أحد الثوابت الأساسية في الطبيعة هو أكبر بكثير في ميكانيكا الكم!

المقدمة عن مادة ميكانيكا الكم:

يبلغ ثابت البنية الدقيقة fine-structure constant حوالي 10 أضعاف قيمته الطبيعية في نوع من المواد يسمى جليد الدوران الكمي quantum spin ice ،

كذلك حسب حسابات الفيزيائيين في رسائل المراجعة الفيزيائية في 10 سبتمبر.

يلمح هذه الدراسة الجديدة إلى أن جليد الدوران الكمي يمكن أن يعطي لمحة عن الفيزياء داخل كون بديل حيث يكون الثابت أكبر بكثير.

بالاضافة الي ان لا يمكن للجسيمات ذات الخاصية الكمومية التي تسمى الدوران ، الموضحة بالسهم الأزرق ،

أن تتفق على اتجاه في نوع من المواد يسمى جليد الدوران الكمي.

 

مفهوم الكم؟

في الفيزياء، يشير مصطلح “الكم” إلى مفهوم أساسي في نظرية الميكانيكا الكمية.

يتعلق الأمر بفكرة أن الطاقة والكمية المحدودة تتجسد في شكل وحدات صغيرة غير قابلة للتجزئة تسمى “الكم”، وتتصرف هذه الكميات بطرق مختلفة عن الأشياء في المقياسات الأكبر.

تم تطوير نظرية الميكانيكا الكمية في القرن العشرين لشرح سلوك الجسيمات الدقيقة مثل الإلكترونات والفوتونات والذرات.

وتختلف هذه النظرية عن الميكانيكا الكلاسيكية التي تستخدم لشرح حركة الأجسام الكبيرة في العالم المرئي.

من خلال النظرية الكمية، يتم وصف الجسيمات الدقيقة بواسطة وظائف موجية تعبر عن احتمال وجود الجسيم في مواقع معينة. وعند قياس الجسيم، يتم تحويل الوظيفة الموجية إلى قيمة محددة.

وتظهر ظواهر غريبة في الميكانيكا الكمية مثل التداخل والانحطاط العشوائي والتحرك الكمومي.

يعتبر مفهوم الكم أساسيًا في الفهم الحديث للعالم الدقيق ويشكل أساسًا للتكنولوجيا الكمومية التي تستخدم في الحوسبة الكمومية والاتصالات الكمومية وتطبيقات أخرى متقدمة.

 

ثابت البنية الدقيقة هو 10 أضعاف قيمته الطبيعية في ميكانيكا الكم

ايضا مما يعطي نظرة خاطفة على كون بديل يتزايد العدد الحاسم الذي يحكم الكون في مادة كمومية غريبة.

 

حيث يبلغ ثابت البنية الدقيقة fine-structure constant حوالي 10 أضعاف قيمته الطبيعية في نوع من المواد يسمى جليد الدوران الكمي quantum spin ice ، حسب حسابات الفيزيائيين في رسائل المراجعة الفيزيائية في 10 سبتمبر. يلمح الحساب الجديد إلى أن جليد الدوران الكمي يمكن أن يعطي لمحة عن الفيزياء داخل كون بديل حيث يكون الثابت أكبر بكثير.

 

ايضا بتأثير يتخلل الفيزياء و# ، يحدد ثابت البنية الدقيقة قوة التفاعلات بين الجسيمات المشحونة كهربائيًا. قيمته ، حوالي 1/137 ، تثير ذهول علماء الفيزياء لأنهم لا يستطيعون تفسير سبب امتلاكها لتلك القيمة ، على الرغم من أنها ضرورية للكيمياء المعقدة التي هي أساس الحياة (SN: 11/2/16).

 

 

كريستوفر لومان:

يقول عالم ميكانيكا الكم النظرية كريستوفر لومان Christopher Laumann من جامعة بوسطن: إذا كان ثابت البنية الدقيقة في جميع أنحاء الكون كبيرًا مثل الموجود في جليد السبين الكمومي ، فإن “الجدول الدوري سيحتوي فقط على 10 عناصر”. “وربما يكون من الصعب تكوين البشر ؛ لن يكون هناك ما يكفي من الثراء للكيمياء “.

