترون يعني در نظر گرفتن دو عدد كوآنتومي اصلي و فرعي براي مشخص كردن انرژي الكترون در چرخش به دور هسته، قابل بررسي نيست. بلكه براي توجيه آن بايد سه درجه آزادي براي حركت الكترون يا به بياني ديگر، عدد كوآنتومي ديگري علاوه بر اعداد كوآنتومي اصلي و فرعي براي مشخص كردن دقيق وضعيت الكترون در فضاي اطراف هسته بايد در نظر گرفت. براي اين منظور، بايد قبول كرد كه وقتي الكترون، بدون وجود يك ميدان مغناطيسي خارجي، به دور هسته اتم مي‌چرخد مرجعي وجود ندارد تا بتوان سطح مشخصي براي مدار چرخش آن در نظر گرفت. به بيان ديگر، سطح مدار چرخش آن كاملاً اختياري است. اما وقتي الكترون در يك ميدان مغناطيسي خارجي به دور هسته مي‌چرخد، سطح مدار چرخش آن نسبت به راستاي ميدان مغناطيسي تغيير مي‌كند. زيرا الكترون (ذره باردار) ضمن چرخش به دور هسته، در نقش يك مغناطيس كوچك (با ممان مغناطيس) عمل مي‌كند. در نتيجه، در يك ميدان مغناطيسي (با شدت)، تحت تأثير قرار گرفته و سطح مدار چرخش آن دستخوش تغييراتي مي‌شود. اين تغييرات، ديگر اختياري نبوده بلكه از محدوديت كوآنتومي پيروي مي‌كند. بطوريكه تصوير بردار ممان مغناطيسي حاصل از چرخش الكترون بر روي اين سطوح، نسبت به راستاي ميدان، همواره بايد مضرب درستي از باشد. اين مضرب درست را كه به عدد كوآنتومي مغناطيسي موسوم شده است، با نشان مي‌دهند.

 

 

منبع : دانشنامه ي رشد

کشتن پشه با لیزر

مهندسان برنامه دفاع ضد موشک‌های بالستیک، دستگاهی ساخته‌اند که پشه‌ها را از فاصله‌ای مشخص، شناسایی و با تاباندن لیزر، آنها را از بین می‌برد. ادعا می‌شود کارایی این دستگاه در مقابله با بیماری مالاریا بسیار عالی است.

مهندسانی که تعدادی از آنها از سربازان باتجربه برنامه ضد موشکهای بالستیک آمریکا هستند، در حال کار بر روی پروژه‌ای هستند که خودشان، نام آن را حصار فتونیک نامیده‌اند. این وسیله از دوربینها و لیزرهایی استفاده میکند که پشهها را از فاصله مشخصی شناسایی کرده و به طور خودکار آنها را با لیزر، هدف قرار میدهد. این حصار فتونیک را که از نور خورشید انرژی می‌گیرد، میتوان در اطراف خانه یا دیگر ساختمانها قرار داد تا انسانها را از گزند این حشرات در امان نگاه داشت.

تصویر، پشه‌ای را نشان می‌دهد که در حین آزمایش وسیله جدید ضد پشه مالاریا با یک لیزر مورد هدف قرار گرفته است. حق امتیاز این ابزار به نام شرکت Intellectual Ventures ثبت شده است

یکی از مهم‌ترین سوال‌هایی که طی این تحقیقات مطرح شد، این بود که چه میزان نیرو برای کشتن یک پشه لازم است. شاید به میزانی که به دی.ان.ای آن آسیب برساند، اما باعث بلند شدن دود از آن نشود.

 

 

تله پورت چیست؟ انتقال انسان و اشیاء بصورت نور

طرفداران سريال تلويزيوني پيشتازان فضا Star Trek علاقه فراواني به درك چگونگي تله پورت دارند. در اين سريال هنرپيشگان فيلم پس از قرار گرفتن در نقطه ‌اي از سفينه اينترپرايز كه ترانسپورتر نام دارد خود را در يك آن به اتاقي ديگر، سياره‌ اي ديگر و يا كهكشاني ديگر مي‌فرستند.
نويسندگان داستانهاي علمي ــ تخيلي به اين تكنولوژي تله پورت نام داده ‌اند و در آن تمام ذرات جسم انسان از يك موقعيت جغرافيايي به موقعيت ديگري در كهكشان ارسال شده و در مقصد همان جسم با مشخصات واقعي مجدداً بازسازي مي‌شود. چگونگي عمليات انتقال كوانتمي در داستانها و فيلمهاي سينمايي و تلويزيوني توضيح داده نشده است. ولي عموماً به اين صورت اتفاق مي‌افتد كه در ابتدا اطلاعات مولكولي اجسام را اسكن كرده و پس از ارسال به مقصد، اطلاعات دريافت شده كاملا شبيه اصل بازسازي مي‌شود. در مرحله آخر مونتاژ اطلاعات دريافتي لزوماً نبايد از مواد جسم اصلي استفاده شود و مي‌توان از اتمهايي كه به نسخه اصلي شباهت دارند استفاده كرد. دستگاه تله پورت در داستانهاي خيالي شباهت كامل به دستگاههاي فكس كنوني دارد و تفاوت آن در توانايي اسكن اجسام به صورت سه بعدي و از بين بردن همزمان اطلاعات اصلي اجسام است. تله پورت كوانتومي به انتقال ذرات اطلاعات كامپيوتري كه كيو بيت Quantum bits نام دارند اطلاق مي‌شود. علت نامگذاري اين تكنولوژي به تله پورت انتقال اجسام تبديل شده به كيو بيت به يك محل ديگر است.
علم با تئوري داستانها خيالي سريال پيشتازان فضا موافق نيست اما در دهه گذشته دانشمندان قدمهاي بزرگي در بخش تله پورت كوانتوم برداشته ‌اند. در ابتدا با موضوع تله پورت به صورت جدي برخورد نمي‌شد و دليل آن عدم اطمينان دانشمندان از مكانيسم اصول كوانتوم و عدم امكان اندازه گيري در مراحل اسكن و ارسال تمام ذرات اطلاعاتي اسكن شده يك اتم به مقصد بود. به زباني ساده تر آن چه كه با استفاده از تكنولوژي كوانتوم در مبدا اسكن مي‌شد قادر نبود مشابه خود را در مقصد مجدداً بازسازي كند. سرانجام گروهي شامل 6 محقق و دانشمند از كشورهاي مختلف براي مشكل اسكن كوانتومي يك راه حل منطقي يافتند. آنها با استفاده از تكنيكي كه �انشتاين ــ پودالوسكي ــ روسن� نام دارد به مشكلات انتقال اطلاعات با كوانتوم خاتمه دادند.
در سال 1993 اين 6 دانشمند كه چارلز اچ بنت از آي بي ام و ويليام ووتر فيزيكدان دانشگاه ويليامز ماساچوست عضو آن بودند موافقت اصولي خود را با امكان ساخت نوعي تله پورت جهت انتقال اشياء در صورت از بين بردن نسخه اصلي ابراز داشتند. پس از گذشت يك سال پروژه تله پورت به صورت آزمايشي در سيستم‌هاي گوناگون آغاز شد. در ابتداي پروژه يك فوتون، منبع نور منسجم، چرخش هسته‌ اي و يون محصور شده مورد آزمايش قرار گرفت.
ويليام ووتر در سال 1993 در مقاله ‌اي انجام تئوري تله پورت به طريق كوانتوم را عملي دانست. به نظر او تنها اطلاعات كوانتومي مي‌تواند ضمن جابجايي اجسام نسخه اصلي را در مقصد از بين برده و اجازه تكثير و يا كپي برداري از آن را ندهد. اطلاعات كوانتومي اشيا را جسم تلقي مي‌كند و نمي‌تواند بدون نابود كردن اصل شبيه آن را مجدداً خلق كند. تفاوت بين فكس و تله پورت در اين است كه دستگاه فكس نسخه ناقص غير دقيق و مبهمي را چاپ مي‌كند و نسخه اصلي را دست نخورده باقي مي‌گذارد. ووتر و همكارانش نشان دادند از مشكلات اصولي كوانتوم عدم توانايي در اندازه گيري و اسكن دقيق ذرات بسيار ريز اتم در مبدا است كه سبب مي‌شود مشابه جسم در مقصد دقيقاً مانند اصل آن نباشد. ووتر با ارائه تئوري ديگري كه از فرضيه Spooky action at a distance �عمليات شبح و روح در فاصله دور� الهام گرفته اعتقاد دارد اگر 2 ذره را با هم ارتباط داده و درگير كنيم، آنها در موقعيتي قرار خواهند گرفت تا مانند يك شي عمل كنند. هر عمل و تغييري كه در اصل يكي از آنها وارد كنيم دقيقاً منجر به ايجاد همان تغيير در ديگري خواهد شد اگر چه فاصله بين دو ذره بسيار زياد باشد

Entanglement
روش درگيري در ارتباط دو ذره اطلاعاتي دور از هم است. پس از برش فوتون و تقسيم آن به دو قسمت، فوتون‌ تقسيم شده در جهت مخالف ديگري به حركت درآمده و در واقع تله پورت مي‌شود در چنين شرايطي انجام هر تغييراتي در فوتون اوليه فوتون دوم را هم تحريك كرده و اثرات تغيير در آن هم مشاهده خواهد شد.
ساموئل برانشتاين تئوري ووتر را تائيد كرده و آن را به گونه ديگري توضيح مي‌دهد. او مي‌گويد فرضيه درگيري و ارتباط ذره ‌ها با يكديگر مانند رابطه عاشقانه بين دو زوج است كه كاملاً به خصوصيات اخلاقي طرف ديگر خود آشنا هستند و مي‌توانند به جاي ديگري به هرگونه سئوالي پاسخ دهند اگر چه در ميان آنها هزاران مايل فاصله باشد.
از ديگر موفقيت‌هاي تئوري تله پورت در سال 1993، انتقال تعدادي كيو بيت با كمك فوتون از يك آزمايشگاه واقع در زيرزمين دانشكده پزشكي به آزمايشگاهي ديگر در فاصله 2 كيلومتري است. اين آزمايش به نام گيسين از ديگر اعضاي تيم فيزيكدانان و 20 تن از دانشجويان فارغ ‌التحصيل بخش تحقيقات دانشگاه ژنو كشور سوئيس به ثبت رسيده است. گيسين يك سال پس از آن به ركورد ديگري دست يافت و توانست با موفقيت يك فوتون را در مسافت 4 مايلي جابجا كند.
ابتدا در سال 1997 و سپس در سال 1998نيكلاس گيسين در راس تيمي از دانشمندان موفق به انتقال اولين حجم نوري 2 بعدي به نقطه ‌اي ديگر (از يك گوشه ميز به گوشه ديگر ميز) شد.
ساموئل برانشتاين پرفسور مشهور رشته انفورماتيك دانشگاه بنگور ولز انگلستان انجام آزمايشهاي موفقيت آميز گيسين را قدم مهمي در رسيدن به هدف تله پورت دانست.
تله پورت در صورت رسيدن كامل به اهداف آن براي انسان بسيار مفيد خواهد بود. نيكلاس گيسين مي‌گويد با تكنولوژي فعلي تله پورت يك بعد فيزيكي مانند مداد بيشتر به رويا شباهت دارد و واقعيت اين است كه برخلاف داستانهاي خيالي، دانشمندان حتي راجع به انتقال انسان فكر هم نمي‌كنند. در آينده نزديك از كوانتوم در بخشهاي گوناگون علم و در حل مشكلات روزانه اشخاص و كسب و كار، كامپيوتر، تلفن راه دور، ارتباط با اينترنت، سيستم‌هاي امنيتي، نقل و انتقال الكترونيكي وجوه بانكي و راي گيري الكترونيكي استفاده خواهد شد.
آنتون زيلينگر فيزيكدان دانشگاه وين در اتريش از اعضاي تيم تله پورت كوانتومي در سال 1997 بود. او اعتقاد دارد تكنولوژي كوانتوم در آينده نزديك ابتدا كامپيوتر و روشهاي ارتباطي و مخابراتي را متحول خواهد ساخت؛ تغييراتي مانند ارسال پيامهاي سري سوار بر امواج فيبر نوري توسط كامپيوتر جهت گشودن اسامي رمز بدون ترس از دستيابي شخص و يا كامپيوتر ديگري به آن رمز دور از ذهن به نظر نمي‌رسد.

پس از موفقيت تيم فيزيكدانان دانشگاه ملي اتريش در تله پورت نور از يك آزمايشگاه به آزمايشگاه ديگر دكتر ديويد وايت هاوس، سردبير بخش اخبار علمي بي بي سي به تعدادي از سئوالات شنوندگان خود در مورد جابجايي به راه دور پاسخ گفت.

جابجايي نور چه اثري بر زندگي مردم دارد؟
كامپيوترهاي بسيار سريع آينده بر اساس تشعشات نوري با به كارگيري انرژي اتم و يا مكانيسم كوانتوم طراحي خواهند شد و استفاده از نور و كوانتوم سرعت كامپيوترها را بيش از يك تريليون بار افزايش خواهد داد.

تله پورت انسان در سريال
Star Trek

چگونه انجام مي‌شود و آيا شباهتي با موفقيت‌هاي دانشمندان فيزيك دارد؟
در آن فيلم بدن انسان به ميلياردها ذره اطلاعاتي تبديل شده و پس از تله پورت، در مقصد كيوبيت‌ها مجدداً بازسازي شده و شخصيت و هويت هنرپيشه اصلي از بين رفته و كپي آن به زندگي ادامه مي‌دهد. اين تئوري هيچ شباهتي با فرضيه هاي دانشمندان ندارد

آيا زماني خواهد رسيد كه ما بتوانيم اشياء را به حركت در آوريم؟
با تكنولوژي موجود جواب منفي است. به نظر مي‌رسد جابجايي فوتون كه فاقد وزن است بيشترين موفقيت ما تا امروز بوده است. در چند سال آينده ما قادر خواهيم بود يك اتم را تله پورت كنيم، برخي از دانشمندان از آن هم فراتر رفته و مي‌‌گويند در آينده نه چندان دور ما شاهد جابجايي ويروس از يك نقطه به نقطه ‌اي ديگر خواهيم بود.

آيا سرانجام روزي خواهد رسيد تا انسان تله پورت شود؟
براي تله پورت انسان به دانشي بيش از آنچه كه اكنون در اختيار است احتياج داريم. ما بايد موقعيت دقيق هر اتم انسان را بدانيم تا مقدمات تله پورت انسان فراهم شود. اين تعداد اتم شايد بيش از عدد 1 با 19 صفر در مقابل آن باشد. براي جابجايي چنين اطلاعاتي با سريعترين سيستم ارسال موجود ما به زماني بيش از عمر كهكشان خود نياز داريم كه در حدود 15 ميليارد سال است. از مشكلات ديگر تله پورت انسان، مسائل حقوقي آن است به طور مثال اگر قرار باشد پس از تله پورت اصل نابود شود، آيا از بين بردن اصل جنايت تلقي مي‌شود؟ و يا چه كسي و يا سازمان مي‌تواند تطابق كامل ميان نسخه اصلي و بازسازي شده را تضمين كند؟
به هرحال دوستداران سريال تلويزيوني پيشتازان فضا احتمالاً بايد زمان زيادي را در انتظار باشند تا روياي تله پورت به واقعيت بپيوندد.

منبع: موج نیوز

 

نانو شيشه

 

نانو شيشه و سراميك با قرار گرفتن بر روي شيشه ها و سراميك ها و پوشاندن سطح آنها مانع از كثيف شدن و خيس شدن سطح مي شود و در نتيجه با يك بار بارش باران و يا آب ريختن بر روي سطح تمامي كثيفي آن از بين مي رود.
موارد استفاده از نانو شيشه و سراميك
۱-حفاظت از شيشه هاي پنجره ها و ويترين مغازه ها ۲-حمام و سرويس هاي بهداشتي ۳-سقفهاي شيشه اي، نماي ساختمانها و كاشيها ۴-كاشي هاي ديواري ۵-آينه ها ۶-سلولهاي خورشيدي ۷-دوش حمام، دستشويي ، وان حمام ۸-گلخانه ها ۹-صفحات نمايشگر، لنز دوربين، عينك
مزاياي استفاده از نانو شيشه و سراميك
۱-پس زدن آب از روي سطوح ۲-عدم چسبيدن آلودگي و كثافات بر روي سطوح ۳-عدم رسوب گرفتن سطوح ۴-عدم رؤيت توسط چشم ۵-پايدار نمودن سطوح در برابر فرسايش۶-ممانعت از خوردگي سطح توسط هوا ۷-جلوگيري از رشد قارچ ها ۸-سهولت پاكيزگي ۹-صرفه جويي در آب و مواد پاك كننده ۱۰-مقاومت بالا تا حدود 350 درجه سانتي گراد ۱۱-براي بدن مضر نمي باشد و مسموم كننده نيست
در اين بخش مايعي را به شما معرفي مي كنيم، كه مانع از ماندن آب و يا هر نوع آلودگي ديگر بر روي سطوحي همچون شيشه و سراميك مي شود. نانو شيشه ماده اي است كه باعث مي شود آلودگي بر روي شيشه خود به خود در كمتر از يك ثانيه پاك شود.
اين ماده كه بصورت مايع مي باشد و با آغشته نمودن سطح شيشه به يك لايه نازك و نارمئي از آن، مي توان از نشستن هر چيز بر روي شيشه جلوگيري كرد. اين مايع به مولكولهاي سطح شيشه ميچسبد و باعث منحرف شدن آب و آلودگي ديگر بر روي شيشه مي شود.


ديدگاه علمي
بايد توجه كنيد كه اين ماده يك لايه نيست كه بر روي سطوح كشيده شود، بلكه تغيير شيميايي در سطح مولكولي مي باشد، كه از آلوده شدن سطوح جلوگيري مي نمايد. اين تركيب آبگريز، نميگذارد تا آب و يا هر ذره ديگري بر روي سطح شيشه و يا سراميك بنشيند. اين ماده بسيار نازك و شفاف است و اصلا قابل مشاهده به وسيله چشم نيست و در نتيجه سطوح شفاف مانند شيشه ها و لنزهاي دوربين نيز به وسيله آن به راحتي محافظت مي شوند. اين ذرات نانو بر روي مولكولهاي سطوح مي چسبند و مانع از نفوذ هر نوع ماده ديگر بر روي سطح مي شوند. مي بينيد كه آب هرگز بر روي سطوح آغشته شده بوسيله اين ماده نمي ايستد، بنابراين اگر جسمي بر روي اين سطوح بنشيند تنها با ريختن آب بر روي سطح و يا باريدن باران پاك خواهد شد.
اگر بوسيله ميكروسكوپ به سطح شيشه نگاه كنيم مي بينيم كه سطوح شيشه اي كاملا صاف نمي باشند، بنابراين وقتي كه آب و يا هر آلودگي ديگري بر روي آنها بريزد به راحتي مي چسبد.
شيشه هايي كه با استفاده از فن آوري نانو ساخته مي شوند اجازه مي دهند كه آلودگي ها با آب تركيب شوند و به اين وسيله بدون دخالت هيچ ماده ديگري از روي شيشه سر بخورند. اين مواد همچنين مانع از رسوب نمكها بر روي سطوح شيشه مي شوند. همچنين اين مواد به وسيله آب، مواد پاك كننده و يا فشار فيزيكي از سطح شيشه جدا نمي شوند. اين محصول نانو تضمين مي كند كه از وضوح شيشه ها و همچنين شفافيت آنها كاسته نشود. نگهداري اين شيشه ها نيز بسيار ساده و كم هزينه است.

