پیدا کردن ریشه‌ی جرم منفی در بنیادی‌ترین لایه‌های مکانیک کوانتومی

جرم، مفهومی است که از دوران ابتدایی آموزش و زندگی با آن سر و کار داریم. شاید معمول‌­ترین تعریف جرم، همان قانون دوم نیوتن باشد. اگر به جسمی نیرو وارد شود، شتابی می‌­گیرد که با جرم جسم رابطه دارد و هم‌­جهت با نیرو است، مانند توپ فوتبالی که با ضربه‌­ی پا، آن را به سمت دروازه‌­ی حریف می‌فرستیم. ولی اگر با ضربه ­ی ما، توپ در جهت معکوس حرکت کند، چه اتفاقی می‌­افتد؟! این، مثالی از مفهومی به نام جرم منفی است که پژوهش‌های زیادی را متوجه خود ساخته است. دانشمندان در مقاله‌ای که در مجله­‌ی Physics Review Letters منتشر شده، پیامدهای مفهوم شگفت‌انگیز جرم منفی را بررسی کرده‌اند. با دیپ­‌لوک همراه باشید…

یک پژوهش تخصصی با رهبری دیوید کولاس (David Colas) از دانشگاه کوئینزلند (University of Queen’s land) با بررسی پدیده­‌ی عجیب خود-تداخلی (self-interference)، مطالعات انجام شده راجع به جرم منفی را واکاوی و تصریح می‌­کند. وقتی ما راجع به جرم فکر می­‌کنیم، معمولا جرم لختی را در نظر می‌­گیریم که شامل مقاومت یک جسم برای شتاب گرفتن به ازای نیروی ورودی می‌­شود. در مورد یک شی در حال حرکت، جرم عبارت است رابطه‌­ی ساده‌ای میان تکانه­‌ای که به آن وارد می‌­شود و سرعتی که بدست می‌­آورد.

با این وجود، در بعضی مواقع، این رابطه به شکل ساده، خطی نیست و می­‌تواند به ضربه­‌های ناگهانی که به شی وارد می­‌شود، وابسته باشد. به همین ترتیب، فیزیک­دانان راجع به جرم موثر صحبت می­‌کنند که حتی می­‌تواند منفی نیز باشد. در چنین موردی، یک شی می­‌تواند در پاسخ به یک نیرو، به طرز کاملا غیر قابل درکی حرکت کند. نویسنده‌­ی اول پژوهش دانشگاه UQ، دکتر دیوید کولاس می‌­گوید:

یک توپ فوتبال را فرض کنید. شما با ضربه‌­ی اول توپ را به دروازه نزدیک­‌تر می‌­کنید تا گل بزنید، زمانی که ضربه‌­ی دیگری به توپ می‌­زنید، به جای اینکه توپ شتاب بگیرد، سرعتش کاهش می­‌یابد! شما گیج می‌­شوید و بنابراین تصمیم می‌­گیرید که شوت محکم­‌تری به توپ بزنید؛ در این حالت به جای اینکه توپ از پای شما دور شود به آن نزدیک می‌­شود.

جرم­ منفی می­‌تواند بصورت عملی در سطح ذرات و در سیستم‌­های مختلف تحقق یابد. برای مثال، با استفاده از حفره‌­ها در نیمه‌­هادی‌­ها، یا با تزویج نور و ماده در ریز حفره‌­ها و تشکیل پلاریتون-اکسایتون یا در گازهای اتمی فوق سرد در چگالش بوز-اینشتین.

پژوهش نظری دانشگاه UQ، بر اساس یک مطالعه­‌ی قبلی در دانشگاه ایالتی واشنگتن انجام شد که آن پژوهش، نشان می‌­داد جرم منفی، بر انبساط یک چگالیده­‌ی اتمی بوز-اینشتین موثر است و این به خوبی نمایانگر وسعت و انعطاف‌­پذیری این زمینه‌­ی تحقیقاتی است. محققان UQ در پژوهش خود، اثراتی را که با انواع مختلف جرم منفی همراه هستند، مشخص کرده و اثر مهم خود-تداخلی را که در ابتدا برای پلاریتون‌­-اکسایتون پیش­‌بینی شده بود، تشخیص دادند. این کار، یک تصویر جامع از اثر خود-تداخلی که در دانشگاه ایالتی واشنگتن مشاهده شد، می‌­دهد، اما این را نیز نشان می‌­دهد که چگونه اثرات متقابل می‌تواند به مکانیزم حاضر کمک کند و آن را راه بیاندازد.

آزمایش دو شکاف یانگ در سال ۱۸۰۱ که تداخل موج و ماده را نشان می­‌دهد، اولین مشاهده­‌ی یک اثر کوانتومی بود. ذرات مجزا از هم، به سمت یک صفحه با دو شکاف فرستاده می‌­شوند. عبور ذرات از داخل شکاف­‌ها که دقیقا همانند امواج است، نشان دهنده­‌ی تداخل است. می­‌توان با یک گاز اتمی بسیار سرد نیز چنین تداخلی را فقط بوسیله­‌ی ذرات، بدون نیاز به صفحه و شکاف، فقط با تحت تاثیر قرار دادن جرم موثر ذرات ایجاد کرد. دکتر دیوید کولاس می­‌گوید:

برای اینکه با مثال مشابه توپ فوتبال ادامه دهیم، تصور کنید که شما ضربه­‌ی محکمی به توپ می­‌زنید و توپ به آرامی مقداری به سمت پای شما فشرده می‌شود. زمانی که توپ از پای شما جدا می‌­شود، دوباره منبسط می­‌شود و شما می­‌بینید قسمت جلوی توپ آرام­تر از قسمت انتهایی آن حرکت می­‌کند. پس توپ با خودش تداخل می‌­کند.

دانشگاه ایالتی واشنگتن گزارش کرده است که جرم منفی می‌­تواند جلوی انبساط آزادانه‌­ی یک چگالیده‌­ی بوز-اینشتین را بگیرد و باعث بوجود آمدن حاشیه در چگالی شود. مطالعه­‌ی دانشگاه UQ نشان داد که این اتفاق به دلیل خود-تداخلی بسته‌­های موج رخ می‌دهد. خود-تداخلی بسته­‌های موج زمانی اتفاق می‌افتد که پارامترهای معینی از جرم که مشخصه‌ی سیستم هستند، منفی می‌­شوند.

اثرات جرم منفی می‌­تواند تحت شرایط متفاوتی مانند خود-تداخلی به وجود بیاید، اما یکی از برجسته‌­ترین آن­ها حرکت به عقب به ازای یک پالس مثبت است: توپ فوتبال فرضی که به جای دور شدن از بازیکن، به سمت پاهای او شتاب می‌­گیرد. محققان دانشگاه UQ نشان می­‌دهند که این حالت شگفت‌­انگیز می‌تواند در چگالیده‌­ی اتمی بوز-اینشتین آسان­‌تر ایجاد شود. این پدیده در کنار پولاریتون‌­-اکسایتون، در جدیدی را به سوی مسیرهای جذاب پژوهشی باز می‌نماید. مشخص کردن اینکه کدام نوع جرم، مسئول کدام یک از پدیده‌­های مشاهده شده است، از برداشت‌­های اشتباه معمول راجع به جرم منفی جلوگیری می‌کند. این شفاف‌­سازی باعث می‌­شود پژوهش‌های جرم منفی به مسیر خودش باز گردد.