کشف حالت جدید از ماده در شیشه‌ های معمولی

کشف حالت جدید از ماده که توسط آقای شو یایدا از دانشگاه دوک انجام شده است اکنون باعث اوج گرفتن دوباره مجادلاتی شده که بیش از ۳۰ سال است در میان دانشمندان وجود دارد.

چنین انتقال فاز غیر قابل توضیحی برای دهه‌ها در ماده‌های موجود در دنیای واقعی مشاهده شده است و حالا ما شواهد بیشتری در مورد آن به دست آورده‌ایم. دانشمندان سراسر دنیا در تلاش‌اند تا بفهمند که وجود چنین حالتی چه مفهوم و پیامی می‌تواند برای تمامی انواع سیستم‌های نامنظم در جهان هستی داشته باشد؛ از مایعات و گازها تا دانه‌های ریز تا کهکشا‌ن‌های بزرگ.

کشف اخیر که توسط شو یایدا از دانشگاه دوک انجام گرفته است، می‌تواند این حالت جدید از ماده را از گستره‌ی فرضی ابعاد نامحدود به واقعیت بیاورد. یافته‌ی اخیر همین الان هم در بین فیزیکدانان سروصدای زیادی به پا کرده است.

پاتریک کاربونئو، یکی از این فیزیکدانان است که باور دارد:

ما به وجود نشانه‌هایی از نوعی حالت گذار پی بردیم که در ابتدا جرئت نداشتیم بگوییم آن‌ها شواهدی از حالت گذار هستند؛ زیرا بخشی از جامعه‌ی علمی بر این عقیده بودند که چنین حالتی به‌کل نمی‌تواند وجود داشته باشد. شو در واقع نشان داد که این حالت وجود دارد.

شالوده‌ی اصلی این موضوع رازآلود مبتنی بر یک واقعیت است؛ اینکه اگر شما به مقدار کافی روی ذره‌های کریستال (بلور) دقیق شوید و بتوانید زیرساخت‌های زیرین آن را ببینید، با یک آرایه‌ی کاملا منظم و متقارن از اتم‌ها روبرو خواهید بود. اما اگر به همان ترتیب به ذره‌های شیشه نگاه کنید، چیزی به‌جز آشفتگی و هرج‌ومرج در آرایش آن‌ها نخواهید یافت.

همین بی‌نظمی باعث می‌شود بررسی شیشه و همین‌طور سایر موادی که نظم و ترتیب اتمی مشخصی از خود نشان نمی‌دهند، به‌طور شگفت‌آوری مشکل باشد؛ زیرا در حال حاضر هنوز تئوری‌های تثبیت‌شده‌ای برای توضیح دادن رفتار آن‌ها در پاسخ به عواملی محرکی از قبیل حرارت یا شکستگی وجود ندارد.

هنگامی که یایدا و گروهش در مورد این آشفتگی تصادفی، درون تکه‌ی منظمی از شیشه تحقیق کردند، به ساختار درونی آن پی بردند و دریافتند این ساختار حتی از آن چیزی که گمان می‌کرده‌اند نیز بسیار عجیب‌تر است. چنین به نظر می‌رسد که ماده‌ی مورد بحث وارد یک فرایند عجیب انتقال فاز در دماهای پایین می‌شود و همین امر موجب به وجود آمدن یک حالت جدید از ماده می‌شود.

بر پایه‌ی محاسبات آن‌ها، این حالت جدید می‌تواند بر چگونگی پاسخ مواد به مواردی همچون گرما و صوت و همچنین چگونگی و زمان شکسته شدن آن‌ها تحت فشار مؤثر باشد.

این فاز که به‌عنوان شکستگی تقارنی نمونه‌ی چندگانه شناخته می‌شود، پیش از این نیز در سیستم‌های فرضی و با بیش از شش بعد تشریح شده بود؛ چیزی جدیدتر که پیش‌تر در جهان واقعی هم دیده نشده بود و به‌تازگی یافت شده است.

اما این بار پژوهشگران دانشگاه دوک نشان داده‌اند که چنین رویدادی می‌تواند در هر یک از اشیاء کاملا حقیقی و در دنیای واقعی با تنها سه بعد شناخته‌‌شده‌ی فضایی هم رخ دهد.

کاربونئو در گفتگو با پایگاه گیزمودو در خصوص کشف حالت جدید از ماده اینگونه توضیح می‌دهد:

من می‌دانستم که چنین چیزی می‌تواند باعث ایجاد مشکل شود؛ اما دقیقا نمی‌دانستم گستره‌ی مشکل چقدر خواهد بود. من از وجود مشکل خبر داشتم؛ اما از خصیصه‌های آن مطلع نبودم. من نمی‌دانستم چه کسانی از این یافته خوشحال می‌شوند و چه کسانی قرار است متقاعد شوند و چه کسانی قرار است آن‌ها را پس بزنند و قانع نشوند.

پژوهشگران بر پایه‌ی محاسباتی که انجام دادند به این نتیجه رسیدند که نقطه‌ای در دماهای پایین در شیشه وجود دارد که در آن حالت، اتم‌های شیشه خودشان را در چندین پیکربندی مختلف و در سراسر ساختار ماده آرایش می‌کنند.

به بیان دیگر، این تنها یک چینش نامرتب و بی‌نظم عادی از شیشه نیست؛ بلکه شکستگی تقارنی نمونه‌ی چندگانه می‌تواند باعث ایجاد دسته‌ی کاملا جدیدی از الگوهای تصادفی شود.

در نتیجه برای اولین بار است که یایدا موفق شده این نقطه‌ی ثابت و مشخص را در سه بعد و در طی محاسبات خود شناسایی کند؛ انجام چنین محاسباتی و شناسایی چنین حالتی در واقع به‌عنوان پیش‌زمینه‌ی اساسی برای وجود فرایند گذار فاز است.

شما در تصویر زیر می‌توانید محاسبات اولیه‌ی وی را در سمت چپ ببینید. این محاسبات در دستیابی به یک نقطه‌ی ثابت در سه بعد به شکست منتهی شدند. در سمت راست هم محاسبات یایدا را در ادامه‌ی پژوهش‌هایش می‌بینیم که وی در آن‌ها موفق به یافتن نقطه‌ی ثابت مورد بحث در محلی شده است که خطوط موجود در شکل با همدیگر هم‌پوشانی دارند.

وی در یک نشست مطبوعاتی درباره کشف حالت جدید از ماده گفت:

تجربه‌ی لحظه‌هایی از این دست در واقع همان دلیلی است که من باعث فعالیت من در دنیای علم می‌شود. البته این تنها یک نقطه است؛ اما برای افرادی که در این زمینه فعال‌اند، مفهوم زیادی دارد. نقطه‌ی ثابت نشان می‌دهد این مورد شگفت‌انگیزی که افراد در دهه‌های هفتاد و هشتاد میلادی به آن پی برده بودند، دارای یک ارتباط و همبستگی فیزیک با دنیای سه‌بعدی خودمان هم بوده است.

اما هنوز همه‌ی صاحب‌نظران قانع نشده‌اند. مایکل مور، فیزیکدان بریتانیایی از دانشگاه منچستر در یک سیستم متفاوت به دنبال این گذار فاز بوده است که از آن سیستم با نام شیشه‌ی اسپینی یاد می‌شود. وی بر این باور است که شواهد و اثبات ارائه‌شده توسط گروه دانشگاه دوک کافی نیستند.

مایکل مور در خصوص کشف حالت جدید از ماده می‌گوید:

من فکر نمی‌کنم که مقاله‌ی آن‌ها به‌کل نادرست باشد. این مقاله فقط خیلی نظری و خیال‌پردازانه است. من ادعا نمی‌کنم که مقاله‌ی ما کاملا موشکافانه است؛ اما کار ما نشان می‌دهد که احتمال درست بودن سناریوی مورد نظر آن گروه وجود ندارد.

لیسا مانینگ، فیزیکدان از دانشگاه سیراکوز نیز همان اعتراضات و انتقادها را به محاسباتی وارد کرده است که اخیرا بسیار کامل در نظر گرفته می‌شوند؛ اما وی همچنین تصریح کرده‌ است که یایدا و گروهش در مسیر درستی قرار دارند.

آزمایش واقعی وقتی انجام می‌شود که پژوهشگران بتوانند از پیش‌بینی‌های خودشان برای جستجو به دنبال این حالت جدید از ماده استفاده کنند؛ اگر آن‌ها موفق به این کار شوند، در آن صورت ما برای تشریح این اعجاب اتمی به چیزی بیشتر از استدلال‌های ریاضی صرف نیاز خواهیم داشت؛ اعجابی که از شیشه‌ی سردشده نشأت ‌گرفته است و می‌تواند کاربردهای جدیدی در زمینه‌های گوناگون به ارمغان آورد.

کاربونئو در یک نشست مطبوعاتی در خصوص کشف حالت جدید از ماده گفت:

مشاهده‌ی این واقعیت که چنین گذار فازی می‌تواند در دنیای واقعی و در سه بعد وجود داشته باشند، بدین معنی است که ما می‌توانیم هم‌اکنون جستجوی جدی خودمان برای یافتن این حالت را آغاز کنیم.

کشف حالت جدید از ماده در حقیقت بر چگونگی فرارسانی صوت، میزان گرمایی که ماده می‌تواند جذب کند و همچنین بر انتقال اطلاعاتی که می‌تواند از میان این ماده انجام شود، تأثیر می‌گذارد. اگر شما شروع به بریدن شیشه کنید، بر چگونگی برش خوردن آن و چگونگی شکستن آن تأثیر خواهد داشت.