ما به خوبی درک می‌کنیم که یک اتم چگونه رفتار می‌کند. نحوه تعامل دو اتم نیز قابل‌حل است، اما درباره‌ی نحوه تعامل سه اتم یا ذره با یکدیگر، مسئله ما به صورت نمایی پیچیده‌تر می‌شود. اسرار زیادی در فیزیک جهان شمولی وجود دارد. با دیپ لوک همراه باشید…
مفهوم فیزیک جهان شمولی جذاب است، چرا که محققان را قادر می‌سازد پدیده‌های فیزیکی را در انواع مختلفی از سیستم‌ها، صرف‌نظر از ویژگی‌ها و پیچیدگی‌های متفاوت، به یکدیگر مرتبط سازند. سیستم‌های اتمی فوق سرد به دلیل کنترل دقیق پارامترهای تجربی (مانند قدرت برهمکنش، دما، چگالی، حالت‌های کوانتومی، بُعدپذیری و پتانسیل تله) اغلب به عنوان بسترهای ایده‌آلی برای کشف فیزیک جهان شمول که ممکن است در سیستم‌های متداول دشوارتر باشد، شناخته می‌شوند. در حقیقت، از سیستم‌های اتمی فوق سرد برای درک بهتر هزاران رفتار فیزیکی پیچیده، از جمله موضوعاتی در کیهان‌شناسی، فیزیک ذرات، فیزیک هسته‌ای، فیزیک مولکولی و مهم‌تر از همه در فیزیک ماده چگال؛ که بررسی پیچیدگی‌های پدیده‌های کوانتومی بس‌ذره‌ای، نسبت به رویکردهای سنتی سخت‌تر است، استفاده شده است.
بسیاری از پدیده‌های فیزیکی براساس نیروی بین دو جسم کار می‌کنند. جاذبه گرانشی بین زمین و خورشید؛ و بار الکتریکی که الکترون‌ها را در اطراف هسته‌‌ی اتم به گردش در می‌آورد. این برهمکنش‌های دو جسم جهان شمول هستند و به ما این امکان را می‌دهند که رفتار سیستم‌های بس-ذره‌ای را پیش‌بینی کنیم. بالعکس آن نیز به طور کلی صادق است: اگر نیروی بین دو جسم برای تشکیل یک سیستم پایدار، بسیار ضعیف باشد، هیچ سیستم ثابتی نمی‌تواند با اضافه شدن اشیای بیشتر تشکیل شود.
با این حال، در حدود ۴۰ سال پیش، فیزیکدان روسی، ویتالی افیمو (Vitaly Efimov) پیش‌بینی کرد که تحت شرایط خاصی، برهمکنش تشدید می‌تواند به یک سیستم سه ذره‌ای اجازه دهد که یک حالت پایدار را تشکیل دهد، در حالیکه حالت پایدار دو ذره‌ای‌اش نمی‌تواند وجود داشته باشد. حالت افیمو، یک حالت مقید از سه ذره است که حتی اگر جاذبه بین دو ذره برای تشکیل یک حالت مقید بسیار کوچک باشد، وجود دارد. عجیب‌تر از آن اینکه وقتی فاصله بین ذرات با ضریب ۲۲.۷ افزایش می‌یابد، یک حالت افیموی دیگر ظاهر می‌شود که منجر به یک سری بی‌نهایت از این حالات می‌شود. گروه تحقیقاتی رودلف گریم اولین گروهی بود که یک حالت افیمو را در یک گاز کوانتومی بزرگ مشاهده کرد. آن‌ها معتقدند
اهمیت جهان شمولی در فیزیک افیمو این است که ما قادر به درک و پیش‌بینی تصویر برهمکنش بس-ذره‌ای کامل با مقیاس‌های طول بزرگ دلخواه و با توجه به دانش گسترده از فیزیک دو جسم هستیم. ارزیابی ما نشان می‌دهد که این امر، همیشه صادق نیست: نشان دادن اولین انحراف از عمومیت وان در والس و آزمایش محدودیت‌های فیزیک جهان شمولی در یک سیستم چند پیکره.
درک کاربردپذیری و استحکام فیزیک جهان شمولی بسیار مورد توجه است. محققان موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) و دانشگاه کلرادو، پژوهشی انجام دادند که اخیرا در مجله Physical Review Letters منتشر شد و هدف از آن، آزمون محدودیت‌های جهان شمولی در یک سیستم فوق سرد بود. محققان می‌گویند:
بر خلاف سیستم‌های فیزیکی دیگر، زیبایی سیستم‌های فوق سرد این است که ما می‌توانیم اهمیت جدول تناوبی را حذف کرده و پدیده مشابهی را با هر گونه اتمی نشان دهیم (پتاسیم، روبیدیم، لیتیم، غیره). رفتار جهان شمول مستقل از جزییات میکروسکوپی است. درک محدودیت‌های پدیده جهان شمول ، بسیار مورد توجه است.
به خاطر ماهیت چندذره‌ای (few-body) برهمکنش‌ها در اکثر سیستم‌های مافوق سرد، محققان باید به دانش بهتری از فیزیک چندذره‌ای دست یابند تا پدیده‌های مافوق سرد پیچیده بس-ذره‌ای (many-body) را بهتر درک کنند. آن‌ها تلاش کردند تا محدودیت‌های جهان شمولی را در یک پدیده جهان شمول چندذره‌ای فیزیک افیمو پیدا کنند.
این پدیده عجیب کوانتومی که برای اولین بار در فیزیک هسته‌ای نظریه‌پردازی شد، پیش‌بینی می‌کند که برهمکنش‌های دوذره‌ای قوی می‌توانند واسطه‌ی برهمکنش سه‌ذره‌ای شده و حالات سه‌ذره‌ای مقیدی را شکل دهند که تریمرهای ایفیمو نامیده می‌شوند. در حقیقت، تعدادی بی‌نهایتی از تریمرهای ایفیمو وجود دارند که اندازه و انرژی همه‌ی آن‌ها با یک فاکتور عددی جهانی، به یکدیگر مرتبط است.
علاوه بر این مقیاس‌بندی جهان شمول محققان بعدا خاطرنشان کردند که اندازه تمام تریمرهای ایفیمو در سیستم‌های اتمی، یکسان است، بدون توجه به گونه‌های اتمی انتخاب شده یا جزییات دقیق برهمکنش‌های دوذره‌ای زیربنایی که واسطه‌ی نیروهای سه‌ذره‌ای در فیزیک ایفیمو هستند. این جنبه‌ی جهان شمول فیزیک ایفیمو، با عنوان جهان شمولی وان دروالس شناخته می‌شود که تا زمان انجام این پژوهش، تصور می‌شد درست است. چاپورین، یکی از محققان این پژوهش می‌گوید:
اهمیت جهان شمول بودن در فیزیک ایفیمو، این است که می‌توانیم برهمکنش چندذره‌ای را درک کرده و پیش‌بینی کنیم و تنها با توجه به دانش فیزیک دوذره‌ای، آن را تا مقیاس‌های طولی به اندازه دلخواه بزرگ، تعمیم دهیم. اندازه‌گیری ما نشان می‌دهد که این امر، همیشه درست نیست. ما نخستین انحراف را از جهان شمولی وان دروالس ثابت کردیم و حدهای فیزیک جهان شمولی را در سیستم چندذره‌ای آزمودیم.
چاپورین و همکارانش اندازه‌گیری‌های دقیق چندذره‌ای را برای تعیین خواص تریمر در گاز مافوق‌سرد پتاسیم انجام دادند. درجه بالای کنترل بر روی پارامترهای تجربی، و همچنین خطاهای پایین آماری و سیستماتیک، به آن‌ها این امکان را داد تا اولین مدرک قانع‌کننده از غیر‌جهان شمولی بودن را پیدا کنند. محققان، تریمرهایی را با اندازه‌های مختلف کشف کردند که به طور قابل‌توجهی از آنچه که نظریه جهان‌شمولی پیش‌بینی می‌کند، بزرگ‌تر هستند. چاپورین می‌گوید:
اندازه‌گیری‌های ما با دقت بی‌سابقه‌ای، نتیجه شگفتی را آشکار کرد: اولین انحراف قطعی از عمومیت وان در والس. ما اندازه تریمر را اندازه می‌گیریم که با تمام اندازه‌گیری‌های قبلی در انواع مختلف اتمی و آنچه نظریه جهان‌شمولی پیش‌بینی می‌کند، متفاوت است.
محققان برای درک بهتر مشاهدات خود، یک مدل نظری سه‌بعدی جدید را توسعه دادند. مدل آن‌ها نشان می‌دهد که در شرایط نادر، جزییات میکروسکوپی و ریز در مسئله را می‌توان به شدت تحت‌تاثیر قرار داد. محققان می‌گویند:
اگرچه مشاهدات تجربی به وضوح، انحراف قوی از عمومیت وان دروالس را نشان می‌دهند، اما تمام آن چیزی که جهان‌شمولی است را نقض نمی‌کنند. یکی از فرضیات جهان شمولی هنوز ادامه دارد: با دانستن اینکه چگونه دو اتم با یکدیگر تعامل دارند، همه ویژگی‌های انرژی پایین سیستم‌های افیمو را می‌توان بدست آورد، بدون نیاز به درنظرگرفتن نیروهای شیمیایی سنتی و پیچیده سه‌بعدی.
مطالعه انجام‌شده توسط چاپورین و همکارانش، مشاهدات شگفت‌انگیز جدیدی را بدست داد که می‌تواند موجب بهبود درک فعلی جهان شمولی در فیزیک چندذره‌ای شود. اگرچه محققان قادر به ارائه توضیح تجربی شدند، اما هنوز بسیاری از پرسش‌ها بی‌پاسخ مانده‌اند. به عنوان مثال، در حالی که مقاله آن‌ها بینشی برای انحراف مشاهده‌شده از جهان شمولی اولین حالت افیمو ارائه می‌دهد، تاثیر این فیزیک میکروسکوپی پیچیده در حالت‌های متوالی (در سری نامتناهی افیمو) هنوز یک سوال باز است. مطالعات این حالات مقید ضعیف متوالی نیازمند درجه‌حرارت کمتر (کمتر از یک میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق) است که به بهترین شکل در یک محیط ریزگرانش بدست می‌آیند. این گروه بخشی از یک همکاری بزرگ‌تر به نام JILA بوده و امیدوار است با انجام آزمایش‌های آینده در آزمایشگاه Cold Atom در ایستگاه فضایی بین‌المللی به این سوال پاسخ دهد.
