انتشار این مقاله


چرا جایزه نوبل سال ۲۰۱۸ در فیزیک، برای لیزر، بسیار مهم است؟

هر ساله معتبر‌ترین جایزه در حوزه‌ی علوم طبیعی اصلی اعلام و تخصیص داده می‌شود: منظورمان همان جایزه نوبل در فیزیک است.  برخی از این جوایز اخیر، به معنای واقعی کلمه درک ما از جهان را، از کشف انرژی تاریک گرفته تا بوزون‌های هیگز و حتی اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی و … تغییر دادند. مفاهیم […]

هر ساله معتبر‌ترین جایزه در حوزه‌ی علوم طبیعی اصلی اعلام و تخصیص داده می‌شود: منظورمان همان جایزه نوبل در فیزیک است.  برخی از این جوایز اخیر، به معنای واقعی کلمه درک ما از جهان را، از کشف انرژی تاریک گرفته تا بوزون‌های هیگز و حتی اولین تشخیص مستقیم امواج گرانشی و … تغییر دادند. مفاهیم  دیگر مبهم تر هم هستند اما اهمیتشان کم‌تر نیست، مسائلی از قبیل توسعه‌ LED‌های آبی رنگ یا پیشرفت در توپولوژی‌هایی که به مواد مختلف اعمال می‌شوند. جایزه امسال به آرتور اشکین (Arthur Ashkin )، جرارد مورو ( Gérard Morou ) و دونا استریکلند ( Donna Strickland )، برای نوآوری‌های خلاقانه‌ آن‌ها در زمینه فیزیک لیزر، تعلق گرفت.

در نگاه اول، ممکن است کاری که این دانشمندان کرده‌اند، یعنی این که لیزر‌های رایج چگونه‌اند، کار بزرگی به نظر نرسد. اما اگر دقیق‌تر نگاه کنیم، متوجه خواهیم شد که چرا چنین مسئله‌ای نه تنها سزاوار دریافت جایزه‌ی نوبل است، بلکه که برای کار‌های مختلف علمی بشر، بسیار معنی دار است.

به راحتی می‌توان پذیرفت که این جایزه به لیزر‌ها اعطا شود. در سال ۲۰۱۸، آن‌ها در همه جا مورد استفاده قرار می‌گیرند. نور ممکن است یک موج باشد، اما تولید نوری که یکنواخت (در فاز)، تک فام (همه دارای طول موج یکسان)، و قدرتمند باشد، از دلایلی هستند که باعث خاص شدن لیزر‌ها می‌شوند. لیزرها در LIGO ، مثلا برای اندازه گیری تغییرات کوچکی در فواصل فضایی در زمانی که یک موج گرانشی از آن جا عبور می‌کند، استفاده می‌شوند. اما از آن‌ها همچنین برای سنجش‌های از راه دور جوی، مثلا در اندازه‌گیری فاصله به ماه و یا در ساخت ستارگان راهنما مصنوعی در نجوم استفاده می‌شوند.

اما لیزرها فراتر از کاربرد‌های علمی هستند. آن‌ها در خنک سازی لیزری هم مورد استفاده قرار می‌گیرند، که به کمترین دماهایی که بشر تاکنون به آن دست یافته، می‌رسد و اتم ها را در حالت‌های خاصی از ماده که به چگالش بوز – اینشتین معروف است، رسانده و در چنین حالتی به دام می‌اندازد.  لیزرهای  پالسی اجزای ضروری در همجوشی محصور‌سازی اینرسی هستند: یکی از دو راه اصلی بشریت که تلاش برای ایجاد همجوشی هسته‌ای  این جا و بر روی زمین است.

برخی کاربرد‌های نظامی نیز وجود دارند، مانند دید لیزری، هدف گیری لیزری، کاربرد‌های پزشکی همانند جراحی چشم و درمان سرطان و همچنین کاربرد‌های صنعتی مانند قلم زنی لیزری، جوشکاری و حفاری وجود دارد.  حتی بارکدخوانان موجود در سوپرمارکت‌ها نیز مبتنی بر لیزر است.

ایده‌ی خود لیزر با وجود گسترده بودنش، هنوز نسبتا جدید محسوب می‌شود.  خود لیزر برای اولین بار در سال ۱۹۵۸ اختراع شد. در اصل این کلمه مخفف عبارت ” تقویت نور با انتشار برانگیخته‌ای از تابش ” ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) است که تا حدودی اسم مناسبی نیست.  در واقع، هیچ چیزی واقعا تقویت نمی‌شود بلکه آن‌ها با استفاده‌ی بهینه از ساختار ماده طبیعی که دارای هسته اتمی و سطوح مختلف انرژی – برای اشغال شدن توسط الکترونهایش – کار می‌کنند. در مولکول ها، بلورها و دیگر ساختارهای مرزی، جدایی‌های خاصی بین سطوح انرژی الکترون‌ها، مشخص می‌کنند که کدام انتقال‌ها مجاز هستند.


