ششمین حالت ماده کشف شد

به گزارش خبر آنلاین فیزیک‌دانان اکنون با پنج حالت ماده یعنی جامد، مایع، گاز، پلاسما و چگالش بوز-اینشتین آشنایی دارند. اکنون به نظر می‌رسد که دانشمندان در شرف کشف گروه کاملا جدیدی از ماده هستند، ماده‌ای که تماما بر اساس ریاضیات بنا شده است.

به گزارش نیوساینتیست، نیلز باس، ریاضی‌دان دانشگاه علم و صنعت نروژ در استکهلم، راه‌های احتمالی فراوانی را که عناصر می‌توانند بر اساس آن با یکدیگر پیوند بخورند، کشف کرده است.

باس هنگام انجام تحقیقات خود در زمینه توپولوژی - شاخه‌ای از ریاضیات برای مطالعه مشخصاتی که اجسام به دلیل شکلشان به دست می‌آورند- به این کشف دست یافته است. توپولوژی به طور خاص شکل‌های مختلفی از اجسام را بررسی می‌کند که آنها در صورت خم شدن یا فشرده شدن به خود می‌گیرند. برای مثال، دونات (نوعی شیرین حلقوی توخالی) و فنجان چای توپولوژی یکسانی دارند: این امکان وجود دارد که با فشرده کردن دونات و بدون از بین بردن سوراخ میانی، آن را به شکل فنجان تبدیل کنید.

باس مشغول مطاله حلقه‌های برونی (Brunnian Rings) بود، مجموعه‌ای از حلقه‌ها که به یکدیگر وصل هستند اما با بریدن تنها یکی از حلقه‌ها، می‌توان همه آنها را از هم جدا کرد. حلقه‌های بورومین (Borromean Rings) مشهورترین مثال از این حلقه‌ها هستند: هر کدام از سه حلقه بورومین تنها از میان یکی دیگر از حلقه‌ها عبور کرده است و بریدن یکی از حلقه‌ها، همه آنها را از هم جدا می‌کند.

باس نشان داد که امکان ایجاد اتصالات به مراتب بیشتری وجود دارد: علاوه بر اتصال برونی برای چهار عضو یا بیشتر، مجموعه‌هایی از اتصالات برونی که به روش برونی به یکدیگر متصل شده‌اند، می‌تواند اشکالی را خلق کنند که باس آنها را ابرساختار (Hyperstructures) می‌نامد.

ابرساختارها و رایانه‌های کوانتومی

در سال 1970 / 1349، ویتالی افیموف که اکنون استاد دانشگاه واشنگتن است، پیش‌بینی کرد که توپولوژی حلقه‌های بورومین، به صورت فرمی از پیوند بین سه ذره که تا آن زمان ناشناخته بود، در طبیعت منعکس می‌شود. در پنج سال اخیر، دانشمندان ثابت کرده بودند که برخی از این پیوندها، می‌تواند در سیستم‌های فیزیکی رخ دهد. در سال 2006 / 1385، محققان وضعیت افیموف را در یک گاز از اتم‌های فوق شرد سزیم کشف کردند: هر اتم یک اتصال تک به اتم‌های دیگر داشت، اما برداشتن یکی از اتم‌ها همه آنها را به هم می‌ریخت.

سپس در سال 2010 / 1389، محققان ژاپنی حلقه‌های بورومین را در پیوندهای بین هسته اتم‌ها کشف کردند. باس می‌گوید: «به نظر می‌رسد که این ساختارها به صورت دستورالعملی از آنچه می‌توان در دنیای واقعی ساخت عمل می‌کنند.»

اما ابرساختارهای باس توپولوژی ذاتا متفاوتی با هر چیز دیگری دارند که تا کنون در طبیعت مشاهده شده است. باس تصور می‌کند که اگر بتوان گروه‌های ذرات را مجبور کرد تا به این روش به هم متصل شوند، موادی را شکل می‌دهند که مشخصات آنها تاکنون مشاهده نشده است. وی می‌گوید: «وقتی شما به یک مرحله بالاتر می روید، از نظر ریاضی چیز کاملا جدیدی اتفاق می‌افتد. من حدس می‌زنم که در دنیای واقعی نیز همین طور باشد.»

شکل جدید ماده

باس به همراه ند سیمن از دانشگاه نیویورک قصد دارد تا روش ساختن این ابرساختارها را کشف کند. سیمن که در سال 1997 / 1376، حلقه‌های بورومین را با استفاده از رشته های دی.ان.ای ایجاد کرد می‌گوید: «به نظر می‌رسد که ریاضیات پیشگویی خوب از واقعیت باشد. من خیلی امیدوارم که تلاش ما به نتیجه برسد.»

باس قصد دارد تا کارهای دیگری هم انجام دهد. یکی از اهداف وی سر و کله زدن با اصول نظریه کوانتوم است. در یک پدیده کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی، ذراتی که با هم اندرکنش دارند حتی اگر از هم جدا شوند، باز هم به طرز حیرت‌آوری با هم هماهنگ هستند و روی هم اثر می‌گذارند. به گفته باس اگر ذرات به شکل پیچیده برونی به یکدیگر متصل شوند، ممکن است قادر باشند تا حتی هنگام جدا شدن بر روی هم اثر بگذارند. به این ترتیب می‌توان راه‌های جدیدی برای خلق ارتباطات شبح‌وار راه دور، مشابه آنچه که در سیستم‌های درهم‌تنیده مشاهده می‌شود فراهم کرد.

باس می‌گوید: «با توجه به اینکه این اتصالات از توپولوژی استخراج شده‌اند، می‌توان به عقب بازگشت و آنها را در معادله شرودینگر جستجو کرد، معادله‌ای که ریاضیات نظریه کوانتوم را توصیف می‌کند.» بر همین اساس، می‌توان وضعیت‌های کوانتومی جدیدی را در آزمایشگاه خلق کرد. با این کار می‌توان راه‌های جدیدی را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی فوق قدرتمند پیدا کرد، رایانه‌هایی که اطلاعات ورودی آنها توسط وضعیت‌های کوانتومی ذرات تامین می‌شود. این اطلاعات کوانتومی می‌توانند در یک لحظه در وضعیت‌های مختلفی باشند، در نتیجه رایانه‌های کوانتومی می‌توانند حجم زیادی از محاسبات را به طور هم‌زمان انجام دهند.