روش مصرف نانو شيشه و سراميك
توجه داشته باشيد كه قبل از استفاده از اين مواد، سطح شيشه يا سراميك بايد با فشار آب و يا بخار كاملا پاك شده و سپس خشك شود، به صورتي كه هيچگونه رطوبتي بر روي شيشه نباشد. همچنين سطح شيشه بايد از نظر شيميايي خنثي (‌نه خاصيت بازي داشته باشد و نه اسيدي) باشد، اين بدان معناست كه نبايد هيچ ماده اضافي (از جمله مواد پاك كننده) بر روي شيشه قرار داشته باشد. حال با يك پارچه كتاني و يا دستمال كاغذي خشك و تميز سطح را تميز مي كنيم. سپس مواد مورد نظر را با استفاده از يك اسپري بر روي سطح مي پاشيم و به سرعت توسط پارچه كتاني تميز آنرا كاملا روي شيشه مي گستريم. توجه كنيد كه نبايد اين مواد را چند بار بر روي يك سطح بريزيم، مطمن باشيد كه با همان يكبار، مواد كار خود را انجام مي دهند. به هيچ وجه بر روي سطوحي كه تازه مواد بر روي آنها قرار گرفته راه نرويد. محصول نبايد در هواي سرد و يا گرم قرار گيرد.
توجه: بعد از پايان كار مواد نانو بر روي شيشه ديده نخواهند شد. بهتر است تا 24 ساعت به سطوح دست نزنيد. همچنين در روي سطوح سراميك نيز مي توانيد 1 ساعت بعد از پايان كار راه برويد. بهتر است براي پاشيدن مواد بر روي سطوح از اسپري هاي مخصوص استفاده كنيد.

مقدار مصرف نانو شيشه و سراميك
هنگام مصرف مايع شيشه هاي نانو تكنولوژي بصورت دستي براي هر متر مربع 5 تا 25 ميلي ليتر (بنا به جنس سطح) مواد لازم مي باشد.( 1 ليتر در حدود 40 تا 180 متر مربع را پوشش مي دهد). اگر از اسپري هاي مخصوص استفاده كنيد (بنا بر جنس سطح مورد استفاده)‌ بين 5 تا 15 گرم براي هر متر مكعب مواد مصرف خواهد شد.
توجه:
ماده بايد در جاي خشك و خنك نگهداري شود.
مايع مي تواند تا 6 ماه در بسته بندي ارژينال خود سالم بماند.
بعد از باز كردن درب ظرف به سرعت آنرا مصرف نماييد

كريستال‌هاي برف و ساعت

 

هندسه دوجيني و كريستال‌هاي برف

 

شكل فوق انطباق رسم ستاره داوود توسعه يافته و عكس يك كريستال برف را نشان مي‌دهد ، شايد شكل فوق براي ما زياد جالب نباشد ولي اين تصوير براي علاقمندان به هنرهاي زيبا ، طراحي و گرافيك فوق‌العاده جالب است ، كافي است كه محل گذر خطوط موازي را از هر شش جهت به دقت برسي كنيد و به شگفتي‌هاي اين انطباق دست يابيد . كريستال‌هاي برف در ساختار كريستالي خود ، كاملا از اين رسم هندسي تبعيت مي‌كنند و اين موضوع مربوط به زاويه پيوند شيميايي عناصر اكسيژن و هيدروژن و پيوندهاي ملكولي ( يا هيدروژني ) آب در داخل شبكه كريستالي يخ ميشود كه در مباحث بعدي در مورد زواياي پيوندهاي شيميايي و ساختار هندسي كريستال‌ها و رابطه آنها با رسم ستاره داوود توسعه يافته ، مطالبي ارايه خواهد شد . يكي از شگفتي‌هاي خلقت خداوند متعال اين است كه از اول آفرينش تا آخر خلقت ، هيچ دو كريستال برف منجمد شده شبيه به هم و يكساني را نمي‌توان يافت ، در واقع شكل اين كريستال‌ها انحصاري بوده و هيچ وقت تكرار نمي‌شوند و بينهايت شكل ميتوان براي كريستال برف تصور نمود .

در شكل فوق محل تقاطع و مسير گذر خطوط را برسي كنيد .

به هر تعداد از كريستال‌هاي برف را كه مشاهده و برسي كنيم در نهايت به نتيجه مشابه قبلي مي‌رسيم . در واقع هيچ كريستال برف را نمي‌توان يافت كه تناسبات موجود در شكل توسعه يافته ستاره داوود را نقض كند . فقط اين موضوع را همواره بايد به ياد داشته باشيم كه با جزيي‌ترين حرارت محيطي بالاي صفر درجه اين كريستال‌ها تغيير شكل داده و ذوب ميشوند .

اين كريستال‌ها به قدري زيبا هستند كه ذوب شدن آنها انسان را اندوهگين مي‌كند ولي ذوب شدن آنها ، حياتي نو به طبيعت مي‌دهد و اين خود تسلي بخش و باعث برطرف شدن اندوه است و از طرف ديگر اين كريستال‌ها در شكل‌ها و طرح‌هاي ديگري مجددا شكل مي‌گيرند كه تصوير آنها ميتواند ياد و خاطره قبلي‌ها را زنده كند .





ساعت ؛ تقويم و ستاره داوود توسعه يافته

همانطور كه مي‌دانيم هر دقيقه 60=5*12 ثانيه و هر ساعت 60=5*12 دقيقه و شبانه روز 24=12*2 ساعت و هر هفته 7 روز و هر ماه قمري يا شمسي از 29 الي 31 روز و هر سال 12 ماه و هر سال شمسي چهار فصل و هر فصل سه ماه دارد ، كه بيانگر اين موضوع است كه در اندازه گيري زمان و حساب تقويم از رياضيات دوجيني استفاده شده است . همانطور كه مي‌دانيم هر ساعت 3600=60*60 ثانيه دارد كه در تقسيمات دايره از 360 درجه استفاده شده است كه تقسيمات زاويه نيز دقيقه و ثانيه ميباشد .

 

منبع:محمدرضا طباطبايي 9/8/86
http://www.ki2100.com/mat/time.htm

مهندسي مکانيک (مکانيک سيالات)«پيشينه ي ترموديناميک»

 

مطالعه ترمودینامیک را مهندسین قرن نوزدهم آغاز کردند؛ آنها می خواستند بدانند قوانین فیزیک چه محدودیت هایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می کنند. ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می کند. این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفا ماکروسکوپی صورت می گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند. برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می کند می تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.موتور درونسوز برای تبدیل یک نوع انرژی به نوعی دیگر ساخته شده است.در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می توان ماشینی ساخت که به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد. آنها مدتها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند. این طرحها محدودیتهای قوانین ترمودینامیک را رعایت نمی کردند. در این طرحها بدون انجام دادن کار انرژی گرفته می شد. هدف این بود که ابزار ساخته شده بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند. در شکل میله های کوتاه لولا شده، که به میخ ها تکیه دارند، وزنه ها را به چرخ متصل می کنند. وقتی میله ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می چرخاند. طراح می پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می دهد. اما آنچه در عمل اتفاق می افتد اینست که پس از یک دور چرخیدن، جرم ها در یک وضعیت متعادل باقی می مانند و حرکت متوقف می شود. در این راه کوششهای فراوانی صورت گرفت، اما هیچکدام عملی نبود.
طرحهایی که عملاً با شکست رو به رو شدند. یافته های حاصل از آزمایشان نشان داد که ساختن چنین ماشینی غیر ممکن است. قانوناول ترمودینامیک نیز چیزی نیست، مگر بیان همین بقای انرژی.
اگر تنها راه تغییر دادن انرژی یک دستگاه، انجام دادن کار روی دستگاه و یا واداشتن دستگاه به انجام کار بود، مسئله ساده بود. هر کاری که روی دستگاه انجام می دادیم در نهایت به صورت انرژی مکانیکی پس گرفته می شد. دادن گرما به دستگاه هم سبب بالا رفتن دمای آن می شود و وقتی جسم به دمای اولیه اش بازمی گشت، گرمایی را که قبلا گرفته بود عینا پس می داد. به این ترتیب می شد از نوعی انرژی مکانیکی داخلی دستگاه سخن گفت که عبارت بود از جمع جبری کار انجام یافته به وسیله دستگاه و کار انجام شده روی آن؛ در کنار آن دستگاه دارای یک محتوای گرمایی بود، که از جمع جبری گرمای داده شده به دستگاه و گرمای گرفته شده از آن محاسبه می گردید.

قوانين اول و دوم

 

 

ادامه نوشته

تصاویر قطبیده

 

 

این دو تصویر از یک منظره گرفته شده اند اما در سمت راست از یک فیلتر قطبشی استفاده شده است. ترکیب رنگ به نحوی تغییر کرده است که از نظر من تصویر قطبیده شده زیباتر به نظر میآید. آیا کسی توضیح کاملتری میتواند ارائه بدهد؟

 تصویر دیگر زیر نیز نشان دهنده تفاوت نور قطبیده با غیر قطبی است:

در نیمه بالایی این عکس نور قطبیده شده جمع آوری گردیده و در نیمه پایینی نور غیر قطبیده. نتیجه مستقیم اینست که اثرات بازتابی نیز نسبت به قطبش حساسیت دارند.

اما یک سوال: آیا آشکارساز های تصویر برداری (چشم انسان یا CCD دوربینهای دیجیتال) به قطبش نور هم وابسته اند؟

منبع: http://myphysics.blogfa.com/

 

آموزش برق به زبان ساده

بین الکترونها و پروتونها نیروی جاذبه و بین خودشان باهم نیروی دافعه وجود دارد که ماهیت این نیروها هنوز شناخته نشده است اما برای تحلیل ساده تر بارالکتریکی را مطرح کرده که برای الکترون با علامت منفی و برای پروتون با علامت مثبت مشخص شده است...

 

بين الكترونها و پروتونها نيروي جاذبه و بين خودشان باهم نيروي دافعه وجود دارد كه ماهيت اين نيروها هنوز شناخته نشده است اما براي تحليل ساده تر بارالكتريكي را مطرح كرده كه براي الكترون با علامت منفي و براي پروتون با علامت مثبت مشخص شده است.

● الكترون چيست؟

الكترون معناي يوناني كهربا است كهربا ماده اي است كه در مالش به پارچه پشمي باردار شده و خرده هاي كوچك كاه را جذب مي كنداين ربايش بعلت نيرويي مرموز اتفاق مي افتد كه يونانيان آن را الكتريسيته ناميده اند
▪ اجزاي ماده :
همه مواد از ملكولهاي شكل ميگيرند كه آنها نيز خود از اتمها ساخته مي شوند . اتمها از دو جز’ اصلي الكترون و هسته ساخته مي شوند كه الكترونها در مدارهاي مشخص بدور هسته در گردش مي باشند .
چه عاملي سبب ماندن الكترون در مدار مشخص خود مي شود ؟
بين الكترون و هسته نيروي جاذبه الكتريكي وجود دارد كه اندازه آن برابر نيروي دافعه گريز از مركز ناشي از چرخش سريع الكترون بدور هسته مي باشد

● درون هسته چيست ؟

هسته شامل ذرات بسياري است كه مهمتريت آنها از نظر جرم پروتون و نوترون است .

● بار الكتريكي چيست ؟

بين الكترونها و پروتونها نيروي جاذبه و بين خودشان باهم نيروي دافعه وجود دارد كه ماهيت اين نيروها هنوز شناخته نشده است اما براي تحليل ساده تر بارالكتريكي را مطرح كرده كه براي الكترون با علامت منفي و براي پروتون با علامت مثبت مشخص شده است.

● چگونه مي توان مواد را باردار كرد ؟

روشهاي باردار كردن ماده همان روشهاي توليد الكتريسيته است .بعبارت ديگر مي توان با استفاده از اين روشها الكتريسيته توليد كرد . ساده ترين اين روشها مالش دو ماده بهم است كه باعث مي شود الكترونها از يك ماده به ماده ديگري بروند و در نتيجه اختلاف بار بين دو ماده ايجاد شود . مثلا مالش يك ميله شيشه اي به يك پارچه پشمي سبب باردار شدن هر دو ماده مي شود كه يكي بار مثبت ( كمبود الكترون ) و ديگري بار منفي ( ازدياد الكترون) مي يابد.

● نيروي الكتريكي چيست ؟

بين بارهاي الكتريكي اعم از مثبت يا منفي نيروي الكتريكي وجود دارد اين نيرو به مقدار بار الكتريكي و فاصله آنها از هم بستگي دارد . مطابق قانون كولن مقدار نيرو از حاصل ضرب بارها در ضريب ثابتي كه به جنس محيط بستگي دارد تقسيم بر مجذور فاصله بين دو بار بدست مي آيد . اما در تحليل ساده تر هرچه مقدار بارها بيشتر باشد مقدار نيرو نيز بيشتر و هرچه فاصله آنها بيشتر شود مقدار نيرو نيز كمتر مي شود .

● مواد در حالت عادي از نظر بار الكتريكي چگونه اند ؟

همه مواد در حالت عادي داراي مقدار الكترون و پروتون مساويند به همين دليل از نظر برايند بارهاي الكتريكي خنثي مي باشند .

● چگونه مي توان يك ماده خنثي را باردار كرد ؟

هرگاه تعادل بين بارهاي مثبت و منفي در يك جسم خنثي بهم بخورد ماده بار دار شده است . بهمين منظور كليه روشهاي توليد الكتريسيته كاري نمي كنند جز برهم زدن تعادل بين بارهاي الكتريكي مثبت و منفي . مي دانيم كه الكترون نسبت به پروتون قابليت جابجايي و حركت بيشتري دارد . بنابراين مي توان با دادن يا گرفتن الكترون ماده را باردار نمود . اگر تعداد الكترونها بيشتر از تعداد پروتونها شود جسم بار منفي و در صورتي كه عكس اين حالت روي دهد جسم بار مثبت پيدا مي كند .

● باردار كردن مواد چه ربطي به توليد الكتريسيته دارد ؟

اجازه دهيد براي جواب به اين سوال نخست مواد را دسته بندي كنيم
▪ مواد از نظر هدايت الكتريكي به چند دسته تقسيم مي شوند ؟
همه مواد از نظر هدايت الكتريكي جز يك از سه دسته زير مي باشند
الف) هادي ها :
موادي كه براحتي برق را از خود عبور مي دهند
ب) عايقها :
موادي كه برق را از خود عبور نمي دهند
ج) نيمه هادي ها :
اين مواد در شرايط خاصي مانند هادي ها يا نيمه هادي ها عمل مي كنند . اما در حالت عادي برق را به مقدار ناچيز از خود عبور مي دهند

● جريان الكتريكي چيست ؟

هرگاه حاملهاي الكتريسيته ( الكترونها ) در يك هادي بحركت درآيند جريان الكتريكي ايجاد مي شوند . اما هر حركت الكتروني جريان برق نيست . بلكه اين حركت بايد در يك مسير مشخص باشد .هر چقدر الكترونهاي بيشتري در زمان كمتري در مسير مشخص حركت كنند مقدار جريان نيز بيشتر مي شود

● آمپر چيست ؟

براي دانستن ميزان جريان بايد بتوان آن را با عدد بيان كرد كه به همين منظور از واحد سنجش جريان كه همان آمپر است استفاده مي شود

● مقدار يك آمپر جريان چقدر است ؟

هرگاه از يك هادي تعداد ۲۸/۶ ضربدر ۱۰ بتوان ۱۸ الكترون در يك ثانيه بگذرد اين ميزان الكترون در زمان يك ثانيه معرف يك آمپر جريان الكتريكي است.

● ولتاژ چيست ؟

دانستيم هرگاه الكترونها در يك هادي در مسير مشخصي بحركت در آيند جريان الكتريكي ايجاد مي شود . اما الكترونها بدون دريافت نيرو و انرژي از مدار گردش بدور هسته خارج نمي شوند . بنا براين براي توليد جريان نياز به يك نيرو داريم كه آن را از منابع توليد نيرو مانند باتري مي گيريم . بعبارت ساده تر نيروي لازم جهت ايجاد جريان ولتاژ نام دارد كه واحد اندازه گيري آن ولت است.

● چگونه مي توان ولتاژ توليد كرد ؟

اين سوال پاسخ سوال ديگري نيز مي تواند باشد كه همان روشهاي توليد الكتريسيته است . مي دانيم كه انرژي توليد نمي شود بلكه از صورتي به صورت ديگر تبديل مي گردد . از آنجاييكه الكتريسيته هم انرژي است پس بايد تبديل شده انرژي هاي ديگر باشد . انرژيهايي كه بصورت متعارف براي توليد برق بكار مي رود عبارتند از : انرژي شيميايي در باتريها - انرژي مغناطيسي در ژنراتورها - انرژي نوراني در باتريهاي خورشيدي - انرژي حرارتي در ترموكوپلها - انرژي ضربه اي در پيزو الكتريك و غيره.

● مقاومت چيست ؟

الكترونها در هادي براحتي نمي توانند حركت كنند زيرا در مسير حركت آنها موانعي وجود دارد كه بطور ساده آنها را مقاومت هادي در برابر عبور جريان مي گوييم .هرچه قدر اين موانع كمتر باشد عبور جريان بهتر صورت ميگيرد و مي گوييم جسم هادي بهتري است . اين موضوع نخستين بار توسط سيمون اهم يك فيزيكدان آلماني مطرح شد . به همين دليل واحد اندازه گيري مقاومت اهم است.

● منظور از مدار الكتريكي چيست ؟

حال با دانستن سه فاكتور اساسي در برق ( جريان ولتاژ مقاومت ) مدار الكتريكي را تعريف مي كنيم : هر مدار الكتريكي يك مجموعه از توليد كننده برق - مصرف كننده آن و سيمهاي ارتباطي بين ايندو است
▪ چند نوع مدار الكتريكي داريم ؟
دو نوع مدار الكتريكي وجود دارد
۱) مدار الكتريكي باز كه در آن ارتباط بين توليد كننده در نقطه يا نقاطي قطع است و در نتيجه جريان در مدار وجود ندارد
۲) مدار الكتريكي بسته كه مسير عبور جريان كامل است و مصرف كننده از توليد كننده انرژي دريافت كرده و آنرا به صورتهاي ديگر تبديل ميكند مانند يك لامپ كه برق را به نور تبديل مي كند .