 

الجسيمات المغزلية الكمومية هي فئة من المواد لا يمكن للجسيمات أن تتفق فيها. تتكون المواد من جسيمات ذات دوران ، وهي نسخة كمومية من الزخم الزاوي ، مما يجعلها مغناطيسية. في المادة العادية ، تتوصل الجسيمات إلى توافق تحت درجة حرارة معينة ، مع اصطفاف الأقطاب المغناطيسية في نفس الاتجاه أو في اتجاهات متناوبة. ولكن في الجليد الدوراني الكمومي ، يتم ترتيب الجسيمات بطريقة لا يمكن للأقطاب المغناطيسية ، أو ما يعادلها من السبينات ، أن تتفق حتى عند درجة حرارة الصفر المطلق (SN: 2/13/11).

 

 

المأزق بسبب هندسة المواد:

تقع الجسيمات في زوايا مجموعة من الأهرامات المتصلة في الزوايا.

تعني النزاعات بين مجموعات متعددة من الجيران أن أقرب هذه الجسيمات يمكن أن تصل إلى الانسجام أي ترتيب نفسها بحيث تتواجه face out دورنان spins من كل هرم ، والآخران في داخل face in و ميكانيكا الكم.

يمكن أن تؤدي هذه الهدنة غير المستقرة إلى اضطرابات تتصرف مثل الجسيمات داخل المادة ، أو أشباه الجسيمات.

أشباه الجسيمات التي يمكن أن تتحرك خلال المادة وتتفاعل مع السبينونات spinons الأخرى بطريقة تشبه الإلكترونات والجسيمات المشحونة الأخرى الموجودة في العالم خارج المادة.

كما أعادت المادة إنشاء نظرية الديناميكا الكهربية الكمية ، النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي يوضح كيفية قيام الجسيمات المشحونة كهربائيًا بعملها. لكن التفاصيل ، بما في ذلك ثابت البنية الدقيقة ، لا تتطابق بالضرورة مع تلك الموجودة في الكون الأوسع.

لذلك شرع لومان وزملاؤه في حساب ثابت البنية الدقيقة في الجليد الدوراني الكمومي لأول مرة. وثبّت الفريق الرقم بحوالي 1/10 ، بدلاً من 1/137.

علاوة على ذلك ، وجد الباحثون أنه يمكنهم تغيير قيمة ثابت البنية الدقيقة عن طريق تعديل خصائص المادة النظرية.

يمكن أن يساعد ذلك العلماء في دراسة آثار تغيير ثابت البنية الدقيقة – وهو اختبار بعيد المنال في كوننا ، حيث يكون ثابت البنية الدقيقة ثابتًا.

من ناحية اخري ، لم يعثر العلماء بعد على مادة مؤهلة بشكل قاطع على أنها جليد دوراني كمي.

أو ذرات مشحونة كهربائيًا ، مرتبة في التكوين الهرمي المناسب. قد يتمكن العلماء أيضًا من دراسة المواد باستخدام كمبيوتر كمي أو جهاز كمي آخر مصمم لمحاكاة جليد الدوران الكمي (SN: 6/29/17).

 

 

الخاتمة:

في النهاية، إذا نجح العلماء في إنشاء جليد سبين كمي ، يمكن أن تكشف المواد كيف ستعمل الديناميكا الكهربية الكمومية والنموذج القياسي في كون به ثابت بنية دقيقة أكبر بكثير.

يقول شيفاجي سوندي Shivaji Sondhi ، الباحث في نظرية المادة المكثفة بجامعة أكسفورد ، والذي لم يشارك في البحث: “سيكون هذا هو الأمل”. “من المثير للاهتمام أن تكون قادرًا على صنع نموذج قياسي مزيف … والسؤال عما سيحدث.”

 

المصادر:

م. بيس S.D. Pace وآخرون ثابت البنية الدقيقة الناشئ للجليد الدوراني الكمي كبير Emergent fine structure constant of quantum spin ice is large. رسائل المراجعة. المجلد. 127 ، 10 سبتمبر 2021 ، ص. 117205. دوى: 10.1103 / PhysRevLett.127.117205.