|
Μια μελέτη σε πανεπιστήμιο της πολιτείας Utah ρίχνει φως σε
ένα σημαντικό, άλυτο πρόβλημα φυσικής: τη σχέση μεταξύ της θεωρίας του
χάους - που είναι βασισμένη στην ηλικίας 300 ετών Νευτώνεια φυσική - και
τη σύγχρονη θεωρία της κβαντομηχανικής.
Η μελέτη κατέδειξε μια θεμελιώδη νέα ιδιότητα - που
εμφανίζεται να έχει μια χαοτική συμπεριφορά σε ένα κβαντικό σύστημα - στα
μαγνητικά "σπιν" μέσα στους πυρήνες των παγωμένων ατόμων του
στοιχείου ξένου, το οποίο κανονικά είναι αέριο και έχει δοκιμαστεί για την
παραγωγή ιατρικών απεικονίσεων των πνευμόνων.
Η νέα μελέτη - που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters -
είχε επικεφαλής τον καθηγητή της φυσικής Brian Saam, στο Κολέγιο Επιστημών
του πανεπιστημίου της Utah.
Η κβαντομηχανική - που περιγράφει τη συμπεριφορά των μορίων,
των ηλεκτρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων - "παίζει ένα βασικό ρόλο
στο να κατανοήσουμε πως δουλεύει η ηλεκτρονική, πώς συμπεριφέρονται όλα τα
είδη των υλικών που μας ενδιαφέρουν, και πώς το φως συμπεριφέρεται κατά τη
διάρκεια της επικοινωνίας με τις οπτικές ίνες," λέει ο Saam.
"Όταν παρατηρείτε όλη την τεχνολογία, η οποία κυριαρχείται
από την κβαντική φυσική, δεν είναι αδικαιολόγητο να υποθέσουμε ότι αν
μπορεί κάποιος να εφαρμόσει τη θεωρία του χάους στα κβαντικά συστήματα,
τότε θα μας προσφέρει νέες ιδέες, νέα τεχνολογία, νέες λύσεις στα
προβλήματα που ακόμα δεν είναι γνωστά.
Ένας χαοτικός χορός των πυρηνικών σπιν
Ακριβώς όπως οι πυρήνες των ατόμων και τα ηλεκτρόνιά τους
έχουν φορτία, έτσι έχουν και μια άλλη ιδιότητα, το σπιν. Το σπιν του
πυρήνα ή του ηλεκτρονίου συμπεριφέρεται σαν ένας περιστρεφόμενος
ραβδόμορφος μαγνήτης, που έχει κατεύθυνση είτε προς τα πάνω είτε προς τα
κάτω.
Ο Saam 'περιέφραξε' τα άτομα του ξένου με τη βοήθεια ενός ισχυρού
μαγνητικού πεδίου, με μια ακτίνα λέιζερ και έναν παλμό ραδιοκυμάτων, ώσπου
τα πυρηνικά σπιν του ξένον ευθυγραμμίστηκαν με τέσσερις διαφορετικούς
τρόπους, σε τέσσερα δείγματα παγωμένου ξένου, ενώ το κάθε δείγμα περιείχε
περίπου 100 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων άτομα.
Παρά τις διαφορετικές αρχικές διαμορφώσεις, οι "χοροί" των
σπιν του ξένου εξελίχθηκαν τελικά έτσι ώστε αυτά βρίσκονταν σε συγχρονισμό
το ένα με το άλλο, όπως μετρήθηκαν με τον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό, ή
NMR. Ο συγχρονισμός αυτός διατηρήθηκε μερικά χιλιοστά του ενός
δευτερολέπτου - κάτι που οι φυσικοί λένε σοβαρά ότι για το μικρόκοσμο
είναι μια "μακροχρόνια συμπεριφορά".
"Αυτός ο τύπος της συνηθισμένης συμπεριφοράς ήταν μια υπογραφή των κλασικά
χαοτικών Νευτώνιων συστημάτων, που κυρίως μελετούνται με τη χρησιμοποίηση
ενός υπολογιστή. Όμως δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ σε ένα πειραματικό
σύστημα, που μπορεί να περιγραφεί μόνο από την κβαντομηχανική,"
διευκρινίζει ο Saam.
Αναλογικά, φανταστείτε δισεκατομμύρια ανθρώπων σε μια τεράστια, άγνωστη
πόλη. Αρχίζουν να περπατούν τριγύρω σε διαφορετικές θέσεις και
κατευθύνσεις, συνομιλώντας λίγο μεταξύ τους. Και τελικά, όλοι καταλήγουν
στην ίδια κατεύθυνση.
