به مناسبت سال جهانی نور ۲۰۱۵ : دسترسی رایگان به برجسته ترین مقالات اپتیک

همانطور که میدانید سال ۲۰۱۵ از طرف یونسکو به عنوان سال جهانی نور معرفی شد. به این مناسبت، مجموعه ژورنال Physical Review، برترین مقالات این حوزه را، به رایگان در اختیار عموم قرار دادند. با دیپ لوک همراه باشید…

ابتکار جهانی در نامگذاری سال جهانی نور ۲۰۱۵، با هدف نشان دادن اهمیت نور در زندگی روزمره ی انسان ها صورت گرفت. برای گرامیداشت این رویداد یکساله، سردبیرهای ژورنال های Physical Review، مجموعه مقالاتی که باعث پیشرفت خیره کننده ای در زمینه اپتیک، شده اند را در اختیار عموم قرار داده اند. هر یک از این مقالات، نقش بسیار مهمی در شکل گیری نگرش های بنیادی در حوزه ی نور داشته و برای توسعه ی تکنولوژی های امروزی، حیاتی بوده اند. این مقالات تا پایان سال ۲۰۱۵ رایگان خواهند بود. در ادامه دیپ لوک تعدادی از این مقالات را برای شما گردآورده است. برای دانلود مقالات، پس از کلیک روی دکمه ی دانلود، در صفحه ی باز شده، روی عکس اینشتین، کلیک کنید.

ابرتابش اتم

احتمال اینکه یک سیستم دو ترازی، (مانند یک اتم برانگیخته) یک فوتون را تابش کند، به طور نمایی با زمان، کاهش می یابد. اما اگر یک اتم ثانویه، در نزدیکی آن قرار بگیرد، سرعت این تابش، بسیار بیشتر می شود. (حتی اگر اتم ثانویه، در حالت پایه باشد). رابرت دیک (Robert Dicke) در سال ۱۹۵۴ دریافت که دلیل این رویداد، وابستگی حالت های کوانتومی اتم های مجاور به یکدیگر است. دیک همچنین نشان داد که رویدادهای تابشی در گروه بزرگی از ذرات، مستقل نبوده و منجر به افزایش قابل توجه قدرت تابشی سیستم می شود. او این رفتار را ابرتابش نامید.

جنبه ی کوانتومی نور

از قرن نوزدهم، نور به عنوان موجی متشکل از میدان های الکتریکی و مغناطیسی شناخته شده بود. در اوایل قرن بیستم، انقلاب فیزیک یعنی مکانیک کوانتوم، نور را مجموعه ای از ذرات به نام فوتون، معرفی کرد. اما روی گلابر (Roy Glauber) از دانشگاه هاروارد دریافت که یک نظریه ی کامل تر برای توضیح رفتار نور لازم است. نظریه ی او که در سال ۱۹۶۳ منتشر شد، توضیح داد که فوتون ها، اشیای کاملاً مستقلی نیستند و  آشکارکردن یک فوتون پرتوی نور، احتمال آشکارسازی فوتون دیگر را تحت تاثیر قرار می دهد. نظریه ی او که به عنوان تولد میدان کوانتومی نور شناخته می شود، باعث پیشرفت شگرفی در  رمزنگاری مبتنی بر نور شد. گلابر در سال ۲۰۰۵ به صورت مشترک، جایزه ی نوبل فیزیک را دریافت کرد.

نور بدون نوفه

نور فشرده، حالت خاصی از نور است که نوفه تولید شده به وسیله ی اثرات کوانتومی در آن کاهش داده شده است. نور فشرده برای اندازه گیری های دقیق یا ارتباطات نوری که نسبت سیگنال به نوفه کمی نیاز دارند، بسیار مفید است. در اواخر دهه ی ۱۹۸۰، سه گروه آزمایشگر، از سه محیط متفاوت (یک حفره ی نوری، یک فیبر نوری و یک بلور پارامتری) برای اثبات فشرده سازی نور استفاده کردند که از این میان، روش بلور پارامتری، متداول تر شد. این روش از یک فوتون ورودی برای برانگیخته کردن یک انتقال رزونانسی در یک بلور غیرخطی استفاده می کند که در نهایت به دو فوتون همبسته ی کوانتومی، تجزیه می شود. این همبستگی، عدم قطعیت در یک پارامتر مانند بزرگی میدان الکتریکی را کاهش داده و منجر به فوتون های خروجی با نوفه ی کمتر می شود.

