سال هاست شیمیدانان و فیزیکدانان برای درک رفتار سیستم های متشکل از اتم ها تلاش می کنند. واقعیت این است که در جهان هستی، سکوت و آرام و قرار معنایی ندارد! چرا که اتم ها مدام در حال حرکت و برهمکنش هستند. دانشمندان برای مدلسازی رفتار و ویژگی های سیستم های متشکل از اتمها، از دو تصویر یا رویکرد بنیادی، استفاده می کنند: آماری و دینامیکی. به نظر می رسید این دو رویکرد با هم سر سازگاری نداشته و متضاد یکدیگرند، اما به تازگی دانشمندان راهی برای آشتی دادن این دو رویکرد پیدا کرده اند که ارتعاشات ملکولی را فراسوی نوسانگر هماهنگ به تصویر می کشد. نتیجه ی این پژوهش در The Journal of Chemical Physics منتشر شده است. با دیپ لوک همراه باشید…
در رویکرد آماری که دانشمندان آن را مکانیک آماری می نامند، یک سیستم می تواند در تمام حالت های ممکن قرار بگیرد، یعنی اتم ها با یک مقدار معین دما یا انرژی، می توانند هر مکان و هر سرعتی داشته باشند. در مکانیک آماری، دانشمندان به ترتیب یا مدت زمان رخ دادن حالت ها، اهمیتی نمی دهند، در واقع، زمان در این قصه، نقشی ندارد! اما در مقابل، در رویکرد دینامیکی، زمان یکی از بازیگران اصلی است، چرا که چگونگی رخ دادن این حالات در طول زمان، مهم است. در رویکرد دینامیکی، یک سیستم نمی تواند تمام حالت های ممکن را تجربه کند، زیرا یا انرژی آن به حدی نیست که بتواند از سدها بگذرد یا بازه ی زمانی، بیش از حد کوتاه است. بنابراین وقتی سیستم نتواند حالت های پشت یک سد انرژی را تجربه کند، درست مانند کوهنوردی است که نمی تواند روستای پشت کوه را ببیند.
دانشمندان وقتی یک رویکرد را بر دیگری ترجیح می دهند، با یک چند راه مفهومی در مسیرشان مواجه می شوند، زیرا این دو رویکرد، همیشه سازگار نبوده و گاهی تصاویر کاملا متفاوتی بدست می دهند، اما تنها تحت شرایط معینی، مثلا انرژی های به اندازه ی کافی بالا و مقیاس های زمانی طولانی، سازگار می شوند.
وقتی دو رویکرد، متفاوت هستند، انتخاب درست، دینامیک ها هستند، زیرا حالت هایی که سیستم واقعا آنها را تجربه می کند، به انرژی (یعنی حالت اولیه) و بازه ی زمانی مشاهده یا اندازه گیری بستگی دارند. از طرفی چشم پوشی از تصویر آماری، ما را از تمام ابزارها و مفاهیم قدرتمندش در تجزیه تحلیل ویژگی ها و رفتار سیستم ها، محروم می کند. ویژگی اصلی مکانیک آماری، چگالی حالت هاست که نشان دهنده ی تعداد حالت هایی است که سیستم در یک انرژی معین، می تواند تجربه کند. آگاهی از چگالی حالت ها به محققان اجازه می دهد تا ویژگی های فیزیکی اضافی، مانند انتروپی و انرژی آزاد را بدست آوردند، چرا که این ویژگی ها، در واقع ابزارهای مهمی در تجزیه تحلیل مکانیک آماری هستند.
مشکل این است زمانیکه به سراغ حرکت ارتعاشی سیستم ها می رویم، دانشمندان حل دقیق چگالی حالت ها را فقط برای دو مورد ایده آل و استاندارد، یعنی نوسانگر هماهنگ و مورس در اختیار دارند. (نوسانگر هماهنگ، ساده ترین سیستم ارتعاشی است که در آن یک نوسانگر، حول مکان تعادلی اش به صورت هماهنگ، نوسان می کند و تنها تحت تاثیر یک نیروی بازگرداننده قرار دارد، مانند پاندول یک ساعت). با وجود اینکه سیستم های واقعی، شبیه هیچ یک از این دو سیستم نیستند، اما تقریب نوسانگر هماهنگ با دقت نسبتا خوبی می تواند سیستم های واقعی را مدلسازی کند. البته این مدل در انرژی های کم، قابل قبول است، اما با افزایش انرژی، به درد نخور می شود. طی هشت دهه ی گذشته دانشمندان برای بدست آوردن راه حل جامعی برای سیستم های ناهماهنگ و فراسوی نوسانگر هماهنگ ، تلاش زیادی کرده اند، اما متاسفانه حاصل این تلاش ها، تنها انبوهی از راه حل های تقریبی بوده است که همگی محدودیت های بزرگی دارند. پیدا کردن یک راه حل دقیق و عمومی برای چگالی ارتعاشی حالت ها برای سیستم هایی با هر درجه از ناهماهنگی، یک مسئله ی حل نشده باقی مانده بود.
در پژوهش حاضر، پیشرفت بزرگی حاصل شده و در واقع این راه حل طلایی، پیدا شده است. روشی جالبی که دانشمندان در این پژوهش، ارائه داده اند یک راه حل دقیق و عمومی برای هر سیستم و با هر انرژی است. بنابراین این مسئله ی بنیادی و طولانی مدت، نهایتا حل شد. این راه حل، بسیاری از جنبه های فیزیک، شیمی، علم مواد، نانو و زیست شناسی را متحول خواهد کرد.
این راه حل، چندین مسئله ی دیگر را هم حل می کند، چرا که دو رویکرد دینامیکی و آماری را حتی در شرایطی که سازگاری آنها سخت بود، آشتی می دهد. از آنجایی که این راه حل، مبتنی بر دینامیک های واقعی یک سیستم در مقیاس های زمانی و انرژی متناظر با آن است، چگالی های بدست آمده برای حالت ها، کاملا به طور دینامیکی بوده و به زمان حساس اند. این راه حل عمومی منجر به تغییر عمیقی در دید ما در مورد ارتباط مکانیک آماری و دینامیکی می شود.