روش کار لیزر به صورت نوسان‌ الکترون‌هایی بین دو حالت مجاز است و موجب می‌شود که یک فوتون با یک انرژی مشخص در زمانی که آن‌ها از حالت انرژی بالاتر به پایین تر می‌رود، منتشر شود. این نوسانات هستند که سبب انتشار نور می‌شوند. ما آن‌ها را  لیزر می‌نامیم، شاید به این دلیل که هیچ کس فکر نمی کرد که استفاده از مخفف عبارت بیان شده، ایده‌ی مناسبی باشد.

از زمانی که لیزر برای اولین بار اختراع شد، انسان‌ها راه‌های متعددی برای بهتر کردن لیزر پیشنهاد داده‌اند. با پیدا کردن مواد مختلفی که شما را قادر می‌سازد تا گذار الکترون‌ها را بین انرژی‌های مختلف ممکن سازید، شما می‌توانید لیزر‌هایی با طیف گستردهای از طول موج‌های مشخص ایجاد کنید. با بهینه سازی طراحی کولیماسیون لیزر، می توانید شدت نور لیزر را به شدت در فواصل بزرگ افزایش دهید و تعداد بیشتری فوتون را به ازای هر واحد حجم افزایش دهید. با استفاده از یک تقویت کننده بهتر، شما به سادگی می توانید یک لیزر پر انرژی تر و قدرتمند را به طور کلی ایجاد کنید.


اما آنچه که اغلب مهم‌تر از قدرت است کنترل است. اگر شما بتوانید خواص لیزر خود را کنترل کنید، می توانید یک دنیای کاملا جدید از امکانتی که برای بررسی و دستکاری مواد و سایر پدیده های فیزیکی در جهان باز کنید و این همان حوزه‌ای است که جایزه نوبل سال جاری به آن تعلق گرفته است.
نور، بدون توجه به نوع آن و یا حتی نحوه‌ی تولید آن، همیشه یک موج الکترومغناطیسی است. این بدان معنا است که وقتی که در فضا سفر می‌کند، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در حال نوسان ایجاد می‌کند. قدرت این میدان‌ها ممکن است افزایش یا کاهش یابد، جهتش وارونه شود و یا با آن الگوی نوسان قبلی ادامه یابد، با هر دو میدان الکتریکی و مغناطیسی که در یک فازند  و عمود بر یکدیگر هستند.


اگر شما بتوانید میدان‌های ناشی از این نور را کنترل کنید، با کنترل جهت و اندازه‌ی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در یک منطقه خاص از فضا، خواهید توانست ماده موجود در آن مکان را دستکاری کنید. توانایی دستکاری مواد به صورتی که گفته شد، مانند این است که در تکنولوژی علمی تخیلی پرتو تراکتور، تجسم یافته است. و امسال، نیمی از جوایز نوبل به پروژه‌های مربوط به پیشرفت و توسعه انبرک نوری تعلق گرفت، که اساسا نسخه‌ای از آن است که مربوط به زندگی واقعی می‌باشد.

 

آرتور اشکین، برنده نیمی از جوایز نوبل سال ۲۰۱۸، ابزاری به نام انبرک نوری را ابداع کرد. با استفاده از کاربرد لیزرها با پیکربندی‌های خاص، اشیاء فیزیکی، از مولکول‌های کوچک گرفته تا کل باکتری‌ها، می‌توانند به یک جا کشیده شوند. نحوه کار این انبرک‌های نوری به صورت کشیدن ذرات کوچک به سمت مرکز پرتو لیزر و نگه داشتن آن‌ها در آن جا است. در این جا سطح بالایی از قدرت مد نظر نیست، بلکه در مورد سطح بالایی از کنترل دقیق است.

با تنظیم اندکی از خواص لیزر مورد آزمایش، ذرات گرفتار شده را می‌توان به شیوه‌های خاصی هدایت کرد.  موفقیت غیر منتظره‌ی بزرگی که منجر به این شد که در سال ۱۹۸۷ اشکین برنده‌ی جایزه‌ی نوبل باشد، زمانی كه او از روش انبرک نوری برای گرفتن باكتری‌های زنده بدون وارد کردن هیچ گونه آسیبی به آن‌ها،استفاده کرد.پس از آن پیشرفت، انبرک‌های نوری برای مطالعه سیستم‌های بیولوژیکی مورد استفاده قرار گرفتند و بررسی دستگاه‌های مربوط به حیات تا مقیاس تک سلول‌ها پایین آمد.
با این حال، گاهی اوقات چیزی که می‌خواهید کنترل کنید، میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی نیستند، بلکه شدت و فرکانس پالس لیزر مورد نظر ما است. ما نور لیزر را به گونه‌ای در نظر می‌گیریم که به طور مداوم منتشر می‌شود، اما لزوما این حالت، همیشه مورد نظر ما نیست. در عوض، یکی دیگر از گزینه‌های ممکن این است که نور لیزری را که تولید می‌کنید، ذخیره کنید و تمام این انرژی را در یک انفجار کوتاه و سریع منتشر کنید.البته شما می‌توانید این کار را در یک حرکت انجام دهید، یا این که آن را بارها و بارها پشت سر هم به طور بالقوه با فرکانس های نسبتا بالا تکرار کنید.

خطر اولیه در ساخت پالس بزرک، کوتاه و فوق العاده قدرتمند، مانند نوعی از آن که در ترکیب فیبر نوری استفاده می‌شود، این است که مواد مورد استفاده برای تقویت نور را از بین می‌برید. توانایی انتشار یک پالس کوتاه مدت با انرژی بالا یکی دیگر از اهداف فیزیک لیزر بود. باز کردن این قدرت به معنای باز کردن مجموعه ای از کاربرد‌های جدید است.

این دقیقا همان مسئله‌ای است که برندگان نیمه دیگر جایزه نوبل در سال ۲۰۱۸، یعنی جرارد مورو و دونا استرکلند ،حل کرده‌اند. در سال ۱۹۸۵، آنها یک مقاله را با هم منتشر کردند که در آن دقیقا مشخص شده بود که چگونه پالس لیزری فوق العاده کوتاه و پرقدرت را به صورت تکراری ایجاد کردند. مواد تقویت کننده‌ای که مورد استفاده قرارگرفته بودند، جوری نبودند که آسیبی بزنند. ساختار اولیه در اصل ۴ تا بودند، اما در عمل، مراحل:
اول، آن‌ها این پالس های لیزری نسبتا استاندارد را ایجاد کردند.
سپس آن‌ها پالس را بر حسب زمان رسم کردند، که قدرت پیک آن‌ها را کاهش داده و آن‌ها را کم‌تر مخرب می‌سازد.
بعد، آن‌ها زمان مربوط پالس‌های کشیده شده را افزایش دادند، که در این حالت مواد مورد استفاده برای تقویت می تواند بدون تغییر بمانند.

در نهایت، پالس‌های تقویت شده را متراکم کردند.

 با کوچکتر کردن پالس‌ها، میزان نور بیشتری در فضای یکسان متراکم می شوند، که منجر به افزایش شدید در شدت پالس می‌شود.

تکنیک جدیدی که به عنوان تقویت پالس chirped شناخته می‌شود، به استاندارد جدیدی برای لیزرهای شدید تبدیل شد؛ این تکنولوژی سالانه در میلیون‌ها جراحی اصلاح چشم استفاده می‌شود. کار استادان مورو و استریکلند که پایه و اساس دکترای استریکلند شد. پایان نامه‌ها و  کاربرد‌های بیشتری برای این کار در رشته‌ها و صنایع مختلف وجود دارد.
از آن جا که اختراع آن‌ها مربوط به تنها ۶۰ سال پیش است، لیزرها به جنبه‌های بی شماری از زندگی ما راه یافته‌اند. مقرر شده است که جایزه نوبل به دانشمندان و پیشرفت‌های علمی تعلق بگیرد که بیشترین تأثیر مثبت را بر بشریت بگذارند. پیشرفت‌هایی در تکنولوژی لیزر قطعا توانایی‌های ما در زمینه‌های بسیار گوناگون بهبود می‌بخشد و متناسب با این معیار فوق العاده است. جامعه‌ی نوبل نه تنها بر اساس علم به تنهایی و همچنین تاثیرات آن بر جامعه، به طور واضح جایزه‌ی ۲۰۱۸ را کسب کرده است.
اما راه دیگری هم وجود دارد: آنها با انتخاب دونا استریکلند برای دادن جایزه سال ۲۰۱۸، این سومین بار در تاریخ نوبل است که یک خانوم این جایزه فیزیک را گرفته است.

استریکلند به عنوان سومین زنی که بخشی از جایزه نوبل به او تعلق می‌گیرد، به جمع ماری کوری (۱۹۰۳) و ماریا گئپپت-میر (۱۹۶۳)می‌پیوندد. در حوزه فیزیک، زنان بسیاری وجود داشتند که سزاوار دریافت جایزه نوبل بودند اما این جایزه به آن‌ها تعلق نگرفته است، پنج‌ تا از مهم‌ترین مثال‌ها در این زمینه عبارتند از:
Cecilia Payne (کسی که کشف کرد ستارگان از چه ساخته شده‌اند)
Chien-Shiung Wu (که نقض تقارب را در فیزیک ذرات کشف کرد)
Vera Rubin (که رفتار عجیب و غریب منحنی چرخش کیهانی را کشف کرد)،
Lise Meitner (که شکافت هسته‌ای رو کشف کرد)
Jocelyn Bell-Burnell (که اولین پالسر را اختراع کرد)

عذرا سیدی


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *