سفر به سردتر از صفر مطلق

David Shiga
برگردان: احسان سنایی

دمای صفر مطلق همچون سد نفوذناپذیری‌ست که گویا تجربه‌اش ممکن نیست؛ ولی در حقیقت قلمرویی ماورای این صفر، از جنس دماهای منفی‌ ِ خارق‌العاده نیز نه‌فقط در فرضیات، که منطقاً در عمل نیز حقیقت دارند. هفته‌ی پیش، جزئیات روشی پیشرفته به‌منظور دسترسی به‌ چنین دماهایی تبیین گردید، تا که حالاتی جدید از ماده برملا شوند.

دما، بر اساس نحوه‌ی تأثیر افزایش و یا کاهش انرژی بر میزان بی‌نظمی محیط؛ یا «آنتروپی» آن سامانه، تعریف می‌شود. برای سامانه‌هایی با دماهای مثبت و مشابه، افزودن انرژی موجب افزایش بی‌نظمی می‌شود: مثلاً گرمابخشی به یک بلور یخی، آن را ذوب کرده و به حالتِ بی‌نظم‌تر ِ مایع بدل می‌کند. با سلب انرژی از سویی، به صفر مطلق (دمای ۲۷۳.۱۵- درجه‌ی سلسیوس) نزدیک و نزدیک‌تر می‌شوید که در آن نقطه، انرژی‌ و آنتروپی سامانه، هر دو در حداقل‌اند.

سامانه‌هایی که با دماهای منفی سر و کار دارند؛ بالعکس ِ این قضیه رفتار می‌کنند. با افزودن انرژی، آنتروپی و نتیجتاً دما رو به کاهش می‌گذارد. ولی عرفاً آن‌ها را نمی‌توان همچون سامانه‌های دمای مثبت، «سرد» قلمداد کرد و انتظار جریان یافتن گرما به درون‌شان را کشید. در حقیقت سامانه‌های دمای منفی، در پرانرژی‌ترین حالات‌شان، در قیاس با گرم‌ترین دماهای مثبت انرژی بیشتری را درون خود جای داده‌اند و از این‌رو همیشه گرما از آن‌ها به‌سمت سامانه‌هایی با دمای فراتر از صفر مطلق جریان می‌یابد.

در دماهای بالاتر از صفر مطلق، افزون انرژی به‌معنای افزایش آنتروپی‌ست؛ حال آنکه در دماهای منفی، چنین روندی بالعکس است / Shutterstock

به‌هرترتیب، ایجاد سامانه‌های دمای منفی به‌منظور مشاهده‌ی ویژگی‌های این قلمرو مرموز، کار ساده‌ای نیست. یقیناً این‌کار با سردسازی یک جسم تا نقطه‌ی صفر مطلق انجام نمی‌پذیرد؛ حال‌آنکه چنین وضعیتی را می‌توان که با گامی مستقیم و بی‌واسطه از جهان دماهای مثبت، به جهان دماهای منفی برداشت. چنین کاری عملاً در آزمایشات و با قرار دادن هسته‌های اتمی در معرض میدان‌های مغناطیسی که نتیجتاً همچون آهنریاهای ریز، هم‌خط با جریان میدان می‌شوند؛ انجام پذیرفته است. با تغییر جهت ناگهانی ِ میدان، هسته‌ها سریعاً تغییر جهت داده و در کم‌انرژی‌ترین حالت‌شان قرار گرفتند. زمانی‌که هسته‌ها در چنین وضعیتی بودند؛ پیش از آن‌که کاملاً هم‌خط با میدان شوند؛ در زمانی شدیداً اندک، رفتارهایی مشابه با حالت دماهای منفی را از خود بروز دادند.

از آنجایی‌که هسته‌ها تنها در دو حالتِ ممکن (به موازات، و در خلاف جهت میدان)، قادر به آرام گرفتن‌اند؛ بررسی این رفتارها تنها به کسب احتمالات محدودی منجر می‌شود. «آلارد موسک» (Allard Mosk) که هم‌اکنون در دانشگاه توئنت هلند فعال است، در سال ۲۰۰۵ طرحی را جهت انجام آزمایشی که به‌ کمک‌اش می‌توان به جهت‌گیری‌های دیگری از هسته‌ها دست پیدا کرده و بدین‌ترتیب حوزه‌ی دماهای منفی را بررسی نمود؛ ابداع کرد. در این روش، ابتدا از لیزر به‌منظور اتحاد اتم‌ها در حالتی گوی‌سان و محکم که در وضعیتی شدیداً سامان‌یافته (یا با حداقل آنتروپی) قرار دارد؛ استفاده می‌شود. از آن پس پرتوهای لیزری دیگری بر این مجموعه تابیده می‌شوند تا که یک ماتریس نوری موسوم به «شبکه‌ی نوری» را به گِرد گویچه‌ی اتمی تشکیل دهند. این شبکه، خود متشکل از مجموعه‌ای از «فرورفتگی‌های کم‌انرژی»‌ست.

سپس پرتوهای لیزریِ نخستین، چنان تنظیم می‌شوند تا که گویچه را در معرض فروپاشی قرار دهند. این عمل، اتم‌ها را در وضعیتی ناپایدار، همچون حالتی در آستانه‌ی فروغلتیدن از قله‌ی یک کوه قرار می‌دهد. شبکه‌ی نوری در اینجا همچون مجموعه‌ای از گودال‌ها در راستای دامنه‌ی کوه عمل می‌کند که مانع از این فروغلتیدن می‌شود. در چنین حالتی، سلب بخشی از انرژی پتانسیل اتم‌ها، موجب می‌شود که در حین فروپاشی از هم فاصله بگیرند و این، به افزایش بی‌نظمی سامانه می‌انجامد.

به‌بیانی؛ با کاهش انرژی، آنتروپی افزایش می‌یابد و این، خود تعریفی از دمای منفی‌ست.
ایده‌های موسک، هم‌اکنون توسط «آچیم روش» (Achim Rosch) و همکاران‌اش از دانشگاه کلن آلمان، تا حدودی تصفیه شده است. آزمایش پیشنهادی این تیم هم تقریباً مشابه مسیر قبلی‌ست؛ با این تفاوت که محاسبات روش و گروهش، خلق چنین حالتی را شدنی‌تر می‌کند. ضمناً آن‌ها راهی را جهت محک زدن نحوه‌ی ایجاد دماهای منفی در این آزمایش پیشنهاد کرده‌اند: از آنجا که اتم‌های موجود در وضعیت دمای منفی، بالنسبه پرانرژی‌اند؛ بایستی‌که به‌هنگام رها شدن از شبکه‌ی نوری، در قیاس با اتم‌هایی که دمای مثبت دارند؛ سریع‌تر حرکت کنند. موسک که در این پژوهش نقشی نداشته، می‌گوید: «پژوهش جدید، نشان از این می‌دهد که دسترسی به دماهای منفی از این طریق در آزمایشگاه‌ها، واقع‌بینانه‌تر است. [این روش] چیزی‌ست که خودم از تماشایش هیجان‌زده شدم».

با این حال، روش و گروهش صرفاً تئوری‌پردازند و برای تحقق ایده‌هایشان در آزمایشگاه، تجهیز نشده‌اند؛ اما معتقدند که تیمی آزمایشگاهی در خلال یک سال آینده یا کمی بیشتر، این طرح را در معرض آزمایش قرار خواهند داد.

با یاری ترکیبی از پرتوهای لیزر و میدان‌های مغناطیسی، امکان جذب یا دفع اتم‌های یک سامانه در گستره‌ای وسیع از انرژی‌های گوناگون، فراهم آمد. روش می‌گوید: «می‌توان از این [طرح] استفاده جست و حالت‌هایی جدید از ماده را خلق کرد». به‌گفته‌ی وی، این، قلمرویی نامکشوف است که عجایب زیادی را در خود جای داده.

منبع: NewScientist