نور در خدمت مکانیک کوانتوم

در سال ۱۹۶۴ جان بل، مجموعه ای از نامساوی ها را بدست آورد که حل و فصل استدلال های مبانی مکانیک کوانتومی را از نظر تجربی امکان پذیر می کرد. مکانیک کوانتوم، همبستگی قدرتمندی را بین اندازه گیری های انجام شده روی ذرات برهمکنش کننده، پیش بینی می کند، حتی اگر آنها در زمان اندازه گیری، از نظر فیزیکی جدا شده باشند. اینشتین، پودولسکی و روزن معتقد بودند که این پیش بینی ها به معنای ناکامل بودن مکانیک کوانتوم است و متغیرهای مخفی اضافی را برای سازگار کردن این نظریه با ایده های کلاسیکی علیت و موضعیت پیشنهاد کردند. در سال ۱۹۸۱ و ۱۹۸۲،  Alain Aspect و همکارانش، نامساوی های بل را با استفاده از جفت فوتون های تابش شده بوسیله ی یک اتم کلسیم و تحت تخریب دو مرحله ای آزمایش کردند. آنها دریافتند که تمام نامساوی های بل نقض خواهند شد و بنابراین ایده ی متغیرهای مخفی، بی اعتبار شد. یافته های بل در مورد مکانیک کوانتوم و آزمایش متعاقب آن، بسیار مهم بوده و امروزه به عنوان مبنایی برای پژوهش در زمینه ی تکنولوژی های کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و سنجش کوانتومی استفاده می شود.

چگونه میتوان^۱۵  ۱۰را در یک ثانیه شمرد؟

اندازه گیری دقیق فرکانس امواج نوری تابش شده بوسیله ی اتم ها، به فهم دنیای کوانتومی و ماهیت اتم ها کمک شایانی کرده است. اما اندازه گیری دقیق فرکانس نور به طور سنتی، یک کار دشوار است که تنها در چند آزمایشگاه انگشت شمار قابل انجام است. دشواری این کار از آنجا ناشی می شود که فاصله ی زیادی بین فرکانس دقیق یک ساعت اتمی (^۹  ۱۰هرتز) و نور تابش شده توسط اتم ها (حدود ^۱۵ ۱۰ هرتز) وجود دارد. در سال ۲۰۰۰، تیمی در کلرادو، یک تکنیک بسیار ساده تر را پیشنهاد کردند. جان هال و تیمش از دانشگاه کلرادو، از لیزری استفاده کردند که یک پالس کوتاه، صدمیلیون بار بر ثانیه را به شیوه ای قابل کنترل تولید کرده و با یک ساعت اتمی، هماهنگ می شود.  هال به خاطر این ابداعش، جایزه ی نوبل فیزیک را از آن خود کرد.

نور، سنگین است!

توپی که از بالای یک ساختمان پرتاب می شود، به خاطر کشش گرانشی زمین، شتاب می گیرد. میزان افزایش سرعت این توپ به چگونگی دیدن شما بستگی دارد. (اگر شما هم با همان سرعت، شتاب می گرفتید، توپ ثابت به نظر می رسید). این قانون برای هر چیزی به غیر از نور، درست است، چرا که نور در تمام چارچوب های مرجع، با سرعت یکسانی حرکت می کند. اما نظریه ی نسبیت عام اینشتین، بیان می کند زمانیکه یک پرتوی نور به سطح زمین نزدیک می شود، جاذبه ی گرانشی، فرکانس آن را به مقدار ناچیزی، افزایش می دهد. در سال ۱۹۵۹، Robert Pound و Glen Rebka، تکنیک دقیقی را برای اندازه گیری این افزایش ناچیز فرکانس، کشف کرد. انتظار می رفت که مقدار افزایش فرکانس برای یک فوتون در حال سقوط از بالای یک ساختمان حدود ^۱۵ ۱۰ باشد. با استفاده از یک منبع پرتوی گاما که در کف ساختمانی در دانشگاه هاروارد قرار داده شد، آنها پیش بینی های اینشتین را تا ۱۰ درصد، تایید کردند. در سال ۱۹۶۴، این مقدار به ۱ درصد رسید.

 عضویت در خبرنامه ایمیلی دیپ لوک عضویت در خبرنامه تلگرام دیپ لوک