“طبوغرافيا المواد في العالم الكمّي” تحصد جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016

أراجيك 0 تعليق 5 ارسل لصديق نسخة للطباعة تبليغ
جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016

جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016

في اليوم الثاني لأكبر حدث يشهده العالم هذا الشهر؛ وبعد ترقب طويل من المهتمين بالفيزياء؛ مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء هذا العام لثلاثة علماء بريطانيون هم «ديفيد ثوليس، دنكان هالدين، ومايكل كوستيرليتز» عن اكتشافاتهم النظرية للطبيعة الطبوغرافية للمادة، والتي تعني أن المادة تسلك سلوكًا غريبًا عند تغير حالتها من مادة صُلبة لمادة سائلة، وبالتالي هذا الاكتشاف يفتح المجال أمام الباحثين لتطوير مواد مستحدثة بخصائص جديدة.

الجدير بالذكر أن جائزة نوبل في الفيزياء مُنحت لنحو 201 عالم منذ العام 1901 حتى 2015، ومنحت مرتين لعالم الفيزياء «جون باردين» بالشراكة مع عالمين آخرين هما «وليام برادفورد شوكلي، والتر براتين» في أبحاثهم على أشباه الموصلات واكتشافهم تأثير الترانزستور عام 1956.

وفي عام 1972 حصل «جون باردين» على الجائزة مع عالمين آخرين أيضًا هما «ليون نيل كوبر وجون روبرت شريفر» في تطوير أبحاثهم في الموصلات الكهربائية الفائقة، والتي عرفت بعد ذلك بنظرية BCS وهي اختصارًا لحروف أسمائهم الأولى جميعًا (Bardeen–Cooper–Schrieffer).

وفي العام الماضي مُنحت الجائزة بالمناصفة لكلاّ من العالم الياباني «تاكاكي كاجيتا»، والكندي «آرثر ب مكدونالد» لاكتشافهم خاصية تذبذبات جسيم النيوترينو؛ والذي يدل على أن النيوتريونات جسيمات لها كتلة، وبالتالي أصبح باستطاعتنا معرفة وفهم الآلية الداخلية للمادة، وفهم الكون بشكلٍ أفضل.

الاكتشاف الذي حصد جائزة نوبل

وجد العلماء الثلاثة في اكتشافهم؛ أن المواد يحدث لها تغيرات وتحولات مفاجئة و”غريبة” في خواصها الكهربائية مثل الانخفاض المفاجئ في المقاومة الكهربائية عند تبريدها باستمرار، وبالتالي ظهور ما يعرف بالمواد فائقة التوصيلة، هذه التحولات الطوبوغرافية ظهرت في المواد ذات الطبقات الرقيقة، ويمكن أن نجدها في مجموعة واسعة من المواد.

وبطبيعة الحال؛ من المعروف أن المادة تتكون من ذرات، ولها حالات وخصائص فيزيائية معروفة مثل الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية، أو خصائص أخرى مثل التوصيلة الكهربائية، أو المغناطيسية أو المواد فائقة التوصيل وغيرها من الخصائص الفيزيائية التي يمكن أن تكون عليها المواد؛ هذه الخصائص يطلق عليها اسم حالات المادة أو أطوار – phases.

ووفقًا لفيزياء المواد المكثفة – condensed matter physic، ومبدأ الظهور –  – principle of emergence؛ فإن هذه الخصائص تنتج من ترتيب وتنظيم الذرات بأشكال مختلفة في المادة.

هذه الترتيبات المتعددة في المادة يُطلق عليها اسم  The Orders؛ التي وضعت لها نظرية لفهم تلك التنظيمات تُدعى نظرية لاندو لكسر التناظر التلقائي – Landau symmetry-breaking theory، وتشير إلى أن هناك ترتيبات للذرات يمكن أن تتطابق مع التناظرات – التماثل – المختلفة للذرات الأساسية المكونة للمادة.

ماهو الطور الانتقالي –  Phase transition

يشير هذا المصطلح إلى التغيرات المفاجئة التي تحدث في المواد عندما تتحول من حالة لأخرى؛ فالذي يحدث هو أن تنظيم تماثل الذرات فيها يتغير.

وبما أن الذرات تستطيع أن تترتب وتنتظم في أشكال مختلفة؛ إذًا فمن الممكن أن تتواجد مواد بخصائص فيزيائية وحالات جديدة.

مثال -نظريًا -؛ المواد السائلة تترتب ذراتها ترتيب عشوائي، وإذا ما أزحناها لمسافات عشوائية سيظل السائل على حاله، لذا فإننا نقول بأن السائل لديه تناظر انتقالي مستمر، وبعد تغير طوره؛ فإنه يتحول إلى بلورات أو مواد صلبة.

في المواد الصلبة؛ تترتب الذرات بشكلٍ مُنتظم في هيئة شبكة، ولا تتغير إذا قمنا بإزاحة ذراتها – نظريًا – لمسافات معينة، أي أن لديها تناظر انتقالي منفصل.

بالتالي فإن الطور الانتقالي – Phase transition بين الحالة السائلة والصلبة؛ هو التحول الذي يعمل على تقليل التناظر الانتقالي المستمر للمواد السائلة إلى التناظر انتقالي منفصل في المواد الصلبة، هذا الانتقال يدعى كسر التناظر – Symmetry breaking.

لذا يمكن القول بإن جوهر الاختلاف بين المواد السائلة والصلبة؛ يكمن في ترتيب وتنظيم الذرات التي لديها تناظرات مختلفة في طورين، وأصبحت النظرية التي تصف هذه الحالة هي نظرية landau symmetry-breaking theory.

من المتفق عليه جميعًا لهذه الجائزة؛ هي أنها مُنحت لاثبات فيزيائي نظري بحت وبالتالي يصعب على كثيرٍ من الأشخاص فهم طبيعة البحث وكيف يمكن تطبيقه عمليًا؛ إلا أن هذا البحث وبالرغم من تعقيده؛ إلا إنه يفتح المجال أمام الباحثين لتطوير الحواسيب الكمية، أو تطوير الموصلات الفائقة وفهم أكثر لخصائص الموائع.

مقال “طبوغرافيا المواد في العالم الكمّي” تحصد جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016 لايعّبر عن رأي فريق تحرير أراجيك
إخترنا لك

أخبار ذات صلة

0 تعليق