● منظور از اتصالي در يك مدار يا اتصال كوتاه چيست ؟

هرگاه در يك مدار بسته جريان از مسيري بجز از مصرف كننده بگذرد و مقدار آن زياد تر از حد مجاز باشد اين وضعيت را اتصال كوتاه مي گوئيم . در حالت اتصال كوتاه سيم كشي مدار و توليد كننده برق در معرض آسيب جدي قرار مي گيرند زيرا جريان مدار بسيار زياد شده و باعث داغ شدن سيم كشي و اضافه بار شدن منبع توليد كننده برق مي گردند در نتيجه اتصال كوتاه بايد سريعا و بصورت خودكار قطع شود كه اين وظيفه بعهده فيوز است.

● اساس كار فيوز چيست ؟

فيوز يك عنصر حفاظتي در مدار است كه هرگونه اضافه جرياني را كه بيشتر از مقدار نوشته شده روي فيوز باشد تشخيص داده و آنرا سريع قطع ميكند . بدين صورت كه جريان اضافه سبب توليد گرما در فيوز شده و يك سيم حساس به حرارت را كه در مسير عبور جريان و در داخل فيوز قرار دارد ذوب ميكند و در نتيجه مسير عبور جريان قطع شده و اتصال كوتاه بطور موقت برطرف مي شود اما تا زماني كه عامل ايجاد كننده اتصال كوتاه مرتفع نگردد عوض كردن فيوز فايده اي ندارد.

● خطرات ناشي از برق كدامند ؟

خطراتي كه از برق ناشي مي شوند عموما به دو دسته خطرات آتش سوزي و خطرات برق گرفتگي تفسيم ميشوند . در صورتيكه در يك مدار الكتريكي اتصال كوتاه پيش آيد و برطرف نشود جريان مدار بشدت افزايش يافته و حرارت زيادي تولد مي كند . اين حرارت سبب آتش گرفتن عايق سيم ها و گسترش آن به مواد آتش گير ديگر است . خطر ناشي از برق گرفتگي مستقيما شخص را تهديد مي كند.

● جريان خطا چيست و چند نوع است ؟

در صورتيكه در مدار الكتريكي جريان از مسير درست خود جاري نشود آنرا جريان خطا مي گويند . اين جريان ممكن است از طريق اتصال بدنه به زمين جاري شود يا از مدار اصلي بگذرد كه ميزان آن بيشتر از حد مشخص مدار است كه آنرا اتصال كوتاه يا اضافه بار گويند . در حالت اتصال كوتاه دو نقطه اي از مدار كه نسبت به هم داراي ولتاژ هستند بهم اتصال مي يابند ( توسط يك مقتومت بسيار كوچك ) و در حالت اضافه بار تعداد مصرف كننده ها بيشتر از مقدار مجاز آنها مي شود.

● منظور از برق گرفتگي چيست ؟

اگر جريان برق از بدن انسان يا حيوان بگذرد برگ گرفتگي ايجاد مي شود . ممكن است اندازه جريان عبوري از بدن محسوس نباشد كه در اين صورت برق گرفتگي قابل تشخيص نيست . اما در صورتيكه ميزان جريان عبوري زياد شود ابتدا شوك به بدن وارد مي شود و در صورت زيادتر شدن جريان سبب قطع ضربان قلب - ايست تنفس و در نهايت مرگ مغزي مي شود .

● اندازه جريان و ولتاژ مجاز چقدر است ؟

براي جريان متناوب ۱۵ ميلي آمپر و براي جريان مستقيم ۶۰ ميلي آمپر - ولتاژ متناوب ۶۵ ولت و ولتاژ مستقيم ۴۵ ولت است.

● چگونه مي توان شخص را از خطر برق گرفتگي محافظت كرد؟

به اين منظور بايد تمامي گزينه هايي را كه سبب برق گرفتگي مي شود يافت و آنها را بي اثر كرد . مهترين عاملي كه سبب برق گرفتگي مي شود اتصال بدنه است . در اين حالت بكمك كليد FI يا سيم ارت يا كليد FU يا سيستم نول اتصال بدنه را حذف مي كنيم . مي توان از دستگاههايي استفاده كرد كه بدنه عايقي دارند و امكان اتصال بدنه در آنها وجود ندارد . مي توان ولتاژ كار دستگاهها را كمتر از ولتاژ خطرناك براي بدن - كمتر از ۶۵ ولت - بكار برد و در نهايت مي توان از ترانسهاي ايزوله استفاده كرد كه باعث جدا سازي فاز برق شهر از تغذيه دستگاه مي شود و در نتيجه در صورت اتصال بدنه خطر برق گرفتگي از بين مي رود.

● توان الكتريكي چيست ؟

اصولا توان به معني سرعت تبديل انرژي است . در دستگاههايي كه براي تبديل انرژي بكار مي روند هر چقدر اين سرعت بيشتر باشد قدرت دستگاه نيز بيشتر است . مثلا در ژنراتور توان بيشتر نشاندهنده توليد انرژي برقي ! بيشتري است . در مصرف كننده ها نيز همين موضوع صدق مي كند . لامپي كه توان بيشتري دارد نور زيادتري هم توليد مي كند .
▪ توان را چگونه محاسبه كنيم ؟
سرعت تبديل انرژي از تقسيم مقدار آن بر زماني كه آن انرژي تبديل شده بدست مي آيد.( انرژي الكتريكي از حاصل ضرب ولتاژ در جريان در زمان بدست مي آيد ) . اگر ميزان انرژي را بر زمان تقسيم كنيم مي ماند حاصل ضرب ولتاژ مدار در جريان آن كه اين همان رابطه توان است (توان = ولتاژ × جريان ) . البته اين رابطه فقط براي مدارهاي دي سي صدق مي كند و در مدارات آسي رابطه ديگري دارد كه بعدا به آن مي پردازيم .
▪ واحد و دستگاه اندازه گيري توان چيست ؟
توان با واحد وات و در مقادير بالاتر با كيلو وات و مگاوات سنجيده مي شوند كه توسط واتمتر اندازه گيري مي شود.

منبع:www.articles.ir

تحول در اندازه گيري قطر نانوالياف پليمري توسط محققان كشور

 

شنبه 28 دی 1387 - پژوهشگران دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه گیلان توانستند به کمک پردازش تصویر روشی برای خودکارسازی فرآیند اندازه گیری قطر نانو الیاف ارائه دهند ...

---

 محمد ضيابري سيدين روشي كه هم اكنون براي اندازه گيري قطر نانوالياف استفاده مي‌شود را  روشي دستي دانست و گفت: اين روش بسيار طولاني و خسته كننده و تعداد اندازه گيريها در اين روش محدود است از اين رو سعي كرديم با بهره گيري از ابزار پردازش تصوير، روشي براي اندازه گيري قطر نانو الياف ارائه دهيم كه در عين خودكار بودن از سرعت و دقت بالايي برخوردار باشد.

 وي با بيان اينكه در اين پژوهش، روش پويش مستقيم را بررسي كرديم، افزود: گام اول، تهيه يك تصوير دوتايي (سياه يا سفيد) به كمك SEM (يا AFM) از لايه نانوالياف است. سپس قطر الياف از روي دو پويش (افقي و عمودي) به دست مي‌آيد. در هر پويش پس از رسيدن به ليف شمارش شروع و با رسيدن به زمينه خاتمه مي يابد.

ضيابري ادامه داد: با داشتن تعداد پيكسلها در هر پويش مي توان قطر ليف را با استفاده از محاسبات ساده هندسي به دست آورد اما در نقاط تلاقي نانو الياف اندازه گيري قطر با مشكل مواجه مي‌شود كه براي حل اين مسئله فرآيند شناسايي الياف مورد استفاده قرار ‌گرفت به گونه اي كه ابتدا نواحي بين الياف شماره گذاري و سپس در هر مرحله دو ناحيه انتخاب مي شود و در صورت وجود ليف با استفاده از عمليات شكل شناسي شناسايي مي‌شوند. قطر نانوالياف با تكرار فرآيند شناسايي و پويش مستقيم به دست خواهد آمد.

پژوهشگر اين طرح با بيان محدوديتهاي اين روش اظهار داشت: اين محدوديتها سبب شد كه روش تبديل فاصله را با جديت بيشتري پيگيري و سعي كنيم به گونه اي از نقاط تلاقي رهايي پيدا كنيم. اين امر با بررسي روشهاي مختلف به نتيجه مطلوب رسيد.

وي خاطرنشان كرد: از طرفي با توجه به فقدان يك روش صحيح براي اندازه گيري قطر نانو الياف و عدم امكان تهيه نانو الياف با توزيع قطر مشخص به روش الكتروريسي براي ارزيابي روش خود ناگزير به استفاده از يك روش شبيه سازي لايه نانو الياف شده كه در نهايت موفق به شبيه سازي لايه هاي مختلف نانو الياف با توزيع قطر مشخص شديم. در نتيجه از آن براي ارزيابي روش خود استفاده كرديم.

به گفته اين محقق در روش تبديل فاصله پس از تهيه تصوير دوتايي از ريزنگار لايه نانو الياف اسكلت تصوير با استفاده از فرآيند استخوان سازي و نقشه فاصله با اعمال روش تبديل فاصله به دست ‌آمد. سپس با توجه به اينكه در نقاط تلاقي الياف با يكديگر اسكلت تصوير و نقشه فاصله معيوب هستند بايد به طريقي اين نقاط را از اندازه گيريها حذف كرد. به همين دليل با استفاده از يك عمليات همسايگي نقاط تلاقي را يافته و از تصوير اسكلت حذف كرديم. در نهايت از مقدار نقاط متناظر با اسكلت در نقشه فاصله براي اندازه گيري قطر نانو الياف استفاده شد و به اين ترتيب توزيع قطر در يك لايه نانو الياف به دست ‌آمد.

ضيابري تاكيد كرد: جزئيات اين پژوهش در مجله Nanoscale Research Letters (جلد2، صفحات600-597، سال2007) و مجله Korean Journal of Chemical Engineering (جلد25، صفحات918-905، سال2008) و (جلد 25، صفحات922-919، سال2008) منتشر شده است.

منبع : خبرگزاري مهر

نانوفناوری و پدیده های فیزیکی

حتماً تاکنون پیش آمده است که سنگی را به درون دریاچه ای مملو از آب پرتاب کرده یا انداخته باشید.

حتماً تاکنون پیش آمده است که سنگی را به درون دریاچه ای مملو از آب پرتاب کرده یا انداخته باشید.

بیایید امتحان کنیم. لیوانی را پر از آب کنید و روی میز قرار دهید. حال تیله ای را به آرامی درون آب بیندازید. ملاحظه می کنید که تیله در هنگام برخورد با سطح آب سبب پاشیده شدن آب به اطراف می شود. به عبارتی، تیله با ایجاد صدای ?پولوپ? آب را می شکافد و وارد آن می شود. دوباره این کار را با جسمی دیگر امتحان کنید. خواهید دید که شکل پاشیده شدن آب به اطراف متفاوت خواهد بود؛ و حتی اگر با دوربینی حرفه ای از این صحنه ها فیلمبرداری کنید، متوجه خواهید شد که حتی دو شیء یکسان و هم وزن و همجنس را نمی توانید پیدا کنید که به طور یکسان آب را به اطراف پراکنده سازند.

دانشمندان دانشگاه ?کلودبرنارد لئون? در فرانسه در خصوص این پدیده پیچیده مطالعاتی انجام داده اند. آنها در پی یافتن پاسخ این سؤال اند که چرا حتی در حالتی که دو گوی هم اندازه و همشکل و همجنس باشند، باز هم شکل پاشیده شده آب متفاوت است. آنها دریافتند که رفتار ملکولی سطح گویها ? اینکه آنها آب را جذب یا دفع می کنند - متفاوت است.

این گروه تحقیقاتی آزمایش را با گویهایی از جنس آلومینیوم و فولاد و شیشه تکرار کردند تا گویی را پیدا کنند که بیشترین خاصیت آبدوستی را داشته باشد. پس از انتخاب گوی مناسب (گوی شیشه ای)، گوی را با پراکسید ئیدروژن و اسید سولفوریک و الکل تمیز کردند و آزمایش را انجام دادند. در این حالت، گلوله به آرامی درون آب افتاد و سپس گوی یکسان دیگری را با کمک نانو لایه ای از ماده آبگریز به نام ?سیلان? که تنها به اندازه یک ملکول ضخامت داشت پوشش دادند و آزمایش را تکرار کردند. در این حالت، گوی در هنگام برخورد بشدت آب را به اطراف پاشید. آنها علت این اختلاف را این گونه شرح می دهند: ملکولهای آبگریز سبب می شوند تا هنگام باز شدن ملکولهای آب از یکدیگر حباب هوا ایجاد شود که سبب پاشیده شدن آب به اطراف می شود؛ در حالی که ملکولهای آبدوست شیشه سبب می شوند تا حباب هوا بین سطح ملکولهای شیشه و ملکولهای آب ایجاد نشود. بنابر این، گوی به آرامی و بدون پاشیدن آب به اطراف وارد آب می شود. بنابر این، نانولایه از ایجاد حباب هوا جلوگیری می کند.

یافته های این گروه آزمایشی ثابت می کند که در کاستن از شدت پاشش آب به اطراف عامل سرعت نیز ممکن است مؤثر باشد؛ به گونه ای که هر چه سرعت ورود جسم به آب بیشتر باشد فرصت کمتری برای ایجاد حباب هوا و در نتیجه پاشیده شدن آب به اطراف وجود خواهد داشت.

خوب حالا که دلیل آن را متوجه شدیم، بیایید این کار را با اجسام مختلف امتحان کنیم. فراموش نکنیم که هر چه ملکولهای جسم آبگریزتر باشد آب بیشتری به اطراف پخش می شود.

 مواظب باشید خیس نشوید.

برداشتی از: مجله Nature Physics

 

الفباي فيزيك - كار و گرما

 

كار و گرما

گرما نوعي انرژي است كه از اجسام گرم به اجسام سرد منتقل مي شود.

موتورهاي حاوي گاز داغ ...

ما بدون « موتورهاي گرمايي » نمي توانيم به نقاط دور دست مسافرت كنيم. در اين موتورها از سوخت براي ايجاد گازهاي داغ منبسط شده ودرنتيجه ايجاد حركت، استفاده مي شود. همچنين، اين موتورها توان اتومبيلها وقايقها وموشكها را تأمين مي كنند وژنراتورهاي برق را راه اندازي مي كنند.

توربينهاي بخار ...

در نيروگاهها به كمك توربينهاي بخار، گرماي توليد شده را به انرژي الكتريكي ( برق ) تبديل مي كنند. در مركز اين توربينها چرخي قرار دارد كه از يكسري پره تشكيل شده و به يك ميلة گردان وصل است. درون ديگ، آب تحت فشار زيادي جوشيده وبخاري با فشار بسيار زياد توليد مي كند. اين بخار با شدت به پره هاي توربين برخود كرده و موجب چرخش آنها مي شود. در يك توربين بخار كه با دقت طراحي وساخته شده باشد، تنها يك سوم انرژي بخار صرف چرخاندن پره ها مي شود.

موتورهاي بنزيني ...

در موتورها ي بنزيني، دراثر يك انفجار، گاز بسيار داغي ايجاد مي شود. اين گاز به جاي خروج از موتو، موجب حركت يك پيستون مي شود. در اين نوع موتورها، مخلوطي از قطرات بنزين وهوا به عنوان سوخت موتور مورد استفاده قرار مي گيرد. اين مخلوط در داخل سيلنر ( استوانه ) توسط جرقةئ شمع منفجر مي شود وگاز بسيار داغي توليد مي كند. اين گاز داغ، پيستون را به شدت به طرف پايين مي راند.

داخل يك موتور بنزيني معمولي چه اتفاقي مي افتد ؟ …

پيستون يك موتور بنزيني چهار ضربه اي به ترتيب، به طرف پايين، بالا، پايين وبالا حركت مي كند. حركت پيستون به طرف پايين وبالا يك ضربه نا ميده مي شود و هر ضربه اثر متفاوتي بر گازهاي داخل سيلندر دارد. اين ضربه ها به همين ترتيب و مدام تكرار مي شوند.

انبساط جامدات

چرا گرما جامدات را منبسط مي كند ؟…

وقتي يك جسم جامد گرم مي شود، مولكولهاي آن با انرژي بيشتري ارتعاش مي كنند وفاصلة مولكولها از يكديگر نيز بيشتر مي شود. در نتيجه، اين جسم جامد در تمام جهات، اندكي بزرگتر ( منبسط ) مي شود.

جريانهاي همرفتي ( جابجايي )

انبساط وهمرفتي گرمايي ...

همرفت ، انتقال انرژي گرمايي توسط جريانهاي مايع گرم ( يا گاز ) است.

هنگامي كه يك قطره از مايع گرم شود‌، منبسط شده وحجمش افزايش مي يابد. البته مقدار ماده ( جرم آن ) تغييري نمي كند و در حجم منبسط شده پخش مي شود. بنابراين چگالي يك مايع گرم كمتر از چگالي مايع سرد اطراف آن مي شود. پس در يك ظرف محتوي مايع گرم وسرد، مايع سرد به طرف ته ظرف پايين خواهد رفت ومايع گرم بالا خواهد آمد. اين مثال ساده، علت ايجاد جريان همرفتي را نشان مي دهد.

انبساط هوا

با گرم كردن هوا، انبساط آن وبا سرد كردن هوا، انقباض آن را خواهيد ديد.

وقتي يك بادكنك را در داخل ظرف آب جوش قرار دهيد، هواي داخل آن منبسط مي شود ( حجم بادكنك زياد مي شود ) و وقتي از ظرف خارج كنيد، سرد شده وهواي داخل آن منقبض مي شود ( حجم بادكنك كم مي شود ). اندازه گيري انبساط هوا ...

وقتي كه فشار گاز ثابت نگه داشته شود، حجم جرم معيني از گاز، متناسب با دماي كلوين آن است. به عبارت ديگر،

C مقدار ثابت = T دماي گاز بر حسب كلوين / حجم گاز V

رسانش گرما

قطعه اي از سيم مسي را بر روي شعلة چوب كبريت نگهداريد. گرما سريعأ در سيم مسي منتقل مي شود. با اينكه حركت گرما ديده نمي شود اما وقتي كه به انگشت شما مي رسد آن را احساس مي كنيد. به اين نوع انتقال انرژي گرمايي، رسانش يا هدايت گرمايي مي گويند.

