كُثَافة بوز اينشتاين Bose Einstein condensation

دائما ما تعلمنا إن حالات المادة هي ثلاث – الصلبة solid , السائله liquid, الغازية gaseous- ولم يكن لدينا أدنا مشكله في فهمها , لأنها ضمن إدراكنا الحسي, وكل يوم نتعامل مع هذه الحالات.

 لكن فالحقيقة إن حالات المادة تزيد عن هذا العدد, فأمكن اكتشاف حالات أخرى للمادة بتطور الإمكانات والمعدات.
 - بعد ظهور الطاقة النووية , تم اكتشاف الحالة الرابعة للمادة والتي تسمى حالة البلازما plasma.
 - وفي عام 1939 ظهرت الحالة الخامسة للمادة وهي الميوعه الفائقة Superfluditity .
 وفي عام 1995 تم إنتاج الحالة السادسة للمادة في المختبر وهي كُثافة بوز اينشتاين Bose Einstein condensation


ملاحظه :
1- - هذا التصنيف غير متفق عليه في جميع الأوساط العلمية وهناك اختلاف عليه , لكن الاغلبيه يميلون له , لأنه يعتمد على درجات الحرارة.
 2- - حالات المادة لا تقف عند هذا العدد !!؟ هنالك بحوث وأوراق بحثه تتحدث عن حالات أخرى للمادة.

 سوف أتطرق هنا للحالة السادسة للمادة وهي كُثَاَفة بوز اينشتاين.

 من اجل فهم هذه الحالة بكل سهوله وبساطه, دعوني أذكركم بالطول الموجي Wavelength وعلاقته بدرجة الحرارة Temperature .
 إن العلاقة بين الطول ألموجي ودرجة الحرارة هي علاقة عكسية , أي انه إذا زادة درجة الحرارة فان الطول ألموجي يقل, لكن إذا قلت درجة الحرارة فان الطول ألموجي يزداد!! للفهم أكثر تمعنوا بالشكل التالي :

في هذا ألصوره A من الشكل الكرات الحمراء هي ذرات الغاز وهي موجودة في درجة حرارة الغرفة, فالطول ألموجي قليل جدا.
 فالصورة B قللنا درجة الحرارة فزاد الطول ألموجي للذرات.
 فالصورة C قللنا درجة الحرارة أكثر وأكثر زاد الطول ألموجي ونلاحظ إن الطول ألموجي أصبح يتداخل وأصبح متشابك.
 فالصورة الاخيره D عندما أصبحت درجة الحرارة قريبه جدا من الصفر المطلق أصبحت جميع الأطوال الموجيه متشابكة وذرات الغاز جميعها في نفس الحالة الكميه !!!؟

 ملاحظه:
 نلاحظ انه عند درجات الحرارة العالية(درجة حرارة الغرفة) فإننا نكون فالمستوى الكلاسيكي classical ونعامل الذرات كجسيمات Particlesلكن عندما قللنا درجة الحرارة فإننا انتقلنا من المستوى الكلاسيكي إلى المستوى الكمي quantumوعاملنا الذرات على أنها موجات .waves


 إذا عندما قللنا درجة الحرارة إلى درجة حرارة قريبه جدا من الصفر المطلق absolute zero فان جسيمات الغاز أصبحت في نفس الحالة الكميه quantum state مما أدى إلى ظهور حاله جديدة من المادة هي كثافة بوز اينشتاين .


 طبعا أول من تنبأ بهذه الحالة هما العالمين بوز Bose واينشتاين Einstein, عام 1924 , ولم يتم إنتاج هذه الحالة من المادة فالمختبر إلا في عام 1995 بواسطة اريك كورنال Eric Cornell و كارل ويمان Carl Wieman .


 ملاحظه:
1- لا يمكن الوصول لدرجة الصفر المطلق, لان هذا يتعارض مع مبادئ مهمة منها : مبدأ الاتحديد Uncertainty principle و الانتروبي entropy.

 لم يتمكن العلماء من الوصول لكثافة بوز اينشتاين إلا في 1995 لأنه لم يكن لديهم طريقة من تبريد الذرات إلى درجات حرارة قليله جدا. لحين تم اكتشاف طريقة التبريد بالليزر laser cooling .

 الليزر يبرد !!؟

 نعم, لأنهم اعتمدوا على التصادم المرن Elastic collision, فالبداية يقومون بمحاصرة ذرات الغاز ومن ثم يطلقون شعاع الليزر, مما يؤدي إلى تصادم ذرات الليزر مع ذرات الغاز فتمتلك طاقه اكبر , ولكنها تقوم بالتخلص من طاقه اكبر من الطاقة التي اكتسبتها من الليزر, فتكون فقدت من طاقتها, وهكذا فالذرة الواحدة من الغاز تتخلص من الطاقة فتكتسبها ألذره التي بجانبها, وهي كذلك تقوم بالتخلص من طاقه اكبر من الطاقة التي اكتسبتها, وهكذا حتى يبرد النظام ككل.
طبعا الذرة تتخلص من طاقه اكبر من التي اكتسبتها لان النظام محصور والذرات قريبه جدا من بعضها فهي تريد الوصول إلى وضع الاستقرار.


 ملاحظه:
 1- - هناك طرق أخرى لتبريد الذرات
 2- - تم إنتاج كثافة بوز اينشتاين فالمختبر من خلال استخدام غاز الربيديوم rubidium بواسطة العالمين كورنل وكارل كما ذكرت سابقا , وفي 1996 تم إنتاج هذه الحالة الفريدة بواسطة العالم Ketterle باستخدام غاز الصوديوم Na Sodium , وهؤلاء العلماء الثلاث تقاسموا جائزة نوبل في عام 2001.
 3- - كثافة بوز اينشتاين تنتج فقط للبوزوناتBosons, والبوزونات لا تخضع لمبدأ بأولي للاستبعاد pauli principle أي انه يمكن لبوزونين أو أكثر إن يحلن في نفس الحالة الكميه.

 وفالنهايه أحب إن اذكر إن كثافة بوز اينشتاين توصف من خلال معادلة جروس بيتيافسكي Gross–Pitaevskii equation (وهي نفسها معادلة شرودنجر الغير خطيه), ان أسعفني الوقت بإذن الله سوف أضع موضوع يتحدث عن هذه المعادله وطرق حلها.

لم ارد الاطاله واوجزت فالموضوع, واي استفسار لا تتردد في طرحه.

دمتم بود
 ميمان
_^_^_