Τέτοια συμπεριφορά στα πυρηνικά σπιν είχε προβλεφτεί το 2005 από τον
φυσικό Boris Fine του πανεπιστημίου της Χαϋδελβέργης, που συμμετείχε κι
αυτός στη μελέτη. Ο Fine είχε κάνει την πρόβλεψη του προσαρμόζοντας τη
θεωρία του χάους στην κβαντική θεωρία.
Τάξη από το Χάος
Η εξέλιξη της αταξίας προς την τάξη από τα πυρηνικά σπιν των
ατόμων του ξένου είναι μια υπογραφή της θεωρίας του χάους, η οποία,
αντίθετα προς τη δημοφιλή άποψη, δεν υπονοεί την πλήρη αταξία. Αντίθετα, η
θεωρία του χάους περιγράφει πώς ο καιρός, ορισμένες χημικές αντιδράσεις,
πλανητικές τροχιές, υποατομικά σωματίδια και άλλα δυναμικά συστήματα
αλλάζουν με τον χρόνο, όταν οι μεταβολές αυτές είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες
στις αρχικές συνθήκες.
"Όταν έχετε ένα χαοτικό σύστημα που χαρακτηρίζεται από ακραία τυχαιότητα,
μπορεί κατά παράδοξο τρόπο να παραγάγει τάξη, μετά από ένα ορισμένο
χρονικό διάστημα," λέει ο Saam. "Υπάρχουν ισχυρές αποδείξεις ότι αυτό
συμβαίνει εδώ στο πείραμά μας."
 Η
ευαισθησία στις αρχικές συνθήκες είναι γνωστή γενικά ως "φαινόμενο της
πεταλούδας", που βασίζεται στο φαντασιόπληκτο παράδειγμα ότι μια πεταλούδα
που χτυπά τα φτερά της στη Νότια Αμερική μπορεί να καταφέρει λεπτές
ατμοσφαιρικές αλλαγές, που τελικά θα δημιουργήσουν έναν ανεμοστρόβιλο στο
Τέξας.
Ο Saam εξηγεί ότι η θεωρία του χάους μπορεί να κάνει προβλέψεις για
εξαιρετικά σύνθετες κινήσεις πολλών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν το ένα με
το άλλο. Η μαθηματική έννοια του χάους περιγράφηκε πρώτα κατά τη δεκαετία
του 1890. Το χάος αναπτύχθηκε στη δεκαετία του '60, βασισμένη στην
κλασσική φυσική όπως αναπτύχθηκε προς το τέλος του 17ου αιώνα από το
Νεύτωνα. Η κλασσική φυσική υποστηρίζει ότι η κίνηση, η ταχύτητα και η θέση
οποιουδήποτε σωματιδίου μπορούν κάθε στιγμή να καθοριστούν ακριβώς.
Αντίθετα, η κβαντομηχανική υποστηρίζει ότι "όταν βρισκόμαστε στο
υποατομικό επίπεδο τότε δεν μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια τη θέση και
την ταχύτητα των σωματιδίων σε έναν ορισμένο χρόνο," εξηγεί ο Saam. Έτσι η
ταχύτητα και η θέση ενός σωματιδίου είναι ένα θέμα πιθανότητας, και "η
πιθανότητα είναι η πραγματικότητα."
Τεχνικά, το σπιν είναι η εγγενής στροφορμή ενός σωματιδίου - μια έννοια
τόσο δύσκολη να εξηγηθεί με τους συνηθισμένους όρους, που οι φυσικοί
χρησιμοποιούν συνήθως το ανάλογο ενός ραβδόμορφου μαγνήτη.
Ένα μη μαγνητικό υλικό κανονικά οι πυρήνες του έχουν τυχαία σπιν - τα μισά
σπιν είναι πάνω και τα μισα είναι προς τα κάτω, έτσι το συνολικό σπιν
είναι μηδέν. Αλλά τα μαγνητικά πεδία μπορούν να εφαρμοστούν έτσι ώστε τα
σπιν να ευθυγραμμίζονται - με τα περισσότερα να είναι πάνω αντί για κάτω,
ή και το αντίστροφα.
Οι φυσικοί μπορούν να μετρήσουν την ευθυγράμμιση ή την "πόλωση" των σπιν
χρησιμοποιώντας το ισχυρό μαγνητικό πεδίο του NMR. Τα πυρηνικά σπιν,
επίσης, χρησιμοποιούνται για ιατρικούς σκοπούς: Όταν ένας ασθενής
βρίσκεται μέσα στο μεγάλο μαγνήτη της συσκευής απεικόνισης του MRI, τα
σπιν μέσα στα άτομα στο σώμα του ασθενούς παράγουν ηλεκτρικά σήματα που
χρησιμοποιούνται για να φτιαχτούν οι εικόνες των ιστών του σώματος.
Οι γιατροί τελευταία εξετάζουν να χρησιμοποιήσουν το ξένον ως
έναν τρόπο για να βελτιώσουν τις εικόνες των πνευμόνων του MRI.
Το πείραμα
Ο Saam και οι συνάδελφοι του χρησιμοποίησαν στο πείραμα τους
το ευγενές αέριο ξένον, επειδή τα σπιν του μπορούν να ευθυγραμμιστούν
σχετικά εύκολα.
Σε κάθε πείραμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μαγνητικό
πεδίο και ένα λέιζερ για να ευθυγραμμίσουν ή να "υπερπολώσουν" τα σπιν σε
ένα δείγμα, περίπου, 100 δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων ατόμων αερίου
ξένου, έτσι ώστε η πλειοψηφία των σπιν να ευθυγραμμιστούν "πάνω" είτε
"κάτω." Κατόπιν, πάγωσαν το αέριο σε στερεό σε μια θερμοκρασία 196 βαθμούς
Κελσίου κάτω από το μηδέν.
Ακολούθως εφάρμοσαν έναν παλμό ραδιοκυμάτων, που "κτύπησε" τα σπιν έτσι
ώστε όλα τους να είναι κάθετα στο μαγνητικό πεδίο αντί για παράλληλα με
αυτό. Αυτό τα κάνει να ξεκινούν να στρέφονται γύρω από τον άξονα του
μαγνητικού πεδίου, σαν την περιστροφή της σβούρας.
Με αυτόν τον τρόπο, οι φυσικοί δημιούργησαν τέσσερα παγωμένα δείγματα
ξένου. Μέσα σε κάθε δείγμα, τα σπιν ήταν ευθυγραμμισμένα, αλλά επειδή
χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικοί ραδιοπαλμοί για να κάνουν την αρχική
ευθυγράμμιση, τα σπιν διαμορφώθηκαν διαφορετικά σε κάθε δείγμα.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν έπειτα την απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού
NMR για να παρατηρήσουν την αποσύνθεση των σπιν ή την εξασθένιση τους κατά
τη διάρκεια χιλιοστών του δευτερολέπτου.
"Αν και αυτά διατηρούνται στην κρυσταλλική δομή, τα σπιν μπορούν να
αλληλεπιδράσουν το ένα με το άλλο και να αλλάξουν την κατεύθυνση στην
οποία κατευθύνονται, με τον ίδιο σχεδόν τρόπο που αλληλεπιδρούν οι
μαγνήτες όταν έρχονται κοντά ο ένας με τον άλλον," λέει ο Saam.
Η αρχική διαμόρφωση των σπιν σε κάθε δείγμα του αερίου ξένου εξελίχθηκε με
εξαιρετικά περίπλοκους τρόπους λόγω της παρουσίας δισεκατομμυρίων
αλληλεπιδρώντων σπιν, και κάθε δείγμα γρήγορα "έχασε τη μνήμη του" με την
οποία άρχισε. Τέτοια συμπεριφορά ήταν γνωστή εδώ και 60 χρόνια.
Η έκπληξη ήταν ότι ενώ το αρχικό σήμα NMR κάθε δείγματος ήταν ριζικά
διαφορετικό από τα άλλα, τελικά επέδειξαν την "ίδια μακροπρόθεσμη
συμπεριφορά," διευκρινίζει ο Saam.
"Και παρά το γεγονός ότι τα σπιν είχαν πολύ περίπλοκες αλληλεπιδράσεις το
ένα με το άλλο, και ξεκίνησαν με απολύτως διαφορετικούς προσανατολισμούς,
τελικά καταλήγουν όλα τους να κινούνται με τον ίδιο τρόπο μετά από αρκετά
χιλιοστά του δευτερολέπτου," τονίζει. "Κι αυτό ποτέ μέχρι τώρα δεν είχε
παρατηρηθεί σε ένα κβαντικό μηχανικό σύστημα. Αυτοί οι τύποι χορεύουν
μαζί."
Ο Saam πιστεύει ότι το τεχνικό επίτευγμα του πειράματος ήταν ότι η
τεράστια ποσότητα πόλωσης έκανε δυνατόν στο NMR να μετρήσει ένα εξαιρετικά
ασθενές σήμα σπιν - ισχύος το 1/1000 μόνο του αρχικού σήματος στον χρόνο
που τα δείγματα εμφανίστηκαν να συμπεριφέρονται χαοτικά. |