آزمايش : آيا آب رساناي خوبي براي گرماست ؟

يك لولة آزمايش بلند را از آب سرد پر كنيد وآن را بهصورت كج بر روي شعلة ملايم چراغ نگه داريد. مقداري پودر رنگي را بالاي آب بريزيد و وسط لولة آزمايش را بهآرامي حرارت دهيد. بالا وپايين لوله را با دست لمس كنيد تا دماي اين دو نقطه را امتحان كنيد.

آيا هوا رساناي خوبي براي گرماست ؟

عايقهاي گرمايي خوب، نظير پرها، بلوز هاي پشمي و پلي استايرن داراي حفره هاي كوچك هوا هستند. اين حفره هاي كوچك، رساناي بدي براي گرما هستند، و عايقهاي بسيار مؤثري به شمار مي روند.در دما در صحبتهاي روزمره، اغلب مي گوييم كه « امروز هوا گرم است » يا « اين چاي سرد است ». اصطلاح علمي براي بيان ميزان گرم بودن اجسام را دما مي نامند.

اندازه گيري دما

دماسنـجها طوري مدرج مي شوند كه دمـا را بر حسب درجـة سيلسيوس نـشان بدهند. يخ هـميشه در دمـاي يكسانـي ذوب مـي شـود كـه آن را صفر درجه سيلسيوس مي نامند. بخار بالاي آب در حال جوش در فشار معمولي نيز هميشه دماي يكساني دارد كه آن را 100 درجة سيلسيوس مي نامند. اين دو دما را بر روي يك دماسنج مشخص مي كند وفاصلة بين آنها را به 100 قسمت تقسيم مي كنند و هر قسمت را يك درجة سيلسيوس مي گويند.

دماسنجهاي پزشكي ــ از دماسنجهاي پزشكي براي اندازه گيري دماي بدن انسان استفاده مي شود.

دماسنجهاي الكترونيكي ــ در دماسنجهاي الكترونيكي از يك شاخص ميله اي استفاده مي شود، اين شاخص، دما را به ولتاژ تبديل مي كند ودستگاه اكترونيكي، اين ولتاژ را به صورت يك عدد نشان مي دهد.

منبع :www.schoolnet.ir

ديوار صوتي

در اعصار آغازين دوران هوانوردي ابتدايي، هواپيما ها بيشتر با سرعت هاي بسيار پايين نسبت به هواپيما هاي امروزي پرواز مي كردند كه حتي به بيشتر از ۳۰۰ كيلومتر در ساعت نمي رسيد؛ در حالي كه چنين سرعتي، سرعت مطلوب براي تيك آف يا برخاست يك هواپيماي جنگنده امروزي است و رسيدن به چنين سرعتي، ابداً مستلزم تلاش بسيار و فشار آوردن بيش از حد به موتور نمي باشد.
اما رفته رفته، سرعت هواپيما ها حتي با موتورهاي پيستوني به گاه بالاي ۶۵۰ كيلومتر بر ساعت رسيده و از آن زمان بود كه دانشمندان علوم آيروديناميك دريافتند كه با افزايش سرعت، به تدريج ميزان پسا افزايش پيدا كرده و در سرعت معيني، ديگر هواپيما قادر به سرعت گرفتن نبوده، گاه نيز استال مي شوند.

در آن زمان، علت اين موضوع بدين گونه بيان شد كه با افزايش سرعت، به تدريج سرعت گردش انتها يا نوك پره هاي پروانه ي موتور، به سرعت صوت نزديك شده و سرانجام در حداكثر سرعت يك هواپيماي پيستوني كه حدود ۹۵۰ كيلومتر مي باشد، سرعت انتهاي پره ها از سرعت صوت گذشته و پسا يا درگ بسياري ايجاد مي شود كه خود مانع سرعت گرفتن بيشتر هواپيماست.
در چنين سرعت هايي، پروانه موتور هواپيماهاي پيستوني، نه تنها تراست يا نيروي كشش توليد نمي كند، بلكه در اثر سرعت بسيار زياد، تبديل به يك ديسك يا دايره توپر چرخنده مي شود كه جز ايجاد درگ و پسا، كار ديگري انجام نمي دهد.
آيروديناميست هاي آن زمان اين حد را يك محدوده سرعت يا همان ديوار صوتي در نظر گرفته و بسياري از آنان نيز بر اين عقيده بودند كه گذشتن از ديوار صوتي و پشت سر گذاشتن آن، كاريست غير ممكن؛ اما با ورود به عصر جت و پيشرفت علم آيروديناميك، همه ما شاهد هستيم كه اين كار براي جنگنده هاي امروزي كاري بس سهل و آسان است.

حال، پس بررسي تاريخچه آن، بهتر است به اصل موضوع بپردازيم و نخست، ببينيم كه خصوصيات صوت و ديوار صوتي چيست و چرا گذر از آن نيازمند قدرت و كشش و توانايي زيادي است.

صوت، در شرايط عادي (دما، فشار و … معمولي) در سطح دريا داراي سرعتي معادل ۳۳۲ متر بر ثانيه يا ۱,۱۹۵ كيلومتر بر ساعت مي باشد كه اين سرعت، با افزايش ارتفاع و كاهش فشار و تراكم هوا، كاهش يافته و در ارتفاعات بالاتر، صوت فواصل را با سرعت كمتري مي پيمايد.

اين مسئله بدين صورت است كه صوت همانطور كه مي دانيم، از طريق ضربات ملكول هاي هوا به يكديگر و انتقال انرژي آن ها فضا را طي مي كند و هرچه تعداد مولكول ها در يك حجم معين بيشتر باشند، انتقال انرژي زودتر صورت پذيرفته و صوت با سرعت بيشتري انتقال مي يابد؛ چنانكه سرعت صوت در مايعات بيشتر از هوا و در جامدات بسيار بيشتر از مايعات و هوا و معادل ۶۰۰۰ كيلومتر بر ساعت است. پس در نتيجه افزايش ارتفاع، تعداد ملكول ها در يك حجم معين كاهش يافته و صوت با سرعت كمتري فضا را مي پيمايد.
ديوار صوتي، شيئي فيزيكي و قابل روئيت نيست؛ بلكه، به دليل اينكه گذشتن از سرعت صوت نيازمند توان بسيار بالاي موتور و آيروديناميك بسيار خوب مي باشد، اين حد را يك مانع براي رسيدن به سرعت هاي بالاتر دانسته و از آن به نام ديوار صوتي ياد مي كنند.
عدد ماخ، در حقيقت همان نسبت سرعت شي پرنده يا همان هواپيما به سرعت صوت محيط است كه به احترام دانشمندي آلماني كه براي اولين بار چنين مقياسي را در نظر گرفت، آن را «ماخ» نام نهادند. پس عدد ماخ، كميتي متغير است و بسته به خصوصيات هوا مانند دما و فشار، تغيير كرده و كاهش يا افزايش مي يابد.

اما حال كه با عدد ماخ آشنا شديم، به مهمترين و اصلي ترين عامل ايجاد ديوار صوتي يعني همان «امواج ضربه اي يا Shockwaves» پرداخته و دليل ايجاد درگ و پساي زياد را در سرعت هاي نزديك سرعت صوت، بررسي خواهيم كرد.

امواج ضربه اي يا شاك ويو ها، در حقيقت همان عامل اصلي ايجاد ديوار صوتي هستند. امواج ضربه اي، تغييري ناگهاني در فشار و دماي يك لايه از هواست كه مي تواند به لايه هاي ديگر منتقل شده و به صورت يك موج فضا را بپيمايد.
براي درك بهتر مطلب، وقتي كه سنگي در آب انداخته مي شود، موج هاي در آب به وجود مي آيند كه به سمت خارج در حال حركتند. اين امواج، نتيجه افزايش سرعت يا اعمال نيرو به لايه اي از ملكول هاي آب است كه قادر به انتقال به لايه هاي ديگر نيز مي باشد، و امواج ضربه اي نيز، همان امواج درون آب هستند، با اين تفاوت كه آن ها در سيالي ديگر به جاي آب به نام هوا، تشكيل مي شوند.
در سرعت هاي نزديك سرعت صوت، فرضيه غير قابل تراكم بودن هوا رد شده و ضريب تراكم هوا به ۱۶% در مي رسد، كه مقداري غير قابل چشم پوشي است. در اين سرعت ها هواي جلوي بال يا لبه حمله به شدت متراكم گشته و دما و فشار آن به طرز قابل توجهي افزايش مي يابد، همين مسئله، يكي از عوامل ايجاد امواج ضربه اي است. هواپيما با حركت خود در هوا، نظم فشار هواي محيط را بر هم مي زند و همانند قايقي كه در آب در حال حركت است، امواجي از آن ساطع شده و به دليل اينكه اين امواج با سرعت صوت حركت مي كنند و هواپيما زير سرعت صوت در حال سير است، از آن دور مي شوند. اما كم كم، با نزديك شدن به سرعت هاي ترانسونيك و حدود سرعت صوت، اين امواج فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و در جلوي بال متراكم مي شوند. در مناطقي از بدنه هواپيما كه سطوح ناموزوني نسبت به جهت حركت هواپيما دارد، سرعت گذر هوا افزايش يافته و بر اساس اصل برنولي، با افزايش سرعت سيال، فشار آن كاهش مي يابد.
در چنين سرعت هايي، هواي اطراف اين سطوح به سرعت صوت مي رسد، گرچه هواپيما هنوز به سرعت صوت نرسيده باشد. در نتيجه رسيدن بعضي سطوح به سرعت صوت، امواج ضربه اي توليد شده و درگ يا پساي فراواني را قبل از رسيدن به سرعت صوت توليد مي كنند، كه همين مسئله گذر از ديوار صوتي را مشكل مي نمايد.
به سرعتي كه در آن حداقل يكي از سطوح هواپيما به سرعت صوت رسيده باشد،( گرچه اين پديده در مورد خود هواپيما صادق نباشد)، عدد ماخ بحراني يا Critical Mach Number مي گويند.
عدد ماخ بحراني را مي توان به سرعتي كه نمودار پسا در مقابل سرعت سير صعودي مي گيرد، نيز تعريف نمود. در اين سرعت، فرامين هواپيما كم كم شروع به درست جواب ندادن كرده و حالتي شبيه به كوبيدن بر روي بال توسط امواج ضربه اي به وجود مي آيد كه با گذر از ديوار صوتي، فرامين هواپيما به حالت طبيعي خود باز مي گردند.
بنابراين، در سرعتي كه هواپيما به عدد ماخ بحراني خويش مي رسد، پسا به دليل ايجاد امواج ضربه اي به طور قابل توجهي افزايش مي يابد، پس، بايد تلاش بر آن باشد تا عدد ماخ بحراني هر چه بيشتر با بهبود ويژگي هاي آيروديناميكي افزايش يابد، چون اگر اين اتفاق در سرعت هاي پايين تر رخ دهد، هواپيما نيز بايد از سرعت پايين تري جدال با افزايش پسا را شروع كند.

حال ببينيم كه چرا با توليد امواج ضربه اي، پسا افزايش مي يابد.
قانوني در مبحث ديوار صوتي بيان مي كند كه هر جريان هوايي كه از يك موج ضربه اي بگذرد، موج ضربه اي انرژي كنتيكي يا جنشي سرعتي آن را گرفته و در خور تبديل به گرما و افزايش فشار مي كند، در نيتجه سرعت جريان هواي گذرنده از موج ضربه اي به ميزان قابل توجهي كاهش مي يابد. با كاهش سرعت جريان هوا در جلوي بال ها در سرعت هاي نزديك سرعت صوت، تلاش پيشرانه يا موتورهاي هواپيما بايد چند برابر شود تا اثر كاهش سرعت در اثر موج ضربه اي را خنثي نمايد. در صورتي كه عدد ماخ بحراني هواپيمايي پايين باشد، در سرعت هاي پايين بايد نيروي رانشي هواپيما چند برابر شود كه مصرف سوخت فوق العاده اي را براي گذر از ديوار صوتي به دنبال خواهد داشت؛ اما، در صورت بالا بودن عدد ماخ بحراني، هواپيما فقط مدت كوتاهي نيازمند قدرت و كشش بسيار زياد براي شكستن ديوار صوتي مي باشد.
با اعمال نيروي فراوان رانشي، سرانجام هواپيما بر مشكل پساي زياد فائق آمده و از ديوار صوتي مي گذرد. در نتيجه اين عمل، امواج توليد شده توسط هواپيما از آن جا مانده و پشت سر هواپيما حركت مي كنند. در اين حالت، وضعيت به حالت عادي بازگشته و پساي ايجاد شده به وضعيت نرمال باز مي گردد. بعضي از هواپيما ها از تمام نيروي پس سوزشان يا ۱۰۰% قدرت موتور براي گذر از ديوار صوتي و يا سرعت ۱,۱۹۵ كيلومتر بر ساعت استفاده مي كنند، در حالي كه در سرعت هاي بسيار بالاتر، تنها از ۳۰% قدرت موتور براي رانش به جلو بهره مي جويند. با دقت در اين مثال، مي توان به خوبي افزايش درگ و پسا و قدرت فروان لازم براي غلبه بر آن در سرعت هاي نزديك به سرعت صوت را درك و تجزيه و تحليل نمود.

امواج ضربه اي توسط هواپيما در سرعت صوت، بسيار قدرتمند مي باشند، چنانكه در صورت پرواز هواپيما نزديك به زمين و گذر آن از ديوار صوتي، امواج ضربه اي با منتهاي قدرت به اجسام زميني مانند شيشه هاي منازل و ساختمانها برخورد نموده و باعث شكستن آن ها مي شود، يا حتي اگر شخصي در معرض امواج ضربه اي به طور مستقيم قرار گيرد، احتمال از دست دادن شنوايي و پاره شدن پرده گوش بسيار است. از امواج ضربه اي، در بمب ها و تسليحات ديگر نيز استفاده مي شود.

بمب ها با يك افزايش دما و فشار ناگهاني در لايه هايي از هوا، امواج ضربه اي به وجود آورده كه از طريق هوا انتقال يافته و باعث شكستن شيشه ها و تخريب ديوار ها نيز مي شود. اگر شخصي در فاصله اي نسبتاً نزديك در فضايي تهي از هوا و خلاء، حتي نزديك يك بمب ده تني ايستاده باشد، بر فرض منفجر كردن بمب، آسيبي به وي نخواهد رسيد، چون هوايي براي انتقال امواج ضربه اي وجود ندارد.
به دليل توليد امواج ضربه اي در سرعت هاي حدود سرعت صوت، خلبانان سعي مي كنند فقط مدت كوتاهي در چنين سرعت هايي ترانسونيك پرواز كرده و به زودي از ديوار صوتي گذر كنند، چون پرواز در اين سرعت ها نيروي بسيار زياد موتور در نيتجه افزايش فوق العاده ميزان مصرف سوخت را در پي دارد.

اما حال ببينيم صدايي انفجار مانند كه در هنگام شكستن ديوار صوتي توليد مي شود نتيجه چيست. امواج حاصله از حركت هواپيما يا صداي توليد شده در اثر حركت، هر بار در سرعت هاي زير سرعت صوت از هواپيما دور شده و به گوش شنونده مي رسد. اما با رسيدن هواپيما به سرعت صوت، اين صداها ديگر فرصت دور شدن از هواپيما را نداشته و كلاً در جلوي هواپيما جمع مي شوند.
با گذر از سرعت صوت، صدايي چند ده برابر شده از حركت هواپيما با هم به گوش شنونده مي رسد كه مانند يك انفجار شديد يا صداي رعد و برقي بسيار قدرتمند مي باشد. شايد در تصاوير هواپيماهاي در حال گذر از ديوار صوتي، هاله اي سفيد رنگ را در اطراف هواپيما مشاهده كرده باشيد. در هنگام گذر از ديوار صوتي، اگر هواپيما نزديك به زمين و در محيطي مرطوب با درصد بخار آب زياد باشد، بخار آب هوا در اثر امواج ضربه اي فشرده شده و ابر سفيدي را براي چند ثانيه پديد مي آورند كه همان هاله سفيد رنگ قابل روئيت در تصاوير است. اما از امواج ضربه اي در موتورهاي جت نيز استفاده مي شود. بدين گونه كه، هوا ورودي در موتورهاي جت، حتي اگر هواپيما با سرعت هاي بالاي صوت پروزا نمايد، بايد زير سرعت صوت باشد تا قابليت احتراق را در موتور داشته باشد.
بنابراين، اكثراً در ورودي موتورهاي هواپيماهاي جنگنده مخروطي را به شكل كامل يا نصف مانند هواپيماهاي ميگ ۲۱ يا اف ۱۰۴ ستارفايتر مي بينيم، كه فلسفه ايجاد اين مخروط توليد عمدي امواج ضربه اي است.
در صورت توليد امواج ضربه اي، هواي عبوري از ميان آن با سرعت كاهش يافته يا زير صوت وارد موتور مي شود و فرآيند احتراق به طور كامل انجام مي پذيرد. براي انجام پرواز هاي مافوق صوت، اغلب هواپيماهاي جنگنده از مقطع بال هاي ويژه اي كه عدد ماخ بحراني را به حداكثر مي رسانند، استفاده مي نمايند و مقطع بال ها معمولاً بسيار نازك و متقارن مي باشد. به عقب برگشتگي بال هاي هواپيماهاي مدرن نيز در نتيجه تلاش براي افزايش عدد ماخ بحراني بوده چرا كه آزمايش هاي تونل باد نشان داده كه با به عقب برگشتگي بال ها به ميزان چند درجه عدد ماخ بحراني به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد، تا جايي كه هواپيماهاي مسافربري سريع السير مانند بوئينگ ۷۴۷ كه در حدود سرعت صوت يا حدود ۹۸۰ كيلومتر بر ساعت پرواز مي كنند، نيز به بال هايي به عقب برگشته مجهزند. در برخي از هواپيماها، مانند هواپيماي اف ۱۴ تامكت، از سيستم بال هاي متغير استفاده شده كه در اين سيستم، در سرعت هاي پايين كه از عدد ماخ بحراني خبري نيست بال ها گسترده مي شوند و براي فراواني توليد مي كنند، ولي رفته رفته با نزديك شدن به سرعت صوت، كامپيوتر موجود در اين سيستم خود زاويه لازم براي افزايش عدد ماخ بحراني را محاسبه كرده و بال را متناسب با زوايه آن تغيير داده و به عقب بر مي گرداند. اين سيستم به دليل هزينه هاي بالا و سنگيني بيش از حد آن، داراي استفاده محدودي مي باشد. هواپيماها كلاً از نظر سرعت نسبت به سرعت صوت به چند دسته زير تقسيم مي شوند:
▪ هواپيماهاي زير سرعت صوت يا مادون صوت با محدوده سرعت ۳۵۰ تا ۹۵۰ كيلومتر بر ساعت، Subsonic
▪ هواپيماهاي حدود سرعت صوت با محدوده سرعت ۹۵۰ تا ۱۲۰۰ كيلومتر بر ساعت، Transonic
▪ هواپيماهاي سرعت صوت با محدوده سرعت دقيقاً سرعت صوت نسبت به محيط، Sonic
▪ هواپيماهاي بالاي سرعت صوت يا مافوق سرعت صوت با محدوده سرعت ۱ ماخ تا ۵ ماخ، Supersonic
▪ هواپيماهاي با سرعت بسيار بيشتر از سرعت صوت با محدوده سرعت ۵ ماخ و بالاتر، Hypersonic
لازم به ذكر است، اولين بار، خلباني آزمايشي آمريكايي به نام چاك ييگر، با انجام اصلاحاتي بر روي يك بمب افكن قديمي آن را به چهار موتور موشكي مجهز كرده و بر فراز بياياني در آمريكا، پس از جدا شدن از هواپيماي مادر، به پرواز در آورد. پس چند ثانيه پرواز هواپيماي پرتقالي رنگ ملقب به X-۱ به صورت گلايد، خلبان چهار موتور موشكي خود را روشن كرده و پس از چند لحظه صدايي رعد آسا در آسمان شنيده شد كه همان نتيجه شكستن ديوار صوتي براي اولين بار در جهان بود. در اين آزمايش، اين هواپيما به سرعت ۱۶/۱ ماخ دست يافت، و با ورود به عصر جت، روياي شكستن ديوار صوتي و پا گذاشتن به سرعت صوت نيز به واقعيتي بسيار قابل لمس مبدل گشت.

