فیزیک‌پیشگان با بهره‌گیری از اتم‌های فوق‌سرد٬ موفق شدند یک تک‌قطبیِ مغناطیسی را در میدان مغناطیسیِ شبیه‌سازی شده٬ ایجاد و ترسیم کنند. این پژوهش روح تازه‌ای به آزمایش ذهنی دیراک می‌بخشد؛ آزمایشی که اولین بار وجود تک‌قطبی‌های مغناطیسی واقعی را پیش‌گویی کرده و بیش از ۸۰ سال عمر دارد.

در طبیعت قطب‌های مغناطیسی شمال و جنوب همیشه دست در دست هم حرکت می‌کنند. اگر آهنربایی را از وسط نصف کنیم به جای آن‌ که به دو قطب مغناطیسی‌ که یکی جنوب و دیگری شمال است برسیم دو آهنربا با دو قطب مجزای شمال و جنوب خواهیم داشت. این درحالی است که هم‌زادهای الکترواستاتیکی آن‌ها (بارهای مثبت و منفی) به صورت جداگانه وجود دارند. در سال ۱۹۳۱ فیزیک‌دان انگلیسی٬ پاول دیراک نظریه‌ای را بیان کرد که بر اساس آن اگر تک‌قطبی‌های مغناطیسی وجود داشتند نه تنها این عدم‌تعادل ظاهری را رفع می‌کردند بلکه همچنین توضیحی بر این مطلب بود که چرا بارها در بسته‌های گسسته وجود دارند؛ بسته‌هایی متشکل از مضاربی از بار یک تک‌الکترون.(۱)

به پیشنهاد پژوهش‌گران٬ کیهان اولیه (The big bang) توانایی تشکیل تک‌قطبی‌های مغناطیسی را به شکل ذرات بنیادی داشته است. اما تاکنون موفق به آشکارسازی تک قطبی های مغناطیسی در آزمایشگاه نشده ایم. تیمی از پژوهش‌گران به رهبری دیوید هال (David Hall) در کالج امهرست (Amherst) ماساچوست٬ تک‌قطبیِ دیراک را با شبیه‌سازی آن در ابری از اتم‌های روبیدیومِ فوق سرد بازتولید کرده‌اند. کاری که نتایج آن در مجله‌ی نیچر منتشر شده است.

تیم هال دنباله‌روی ایده‌ای بوده‌اند که توسط محققانی بنام ویل پیتیلا (Ville Pietilä) و مایکو موتنن (Mikko Möttönen) (۳) از دانشگاه آلتو (Aalto) در فنلاند ارائه شده است. این محققان چگونگی رفتار یک الکترون در مجاورت تک‌قطبی مغناطیسی را شبیه‌سازی کرده‌اند. این کار با استفاده از گاز حاوی یک میلیون اتم روبیدیوم٬ انجام شده است. چنان ابری از اتم‌های روبیدیوم تا کمتر از ۱۰۰ میلیونوم یک درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده‌اند. در چنان لحظه‌ای این اتم‌ها٬ یگانگی و هویت انفرادیشان را از دست داده و بخشی از یک حالت کوانتومی می‌شوند که به چگالیده‌ی بوز-انشتین (یا BEC) معروف است.

می‌توان چگالیده‌ای از اتم‌های سرد را بعنوان مدلی برای یک تک‌قطبی مغناطیسی در نظر گرفت. مدلی که در آن میدان‌های مغناطیسی از یک قطب ایزوله بیرون زده می‌شود- جز در یک جهت که در آن میدانی وجود ندارد.

نمایش گردابی

به گفته‌ی هال٬ چگالیده‌گی در آزمایش هال و همکارانش (در مقایسه با دیدگاه دیراک) نشان از تک‌الکترون دارد و چگالی اتم‌ها در هر نقطه با احتمال وجود الکترون در آن نقطه از فضا متناظر است. اتم‌هایی که در این چگالیده‌گی قرار دارند٬ هرکدام از یک اسپین مغناطیسی (معادل کوانتومی عقربه‌ی یک قطب‌نمای کوچک) برخوردارند که به میدان‌های مغناطیسیِ اعمال شده از بیرون پاسخ می‌دهد. اما در این آزمایش٬ چنان اسپین‌هایی به عنوان بخشی از میدان مغناطیسیِ حول تک‌قطبی نقشی را بازی نمی‌کنند. در عوض این میدان‌ با استفاده از خاصیتی که چگونگی چیده‌شدن اسپین‌ها را تعیین می‌کند٬ نشان داده می‌شود.

پژوهش‌گران برای ایجاد الگوی تک‌قطبی٬ اسپین‌ها را طوری دست‌کاری کرده‌اند تا «گردابی» در داخل BEC ایجاد شود که یک تک‌قطبی در نقطه‌ی انتهایی آن وجود دارد. این تیم الگوی گرداب را به تصویر کشیده و در طول آن برش‌هایی را ایجاد کرده‌اند. به بیان هال: «ما به این گرداب همچون خط تیره‌‌ی نازکی نگاه می‌کنیم و عدم وجود ماده در آن شبیه حفره‌ای است که همچون آب در چاله به پائین فرو می‌رود.»

