الأجسام الشبه الكروية الفائقة

كل جسم يتحرك في الفضاء - كرة، جزيء، مجرة، الخ - له سرعة خطية، يعبر عنها بحركته من مكان إلى آخر في الفضاء، وكذلك سرعة زاوية تعبر عن دورانه حول محور ما. قبل بضع سنوات، تم طرح فرضية مفادها أنه من الممكن التأثير على سرعة واتجاه دوران مجموعة من الجزيئات عن طريق نبضات قصيرة جدًا من أشعة الليزر

كل جسم يتحرك في الفضاء - كرة، جزيء، مجرة، الخ - له سرعة خطية، يعبر عنها بحركته من مكان إلى آخر في الفضاء، وكذلك سرعة زاوية تعبر عن دورانه حول محور ما. قبل بضع سنوات، تم طرح فرضية مفادها أنه من الممكن التأثير على سرعة واتجاه دوران مجموعة من الجزيئات عن طريق نبضات قصيرة جدًا من أشعة الليزر. على سبيل المثال، قد تؤدي ومضات الليزر التي تعادل الفترة الزمنية لدوران الجزيئات حول محورها (بضعة عشرات من تريليون من الثانية) إلى تسريع دوران الجزيئات تمامًا مثل نوع من أجهزة الطرد المركزي الضوئية التي تعمل على الجزيئات الفردية .

تساءل البروفيسور إيليا أبيربوخ، من قسم الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم، عما سيحدث إذا سمحنا لمثل هذا الوميض الطارد المركزي بضرب كتلة من الجزيئات المتحركة في الهواء. وفي مثل هذه الحالة، كما يقول البروفيسور أبربوخ، فإن وميض الليزر سوف يتسبب في دوران الجزيئات في اتجاه استقطاب الضوء - بسرعة أعلى بكثير مقارنة بسرعة حركتها في الفضاء. بمعنى آخر، سيؤدي الضوء إلى دوران الجزيئات مثل الجيروسكوبات الصغيرة، كما لو كانت جيروسكوبات فائقة. إن سرعة الدوران الهائلة في اتجاه الاستقطاب ستؤدي إلى تراكم الجزيئات لتأخذ شكل فطيرة (شاميتا) في المستوى المتعامد مع اتجاه تقدم الضوء.

سعى البروفيسور أبيربوش، مع زملائه الباحثين الدكتور يوري خودوركوفسكي والدكتور أوري ستاينيتز من المعهد، ومع البروفيسور جان ميشيل هارتمان من فرنسا، إلى فهم سلوك المغزل الفائق الشبيه بالهاميتا، وهي حالة جزيئية خاصة لم تتم دراستها من قبل تقريبًا. ولدراسة ديناميكيات مجموعة من الجزيئات، مثل النيتروجين أو الأكسجين، عندما "تواجه" وميض ليزر قصير، استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية ديناميكية، وبمساعدتها سعوا إلى فهم آلية تبادل الطاقة الزاوية مع الطاقة الخطية. الطاقة، وهي عملية تنتج عن الاصطدامات العشوائية بينهما.

وكما نعلم، فإن هذه الحالة، عندما تتصرف جميع الجزيئات كمحيطات فائقة، لا يمكن أن تستمر إلى الأبد، لأن الطبيعة تسعى دائمًا للوصول، في النهاية، إلى حالة التوازن. يعلمنا "قانون التوزيع المتساوي" أنه في حالة التوازن الحراري يتم توزيع الطاقة بالتساوي بين جميع أشكالها، وفي هذه الحالة - بين السرعة الزاوية التي تسبب الحركة الدورانية، والسرعة الخطية، التي تتعلق بالسرعة الخطية. الحركة في الفضاء.

إذا كان الأمر كذلك، ففي حالة التوازن، لن تتصرف الجزيئات كأجسام كروية فائقة الشكل على شكل فطيرة، لأنه - نتيجة للانقسام المتساوي مع السرعة الخطية - ستنخفض سرعتها الزاوية بشكل كبير، وسيصبح اتجاه الدوران عشوائيًا . ومن ناحية أخرى، ستزداد السرعة الخطية للجزيئات، مما يؤدي إلى تسخين حوض الغاز. ومع ذلك، اكتشف العلماء أنه على الرغم من الاصطدامات العشوائية بين الدوران الفائق، فإن الحركة شبه الجيروسكوبية للجزيئات (حيث يظل متوسط ​​السرعة الزاوية ثابتة) تستمر لفترة أطول من المتوقع، بل إنها تنجو من العديد من الاصطدامات بين الجزيئات. . أصبح من الواضح للعلماء أن اصطدام مغزل فائق بمغزل فائق آخر لا يؤثر تقريبًا على سرعته الزاوية، وأنه عند نقطة معينة يحدث نوع من "التفاعل المتسلسل"، وبعد ذلك تتلاشى السرعة الزاوية، بينما يذهب جزء كبير من الطاقة إلى المدار الخطي. خلال هذا "زمن الانفجار" يتم إطلاق الطاقة بسرعة، ويوضح العلماء أن هذا يحدث بسبب الاصطدامات التي تحدث بين عدد قليل من الجزيئات التي تدور بسرعة منخفضة نسبيا وغيرها من المغازل التي تتحرك بسرعة خطية عالية نسبيا. تتسبب هذه الاصطدامات في نقل "فعال" للطاقة بين السرعة الزاوية والسرعة الخطية، وعند هذه النقطة تبدأ عملية التغذية الراجعة التي تتجلى في "سرقة" السرعة الزاوية الإضافية، بمعدل متزايد، لصالح السرعة الخطية. والنتيجة: يتم تقليل عدد الدورات الفائقة بسرعة كبيرة، وتعود الجزيئات إلى سرعتها واتجاهها الطبيعي.

وبعد العمل النظري لعلماء المعهد، تحاول الآن عدة مجموعات حول العالم إثبات هذه الظاهرة في المختبر. في الواقع، تم بالفعل إثبات النتائج الأولية التي تؤكد هذا التنبؤ النظري. إن وجود مغزل فائق في الغاز الجزيئي لفترة طويلة نسبيًا، والتحكم في الخصائص البصرية للغاز، قد يعزز تطبيقات مثل الدليل الموجي في الغلاف الجوي، والذي يمكن استخدامه لنقل الطاقة عبر مسافات طويلة، وربما حتى نقل المعلومات.
תגיות:
ايليا ابربوخ فيزياء كيميائية