 

چگونه نسبيت و كوانتوم سازگار مي شوند؟

از اوائل قرن بیستم دو نظریه ی بزرگ نسبیت و مکانیک کوانتوم، برای پاسخگویی به مشکلاتی که فیزیک کلاسیک با آنها دست بگریبان بود، پا به عرصه وجود نهادند. جالب این است که هر دو نظریه تقریباً همزمان مطرح شدند و سیر تکاملی خود را طی کردند. نخست نسبیت خاص در سال 1905 تنها در محدوده ی دستگاه های لخت بکار گرفته شد ....

مقدمه

نظريه نسبيت عام اينشتين نظريه‌اي در باره جرم‌هاي آسماني بزرگ مثل ستارگان، سيارات و كهكشان‌هاست كه براي توضيح گرانش در اين سطوح بسيار خوب است
مكانيك كوانتومي نظريه‌اي است كه نيروهاي طبيعت را مانند پيام‌هايي مي‌داند كه بين فرميون‌ها (ذرات ماده) رد و بدل مي‌شوند. مكانيك كوانتومي در توضيح اشياء، در سطوح بسيار ريز خيلي موفق بوده بوده است
 

هاوكينگ مي گويد " يك راه براي تركيب اين دو نظريه بزرگ قرن بيستم در يك نظريه واحد آن است كه گرانش را همانطور كه در مورد نيروهاي ديگر با موفقيت به آن عمل مي‌كنيم، مانند پيام ذرات در نظر بگيريم. يك راه ديگر بازنگري نظريه نسبيت عام اينشتين در پرتو نظريه عدم قطعيت است

 

با آنكه نسبيت و مكانيك كوانوتم هر دو با در توجيه پديده هاي حوزه ي خود، از توانايي خوبي برخوردارند، اما تسري برخي مفاهيم از مكانيك كلاسيك به فيزيك مدرن مانع از تركيب اين دو نظريه بزرگ هستند. بهمين دليل نظريه سي. پي. اچ. تصريح مي كند كه  مكانيك كلاسيك، مكانيك كوانتوم و نسبيت را بايستي تواما و همزمان مورد بررسي مجدد قرار داد. علاوه بر آن چنين بررسي مجددي تا زمانيكه نظريه هيگز نيز مورد توجه قرار نگيرد راه به جايي نخواهد برد. بهمين دليل بايد از مشكلات مكانيك كلاسيك شروع كنيم و ببينيم كه آيا اين مشكلات در نسبيت و مكانيك كوانتوم بر طرف شده يا نه؟

 

مشكلات قوانين نيوتن

 

 هنگاميكه نيوتن قوانين حركت و قانون جهاني جاذبه را ارائه كرد، اين قوانين از نظر منطقي با اشكالات جدي همراه بود. قانون دوم نيوتن تا سرعتهاي نامتناهي را پيشگويي مي كرد كه با تجربه سازگار نيست. قانون دوم به صورت

 

F=ma       

 

ارائه شده است كه طبق آن نيروي وارد شده به جسم مي تواند تا بي نهايت سرعت آن افزايش دهد. اين امر با مشاهدات تجربي قابل تطبيق نيست. مشكل بعدي كنش از راه دور بود. يعني اثر نيروي جاذبه با سرعت نامتناهي منتقل مي شد. تاثير از راه دور همواره مورد انتقاد قرار قرار داشت.

اما مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني جاذبه وي بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود.    

نيوتن دريافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستاركان بايد يكديگر را جذب كنند و بنابراين اصلاً به نظر نمي رسد كه ساكن باشند. نيوتن در سال 1692 طي نامه اي به ريچارد بنتلي نوشت "كه اكر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه اي از فضا پراكنده باشند، همگي به يكديگر برخورد خواهند كرد. اما اكر تعداد نامحدودي ستاره در فضاي بيكران به طور كمابش يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزي در كار نخواهد بود تا همه بسوي آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت."

 اين برداشت نيز با يك اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به يك جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اكر جهان نامتناهي باشد و همه ي اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد.

 مشكل بعدي قانون جاذبه نيوتن اين است كه طبق اين قانون يك جسم به طور نامحدود مي تواند ساير اجسام را جذب كرده و رشد كند، يعني جرم يك جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است.

مشكل بعدي قوانين نيوتن در مورد دستكاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت يك جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در كدام چارچوب در حركت است. دستگاه هاي مقايسه اي در فيزيك داراي اهميت بسياري هستند. قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان يك چارچوب مرجع مطلق وجود داشت كه حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ي اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را "اتر" مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم سخن صحبت كند يا  مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.

 براين اساس مايكلسون تصميم داشت سرعت زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مايكلسون يك دستگاه تداخل سنج اختراع كرد و در سال 1880 تلاش  كرد طي يك آزمايش سرعت مطلق زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتيجه آزمايش منفي بود. (براي بحث كامل در اين مورد به كتابهاي فيزيك بنيادي مراجعه كنيد.) با آنكه آزمايش بارها و بارها تكرار شد، اما نتيجه منفي بود. هرچند مايكلسون از اين آزمايش نتيجه ي مورد نظرش به دست نياورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جايزه نوبل شد.

 

نسبيت خاص

 

براي توجيه علت شكست آزمايش مايكلسون نظريه هاي بسياري ارائه شد تا سرانجام اينشتين در سال 1905 نسبيت خاص را مطرح كرد. نسبيت خاص شامل دو اصل زير است:

1- قوانين فيزيك در تمام دستگاه هاي لخت يكسان است و هيچ دستگاه مرجع مطلقي در جهان وجود ندارد.

2- سرعت نور در فضاي تهي و در تمام دستگاه هاي لخت ثابت است.

در نسبيت سرعت نور، حد سرعت ها است، يعني هيچ جسمي نمي تواند با سرعت نور حركت كند يا به آن برسد.

نتيجه اين بود كه قانون دوم نيوتن بايد تصحيح مي شد. طبق نسبيت جرم جسم تابع سرعت آن است، يعني با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد وهر جسمي كه بخواهد با سرعت نور حركت كند بايد داراي جرم بينهايت باشد. لذا قانون دوم نيوتن بصورت زير تصيح شد.

     

 

F=dp/dt=d(mv)/dt=vdm/dt+mdv/dt

 

m=m0/(1-v^2/c^2)^1/2

 

بنابر اين جرم  تابع سرعت است و با افزايش سرعت، جرم نيز افزايش مي يابد. هنگاميكه سرعت جسم به سمت سرعت نور ميل كند، جرم به سمت بينهايت ميل خواهد كرد و عملاً هيچ نيرويي نمي تواند به آن شتاب دهد.

از طرف ديگر طبق نسبيت جرم و انرژي هم ارز هستند، يعني جرم جسم را مي توان بصورت محتواي انرژي آن مورد ارزيابي قرار داد. بنابراين انرژي داراي جرم است. اما در نسبيت نور از كوانتومهاي انرژي تشكيل مي شود كه آن را فوتون مي نامند و با سرعت نور حركت مي كند. اين سئوال مطرح شد كه اكر انرژي داراي جرم است و فوتون نيز حامل انرژي است كه با سرعت نور حركت مي كند، پس چرا جرم آن بينهايت نيست؟

پاسخ نسبيت به اين سئوال اين بود كه جرم حالت سكون فوتون صفر است. در حاليكه رابطه ي جرم نسبيتي در مورد جرم حالت سكون غير صفر بر قرار است. لذا در نسبيت با دو نوع  ذرات سروكار داريم، ذراتي كه داراي جرم حالت سكون غير صفر هستند نظير الكترون وذراتي كه داراي جرم حالت سكون صفر هستند مانند فوتون. در نسبيت تنها ذراتي مي توانند با سرعت نور حركت كنند كه جرم حالت سكون آنها صفر باشد.

مشكل نسبيت خاص در اين است كه جرم نسبيتي آن (جرم بينهايت) مانند سرعت بينهايت در مكانيك كلاسيك با تجربه تطبيق نمي كند. يعني هيچ نمونه ي تجربي كه با جرم بينهايت نسبيت تطبيق كند وجود ندارد

علاوه بر آن در نسبيت و حتي در مكانيك كوانتوم توضيحي وجود ندارد كه نحوه ي توليد فوتون را با سرعت نور توضيح بدهد.  و چرا فوتون در حالت سكون يافت نمي شود. آيا فوتون از ذرات ديگري تشكيل شده است؟ اگر جواب منفي است اين سئوال مطرح مي شود كه فوتون هاي مختلف با يكديگر چه اختلافي دارند؟ در حاليكه همه ي فوتون ها با انرژي متفاوت با سرعت نور حركت مي كنند. آزمايش نشان داده است كه فوتون در برخورد با ساير ذرات قسمتي از انرژي خود را از دست مي دهد. حال اين سئوال مطرح مي شود كه فرض كنيم فوتون شامل ذرات ديگري نيست، اين را بايد توضيح داد وقتي قسمتي از آن جدا مي شود و باز هم داراي همان خواص اوليه است ولي با انرژي كمتر؟ يعني فوتون قابل تقسيم است، هر ذره ي قابل تقسيمي بايد شامل زير ذره باشد.

واقعيت اين است كه فوتون در شرايط نور توليد مي شود و اجزاي تشكيل دهنده آن نيز بايستي با همان سرعت نور حركت كنند و حالت سكون فوتون يعني تجزيه ي آن به اجزاي تشكيل دهنده اش

از طرفي مي دانيم جرم و انرژي هم ارز هستند، آيا اين منطقي است كه مي توان سرعت جرم را تغيير داد اما سرعت انرژي ثابت است؟

 

نسبيت عام:

 

نسبيت خاص داراي يك محدوديت اساسي بود. اين محدوديت ناشي از آن بود كه رويدادهاي فيزيكي را در دستگاه هاي لخت مورد بررسي قرار مي داد، در حاليكه در جهان واقعي دستگاه ها شتاب دار هستند. هرچند مي توان در بر رسي برخي رويداد ها به دستگاه هاي لخت بسنده كرد، اما اين دستگاه ها براي بررسي تمام رويدادها ناتوان هستند. 

اينشتين در سال 1915 نسبيت عام را ارائه كرد و نسبيت خاص به عنوان حالت خاصي از نسبيت عام در آمد.

نسبيت عام بر اساس اصل هم ارزي تدوين شد.

 

اصل هم ارزي:

  قوانين فيزيك در يك ميدان جاذبه يكنواخت و در يك دستگاه كه با شتاب ثابت حركت مي كند، يكسان هستند.

به عنوان: فرض كنيم يك دستگاه مقايسه اي با شتاب ثابت در حركت است. مشاهدات در اين دستگاه نظير مشاهدات در يك ميدان گرانشي يكنواخت است در صورتي كه شدت ميدان گرانشي برابر شتاب دستگاه باشد، يعني:

 

a=g

 

باشد، در اين صورت مشاهدات يكسان خواهد بود.

 

مهمترين دستاورد نسبيت عام توجيه مدار عطارد بود. بررسي هاي نجومي نشان داده بود كه نقطه حضيض عطارد جابه جا مي شود. بيش ار يكصد سال بود كه فيزيكدانان متوجه ان شده بودند، اما نمي توانستند با قوانين نيوتن توجيه كنند. اما نسبيت عام توانست أن را توجيه كند.

بنا بر نسبيت،  گرانش اثر هندسي جرم بر فضاي اطراف خود است. كه فضا-زمان ناميده مي شود. يعني جرم فضاي اطراف خود را خميده مي كند و مسير نور در اطراف آن خط مستقيم نيست، بلكه منحني است.

در سال 1919 انحناي فضا را اهنگام كسوب كامل خورشيد با نوري كه از طرف ستاره ي مورد نظري به سوي زمين در حركت بود و از كنار خورشيد مي گذشت مورد تحقيق قرار دادند كه با پيشگويي نسبيت تطبيق مي كرد. اين موفقيت بسيار بزرگي براي نسبيت بود. از آن زمان به بعد توجه به ساختار هندسي و خواص توپولوژيك فضا بررسي واقعيت هاي فيزيكي  را به حاشيه راند. مضافاً اينكه گرانش را از فهرست نيروهاي اساسي طبيعت در فيزيك نظري حذف كرد.

مشكلات اساسي نسبيت را مي توان به صورت زير فهرست كرد:

 1- مشكل نسبيت با مكانيك كوانتوم- مكانيك كوانتوم ساختار ريز و كوانتومي كميت ها و واكنش متقابل آنها را مورد بررسي قرار مي دهد. به عبارت ديگر نگرش مكانيك كوانتوم بر مبناي كوانتومي شكل گرفته است. در اين زمينه تا جايي پيش رفته كه حتي اندازه حركت و برخي ديگر از كميتها را كوانتومي معرفي مي كند. اين نتايج بر مبناي يكسري شواهد تجربي مطرح شده و قابل پذيرش است. علاوه بر آن تلاشهاي زيادي انجام مي شود پديده هاي بزرگ جهان را با قوانين شناخته شده در مكانيك كوانتوم توجيه كنند. حال به نسبيت توجه كنيد كه فضا-زمان را پيوسته در نظر مي گيرد. بنابراين نسبيت با مكانيك كوانتوم ناسازگار است. تلاشهاي زيادي انجام شده تا به طريقي يك همانگي منطقي و قابل قبول بين نسبيت و مكانيك كوانتوم ايحاد شود. در اين مورد كارهاي ديراك شايان توجه است كه مكانيك كوانتوم نسبيتي را پايه گذاري كرد و آن را توسعه داد. اما در مورد نسبيت عام موفقيت چنداني نصيب فيزيكدانان نشده است.

 

2- پيچيدگي و عدم وجود تفاهم در نسبيت- پيچيدگي نسبيت موجب شده كه تفاهم منطقي بين فيزيكدانان در مورد نتايج و پيشگويي هاي نسبيت وجود نداشته باشد. به عبارت ديگر نسبيت شديداً قابل تفسير است. اين تفاسيرگاهي چنان متناقض هستند كه حتي فيزيكدان بزرگي نظير استفان هاوكينگ نظر خود را تغيير داد. البته اين براداشتهاي متفاوت از نسبيت ناشي از گذشت زمان نيست، بلكه از آغاز حتي براي خود اينشتين كه نسبيت را مطرح كرد وجود داشت. به عنوان مثال: اينشتين از سال 1917 شروع به تدوين يك نظريه قابل تعميم به عالم كرد. وي با مشكلات حل نشدني رياضي برخورد كرد. به همين دليل در معادلات گرانش عبارت مشهور " پارامتر عالم " را وارد كرد. ملاحظات وي در اين موضوع بر دو فرضيه مبتني بود.

1- ماده داراي چگالي متوسطي در فضاست كه در همه جا ثابت و مخالف صفر است.

2- بزرگي " شعاع " فضا به زمان بستگي ندارد.

 

در سال 1922 فريدمان نشان داد كه اگر از فرضيه دوم چشم پوشي شود، مي توان فرضيه اول را حفظ كرد بي آنكه در معادلات به پارامتر عالم نيازي باشد. فريدمان بر اين اساس يك معادله ي ديفرانسيل به صورت زير ارائه كرد:

 (dR/dt)^2 - C/R+K=0

 در واقع سالها قبل از كشف هابل در مورد انبساط فضا، فريدمان دقيقاً كشفيات او را پيش بيني كرده بود. معادله ي فريدمان معادله ي اصلي كيهان شناخت نيوتني است و بدون تغيير در نظريه نسبيت عام نيز صادق است. اينشتين بر همه نتايج به دست آمده توسط فريدمان اعتراض كرد و مقاله اي نيز در اين باب انتشار داد. سپس حقايق را در فرضيه فريدمان ديد و با شجاعت كم نظيري طي نامه اي كه براي سردبير مجله آلماني فرستاد به اشتباه خود در محاسباتش اعتراف كرد.

بيشتر مشكلات نسبيت ناشي از خواصي است كه كه به علت وجود ماده براي فضا قايل مي شوند. كه در آن هندسه جاي فيزيك را مي گيرد. زماني پوانكاره گفته بود كه اگر مشاهدات ما نشان دهد كه فضا نااقليدسي است، فيزيكدانان مي توانند فضاي اقليدسي را قبول كرده و نيروهاي جديدي وارد نظريه هاي خود كنند. اما نسبيت چنين نكرد و ماهيت پديده هاي فيزيكي را به دست فراموشي سپرد. هرچند پديده هاي فيزيكي را بدون ابزار محاسباتي، اعم از جبري و هندسي نمي توان توجيه كرد، اما فيزيك نه هندسه است و نه جبر، فيزيك، فيزيك است وبس!!!

  3- مشكل گرانش نيوتني در نسبيت همچنان باقي است- در نسبيت فضا-زمان داراي انحناست. هرچه ماده بيشتر و چگالتر باشد، انحناي فضا بيشتر است. سئوال اين است كه اين انحناي فضا تا كجا مي انجامد؟ در نسبيت انحناي فضا مي تواند چنان تابيده شود كه حجم به صفر برسد. براي آنكه ماده بتواند چنان بر فضا اثر بگذارد كه حجم به صفر برسد، بايد جرم به سمت بي نهايت ميل كند. يعني نسبيت نتوانست مشكل قانون گرانش را در مورد تراكم ماده در فضا حل كند، علاوه بر آن بر مشكل افزود. زيرا قانون نيوتن مي پذيرد كه ماده تا بي نهايت مي تواند متمركز شود، اما حجم صفر با آن سازگار نيست. اما نسبيت علاوه بر آن كه مي پذيرد ماده مي تواند تا بي نهايت متراكم شود، پيشگويي مي كند كه حجم آن نيز به صفر مي رسد.

 

چه بايد كرد؟

لازم است قبل از ادامه ي بحث اشاره ي كوتاهي به هيگز داشته باشيم

  

بوزون هيگز 

نويسنده :حسين جوادي

نقل از سي پي اچ

ارسال شده توسط بهزاد طهماسب زاد ه

 

 

در دهه هاي اخير فيزيكدانان يك مدل تحت عنوان مدل استاندارد را ارائه كردند تا يك چوب بست نظري براي فهم ذرات بنيادي و نيروهاي طبيعت فراهم  آورند. مهمترين ذره در اين مدل، يك ذره ي فرضي موجود در همه ي ميدانهاي كوانتومي است كه نشان مي دهد ساير ذرات چگونه جرم به دست مي آورند. در واقع اين ميدان پاسخ مي دهد كه همه ي ذرات در حالت كلي چگونه جرم به دست مي آورند. اين ميدان، ميدان هگز

Higgs field

خوانده مي شود. نتيجه ي منطقي دوگانگي موج - ذره اين است كه همه ي ميدانهاي كوانتومي داراي يك ذره ي بنيادي باشند كه با ميدان در آميخته است. اين ذره كه با همه ي ميدانها در آميخته و موجب كسب جرم توسط ساير ذرات مي شود، هيگز بوزون

 

Higgs boson

ناميده مي شود

 

راه حل

براي رسيدن به يك راه حل اساسي كه بتواند مشكلات عمده ي فيزيك معاصر را بر طرف سازد، راه هاي مختلفي وجود كه به نتايج متفاوت و گاهي ناسازگار مي انجامد. نظريه هاي مختلفي كه در اين زمينه مطرح شده اند، بخوبي نشان مي دهند كه نگرش بانيان آنها بر اساس دو گانگي بين بوزونها و فرميونها شكل گرفته است. سئوال اساسي اين است كه آيا حقيقتاً بوزون و فرميون دو موجود كاملاً متفاوت از يكديگرند؟ در نظريه ريسمانها، ريسمان به عنوان يك بسته فوق العاده كوچك انرژي تلقي مي شود كه با پيوستن آنها به يكديگر و با ارتعاشات مختلف آنها ساير ذرات نمود پيدا مي كنند. در نظريه هيگر بوزون به دنبال ذره اي هستند كه موجب ايجاد يا افزايش جرم مي شود. اگر اين مسئله ي هيگز بوزون را با دقت بيشتري بررسي كنيم شايد بتوانيم به نتايج جالب توجه تري برسيم

اجازه بدهيد تصورات خود را از بوزون و فرميون يا به عبارت ديگر از جرم - انرژي و نيرو تغيير دهيم. در فيزيك مدرن جرم و انرژي دو تلقي مختلف از يك كميت واحد هستند. جرم هر ذره را مي توان با محتويات انرژي آن اندازه گرفت و همچنين انرژي يك ذره را مي توان با جرم آن هم ارز دانست. لذا در فيزيك معاصر ما با دو كميت بيشتر سروكار نداريم، انرژي و نيرو

اگر رابطه ي نيرو و انرژي را با ديد متفاوتي مورد بحث قرار دهيم، مي توانيم به نتايج جالب توجهي برسيم. نيرو به عنوان انرژي در واحد طول مطرح مي شود كه براي آن رابطهي زير داده شده است

F=-dU/dx => du= - Fdx

حال ذره اي را در نظر بگيريد كه انرژي آن در حال تغيير است. اين تغييرات را از دو جهت مي توان مورد توجه قرار داد. يكي از جهت افزايش و ديگري از جهت كاهش. از نظر افزايش نسبيت براي آن محدوديتي قائل نشده است و طبق رابطه ي جرم نسبيتي، جرم آن تا بينهايت قابل افزايش است. اما از جهت كاهش طبيعت خود براي آن محدوديت قائل شده و آن اين است كه ذره تمام انرژي خود يا به عبارت ديگر، جرم - انرژي خود را از دست بدهد

ذره اي را در نظر بگيريد كه در يك ميدان داراي شتاب منفي است. اگر فاصله به اندازه ي كافي بزرگ و ميدان بسيار قوي باشد، آيا انرژي آن به صفر خواهد رسيد؟ چنين آزمايشي براي اجسام مثلاً يك فطعه فلز چندان قابل تصور نيست، اما براي يك كوانتوم انرژي( فوتون) به خوبي قابل درك است. زيرا در نسبيت فوتون نمي تواند از يك سياه چاله بگريزد. اين پديده را چگونه مي توان توجيه كرد؟ يكبار ديگر به رابطه نيرو - انرژي بر گرديم

 

F=-dU/dx => du= - Fdx

در رابطه ي بالا انرزِ و فاصله تغيير مي كنند، اما نيرو ثابت است. اگر نيرو يعني

F

يك كميت ثابت و تغيير ناپذير است، چگونه مي توان هگز بوزون را توجيه كرد؟ يعني واقعاً اين كاهش يا افزايش جرم چگونه امكان پذير است. متاسفانه اين ديدگاه از مكانيك كلاسيك به نسبيت تسري يافت و هيچگونه بخثي در اين زمينه مطرح نشد. اگر بخواهيم با همان نگرش كلاسيكي مشكلات فيزيك و ناسازگاري نسبيت و مكانيك كوانتوم را بر طرف سازيم، راه به جايي نخواهيم برد، همچنانكه تا به حال اين چنين بوده است

اشكال بعدي كه مانع رسيدن به يك نتيجه ي قابل توجه مي شود اين است فيزيكدانان به مشكلات به گونه اي پراكنده برخورد مي كنند. هيگز بوزون مسير خود را مي پيمايد، مكانيك كوانتوم مي خواهد مشكلات فيزيك را در چاچوب قوانين كوانتومي حل كند، و مهمتر از همه اينكه مكانيك كلاسيك تقريباً به فراموشي سپرده شده است. همه اينها هر كدام نگرشي خاص به جهان دارند و عموميت ندارند. تركيب مكانيك كوانتوم و نسبيت زماني امكان پذير است كه نگرش هيگز بوزون همراه با مكانيك كلاسيك نيز در اين تركيب منظور گردد

هر كدام از اين تئوري ها قسمتي از قوانين حاكم بر طبيعت را نشان مي دهند. اگر در يك نگرش همه جانبه اين قسمتهاي مختلف را كه با تجربه تاييد شده اند توام در نظر بگيريم مي توانيم به يك فيزيك يا يك نظريه براي همه چيز برسيم

از كجا شروع كنيم؟

1

با روند تكامل نظريه ها پيش مي رويم. نخست مكانيك كلاسيك را در نظر مي گيريم و به مورد خاص آن قانون دوم نيوتن توجه مي كنيم، اين قانون را با جرم نسبيتي يعني

m=m₀/(1-v²/ c²)^{1/2   ,} E=mc²  

و نظريه هيگز بوزون مي توان تركيب كرد. اگر ذره/جسمي تحت تاثير نيرو جرمش تغيير مي كند، اين تغيير جرم ناشي از اين است كه بوزون (نيرو) تبديل به انرژي مي شود. البته اين روند جهت معكوس نيز دارد، يعني در روند عكس با كاهش سرعت، انرژي به نيرو يا بوزون تبديل مي شود

 

2

در مورد قضيه كار انرژي

W=DE

برخوردي دوگانه وجود دارد. قسمت كار آن را با مكانيك كلاسيك مد نظر قرار مي دهند و كار را كميتي پيوسته در نظر مي گيرند، در حاليكه با انرژي آن برخوردي كوانتومي دارند. در واقع بايستي هر دو طرف رابطه را با ديد كوانتومي در نظر گرفت. در اين مورد مثالهاي زيادي مي توان ارائه داد كه با اين برخورد دوگانه در تناقض قرار خواهد گرفت. اگر اين مورد را بكار بنديم مشكل ارتباط فرميونها و بوزونها بر طرف خواهد شد

 

 3

اگر بپذيريم كه كار كوانتومي است، الزاماً به اين نتيجه خواهيم رسيد كه نيرو بطور كلي و از جمله گرانش نيز كوانتومي است. مفهوم صريح و در عين حال ساده آن اين است كه فضا - زمان كوانتومي است. با نگرش كوانتومي به گرانش يا به تعبير نسبيت فضا - زمان، مكانيك كوانتوم و نسبيت با يكديگر تركيب خواهند شد. تنها موردي كه در اين جا بايد متذكر شد اين است كه كوانتومي بودن فضا - زمان مي تواند انحناي آن را نيز نتيجه دهد

براي مطالعه ي بيشتر در مورد نظريه سي. پي. اچ. به آدرس زير مراجعه فرماييد

 

از اوائل قرن بيستم دو نظريه ي بزرگ نسبيت و مكانيك كوانتوم، براي پاسخگويي به مشكلاتي كه فيزيك كلاسيك با آنها دست بگريبان بود، پا به عرصه وجود نهادند. جالب اين است كه هر دو نظريه تقريباً همزمان مطرح شدند و سير تكاملي خود را طي كردند. نخست نسبيت خاص  در سال 1905 تنها در محدوده ي دستگاه هاي لخت بكار گرفته شد و در سال 1915 تحت عنوان نسبيت عام به دستگاه هاي شتابدار تسري يافت. مكانيك كوانتوم قديم در سال 1900 با طرح كوانتومي بودن انرژي اظهار شد و در دهه ي 1920 سير تكاملي خود را پيمود

 همواره اين سئوال مطرح بود  كه آيا اين دو نظريه بزرگ را مي توان با يكديگر تركيب كرد؟

ديراك توانست نسبيت خاص و مكانيك كوانتوم را بصورت مكانيك كوانتوم نسبيتي با هم ادغام كند. به دنبال آن سئوال اين بود كه چگونه مي توان مكانيك كوانتوم و نسبيت عام را با هم تركيب كرد؟

به یک دانشجوی مهندسی ، و یک دانشجو فیزیک و یک دانشجو ریاضیات، هر کدام 150 دلار دادند و از آنها خواسته شد که با استفاده از این پول ، ارتفاع یکی از هتل های شهر را که دانشگاه در آن قرار داشت. با دقت محاسبه کنند. سه دانشجو با اشتیاق فراوان برای انجام این محاسبه دنبال تهیه ملزومات رفتند.دانشجوی فیزیک اول به یک مغازه ساعت فروشی رفت و یک کرونومتر خرید و بعد ، از یک فروشگاه چند گوی فلزی به اندازه های مختلف خرید و سپس به یک لوازم التحریری رفت تا یک ماشین حساب بخرد و آخر سر هم چند نفر از دوستانش را خبر کرد تا در این کار به او کمک کنند . این دانشجوی فیزیک زمانی را که هر یک از گوی ها را از پشت بام هتل به زمین رسید اندازه گرفت و بعد با محاسبه زمانهای سقوط گوی ها و فرمول های فیزیکی ، ارتفاع هتل را به دست آورد. دانشجوی ریاضیات منتظر شد تا خورشید کمی پایین برود و بعد ، زاویه سنج و شاقول و متری را که خریده بود از کیفش در آورد طول سایه را اندازه گرفت ، زاویه خطی که نوک پشت بام هتل را به نوک سایه آن متصل می کرد محاسبه کرد و بعد با استفاده از فرمول های مثلثات ارتفاع هتل را تعیین کرد. واضح است که با این همه کار ، آنها دیگر فرصت نکردند برای امتحان فردایشان به اندازه کافی مطالعه کنند و همین باعث شده بود تا زیاد سر حال نباشند. روز بعد این سه دانشجو یکدیگر را در دانشگاه دیدند ، در حالی که سر حالی دانشجوی مهندسی باعث تعجب دو دانشجوی دیگر شده بود. آنها طریق محاسبه ارتفاع هتل را از هم پرسیدند و وقتی توضیحات دانشجوهای ریاضیات و فیزیک به پایان رسید دانشجوی مهندسی با قیافه حق به جانب روش خود را به این شکل توضیح داد : کاری نداشت ! من پیش مسئول پذیرش هتل رفتم یک دلار به او دادم و پرسیدم ارتفاع هتل چند متر است بعد با 149 دلار باقی مانده باقی روز را حسابی خوش گذراندم.

كاهش سرعت نور با استفاده از نانوگودال‌ها

 

یکشنبه 29 دی 1387 - محققان آزمایشگاه تحقیقات بنیادی NTT در ژاپن موفق به ساخت اولین نانوگودال‌های کوپل‌شده در مقیاس بزرگ شدند که می‌توانند سرعت نور را تا یک صدم کاهش دهند. نتایج این تحقیق برای ساخت مدارات کاملاً اپتیکی نویدبخش است ...

---

ماسايا نوتومي، يكي از اعضاي اين گروه پژوهشي مي‌گويد: «اين اولين آرايه از گودال‌هاي كوپل‌شده به اندازه طول موج است. اين گودال‌ها دو برابر كوچكتر از گودال‌هاي كوپل‌شده قبلي بوده و Q گودال ده برابر بالاتر است».

دو نوع سرعت براي توصيف انتشار يك موج در يك محيط مورد استفاده قرار مي‌گيرد: سرعت فاز و سرعت گروه. سرعت فاز به سرعت حركت نور داراي يك طول موج مشخص گفته مي‌شود. با اين حال، يك پالس نور حاوي طول موج‌هاي مختلفي است كه هر يك با سرعت‌هاي مختلف حركت مي‌كنند؛ بنابراين سرعت گروه به عنوان سرعت حركت خود پالس تعريف مي‌شود.

براي بسياري از كاربردها سرعت پايين گروه مطلوب مي‌باشد، زيرا در اين حالت برهمكنش ميان نور و ماده در يك ابزار افزايش مي‌يابد.

ساختارهاي گودال كوپل‌شده

از سرعت پايين نور مي‌توان در حافظه‌ها يا مدارات منطقي فتونيكي بهره برد؛ ساخت هر دوي اينها با استفاده از فن‌آوري‌هاي موجود دشوار است.

از ميان محيط‌هاي مختلفي كه براي كاهش نور وجود دارند، ساختارهاي گودال كوپل‌شده نويدبخش‌تر از بقيه هستند؛ زيرا از نظر تئوري، بر خلاف ساير مواد كاهش‌دهنده سرعت نور، حالت‌هاي انتقال نور در آنها، سرعت گروه پايين را به همراه انتشار پايين سرعت گروه دارا مي‌باشد.

به هر حال تاكنون عملكرد گودال‌هاي كوپل‌شده واقعي محدود بوده است، زيرا از نظر بنيادي آرايش آرايه‌هاي بزرگ از گودال‌هاي كوچك با Q بالا دشوار است. با كاهش اندازه گودال‌ها و افزايش Q آنها، سرعت نور كاهش بيشتري مي‌يابد.

نوتومي و همكارانش از بلورهاي فتونيكي براي توليد گودال هاي كوپل‌شده با Q بالا استفاده كردند. به اين دليل از بلورهاي فتونيكي استفاده شد كه آنها مي‌توانند نور را به شدت محدود كنند.

به گزارش ايسنا از ستاد ويژه توسعه فن‌اوري نانو، كار قبلي اين گروه نشان داده بود كه يك گودال تك‌بلور فتونيكي مي‌تواند تأخير اپتيكي طولاني داشته باشد، اما گودال‌هاي كوپل‌شده ساخته نشده بودند.

نوتومي توضيح مي‌دهد: «ما توانستيم با استفاده از ليتوگرافي با تفكيك‌پذيري بالا، 200 گودال بسيار كوچك با Q بالا را با يكديگر كوپل كنيم. اين گودال ها مي‌توانند سرعت نور را تا صد برابر كاهش دهند».

اين تيم تحقيقاتي نتايج كار خود را در Nature Photonics منتشر كرده‌اند.

منبع : ايسنا

«قوانين »فيزيك و محدوديت ها ي‌‌ آنها

همه چیزها یی که در این جا وجود دارند از خود نظم، هماهنگی،ثبات و جاودانگی بروز می دهند. ظاهرا جایی برای عوامل تاریخی یا تصادفی وجود ندارد. با این همه ... به موجب قوانین نیوتن مدار زمین باید یک بیضی باشد نه چیزی بیش از این.....

 

حتي تبيين ساده ترين  رويدادها در بر دارنده كل تاريخ كائنات است.   

ماه به دور زمين مي چرخد.  زمين و ساير سيارات به دور خورشيد.   همه اجرام منظومه شمسي از قانون گرانش عمومي تبعيت مي كنند.

همه چيزها يي كه در اين جا وجود دارند  از خود نظم، هماهنگي،ثبات و جاودانگي بروز مي دهند.  ظاهرا جايي براي عوامل تاريخي  يا تصادفي وجود ندارد. با اين همه ... به موجب قوانين نيوتن مدار زمين بايد يك بيضي باشد نه چيزي بيش از اين.   اين قوانين در باره جهت چرخيدن زمين  چيزي نمي گويند.  آنها نمي خواهند كه سطح چرخش در سطح معيني باشد.   چه چيز جهت حركت زمين به دور خورشيد را تعيين مي كند؟

 چرا مدارهاي سيارات و اقمار آنها ،تقريبا همگي در يك سطح قرار دارند ؟ 

اين مطالب خارج از حوزه قوانين نيوتن قرار مي گيردند.   ما بايد به جاي ديگر نگاه كنيم. من مثال خاص منظومه شمسي را انتخاب كرده ام تا وضعيتي بسيار كلي را در فيزيك نشان دهم.  در واقع ،قوانين فيزيك فقط بخشي از واقعيت را تبيين مي كنند.  آنها به ما مي گويند كه اگر شرايط معيني محقق شود،چگونه رويدادها اتفاق مي افتند.آنها بر اين شرايط كه فيزيكدانان آنها را شرايط «آغازين»يا «محدود كننده »مي نامندكنترلي ندارد.

  به مثال مان در مورد زمين باز مي گرديم .  به منظور تبيين تفصيلي حركت آن ،بايد در امتداد زمان به گذشته باز مي گرديم.  نخست به ولادت زمين باز مي گرديم.حركت امروزي آن خاطره اي از پر تابش (مثل پرتاب يك ماهواره )را حفظ مي كند. زمين،مسير و جهت حركت خود را از سحابي گازي شكلي به ارث برده كه در آن متولد شده است. اين سحابي كه به شكل يك قرص مسطح بوده است ،حول محور خود مي چرخيده و اين چرخش را به كليه اجرام تشكيل دهنده خود از جمله خورشيد،سيارات ،قمرها و سيارك ها منتقل كرده است . به اين دليل است كه صفحات مدارهاي آنها تقريبا بر هم منطبق است ، چرا كه مدتها قبل در در قرص سحابي شكل گرفتند .  (باز به همين دليل است كه از زمين آنها را در صورت فلكي منطقه بروج مشاهده مي كنيم.  خود اين سحابي نيز از يك مجموعه قوانين فيزيكي تبعيت مي كند. اما در اين جا وضعيت بسيار پيچيده است .  ما در باره عواملي كه باعث چرخش و جهت چرخش هاي  ابرهاي بين ستاره اي  شده اند اطلاعات بسيار اندكي داريم. البته نوعي چرخش عمومي كهكشان وجود دارد ،اما تلاطم هاي موضعي و ساير عوامل نيز دست اندر كارند ،مثل پيوندهاي مغناطيسي نيرومند ي كه سحابي ها را مثل مرواريدهاي يك گردنبند به هم پيوند مي دهد.

  در اصول ،اين عوامل هنگامي شناخته و درك خواهند شد كه بتوانيم تاريخ كليه عناصر كهكشان مان و كليه كنش هاي متقابلي را كه از  سر گذرانده  اند باز سازي كنيم. اما در عمل ،اين كار امكان  نا پذير تر از كار مامور بيمه انبارهاي غله  است.اگر فرض كنيم كه به رغم همه اين واقعيت ها دست يافته ايم،هنوز كارهاي زيادي بر جاي مي ماند ،زيرا اكنون با مشكل عظيم منشا كهكشانها ،تلاطم  ها و ميدانها مغناطيسي آنها مواجهيم.تنها چيزي كه كيهان شناسان جرات ابراز آن را دارند اين است كه اين پديده ها ظاهرا از درون خصوصيات ماده اي بيرون مي آيند كه در زمان پيدايش كهكشانها وجود داشته اند .كاريكاتوري از اين وضعيت را مي توان شرح زير بيان كرد :چيزها همان چيزي هستند كه هستند ،چون همان چيزي بوده اند كه بوده اند.براي تبيين پديده اي تا به اين حد متداول چون چرخش زمين ،ناگزيريم به منشا كاينات باز گرديم ،به گذشته اي كه در آن همه سر نخ هاي مان در «شب زمان»گم شده است (كه البته بيان ضعيفي است ،زيرا آن زمان هاي در شعله هاي گدازان تشعشع اوليه شسته شده اند ).

 به اختصار مي توان گفت كه براي درك هر واقعيت يا رويدادي ، دانستن همزمان كليه قوانين فيزيكي مربوط به آن و پيوندهاي يي كه اين قوانين در قالب آنها عمل مي كنندضرورت دارد .  اين پيوند ها و قوانين ،در چارچوب زمان و مكان ،قدم به قدم كل كائنات را به وجود مي آورند. در اين چارچوب است كه تصادف نيز نقش خود را بازي مي كند.  تصادف يك عامل ضروري باروري كيهاني ديديم كه در سراسر حماسه ما تصادف دست اندركارند .هسته در دل آتشين ستارگان سر گردان است. يك تصادف اتفاق مي افتد و يك هسته سنگين تر شكل مي گيرد.در اقيانوس اوليه دو مولكول با هم در تماس قرار مي گيرند .  آنها تركيب مي شوند و نظام پيچيده تري را به دنيا مي آورند. در داخل يك سلول ،يك پرتو كيهاني باعث نوعي چرخش مي شود .  يك پروتئين خصوصيات تازه اي كسب مي كند.يقينا هر يك از اين ذرات از قبل توانايي تركيب شدن يا تغيير يافتن را داشته اند .  اما رويداد مساعدي لازم بوده است تا اين امكان به تحقق بپيوندد.  سازمان يابي كائنات مستلزم آن است كه ماده خود را در اختيار بازي هاي تصادف قرار دهد.

    

برگرفته از كتاب اتم هاي سكوت/نوشته: اوبر ريوز/عباس مخبر

 http://cosmoshunter.blogfa.com/

 

نور(light)

نور

نور دارای تعریف دقیقی نیست، جسم شناخته شده یا مدل مشخص که شبیه آن باشد وجود ندارد. ولی لازم نیست فهم هر چیز بر شباهت مبتنی باشد. نظریه الکترومغناطیسی و نظریه کوانتومی با هم ایجاد یک نظریه نامتناقض و بدون ابهام می‌کنند که تمام پدیده‌های نوری را توجیه می‌کنند.

نظریه ماکسول درباره انتشار نور و بحث می‌کند در حالیکه نظریه کوانتومی بر هم کنش نور و ماده یا جذب و نشر آن را شرح می‌دهد ازآمیختن این دو نظریه ،نظریه جامعی که الکترودینامیک کوانتومی نام دارد،شکل می‌گیرد. چون نظریه‌های الکترو مغناطیسی و کوانتومی علاوه بر پدیده‌های مربوط به تابش بسیاری از پدیده‌های دیگر را نیز تشریح می‌کنند منصفانه می‌توان فرض کرد که مشاهدات تجربی امروز را لااقل در قالب ریاضی جوابگو است. سرشت نور کاملاً شناخته شده‌است اما باز هم این پرسش هست که واقعیت نور چیست.

گسترده طول موجی نور

نور گستره طول موجی وسیعی دارد . ناحیه نور مرئی از حدود ۴۰۰ نانومتر (آبی) تا ۷۰۰ نانومتر (قرمز) ‌است که در وسط آن طول موج ۵۵۵ نانومتر (نور زرد) که چشم انسان بیشترین حساسیت را نسبت به آن دارد یک ناحیه پیوسته که ناحیه مرئی را در بر می‌گیرد و تا فروسرخ دور گسترش می‌یابد. خواص نور و نحوه تولید سرعت نور در محیط‌های مختلف متفاوت است که بیشترین آن در خلاء و یا بطور تقریبی در هوا است در داخل ماده به پارامترهای متفاوتی بر حسب حالت و خواص الکترومغناطیسی ماده وابسته‌است. به‌وسیله کاواک جسم سیاه می‌توان تمام ناحیه طول موجی نور را تولید نمود. در طبیعت در طول موج‌های مختلف مشاهده شده امّا مشهورترین آن نور سفید است که یک نور مرکبی از سایر طول موج هاست. تک طول موج‌ها آن را به‌وسیله لامپ‌های تخلیه الکتریکی که معرف طیف‌های اتمی موادی هستند که داخلشان تعبیه شده می‌توان تولید کرد.

ماهیت‌های متفاوت نور

ماهیت ذره‌ای

ایزاک نیوتن در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت: پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیط‌های همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند که این امر را قانون

ماهیت موجی

هم‌زمان با نیوتن، کریسیتان هویگنس (Christiaan Huygens) (۱۶۹۵-۱۶۲۹)طرفدار توضیح دیگری بود که در آن حرکت نور به صورت موجی است و از چشمه‌های نوری به تمام جهات پخش می‌شود به خاطر داشته باشید که هویگنس با به کاربردن امواج اصلی و موجک‌های ثانوی قوانین بازتاب و شکست را تشریح کرد. حقایق دیگری که با تصور موجی بودن نور توجیه می‌شوند پدیده‌های تداخلی اند مانند به وجود آمدن فریزهای روشن و تاریک در اثر بازتاب نور از لایه‌های نازک و یا پراش نور در اطراف مانع.

ماهیت ذره‌ای

ایزاک نیوتن در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت: پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیط‌های همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند که این امر را قانون می‌نامند و یکی از مثالهای خوب برای توضیح آن بوجود آمدن سایه است.

ماهیت الکترومغناطیس

بیشتر به خاطر نبوغ جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) (۱۸۷۹-۱۸۳۱) است که ما امروزه می‌دانیم نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است که معمولاً به عنوان امواج الکترومغناطیسی توصیف می‌شود. گسترده کامل امواج الکتروو مغناطیسی شامل: موج رادیویی، تابش فروسرخ نور مرئی از قرمز تا بنفش، تابش فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما می‌باشد.

 

 

پدیده‌های نوری در ابرهای کریستال یخ

پدیده‌های نوری در ابرهای کریستال یخ
هنگامی که خورشید از میان ابر سیرواستراتوس یا سیروس می درخشد ، گاهی حلقه از روشنائی نورانی در حالتی که خورشید در مرکز آن قرار دارد دیده می شود. این حلقه معمولا در نواحی داخلی قرمز فام بوده ولی در قسمتهای خارجی سفید رنگ است. این پدیده را هاله می نامند. هاله در اثر شکست نور خورشید توسط کریستالهای یخی در ابر ایجاد می شود. شکست در همه وجهه های کریستال اتفاق می افتد. مقدار انحراف هرگز کمتر از زاویه می نیمم انحراف (Dm) نخواهد بود.
شکل کریستال یخ معمولا بصورت منشور شش وجهی بوده که زاویه بین وجوه آن 120 درجه می باشد.
در این حالت که زاویه شکست منشور (زاویه بین دو درجه مجاور) 120 درجه است شکست توربین دو وجه رخ نمی دهد. ولی شکست نور بین دو وجه متناوب که زاویه بین امتداد آنها ( زاویه شکست منشور) 60 درجه است می تواند اتفاق بیافتد.



شاخص شکست یخ تقریبا برابر 31/1 بوده و مقدار زاویه انحراف می نیمم (Dm) برای منشور 60 درجه تقریبا برابر 22 درجه است. ابرسرواستراتوس کریستالهای یخ با دسته کریستالهائی بصورت شش وجهی کوچک بمقدار زیاد در بردارد. هنگامیکه یک دسته اشعه موازی از خورشید از میان آنها عبور می کند. بعضی از وجوه شکست طوری قرار می گیرند که سبب انحراف اشعه بطرف چشم ناظر می شود.

از آنجائیکه زاویه می نیمم انحراف برابر 22 درجه می باشد تنها اشعه هائی نظیر امتدادهای y,x در شکل (8-4) به چشم ناظر می رسند. بعبارت دیگر زاویه انحراف اشعه باید مساوی یا بزرگتر از 22 درجه باشد. شدت نور شکسته شده در زاویه ای انحراف می نیمم 22 درجه دارای بیشترین مقدار است. این شدت سرعت کاهش می یابد و حتی برای زاویه انحراف 23 درجه بندی بر روی روشنائی کلی آسمان اثر می گذارد. بنابراین تصویر خورشید بصورت حلقه ای روشن بوده که زاویه بین اشعه خروجی از مرکز خورشید با اشعه ای کهع بطرف داخل هاله شکسته می شود 22 درجه است. این پدیده را هاله 22 درجه می نامند.

هاله دیگری وجود دارد که غیر معمول بوده و کمتر اتفاق میافتد. این هاله در اثر شکست دوربین یک وجه و قاعده منشور یا بین دو وجه مجاور که زاویه آنها (زاویه شکست منشور) 90 درجه است اتفاق می افتد. چنین هاله ای را هاله 46 درجه گویند. در واقع شاخص شکست یخ بکندی با افزایش طول موج کاهش می یابد. بنابراین 317/1=n برای نور بنفش و 307/1=n برای نور قرمز است. در نتیجه زوایای انحراف می نیمم (Dm) برای زاویه شکست 60 درجه برای نور قرمز َ34˚21 و برای نور بنفش َ22˚22 می باشد.

بنابراین از نظر تئوری هاله بایستی شامل هاله قرمز می شود (زیرا مقدار هاله قرمز کوچکتر بوده و در داخل قرار می گیرد) و هاله های بزرگتر مربوط به سایر رنگها بوده و در خارج قرار می گیرند. ولی بهرحال در عمل گاهی هاله های مربوط به نورهای زرد و سبز ممکن است درست در خارج نور قرمز دیده شوند ولی هاله نور بنفش و سایر رنگ های طول موج کوتاه دیده نمی شوند. این امر بعلت این حقیقت که نور بنفش و سایر رنگ های طول موج کوتاه دیده نمی شوند. این امر بعلت این حقیقت است که نور بنفش خارج شده از کریستالها که با زاویه انحراف می نیمم می شکند با سایر رنگهائی که با زوایای انرحاف غیر می نیمم شکسته شده و از کریستالها خارج می شوند مخلوط می گردد در نتیجه لبه خارجی چنین هاله ای سفید است. نواحی مرکزطی هاله تاریک تر از آسمان اطراف هاله بنظر می رسد ، زیرا واقعیت امر این است که هیچ نوری از خورشید با زاویه النحراف کمتر اغز زاویه انحراف می نیمم (Dm) منحرف می شود. رنگ آمیزی هاله 46 درجه مشابه هاله 22 درجه است. سایر هاله نیز با شعاعهای مختلف تا 7 درجه یاد این حدود دیده شده است. این نوع هاله ها خیلی نادر بوده و در اثر وجود کریستالهای یخی بشکلهای غیر معمول ایجاد می شوند.

بعضی از کریستالهای یخ بستگی به شکلی که دارند جهتی را ترجیح می دهند. این جهت
در منشورای ساده در امتداد محور طول افقی قرار می گیرند. بر عکس آنهائی که بصورت صفحه هستند از طرف سطح صاف خود بطور افقی قرار می گیرند. بنابراین نورد در مناطق یا محدوده خاصی خارج از هاله ای که ایجاد می کنند تمرکز یافته و شکلهای مختلفی بر اساس زاویه ارتفاع خورشید تشکیل می شود. بدین طریق خورشید کاذب هنگامی ایجاد می شود که تیغه های 60 درجه یخ بصورت عمودی قرار بگیرد. این لکه های نورانی با همان زاویه ارتفاع خورشید و درست در زیر هاله 22 درجه و در طرفین آن ایجاد می شوند.
کریستالهای یخ وجوه صافی دارند ، بنابراین بعضی از پدیده های نورانی در اثر انعکاس وقتی ایجاد می شود که وجوه کریستال تقریبا بصورتا افقی قرار بگیرد. این پدیده تصور روشنی از خورشید است که بطور عمودی در بالا یا پایین آن گسترش می یابد. رنگ این ستون مشابه رنگ خورشید است (یعنی سفید است هنگامیکخ زاویه ارتفاع خورشید بالاست و مایل به قرمز است وقتی که خورشید نزدیک افق قرار داردش) زیرا هیچ نوع تجزیه نوری همراه پدیده های انعکاسی اتفاق نمی افتد.

پدیده هاله ممکن است در اطراف ماه نیز دیده شود. البته ابرهائی که از ذرات یخ تشکیل شده اند بایستی دارای کریستالهای کاملا شکل یافته ای باشند ، در غیر اینصورت هاله خورشیدی با هاله دور ماه رویت نمی شود. بهر صورت تغییرات سریع در ترکیبات ابرها رخ داده بدین جهت بندرت هاله ها کامل و یا پردوام هستند.

پدیده های نوری در ابرهای تشکیل شده از آب:

پدیده هائی که در اثر شکست یا انعکاس نور در ابرهای کریستال یخ ایجاد می شود. در ابرهائی که حاوی قطرات بسیار ریز کروی آب می باشند ایجاد نمیشوند. ولی بهر حال حلقه های رنگین با شعاعهای خیلی کوچکتر دیده می شود. حلقه ای که توسط قطره ریز آب ابر درست می شود کرونا (CORONA) خوانده می شود. کرونا بر مرکز خورشید قرار داشته و از رنگهای متوالی درست می شود که بر عکس توالی رنگهای هاله می باشد. رنگ قرمز در قسمت خارج کرونا و رنگ آبی در داخل آن قرار دارد و این توالی مشابه رنگین کمان یا قوس قزح اصلی می باشد.

کروناها در اثر پراش یعنی خم شدن مسیر نور در حالیکه از مجاورت قطرات آب می گردد ایجاد می شوند و نور قرمز بیشترین پراش را دار. و در نتیجه در قسمت خارج دیده می شود. شعاع کرونا بطور معکوس متناسب یا اندازه قطرات ابر است. وقتی تفکیک خوبی از رنگها امکان پذیر است که اندازه قطرات یکنواخت باشد. بهترین کرونا در ابرهای نازکی که تازه تشکیل شده با در حال پراکنده شدن می باشند اتفاق می افتد. بخصوص کروناها هنگامیکه نور خورشید با ماه از یک لایه نازک ابر آلتواستراتوس می گردد بیشتر از سایر مواقع دیده می شوند.

عموما فقط قسمتهای کوچکی از کروناهای بزرگتر دیده می شوند. علاوه بر این رنگ های این پدیده بصورت تکه های غیر منظم که بعلت حضور قطرات با اندازه های مختلف است ظاهر می شود. در اینصورت احتمال دیده شدن تکه هائی از ابر با سایه های مختلف به رنگ صورتی کم رنگ و سبز کم رنگ بیشتر وجود دارد. این پدیده را شبه رنگین کمان (IRIDESCENCE) یا (IRISATION) می گویند.

 

پراش نور

وقتی جسم کدری میان یک پرده و یک چشمه نقطه‌ای نور قرار گیرد، سایه‌ای پیچیده متشکل از نواحی روشن و تاریک ایجاد می‌شود. این اثر به آسانی قابل روئیت است، اما یک چشمه نسبتا قوی ضروری است. لامپی با شدت زیاد که از یک سوراخ کوچک می‌درخشد، این کار را به خوبی انجام می‌دهد. اگر به نقش سایه حاصل از یک قلم ، تحت روشنایی یک چشمه نقطه‌ای نگاه کنید یک ناحیه روشن غیر معمولی در کناره خواهید دید.

حتی نواری با روشنایی ضعیف در وسط این سایه تشکیل می‌شود. به سایه‌ای که توسط دستتان در امتداد نور خورشید ایجاد می‌شود، نگاهی دقیق بیندازید. معمولا پراش مربوط به موانع شفاف مورد نظر قرار نمی‌گیرد. هر چند اگر در شب رانندگی کرده باشید، در حالیکه چند قطره باران بر روی شیشه عینکتان نشسته باشد، فریزهای روشن و تاریک را مشاهده خواهید کرد.

تاریخچه

اولین مطالعه تفضیلی منتشر شده درباره انحراف نور از مسیر مستقیم توسط فرانسسیکو گریمالدی در قرن هفدهم انجام گرفت و آن را پراشه نامید.

انواع پراش

پراش فرانهوفر

فرض کنید که یک مانع کدر حاوی یک روزنه کوچک داریم که امواج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. صفحه مشاهده ، پرده‌ای است موازات با مانع کدر ، دورتر بودن صفحه مشاهده به آرامی باعث تغییر پیوسته در فریزها می‌شود. در فاصله خیلی دور از مانع نقش تصویر شده بطور قابل ملاحظه‌ای پخش خواهد شد. بطوری که به روزنه واقعی بی‌شباهت است و یا شباهت اندکی با آن خواهد داشت. از آنجا به بعد حرکت دادن پرده تنها اندازه نقش پراش را تغییر می‌دهد ولی شکل آن را بدون تغییر می‌گذارد. این پراش را فرانهوفر یا پراش میدان- دور می‌گویند.