مقطع‌هایی از ابر کوانتومی (ردیف بالا) ناحیه‌ی تیره‌ای را نشان می‌دهند که به دور از مرکز گسترش یافته‌اند- نشانه‌ای از وجود تک‌قطبی دیراک. در ردیف پائین برای مقایسه٬ شبیه‌سازی رایانه‌ای نشان داده‌شده است.

قطب شمالی که این تیم ایجاد کرده در بیان متعارف٬ مغناطیسی نیست. یعنی عقربه‌ی قطب‌نما آن را نشانه نمی رود. به گفته‌ی هال: «معادلاتی که تک‌قطبیِ مصنوعی ما را نتیجه داده و معادلاتی که تک‌قطبی‌های مغناطیسیِ طبیعی را نتیجه می‌دهد در اصل یکی هستند». به این پژوهش می‌توان به عنوان مثالی از زمینه‌ی تحقیقاتی رو به رشدی که شبیه‌سازی کوانتومی نام دارد٬ نگاه کرد. شبیه‌سازی کوانتومی از یک سیستم کوانتومی استفاده می‌کند تا سیستم دیگری که مطالعه‌ی آن دشوار است را مدل‌سازی کند.

تک‌قطبی‌های بسیار

این اولین باری نیست که فیزیک‌دانان٬ متناظرهای تک‌قطبی را ایجاد کرده‌اند. سال ۲۰۰۹ فیزیک‌پیشگان تک‌قطبی‌های مغناطیسی را در یک ماده بلورین بنام یخ اسپینی مشاهده کرده بودند. این ماده وقتی تا نزدیکی‌های صفر مطلق سرد می‌شد٬ به نظر می‌رسید با تک‌قطبی‌های کلاسیکی و در ابعاد اتمی پر شده است. به معنای واقعی٬ این‌ها آهنرباها بودند اما امکان مطالعه‌ی تک‌به‌تک آن‌ها وجود نداشت. به بیان تین لون هو (Tin-Lun Ho) فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه ایالتی اوهایو در کلمبیا٬ نظیر آن‌ها در دیگر مواد همچون هلیوم ابرشاره دیده شده بود اما چین مشاهداتی٬ مانند آزمایش هال آزمایش های سرراستی نبودند.

موتونن که از نویسنده‌گان مقاله‌ی اخیر است می‌گوید که تک‌قطبی‌هایی که در مطالعه‌ی جدید وجود دارند٬ نزدیک‌ترین نمونه‌ها به مقادیر واقعی هستند٬ چون این ساختار با تک‌قطبی مغناطیسیِ دیراک معادل است. اما همه‌ی فیزیک‌پژوهان با این موضوع موافق نیستند. به گفته‌ی آرتو راجینتی (Arttu Rajantie) فیزیک‌دان نظری در کالج سلطنتی لندن٬ «از برخی از جهات٬ این تک‌قطبی‌ها با تک‌قطبی‌های واقعی شببه هستند اما از جهات دیگر تفاوت هایی را دارند.»

استیون برامول (Steven Bramwell) فیزیک‌پیشه‌ای از کالج سلطنتی لندن است که کارهای پیشگامانه‌ای در مورد تک‌قطبی‌ها در یخ‌های اسپینی به انجام رسانده است. به بیان او این آزمایش٬ آزمایش چشم‌گیری است٬ اما آن‌چه مشاهده شده نشان می‌دهد از نظر بسیاری از افرادی این‌ها تک‌قطبی‌های دیراک نیستند. به گفته‌ی وی: «یک تناظر ریاضی اینجا وجود دارد؛ تناظری زیبا و شسته و رفته. اما این‌ها تک‌قطبی‌های مغناطیسی واقعی نیستند.» وی می‌افزاید: «بایستی با ذهن خود کمی کلنجار بروید تا این‌ها را تک‌قطبی مغناطیسی به حساب بیاورید»

معروف است که دیراک گفته بود اگر طبیعت هیچ استفاده‌ای را برای چنان ایده‌ی ظریفی (تک‌قطبی‌ مغناطیسی) فراهم نسازد٬ او «شگفت زده» خواهد شد. فیزیک‌پیشگان هنوز در جستجوی تک‌قطبی‌های طبیعی (در سنگ‌ها و نمونه‌هایی از ماه)٬ و آزمایش‌هایی هستند که از شتاب‌دهنده‌های ذرات استفاده می‌کنند. به بیان موتنن٬ تک‌قطبی‌های شبیه‌سازی شده بنیانی قوی برای این کاوش‌ها فراهم می‌کنند. «می‌توانید بپرسید٬ آیا این ساختاری که دیراک پیش‌بینی کرده واقعاً ممکن است؟ اکنون دیده‌ایم که ممکن است. دلایل بسیاری وجود دارد بر این‌که چرا بایستی تک‌قطبی‌های مغناطیسی بعنوان یک ذره اساسی وجود داشته باشند».

مرجع‌ها:

1. Dirac, P. A. M. Proc. R. Soc. Lond. A 133, 60–72 (1931).

2. Ray, M. W., Ruokokoski, E., Kandel, S., Möttönen, M. & Hall, D. S. Nature 505, 657–660 (2014).

3. Pietilä, V. & Möttönen, M. Phys. Rev. Lett. 103, 030401 (2009).

منبع: