فیزتک

تصور کنید که می توانستیم جهانمان را در 14 میلیارد سال پیش زمانی که کودکی بیش نبود ببینیم. اگر یک ماشین زمان داشتیم، می توانستیم به عقب برگردیم و چگونگی ظهور خصوصیات جنینی اش را بعد از مِهبانگ ببینیم. سوالات زیادی درباره آن لحظه ی آغازین وجود دارد: کدامیک ابتدا بوجود آمدند؟ ستاره ها یا کهکشانها؟ آیا ستارگان هر یک در زمانی ظاهر شدند یا به طورهمزان در غبارهای تودای ِ ایجاد شده؟ دانشمندان نظریاتی دارند، اما این شگفت انگیز می نماید که به طور واقعی در زمان به عقب نگاه کنیم و به یقین ببینیم.باور کنید یا نه، ماشین زمان وجود دارد- دانشمندان آن را تلسکوپ می نامند. ستاره شناسانی که ستارگان و کهکشانها را رصد می کنند، آنها را آنگونه که اکنون هستند نمی بینند، بلکه آنها به مانند زمانیکه نور ستاره سفرش را آغاز کرد ظاهر می شوند. با تلسکوپها، ستاره شناسان می توانند میلیاردها سال به گذشته سفر کنند.اخیرا ستاره شناسی به نام ریچارد اِلیس از انجمن فن آوری کالیفرنیا از تلسکوپ فضایی هابل ناسا برای سفر به گذشته تا نزدیکی زمان مِهبانگ استفاده کرد. او و همکارانش برای رصد ستارگان نوزاد -اولین ستارگانی که در جهانمان ظاهر شدند- جستجوی خود را آغاز کرد. الیس توضیح می دهد که: « در برخی نقاط یک میلیارد یا همین حدود سال بعد از مِهبانگ، جاذبه ی گرانشی سبب شده است که گازی که جهان را پر کرده بود فروپاشیده و اولین ستارگان را تشکیل دهد». جستجو به دنبال نشانه های این ستاره ها، که نور اول خوانده می شوند، یکی از چالشهای جالب توجه در ستاره شناسی جدید است.

الگوی مِهبانگ نظریه ای در سطح وسیع پذیرفته شده برای منشاء و تکامل جهان است. این الگو فرض می کند که 12 تا 14 میلیارد سال پیش، این بخش از جهان که اکنون می بینیم تنها چند میلیمتر وسعت داشته است. جهان از این حالتِ چگال و داغ به کیهانی سردتر و وسیعتر که در حال حاضر در آن ساکنیم، گسترش یافت. ما می توانیم باقیمانده ی این ماده چگال و داغ را به صورت تابش زمینه ی ریزموج کیهانی خیلی سردِ کنونی ببینیم که هنوز جهان را فرا گرفته است و برای گیرنده های ریزموج به صورت تابشی یکنواخت در سراسر آسمان قابل رویت است.الگوی مِهبانگ بر دو پایه ی نظری تکیه دارد. این دو ایده، کلّ مبنای نظری کیهانشناسی مِهبانگ را شکل می دهند و ما را به سوی پیشگویی های بسیار ویژه در خواص قابل مشاهده ی جهان هدایت می کنند. اولین ایده ی کلیدی در سال 1916 رقم خورد- زمانیکه اینشتین نظریه ی نسبیت عام خود را که توسعه داده بود به عنوان یک نظریه ی جدید گرانشی پیشنهاد کرد. در نظریه ی او- که نظریه ی ابتدایی گرانش اسحاق نیوتن، به سال 1680، را تعمیم می داد- فرض می شد که نظریه برای اجسام در حال حرکت به همان میزان صادق است که در مورد اجسام در حال سکون صدق می کند. گرانش نیوتنی تنها برای اجسام در حال سکون یا در حال حرکت خیلی آهسته نسبت به سرعت نور معتبر است (که معمولا یک فرض خیلی محدود کننده نیست). یک مفهوم کلیدی نسبیت عام این است که دیگر گرانش بوسیله ی یک "میدان" گرانشی توصیف نمی شود بلکه بیشتر فرض می شود که گرانش یک تغییر شکل فضا و زمان خود به خودی است. جان میلر - فیزیکدان - در عبارت "ماده چگونگی خمیدگی فضا را تعیین می کند، و فضا چگونگی حرکت ماده را" بخوبی این مطلب را گنجانده است. در اصل، نظریه تونایی محاسبه ی حالت ویژه ی مدار عُطارد و انحراف نور بوسیله ی خورشید را داشت، که این دو در نظریه ی گرانش اسحاق نیوتن توضیحی نداشتند. در سالهای اخیر، نظریه از یک سری آزمایشهای سخت سربلند در آمده است.بعد از معرفی نسبیت عام جمعی از دانشمندان، از جمله اینشتین، سعی کردند تا دینامیک گرانشی جدید را به کل جهان اعمال کنند. این کار در آن زمان نیاز به فرضی در مورد چگونگی پخش شدن ماده در جهان داشت. ساده ترین فرض این است که اگر محتویات جهان را بقدر کافی کم تراکم دیدید، تقریبا واضح خواهد بود که در همه جا و در همه ی جهات همین گونه است. این یعنی زمانیکه ماده ی موجود در جهان در مقیاسهای خیلی بزرگ مقدار میانگینی دارد، همگن و همسانگرد است. این فرض، اصل کیهانی نام گرفت و به طور مکرر مورد آزمایش قرار گرفت همانطور که به واقع توزیع کهکشانها در هر مقیاس بزرگی مشاهده شد. بعلاوه تابش زمینه ی ریز موج کیهانی، باقیمانده ی گرمای مِهبانگ، دمایی دارد که در تمام آسمان خیلی یکنواخت است. این حقیقت شدیدا بر این نکته تاکید دارد که گازی که این تابش را خیلی پیش ساتع کرد، بسیار یکنواخت پخش شده است.

در چند ثانیه آغازین بعد از مِهبانگ، جهان خیلی متفاوت از امروز بود. در حقیقت جهان از موادی به کلی متفاوت تشکیل شده بود: پلاسمای کوارک-گلوئون، یک سوپ "خارق العاده" از کوارکها و گلوئونها که به طور دیوانه واری در دمای بالاتر از 1000.000.000.000 درجه در جوش و خروش بود.کوارکها ذرات ریزی هستند (تقریباً هم اندازه ی الکترونها) که پروتونها، نوترونها و دیگر ذراتی که "هادورن" نامیده می شوند از آنها ساخته شده اند. همانطور که فوتونها ذرات "حامل نیرو"ی الکترومغناطیسی هستند، گلوئونها ذرات حامل نیروی قوی اند. قویترین نیرویی که در جهان وجود دارد همین نیروی قوی است که مسئول به هم چسباندن کوارکهای داخل پروتونها و نوترونها است. نیروی قوی بقدری قوی است که کسی موفق به جداسازی کوارکها بطور منفرد نشده است،‌ کوارکها همیشه به طور جفت شده ی دوتایی و سه تایی یافت می شوند.بلافاصله بعد از مِهبانگ دما بقدری بالا بود که بر چسبندگی گلوئونها چیره شد و کوارکها آزادانه به جوشش در آمدند. در نتیجه محصول بدست آمده "سوپی" از کوارکها و گلوئونها بود؛ پلاسمای کوارک-گلوئون. این پلاسما با سرد شدن جهان به سرعت محو شد. در حقیقت، در صد هزارم ثانیه ی آغازین -- زمانی که گلوئونها شروع به "گیراندازی" کوارکها در هادرونها کردند (فرایندی که هادرونیزاسیون خوانده می شود-- پلاسمای کوارک-گلوئون از بین رفت. کمی بعد از یک ثانیه آغازین بود که اولین هسته شروع به شکل گیری از آن هادرونها کرد، و این فرایند تقریبا یک میلیارد سال طول کشید تا اینکه اولین اتمها شکل گرفتند. باور کنید یا نه، انسان سعی در تولید پلاسمای کوارک-گلوئون در آزمایشگاه دارد! پروژه ای به نام فنیکس در آزمایشگاه ملی بروکهاون در لانگ آیلند با در هم شکستن ذرات در سرعتهای بی نهایت در درون شتابدهنده ای به نام "برخورد دهنده ی یون سنگین نسبیتی" سعی در تولید پلاسمای کوارک-گلوئون دارد. با توجه به تقاضای همگانی بعد از فراموشی میلیارد ها و میلیاردها ساله ، شاید بزودی سوپ جهان اولیه در بروکهاون سرو شود.The Early Universe SoupIn the first few millionths of the second after the Big Bang, the universe looked very different than today. In fact the universe existed as a different form of matter altogether: the quark-gluon plasma or QGP, a weird 'soup' of quarks and gluons buzzing around frantically at temperatures of over 1,000,000,000,000 degrees. Quarks are tiny particles (approximately same in size to electrons) which make up protons, neutrons and other so called 'hadron' particles. Just like photons are 'force carrier' particles for the electro-magnetic force, gluons are force carrier particles for the strong force. The strong force is the strongest force in the universe and is responsible for keeping the quarks 'glued' together inside protons and neutrons. The strong force is actually so strong that no one has even succeeded in separating individual quarks, they always come in pairs of two or three. Immediately after the Big Bang the temperature was so high that it overpowered the gluons and freed the quarks to buzz around. The result was a dense 'soup' of free quarks and gluons; the quark-gluon plasma. This plasma quickly disappeared as the universe cooled. In fact, the QGP was gone within the first hundred-thousandth of a second when the gluons started 'trapping' all the quarks into hadrons (process called hadronization). After the first second or so the first nuclei started forming from those hadrons, and it took almost a billion years for the first atoms to form. Believe it or not, humans are trying to reproduce this QGP in the laboratory! A project called Phenix at the Brookhaven National Laboratory in Long Island is trying to produce QGP by smashing particles at extreme speeds inside an accelerator called RHIC (Relativisting Heavy Ion Collider). The early universe soup may be soon served at Brookhaven, back by popular demand after being forgotten for billions and billions of years!

گداختگی و تابناکی دو راه اصلی تولید نور هستند. در گداختگی، جریان الکتریکی از یک رسانا (نظیر رشته ی لامپ معمولی) عبور می کند. دمای رسانا بخاطر مقاومت در مقابل جریان عبوری افزایش می یابد و رسانا شروع به تابش نور (درخشش) می کند. حالت دیگر، تولید نور بدون گرما، تابناکی خوانده می شود که گاهی به «نور سرد» مشهور است. تابناکی انواع مختلفی دارد: تابناکی الکتریکی، تابناکی شیمیایی، تابناکی نوری، ... .درخشش اسباب بازی های تیره اغلب بر اساس تابناکی نوری است. رنگ اسباب بازی با قرار گرفتن در معرض نور ماورای بنفش (نور سیاه)، نوری در محدوده ی مرئی (به رنگ سبز) ساطع می کند که هیچ گرمایی ندارد. میله های نوری اضطراری نمونه ای از تابناکی شیمیایی می باشند. با شکستن میله، دو ماده شیمیایی موجود در آن ترکیب می شوند و واکنشی شیمیایی بین آنها رخ می دهد که نور تولید می کند، این بار نیز گرمایی ایجاد نمی شود. تابناکی الکتریکی پدیده ای است که در آن انرژی میدان الکتریکی به نور تبدیل می شود. چراغهای دوشاخه دار، دیودهای نوری، و بعضی صفحه های نمایش بر این اساس کار می کنند.فن آوری تابناکی الکتریکی چند وقتی است که فراگیر شده است؛ با این حال اخیراً گروهی محقق از انستیتوی تکنولوژی جورجیا یک پیشرفت قابل توجه داشته است. آنها تابناکی الکتریکی را از یک مولکول منفرد نقره تولید کرده اند. آنها فیلمهای نازکی از اکسید نقره را که الکتروتابناک نیستند، در معرض جریان مستقیم تقریباً یک آمپری قرار دادند. این کار بعضی از مولکولهای اکسید نقره را فعال ساخت، که بعد از آن در نواحی بی رنگ فیلم ظاهر شدند (تصویر الف). زمانیکه الکترودها جریان متناوب را انتقال می دهند و این جریان به فیلم وارد می شود، یک خط باریک از خوشه های نقره شروع به تابش نور در رنگهای متنوع می کند که بستگی به اندازه ی خوشه ها دارد (تصویر ب). وقتی آنها تصویر را با بزرگنمایی مشاهده کردند (تصویر پ) آثار تابش نور از مولکول منفرد قابل رویت بود. این اولین بار بود که تابناکی اکتریکی در مولکول منفرد مشاهده می شد. کنکاش بیشتر ما را به سمت منابع نوری کوچک رهنمون می سازد که می توان در چیپهای کامپیوتری، حافظه های نوری کوچک، ایجاد اطلاعات کوانتومی بسیار کارآمد و رمزگذاری مورد استفاده قرار داد. Single Molecule Electroluminescenceby Anton Skorucak and ScienceIQ.com (A) Silver oxide film exposed to DC current; (B) activated regions emitting light when conected to AC current; (C) zoom shows single molecule electroluminescenceProceedings of the National Academy of Sciences Incandescence and luminescence are two main ways of producing light. In incandescence, electric current is passed through a conductor (filament of a light bulb for example). The resistance to the current in the conductor heats it up and it starts emitting light - glowing. Any other form of producing light without heat is called Luminescence, sometimes referred to as 'cold light'. There are various types of luminescence: electroluminescence, chemiluminescence, photoluminescence, etc. Most glow in the dark toys work on the photoluminescence principle: you expose the dye in the toy to UV - Ultra Violet light (black light) and it emits light in the visible (say green) without getting hot. Emergency light sticks would be an example of chemiluminescence. Two chemicals contained in the stick are mixed when you break the stick and the chemical reaction between them produces light, again without the stick getting hot. Electroluminescence, however, is a phenomenon where electric field energy is converted into light. Plug-in night lights, light emitting diodes, and some displays work on this principle. Electroluminescent technology has been around for some time; however a research group from the Georgia Institute of Technology has recently made a breakthrough. They produced electroluminescence from a single molecule of silver. They exposed thin films of silver oxide, which are not electroluminescent, to direct current of approximately one ampere. This activated some of the silver oxide molecules, which then appeared within discolored regions in the film (image part A). When electrodes carrying alternating current were then attached to the film a thin line of silver clusters began to emit light in colors that varied depending on the size of the clusters (image part B). When they zoomed in (image part C), single molecule light emission signatures were visible. This was a first observation of a single molecule electroluminescence. Further research may lead to small light sources that can be used on computer chips, small optical memories, high-efficiency quantum information processing and cryptography.