·         پراش فرنهوفر تک شکاف

در این نمونه شکاف مستطیل شکل که پهنای کوچک و طول چند سانتی متردارد، در مقابل منبع نور قرار می‌گیرد. پرتوهای نور بعد از عبور از شکاف بر روی پرده تشکیل تصویر می‌دهند، که قسمت مرکزی در مقایسه با کناره‌ها شدت بیشتری دارد. نقش‌های پراش در اطراف این ناحیه بوضوح دیده می‌شود و ضمن اینکه شدت نور با دور شدن از ناحیه مرکزی کاهش ی‌یابد، نوارهای تاریک در بین نوارهای روشن قابل روئیت است.

·         شکاف دوگانه

در این نمونه مانع کدر که در مقابل نور قرار می‌گیرد از دو شکاف مستطیل شکل موازی تشکیل شده است. هر روزنه به خودی خود همان نقش پراش تک شکافی را روی پرده دید ایجاد خواهد کرد. در هر نقطه روی پرده سهم‌های مربوط به این دو شکاف روی هم می‌افتد. گرچه دامنه هر کدام از آنها اساسا باید باهم مساوی باشد، ممکن است اختلاف فاز قابل توجهی پیدا کنند. در داخل قله مرکزی پراش وجود خواهد داشت. ممکن است یک بیشینه تداخل و یک کمینه پراش با یک مقدار از (زاویه انحراف از قسمت مرکزی) متناظر باشند. در چنین حالتی نوری وجود ندارد، که در آن موقعیت دقیق در تداخل شرکت کند و قله حذف شده را مرتبه گم شده می‌نامند.

پراش فرنل

فرض کنید یک مانع کدر حاوی روزنه کوچک که اموج تخت حاصل از یک چشمه نقطه‌ای شکل خیلی دور (S) ، آن را روشن کرده است. در این حالت صفحه مشاهده پرده‌ای موازی با مانع است. در این شرایط یک تصویر از روزنه بر روی پرده می‌افتد، که علی‌رغم وجود برخی فریزهای جزئی در اطراف محیط آن ، به روشنی قابل تشخیص است. بتدریج که صفحه مشاهده از مانع دور می‌شود، تصویر روزنه گر چه هنوز به راحتی قابل تشخیص است، هرچه شکل مشخص‌تری به خود می‌گیرد، و این در حالی است که فریزها نمایانتر می‌شوند. این پدیده مشاهده شده پراش فرنل یا میدان- نزدیک نامیده می‌شود.

اصل بابینه

دو پرده پراشان را مکمل می‌گویند، هرگاه نواحی شفاف روی یک پرده با نواحی کدر پرده دیگر و بر عکس متناظر باشند. وقتی که دو پرده مکمل روی هم بیافتند، آشکار است که ترکیب آنها کاملا کدر است.

توری پراش

آرایه‌ای تکراری از عناصر پراشان ، نظیر روزنه‌ها یا موانعی که اثر آنها ایجاد تغییرات متناوبی در فاز ، دامنه یا هر دوی آنها در یک موج خروجی است، یک توری پراش نامیده می‌شود. غالبا توریهای تخت تراشه‌ای ، یا شیارهایی تقریبا مستطیلی چنان سوار می‌شوند که بردار انتشار فرودی تقریبا بر هر یک از وجوه شیارها عمود باشند.

 

نانو تکنولوزی در پزشکی

محققان با استفاده از فناوری نانو در حال ساختن کپسولهایی با ابعاد نانومتر هستند که علاوه بر اندازه غیر قابل تصور ، قدرت تشخیص بافتهای مریض را داشته و دقیقا روی این بافت قرار گرفته و مقدار داروی لازم را به آنها می‌رساند. این پدیده را دارو‌سازی می‌گویند. در آزمایشی که به تازگی به انجام رسیده نشان داده شده است که حمله به سلولهای سرطانی با استفاده از ذرات نانو 100 برابر بازده عمل را افزایش می‌دهد. همچنین با استتفاده از فناوری نانو ، نوارهای زخم بندی هوشمندی درست شده است، که به محض مشاهده نخستین علائم عفونت در مقیاس مولکولی ، پزشکان را مطلع می‌سازد.

عقاید مختلف در مورد نانوتکنولوژی

مهمترین نکته درباره موقعیت کنونی فناوری نانو آن است که اکنون دانشمندان این توانایی را پیدا کرده‌اند که در تراز تک اتمها به بهره‌گیری از آنها بپردازند و این توانایی بالقوه می‌تواند زمینه ساز بسیاری از تحولات بعدی باشد. یک گروه از برجسته‌ترین محققان در حوزه نانوتکنولوژی بر این اعتقاد هستند که می‌توان بدون آسیب رساندن به سلولهای حیاتی ، در درون آنها به کاوش و تحقیق پرداخت. شیوه‌های کنونی برای بررسی سلولها بسیار خام و ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در درون سلول اتفاق می‌افتد ناگزیرند سلولها را از هم بشکافند و در این حال بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیالهای درون سلول یا ارگانهای موجود در آن از بین می‌رود.

رابطه نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی

نانوتکنولوژی مجموعه‌ای است از فناوریهایی که به صورت انفرادی یا باهم در جهت بکارگیری و یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیوتکنولوژی جزء فناورهای در حال توسعه می‌باشد که با بکارگیری مفهوم نانو به پیشرفتهای بیشتری دست خواهد یافت. نانوبیوتکنولوژی به عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سیستمهای زنده را در مقیاس مولکولی فراهم می‌آورد. بیوتکنولوژی به نانوتکنولوژی مدل ارائه می‌دهد، در حالی که نانوتکنولوژی با در اختیار گذاشتن ابزار برای بیوتکنولوژی آن را برای رسیدن به اهدافش یاری می‌رساند.

شناسایی پروتئینهای ترشح شده از سلولها

یک گروه از محققان که در گروهی موسوم به اتحاد سیستمهای زیستی گرد آمده‌اند، سرگرم تکمیل ابزارهای ظریفی هستند که هدف آن بررسی اوضاع و احوال درون سلول در زمان واقعی و بدون آسیب رساندن به اجزای درونی سلول یا مداخله در فعالیت بخشهای داخلی آن است. ابزاری که این گروه مشغول ساخت آن هستند ردیف‌هایی از لوله‌ها یا سیمهای بسیار ظریف هستند که قادرند وظایف مختلفی را به انجام برسانند. از جمله آنکه هزاران پروتئینی را که بوسیله سلولها ترشح می‌شود شناسایی ‌می‌کنند.

مهندسی بافت Tssue engeering

سطح استخوان از ترکیباتی تشکیل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر سطح یک عضو مصنوعی به استخوان طبیعی پیوند بخورد بدن آن را پس می‌زند. دلیل امر تولید بافت مصنوعی در محل استخوان طبیعی و سطح مصنوعی می‌باشد. استئوبلاستها در بافت پیوندی استخوان وجود دارند و بخصوص در استخوانهای در حال رشد دارای فعالیت چشمگیری هستند. با ایجاد ذراتی در اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهای مصنوعی احتمال دفع عضو جایگزین به دلیل تحریک سلولهای استئوبلاست کمتر می‌شود. ایجاد این ذرات با ترکیب مواد پلیمری ، سرامیکی و فلزی چندی پیش توسط دانشمندان به اثبات رسید.

مواد مورد استفاده در ترمیم استخوان

تیتانیوم ماده شناخته شده‌ای برای ترمیم استخوان است و به دلیل ترکیبات خاص و وزن زیادش جهت بالا بردن میزان استحکام بطور وسیع در دندانپزشکی و ارتوپدی استفاده می‌شود. ولی متاسفانه به دلیل آنکه بخش چسبنده‌ای که با Apatite (بخش فعال استخوان) پوشیده شده با تیتانیوم سازگار نیست فاقد فعالیت زیستی می‌باشد. استخوان واقعی نانوکامپوزیتی از موادی است که از ترکیب بلورهای هیدروکسید Apatite در ماتریکس آلی بوجود آمده و به حالت منفرد یافت می‌شود. استخوان طبیعی از نظر مکانیکی ، ضخیم و در عین حال دارای الاستیسیته می‌باشد و در نتیجه قابل ترمیم است.

ساخت یک دندان

مکانیسم نانویی دقیقی که منجر به تولید ترکیباتی با خواص مفید شود، همچنان مورد مطالعه و بررسی قرار دارد. اخیرا با استفاده از روش tribology یک دندان مصنوعی به صورت viscoelastic ساخته شده و دارای روکش نانویی می‌باشد. از خواص منحصر به فرد این دندان مصنوعی می‌توان به عایق بودن آن در مقابل خراش و افزایش التیام دندان اشاره کرد.

معالجه سرطان به روش فتودینامیک

معالجه سرطان با استفاده از روش فتودینامیک بر اساس نابودی سلولهای سرطانی بوسیله لیزری است که تولید اکسیژن اتمی می‌کند. به این طریق که اکسیژن اتمی رنگ خاصی را تولید می‌کند و سلولهای سرطانی بیش از سلولهاهای دیگر آن را جذب می‌کنند. در نتیجه فقط سلولهای سرطانی توسط اشعه لیزر نابود می‌شوند. البته یکی از معایب این روش آن است که به دلیل آب گریز بودن مواد رنگی ، این مواد به سمت پوست و چشمها حرکت می‌کند و در صورتی که شخص در معرض نور خورشید قرار گیرد باعث حساسیت در پوست و چشمها می‌شود.
برای این حل مشکل صورتهای آب گریز مولکول رنگها را داخل ذرات نانویی متخلخل مثل ormosil nano partical که دارای منافذی در حدود یک نانومتر می‌باشند قرار می‌دهند که این دارای دو مزیت است اولا از انتقال مواد رنگی به سایر نقاط بدن جلوگیری می‌کنند و ثانیا امکان ورود و خروج آزادانه اکسیژن را مهیا می‌سازد.

ساخت فیبر نوری

گروههایی از محققان در تلاشند تا ابزارهای مناسب در مقیاس نانو برای بررسی جهان سلولها ابداع کنند. یکی از این ابزارها فیبر نوری است که ضخامت نوک آن 40 نانومتر است و بر روی نوک آن نوعی پادتن جا داده شده که قادر است خود را به مولکول مورد نظر در درون سلول متصل سازد. این فیبر نوری با استفاده از فیبرهای معمولی و تراش آنها ساخته شده و بر روی فیبر پوششی از نقره اندود شده تا از فرار نور جلوگیری به عمل آورد. نحوه عمل این فیبر نوری درخور توجه است.
از آنجا که قطر نوک این فیبر نوری ، از طول موج نوری که برای روشن کردن سلول مورد استفاده قرار می‌گیرد به مراتب بزرگتر است، فوتونهای نور نمی‌توانند خود را تا انتهای فیبر برسانند، درعوض در نزدیکی نوک فیبر جمع می‌شوند و یک میدان نوری بوجود می‌آورند که تنها می‌تواند مولکولهایی را که در تماس با نوک فیبر قرار می‌گیرند تحریک کند.به نوک این فیبر نوری یک پادتن متصل است و محققان به این پادتن یک مولکول فلورسان می‌چسبانند و آنگاه نوک فیبر را به درون یک سلول فرو می‌کنند.
در درون سلول ، نمونه مشابه مولکول فلورسان نوک فیبر ، این مولکول را کنار می‌زند و خود جای آن را می‌گیرد. به این ترتیب نور ساطع شده از مولکول فلورسان از بین می‌رود و فضای درون سلول تنها با نوری که به وسیله میدان موجود در فیبر نوری بوجود می‌آید روشن می‌گردد. درنتیجه محققان قادر می‌شوند یک تک مولکول را در درون سلول مشاهده کنند. مزیت بزرگ این روش در آن است که باعث مرگ سلول نمی‌شود و به دانشمندان اجازه می‌دهد درون سلول را در هنگام فعالیت آن مشاهده کنند.

شناسایی مولکولهای زیستی

نانوتکنولوژی همچنین به محققان امکان می‌دهد که بتوانند رویدادهای بسیار نادر یا مولکولهای با چگالی بسیار کم را مشاهده کنند. به عنوان مثال بلورهای مینیاتوری نیمه هادیهای فلزی در یک فرکانس خاص از خود نور ساطع می‌کنند و از این نور می‌توان برای مشخص کردن مجموعه‌ای از مولکولهای زیستی و الصاق برچسب برای شناسایی آنها استفاده کرد.

کنترل فعالیت درون سلولها

محققان امیدوار هستند که در آینده‌ای نه چندان دور با استفاده از نانوتکنولوژی موفق شوند امور داخلی هر سلول را تحت کنترل خود درآورند. هم اکنون گامهای بلندی در این زمینه برداشته شده و به عنوان نمونه دانشمندان می‌توانند فعالیت پروتئینها و مولکول DNA را در درون سلول کنترل کنند. به این ترتیب نانوتکنولوژی به محققان امکان می‌دهد تا اطلاعات خود را درباره سلولها یعنی اصلی‌ترین بخش سازنده بدن جانداران به بهترین وجه کامل سازند.

چشم انداز بحث

با توجه به پیشرفت سریع و دامنه گسترده بیوتکنولوژی زمینه‌های بروز انقالاب بیوتکنولوژی عصر جدیدی در علوم مختلف مانند بیولوژی ، پزشکی ، فارماکولوژی و مهندسی ژنتیک فراهم گردیده است. به علاوه حوزه‌های دیگری مانند اقتصاد و سیاست نیز از آن تاثیر بسزایی پذیرفته است. هم اکنون از دیدگاه اخلاق زیستی در این رابطه سوالات مهم و اساسی مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزایی که بر پیشرفتهای علمی و سایر زمینه‌های علوم زیستی دارد، نسلهای آینده بشر را نیز به صورت گسترده‌ای تحت‌الشعاع قرار می‌دهد. در این باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندی می‌تواند راه گشا بوده و بایستی با در نظر گرفتن این منابع و پیشرفتهای جدید و با امید به حل چنین مشکلات و مسائلی با فائق آمدن بر همه محدودیتها در جهت گسترش این دانش فعالیت نمود.

 دارو رسانی به بافتها با کمک نانوتکنولوژی

 
نانولوله‌هایی که از نوع پلیمر هادی ساخته شده‌اند، می‌توانند در برابر سیگنال‌های الکتریکی پاسخ داده ، در رهایش هوشمند دارو مورد استفاده قرار گیرند.

قرار دادن نانولوله‌ها بروی سطح میکروالکترودها می‌تواند به تولید دستگاهی منجر شود که با قرار گرفتن درون بدن به تدریج و طبق زمان‌بندی مشخصی دارو آزاد کند.

`دکتر David martin` مدیر یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه میشیگان در مقاله خود در مجله Journal Advanced Material ، به تفصیل درباره چگونگی تهیه این دستگاه رهایش دارو توضیح داده است.

در این مقاله آمده است که آنها با استفاده از نانولوله‌هایی از جنس پلیمر هادی مانند «3 و 4- اتیلن دی‌اکسید تیوفن» یا PEDOT و قرار دادن آنها بروی میکروالکترودها به این مهم دست یافته‌اند.

این فرآیند با پوشاندن میکروالکترودهای طلا با نانوالیافی از جنس پلیمر زیست تخریب‌پذیر PLGA که با ذرات دارو آمیخته شده است، آغاز می‌شود.

افزودن محلول PEDOT به الکترود پوشیده از PLGA و اعمال جریان ، باعث رشد نانولوله‌ها بر روی دیواره‌های منظم الیاف حاصل از نانوالیاف PLGA می‌شود.

در حالت عادی PLGA به آهستگی از بین می‌رود و داروی درون آن آزاد می‌شود، ولی وقتی این الیاف توسط نانولوله‌های PEDOT احاطه شوند مقدار بسیار ناچیزی از دارو و PLGA خارج شده و هدر می‌رود، در این حالت با اعمال جریان یک ولتی در مدت زمان بسیار کوتاه (10 ثانیه) ، دارو بطور کامل آزاد می‌شود.

این محققان می‌گویند: که در زمان اعمال جریان الکتریکی ، نانولوله‌ها منقبض می‌شوند و این فشردگی به داروی درون نانولوله‌ها منتقل شده ، باعث خروج آنها از انتهای نانولوله‌ می‌شود. به علاوه آنها با کنترل ولتاژ اعمال شده به الکترود در هنگام تحریک نانولوله‌ها ، میزان داروی خروجی را تحت کنترل خود درآورده‌اند.

از دیگر مزایای روش به کار رفته این است که نانولوله‌های پلیمری هادی تأثیر برجسته‌ای در برابر مقاومت الکتریکی میکروالکترودهای طلا از خود نشان می‌دهد. به این شکل ، کاهش مقاومت الکتریکی میکروالکترودها باعث افزایش قابل توجهی در کارایی نانولوله‌ها می‌شود.

نانوتکنولوژی در مبارزه با سرطان مغز

 
به گفته محققان آمریکایی، نانو ذرات می‌توانند غلظت‌های زیاد داروها را درون تومورهای مغزی متمرکز کرده و آنها را نابود سازند.
به گزارش پایگاه جامع پزشکی پرتو ایران، محققان دانشگاه میشیگان (‪ (U-Mداروی فوتوفرین (‪ (Photofrinرا بر روی نانو ذرات (ذراتی به اندازه یک میلیونم متر) سوار کردند که بوسیله آنها می‌توانند تومور را هدف‌گیری کنند. فوتوفرین بوسیله جریان خون به تومور می‌رسد سپس پزشکان بوسیله نور لیزری مخصوصی دارو را فعال می‌کنند و این کار باعث بسته شدن عروق خونی تغذیه‌کننده تومور می‌شود و تومور بدون تغذیه خونی نابود می‌شود.
از این دارو برای درمان انواع مختلف تومور استفاده می‌شود. با این وجود استفاده از فوتوفرین به تنهایی به بافت‌های سالم آسیب می‌زند اما نانو ذرات باعث می‌شوند که دارو فقط در تومور آزاد شود. این مطالعه در شماره اخیر نشریه تحقیقات بالینی سرطان منتشر شده است. محققان در این مطالعه دریافتند، موش‌های مبتلا به سرطان که بصورت قدیمی با فوتوفرین درمان شدند ‪ ۱۳روز زنده ماندند ولی موش‌هایی که با روش اخیر درمان شدند بطور متوسط ‪ ۳۳روز زنده ماندند.
دکتر النواز رحمت‌الله استاد رادیولوژی و انکولوژی می‌گوید: برای درمان تومورهای مغزی می‌بایست در چارچوب جدیدی فکر کرد. داروها در مسیر عادی خود دارای قابلیت نفوذ به مغز نیستند و به همین دلیل برخی درمان‌های فعلی کارایی لازم را ندارند.
اما هدف‌گیری تومور با نانو ذرات حاوی دارو بر این مشکل غلبه می‌کند. با این وجود برای کاربرد نانو ذرات حاوی دارو بر انسان به انجام تحقیقات بیشتری نیاز است.